بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ساخت هيتوگراف مصنوعي به منظور محاسبه سيلاب هاي طراحي با استفاده از روش بلوکهاي متناوب
چکيده
در مواردي که در منطقه اي فاقد آمار هيدرومتري قرار داشته و سازه هيدروليکي تحت مطالعه سازه اي بزرگ و مهم نظير يک سد مخزني باشد، استفاده از مدل هاي رياضي بارش – رواناب براي محاسبه هيدروگراف طراحي و دبي اوج اجتناب تاپذير است . در چنين حالتي بايد در مرحلة اول هيتوگراف طراحي را بدست آورد. هيتوگراف محاسبه شده بطور قابل ملاحظه اي بر روي شکل و مقدار اوج هيدروگراف حاصل اثر خواهد گذاشت . در مناطق فاقد باران نگار، هيتوگراف طراحي با استفاده از روش هاي تجربي و يا داده هاي IDF (شدت ، مدت ، فراواني ) توليد مي شوند و در صورتي که دسترسي به اين اطلاعات غير ممکن باشد معمولاً از الگوهاي توزيع زماني تيپ از قبيل الگوهاي تيپ SCS براي اين منظور استفاده مي شود. تحقيقات به عمل آمده نشان مي دهد که در بسياري از نقاط ايران و از جمله جنوب غربي کشور، الگوهاي مزبور قابل استفاده نمي باشند. يکي از راه هاي توليد مصنوعي هيتوگراف طراحي استفاده از روش بلوک هاي متناوب است که بر اساس منحني هاي IDF و در نظر گرفتن درصدي از زمان تمرکز حوزه ، بارش طراحي را به بلوکهاي متوالي شکسته و با قرار دادن بزرگترين بلوک در محلي از زمان تداوم بارش ، توزيع زماني خاصي را توليد و به اين ترتيب هيتوگراف طراحي را بدست مي دهد. بيشترين مساحت حوضه آبريز که استفاده از روش بلوکهاي متناوب براي تعيين الگوي زماني بارش طراحي در آنها مجاز شمرده شده است ١٠٠٠ کيلومتر مربع مي باشد.
در اين مقاله به چگونگي ساخت IDF منطقه طرح به کمک بارش ٢٤ ساعته و با استفاده از دو مدل رياضي مختلف براي شبيه سازي بارش هاي کوتاه مدت اشاره مي شود. در ادامه ، نحوه بکارگيري روش بلوکهاي متناوب براي محاسبه سيلاب طراحي در محل ايستگاه هاي جره بالا (محل احداث سد مخزني شهيد رئيس علي دلواري ) و ايستگاه سعدآباد در پايين دست آن ، روي رودخانه شاپور در استان بوشهر تشريح گرديده است . در پايان مقاله شاهد مقايسه هيدروگراف توليد شده و هيدروگراف واقعي ثبت شده در محل سد مخزني و نيز هيدروگراف منتقل شده به محل ايستگاه سعدآباد با استفاده از روش هيدروگراف مصنوعي اشنايدر و تقريب نزديک به واقعيت روش پيشنهادي خواهيم بود.
کليد واژه ها: بلوکهاي متناوب ، توزيع زماني ،بارندگي ، مدل رياضي بارش هاي کوتاه مدت ، مدل رياضي بارش - رواناب
١- مقدمه
رگبار طراحي داراي ويژگي هايي چون دوره بازگشت ، مدت ، عمق ، نقطه اوج ، زمان رسيدن به نقطه اوج و توزيع زماني بارش در طي رگبار طرح است . زمان رسيدن به اوج در باران طراحي بويژه در مدل هاي بارش – رواناب از اهميت بسيار بالايي برخوردار مي باشد. اصولاً اولين مقادير بارندگي صرف پرکردن خلل و فرج خاک ، چالاب و نفوذ مي شوند. از اين رو رواناب حاصله از بارندگي هايي که بيشترين مقدار بارش خود را در اولين چارک از زمان بارندگي فرو مي ريزند، داراي اوج شديدي نمي باشند. برعکس رگبارهاي چارک چهارم روانابهاي شديدي توليد مي نمايند و از نقطه اوج بزرگتري برخوردار هستند. زمان رسيدن به اوج در رگبارها با رابطة (١) بيان مي گردد[١]:
که در آن tr ضريب اوج گيري ، tp زمان رسيدن به اوج وT کل تداوم رگبار مي باشد. بر اساس رابطه (١)، هر چه مقدار tr به يک نزديک تر باش ، بدان معني است که رگبار حداکثر مقدار بارش خود را در انتهاي بارندگي فرو خواهد ريخت و مقدار روانآب بيشتري توليد خواهد کرد. در تعيين هيتوگراف طراحي با استفاده از روش بلوک هاي متناوب ، هدف اصلي تعيين ضريب اوج گيري متناسب با واقعيت هاي منطقه به صورتي است که بزرگترين سيل را توليد نمايد.
٢- سابقه مطالعات
روشهاي تعيين الگوي توزيع زماني را به طور کلي مي توان به دو دسته روشهاي توليد مصنوعي الگوي توزيع زماني و روشهاي مبتني بر داده هاي مشاهده اي تقسيم بندي نمود. روش بلوک هاي متوالي ، رگبار طرح شيکاگو، رگبار طرح سيفالدا، رگبار طرح مثلثي شکل و الگوي رگبار مستطيل شکل از دسته اول و روش هاي رتبه بندي پيل گريم ١ و روش هاف ٢ از دسته دوم مي باشند[٢و٣]. هاف جهت تعيين الگوهاي زماني رگبارها بر اساس اينکه بيشترين مقدار بارندگي در کدامين چارک از تداوم رگبار اتفاق افتاده است ، رگبارها را تقسيم بندي و الگوهاي زماني آنها را با احتمالات مختلف استخراج نموده است .
پيل گريم (١٩٨٠) نيز روش خود را بر اساس رتبه بندي مقادير بارندگي دوره هاي مختلف رگبارها استوار نموده است . در اين روش ، او مقدار فراواني رتبه هاي مختلف را در هر يک از دوره ها محاسبه و بر اساس آن الگوهاي زماني رگبارها را استخراج نمود. يکي ديگر از روشهاي مرسوم در تعيين الگوي زماني بارش با استفاده از داده هاي مشاهده اي ، روشي ترسيمي است که به وسيله هرشفيلد٣ ارائه شده است [١]. در اين روش ، کليه رگبارهاي مشاهده شده در يک تداوم و يا تداوم هاي مختلف روي يک صفحه مختصات برده شده و به صورت بي بعد به نمايش در مي آيند، سپس به صورت چشمي و يا ميانگين گيري ، خطي از ميان آنها عبور داده مي شود که در واقع الگوي ميانگين زماني آنها مي باشد. از ميان روش هاي توليد مصنوعي هيتوگراف طراحي ، يکي از مهمترين و پرکاربردترين آنها الگوهاي تيپ بارندگي اداره حفاظت خاک آمريکا (SCS سابق و NRCS کنوني ) مي باشد. روش SCS براي محاسبه هيدروگراف سيلاب بسياري از حوضه هاي درون شهري و برون شهري اقدام به تهيه الگوهاي تيپ بارندگي نموده است . اين اداره توزيع زماني رگبارهاي بحراني را براي طراحي سدها و ساختمانهاي کوچک معمولا يکنواخت فرض مي کند. اين روش همچنين الگوي تيپ بارندگيهاي ٢٤ ساعته را براي محاسبة هيدروگراف سيلاب هاي بسياري از حوضه هاي درون و برون شهري پيشنهاد کرده است [٤]. الگوي مزبور مجموعه اي از چهار توزيع زماني باران است که در شکل (١) نشان داده شده است .
شکل ١- الگوي تيپ بارندگي ٢٤ ساعته SCS (به نقل از [ ٥] )
با توجه به شکل (١) مشخص است که در مناطق و نواحي که از تيپ I و IA پيروي مي کنند، حداکثر شدت بارش در ساعت هشتم و در مناطق تيپ II و III حداکثر مقدار بارندگي در مرکز رگبار رخ داده است . بنابراين ، در مناطق تيپ II و III بنظر مي رسد بزرگترين عمق بايد در مرکز پايه زماني ٢٤ ساعته قرار گيرد [٥].
٣- تعيين الگوي توزيع زماني رگبار به روش بلوک هاي متوالي
روش بلوک هاي متوالي يکي از ساده ترين روش هاي تهيه و ايجاد يک هيتوگراف طرح است که با استفاده از يک منحني شدت – مدت – فراواني به آساني قابل تهيه مي باشد. براي تعيين هيتوگراف طرح در اين روش عمق هاي بارندگي در n فاصله زماني متوالي ( t∆ ) از يک پايه زماني خاص T (Tn∆t ) تعيين ميشود و سپس حداکثر مقدار بارش اتفاق افتاده در کل زمان بارندگي در جايي از زمان بارندگي ، مثلاً در وسط ، دومين حداکثر در سمت راست ، سومين حداکثر در سمت چپ قرار گرفته و اين کار تا آخر به همين شکل تکرار مي شود. به اين ترتيب شکلي بوجود مي آيد که حداکثر مقدار بارش در وسط رگبار رخ داده و از مقدار بارش به هر دو سمت کاسته مي شود[٦].
مدل مورد استفاده در اين تحقيق مدل HEC-HMS نسخه ٢.١.٣ مي باشد که توسط مرکز تحقيقات هيدرولوژي اداره مهندسي ارتش آمريکا(CORP OF ENGINEERS) توسعه و تعميم يافته است . اين مدل جانشين مدل ١-HEC بوده و تمام توانايي هاي اين مدل به اضافه توانايي ديدن ديفيوژن در آبراهه ها را دارا است .يکي از مدول هاي اصلي مدل رياضي HEC-HMS ، مدول رواناب سطحي مي باشد که براي شروع محاسبات نيازمند معرفي هيتوگراف رگبار طراحي مي باشد. يکي از گزينه هاي مدل در اين ارتباط ، گزينه بلوکهاي متناوب مي باشد. HEC-HMS بعد از گرفتن عمق رگبار در t∆هاي معين براي توزيع مقادير بارش نقطه اي در سطح ، ضريبي کاهشي را مطابق توصيه هاي اداره هواشناسي ايالات متحده روي آنها اعمال مي نمايد. در اين مدول امکان اختيار نمودن ضريب اوجگيري در هر يک از چهار چارک بارندگي وجود دارد. در هنگام استفاده از اين مدول به کاربر يادآوري مي شود که استفاده از اين روش محدود به مساحت ۱۰۰۰ کيلومتر مربع مي باشد[٧].
٤- محاسبة منحني هاي شدت – مدت – فراواني با استفاده از مدل هاي رياضي
مسئله ساخت رگبارهاي کوتاه مدت از روي بارش هاي بلند مدت و بخصوص ٢٤ ساعته ، با توجه به نبودن اطلاعات ثبت شده ، مدتهاست که نظر محققين منابع آب را به خود جلب نموده است .هرشفيلد مقدار نسبت بارندگي يک ساعته به باران ۲۴ ساعته را براي ايالات متحده بين ۰.۱ تا ۰.۶ با متوسطي معادل ۰.۴ بدست آورد. وي نقشه هم نسبت مقدار باران ۶ ساعته به مقدار باران ۲۴ ساعته با دوره بازگشت ۲ ساله را براي کشور مزبور رسم نمود . در اين حالت مقدار نسبت گزارش شده ۰.۵ تا بزرگتر از ۰.۸، با متوسط ۰.۷ مي باشد.بل ٤ با بيان اين امر که مکانيزمهاي تشکيل بارانهاي کوتاه مدت و بلند مدت از نقطه نظر اصول فيزيکي با يکديگر متفاوت مي باشند، روابطي تجربي را براي محاسبه بارانهاي کوتاه مدت از روي باران هاي بلند مدت ارائه نمود.جونز و همکاران (١٩٨١)٥ نسبت باران ماکزيمم روزانه به بارندگي کوتاه مدت را براي ۶ ايستگاه باران سنجي در عربستان سعودي معادل ۱.۶۷ تا ۲.۲۸ با انحراف معياري معادل ۰.۰۳ تا ۰.۸۱ بدست آوردند.چن (١٩٨٣)٦ ثابت کرد که نسبتهاي بين مقدار باران در مدتهاي دوام مختلف به مقدار بارندگي کوتاه مدت ، تنها تا مدت دوام يک ساعت مي تواند به صورت عددي ثابت بيان شوند و در مدت دوام هاي بيشتر از يک ساعت نسبت فوق الذکر تابعي از موقعيت ايستگاه باران سنجي خواهد بود.فرو(١٩٩٣)٧ با استفاده از داده هاي شدت بارندگي در پايه زماني ۵ دقيقه الي ۲۴ ساعته با دوره بازگشت ۲ تا ۱۰۰ سال در ۷۸ ايستگاه ثبات در هند روابطي
