بخشی از مقاله
خلاصه
هدف از انجام این پژوهش بدست آوردن d50 بهینه ای می باشد که به ازای آن جداره خارجی قوس های یک مئاندر پایدار بماند. بدین منظور بازه ای از رودخانه کرخه به طول حدود 15 کیلومتر که شامل 3 قوس مناسب بود انتخاب گردید. سپس با استفاده مدل CCHE2D بازه انتخابی مش بندی شد. در ادامه با استفاده از دبی با دوره بازگشت های 2، 50 و 100 سال مدل شبیه سازی گردید.
با استفاده از نتایج شبیه سازی جریان بر اساس دوره بازگشت 50 سال و در نظر گرفتن شرایط جریان ماندگار مدل عددی CCHE2D با زبری های متفاوتی شبیه سازی شد. نتایج این پژوهش نشان داد که اگر d50 جداره های خارجی قوس اول، دوم و سوم حدود 63، 351 و 239 میلی متر باشد، تنش برشی ایجاد شده در این نواحی به مقدار تنش برشی آستانه حرکت ذرات رسوبی رسیده و باعث پایداری قوس خارجی مئاندر می گردد.
مقدمه
اگرچه رودخانه ها از دیرباز به عنوان مهمترین منبع تأمین نیازهای آبی جوامع بشری به شمار می روند، با این وجود وقوع سیلاب های مخرب در این مجاری همواره عامل تهدیدی برای ساکنین اراضی و تاسیسات احداث شده در مجاورت سواحل آنها می باشند. استفاده بهینه همراه با پیش گیری و یا کنترل اثرات زیانبار رودخانه ها، مستلزم شناخت ساز و کار جریان در آن ها در شرایط مختلف میباشد.
از نقطه نظر ویژگی های مرفولوژیکی، در شرایط طبیعی، رودخانه ها به ندرت دارای مسیر مستقیم بوده معمولاً دارای پیچ و خم های متعدد می باشند که این امر به نوبه خود باعث ایجاد پیچیدگی های فراوان در بررسی خصوصیات هیدرولیکی جریان در آن ها میشود. مجموعه عوامل فوق موجب شده است که مطالعه جریان در مجاری انحنادار به عنوان یکی از زمینه های مورد علاقه محققان و مهندسین رودخانه به شمار رفته به گونه ای که در طی 45 سال گذشته مطالعه های فراوانی در خصوص تعیین ویژگی ها و پارامترهای مهم جریان در رودخانه ها ارایه شده است.
مشاهده های به عمل آمده از پیچانرودها موید این نکته است که در سواحل خارجی آن ها فرسایش و در سواحل داخلی آن ها پدیده رسوبگذاری به وقوع می پیوندد .[1] از نقطه نظر مدیریت رودخانه، وجود اطلاعات کمی در خصوص پدیده فوق و نیز پارامترهای هیدرولیکی وابسته از قبیل سرعت جریان، عمق آب و... بسیار ضروری می باشد. از طرف دیگر، در رودخانه های طبیعی تولید خم های متوالی و پی در پی یک مؤلفه اجتناب ناپذیر از فرآیندی است که رودخانه طی آن دگردیسی می یابد. اگر این خم ها بسیار تند باشند افت انرژی و رقوم سطح آب به خصوص در مواقع سیلابی، در پایین دست خم افزایش می یابند.
علاوه بر مسئله افت انرژی، ایجاد نا آرامی و تلاطم در پیچ، ممکن است تا فاصله ای طولانی در پایین دست نیز تأثیرات نامطلوبی را نظیر تغییرات سطح آب و تأثیر آن بر مقدار آبگیری، افزایش تنش های وارده بر ذرات به جا بگذارد. به همین منظور در مهندسی رودخانه لازم است تا ضمن شناخت الگوهای رفتاری جریان در خم - پیچ - که حاکم بر پدیده های معینی است و در این مقاطع دیده می شود، نسبت به اصلاح و یا مقابله با موارد نامطلوب - نظیر آنچه بالا ذکر شد - در طراحی سازه ها اقدام شود. برای پیش بینی واکنش رودخانه معمولاً از مدل های عددی و فیزیکی استفاده می شود .[2]
مغربی در سال 1390، در پژوهشی الگوی جریان آشفته را در بازه ای از رودخانه ی کارون که شامل دو خم 180 درجه تند به صورت دو بعدی متوسط گیری شده در عمق در حالت غیر دائم توسط مد لهای عددی MIKE 21 FM و CCHE2D مد لسازی نموده است. نتایج این پژوهش نشان داد که هر دو مدل به طور کیفی به درستی الگوی جریان در ناحیه ی مورد بررسی را شبیه سازی می کنند، اما تفاوت هایی در نتایج حاصل از مدلسازی در دو نرم افزار فوق الذکر وجود دارد که ناشی از نحوه ی حل معادلات و توانایی های متفاوت در این دو نرم افزار است .
[3] خماری پامساری و همکاران در پژوهشی در سال 1390، الگوی جریان غیرماندگار در رودخانه چم میرکی را با استفاده از مدل هیدرودینامیکی CCHE2D بررسی نمودند و تغییرات رفتاری پارامترهای سرعت، عمق جریان، تنش برشی و غیره را در رودخانه مورد ارزیابی و تحلیل قرار دادند .> @4 عباسی و همکاران در پژوهشی در سال 1392، روند رسوبگذاری در مخزن سد کرخه را با بکارگیری مدل دوبعدی CCHE2D برای 50 سال آینده پیش بینی نمودند.
علاوه بر این، با ترسیم مقاطع طولی و عرضی در مخزن سد، میزان رسوبگذاری و فرسایش در نقاط مختلف ارزیابی شد و نقاط بحرانی از لحاظ کاهش ظرفیت انتقال جریان به علت رسوبگذاری مشخص گردید .[5] نثار در سال 2011 میلادی در پژوهشی، بازه ای از رودخانه نیل را با استفاده از مدل دو بعدی جریان CCHE2D شبیه سازی نمود. نتایج آنالیز حساسیت تعدادی از پارامترهای جریان نشان داد که الگوی جریان در این رودخانه تحت تاثیر ضریب زبری بستر قرار دارد.
علاوه بر این استفاده از فرمول تجربی Van Rign 1984 در تعیین ضریب زبری بستر رودخانه کارآمدتر بود .[6] آزاد و همکاران در پژوهشی در سال - 2011 - ، با استفاده از سنجش از دور نتایج شبیه سازی جریان رودخانه می سی سی پی را مورد ارزیلبی قرار داند. نتایج این پژوهش حاکی از دقت مدل CCHE2D در شبیه سازی بود .[7] از آنجا که همه این مدل ها به منظور سهولت در تعیین معادلات مربوط به بقای جرم و اندازه حرکت، مجبور به در نظر گرفتن فرضیه های شده اند، لذا وجود مقادیری خطا بین مقادیر اندازه گیری شده میدانی و مقادیر محاسبه شده قابل انتظار می باشد.
در نتیجه کاربرد یک مدل مشخص در یک بازه مطالعاتی می باید با توجه به فرضیات فوق و محدودیت های مربوطه انجام گیرد. تهیه مدل های عددی مختلف در زمینه مهندسی رودخانه، مستلزم آگاهی از ویژگی های جریان بالاخص در مسیر های غیر مستقیم می باشد. در این راستا و به منظور حل معادلات جریان، می بایست از فرضیه ای به منظور ساده سازی معادلات حاکم استفاده شود. دقت و صحت این فرضیات و تقریب های در نظر گرفته شده در شرایط مختلف، تنها به وسیله انجام مطالعات گسترده آزمایشگاهی و میدانی معلوم می شود.
مواد و روش ها
منطقه مورد مطالعه: منطقه مورد بررسی در این پژوهش بازه ای به طول حدود 15 کیلومتر از رودخانه کرخه که در پایین دست سد کرخه - ایستگاه هیدرومتری پای پل - می باشد. دلیل انتخاب این بازه این است که اولاً آمار و اطلاعات این رودخانه در ایستگاه هیدرومتری پای پل مناسب تر از سایر ایستگاه های دیگر است و علاوه بر این 3 قوس مناسب برای انجام شبیه سازی جریان دو بعدی رودخانه در این بازه واقع شده است.
شکل 1 بازه انتخابی از رودخانه کرخه را نشان می دهد. رود کرخه از کوه الوند در 14 کیلومتری جنوب شهر همدان سرچشمه میگیرد و پس از دریافت شعباتی از ملایر، تویسرکان و نهاوند، از یک بستر باریک کوهستانی میگذرد و پس از این که رود دیناور به آن میپیوندد، از پای بیستون گذشته، از درههای کوچکی عبور میکند و سپس سیاهآب یا قرهسو که از شرق کرمانشاه میگذرد، به آن ملحق میشود. پس از مشروب ساختن کرمانشاه و دریافت شعباتی چند مانند رود ماهیدشت، هلیلان و کرند وارد لرستان میشود.
معرفی مدل :CCHED مدل CCHE2D در سال 1997 در مرکز بین المللی National Center for Computational Hydroscience and Engineering - NCCHE - توسط آقایان جیا، وانگ و سام زیر نظر دانشگاه می سی سی پی آمریکا تهیه گردید. در سالیان اخیر مدل مذکور به تدریج توسعه یافته به طوری که نگارش آخر آن CCHE2D 3.2 از قابلیت های زیادی در زمینه شبیه سازی آب و رسوب برخوردار می باشد.
کدهای این برنامه با استفاده از زبان برنامه نویسی فرترن 90 نوشته شده است. به طور کلی این مجموعه شامل دو مدل جداگانه است. یکی مدل CCHE2D Mesh Generator و دیگری مدل .CCHE2D-GUI مدلCCHE2D Mesh Generator با ایجاد قابلیت تولید شبکه ساختار یافته محیطی ایجاد می نماید که معادلات آب و رسوب به کار رفته در مدل CCHE2D-GUI بتوانند طبق روش عددی المانهای محدود گسسته شوند. مدل CCHE2D یک مدل دو بعدی متوسط عمقی می باشد که شرایط جریان در این مدل به صورت غیرماندگار است و می تواند در این حالت جریان آب و رسوب را بر اساس روش المان های محدود شبیه سازی کند. روند به کار گرفته شده در مدل CCHE2D به طور شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است .[8]
ارزیابی مش: برای ارزیابی کیفیت مش تولید شده توسط مدل CCHE2D Mesh Generator می توان از توابع حداکثر انحراف عمودی 1 - MDO - و یا متوسط انحراف عمودی 2 - ADO - استفاده نمود. بطور کلی هر چه مقدار این توابع کمتر باشد مش تولید شده کیفیت مناسب تری خواهد داشت. معادلات جریان آب حاکم بر مدل :CCHE2D از آنجا که اغلب جریان های مجاری باز جزء مسائل آب های کم عمق می باشند، بنابراین تاثیر حرکت قائم ذرات اب از اهمیت چندانی برخوردار نبوده و به همین دلیل معادلات دو بعدی متوسط گیری شده در عمق در بیشتر موارد شبیه سازی هیدرولیک جریان در رودخانه ها از دقت و کارایی مناسبی برخوردار است.
