بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله نحوه طراحی سیستم های جمعآوری و انتقال رواناب در مناطق شهری با استفاده از روشهای شبیهسازی هیدرولوژیکی در داخل واحدهای شهری و روندیابی هیدرولیکی در مسیر کانالهای شبکه تا خروجی محدوده مورد بررسی قرار میگیرد.و با معرفی قابلیتهای مدل SWMM ، روش و ملاحظات شبیه سازی ارائه شده و کاربرد این روش و مراحل طراحی با مدل جهت شبیهسازی رایانهای سیلاب شهری ارائه می گردد. در ادامه کاربرد این برنامه در منطقه 8 تهران ارائه گردیده و نتایج خروجی از برنامه با نتایج روش منطقی مقایسه می گردد.
واژه های کلیدی: سیلاب شهری، رواناب ، شبیهسازی، سیستمهای جمعآوری
-1 مقدمه:
یک منطقه شهری طبق تعریف عبارت از منطقهای با تمرکز بالای فعالیت های انسانی، که با مناطق نفوذناپذیر گسترده و مجاری آبروی ساخته دست بشر - سیستمهای زهکشی شهری - متمایز شده است. در نتیجه در مناطق شهری با افزایش حجم رواناب و جریانی مواجه شدیم که میتواند منجر به سیلابی شدن مجاری آبرو و تخریب مناطق مسکونی شود. مناطق غیرقابل نفوذ یا با نفوذپذیری کم مثل پشتبام، خیابان و پارکینگ بخش قابل توجهی از مساحت حوضههای شهری را به خود اختصاص دادند.پیشرفت فراوان در زمینه محاسبات کامپیوتری منجر به تهیه نرمافزارها و مدل های متنوعی شده است. استفاده از این مدلها میتواند در بالا بردن دقت محاسبات و بهدست آوردن طرحی اقتصادی بسیار مفید باشد.
از آنجا که تهیه مدلهای کامپیوتری معمولاً مستلزم صرف وقت و هزینههای اولیه نسبتاً سنگین و مهارتهای خاص محاسباتی میباشد، از اینرو معمولاً مقرون بهصرفه نمیباشد که طراح برای هر پروژهای اقدام به تهیه برنامه کامپیوتری خاص آن نماید و از اینرو مدلهای کامپیوتری باید این قابلیت را داشته باشند که بتوانند بر شرایط مختلف طراحی سازگار گردند. به همین دلیل کاربرد مدل های کامپیوتری برای استفاده در طراحی سیستمهای جمعآوری رواناب سطحی در شهرهای متوسط و بزرگ کاملاً رایج است. گاهی نیز مقرون بهصرفه است که در مورد شهرهای بزرگ با شرایط ویژه اقدام به تهیه مدل های خاص گردد. [1] بهرهگیری از مدلهای موجود در سطوح مختلف امکانپذیر است و میتوان در طرحها به صورت موضعی یا کاملاً گسترده از آنها استفاده کرد.
به عبارت دیگر در برخی از مطالعات میتوان صرفاً از مدل خاصی برای برآورد و هیدروگراف سیلاب طراحی پروفیل سطح آب در سیلابرو یا مسیل و مواردی از این قبیل استفاده کرد و نتایج را در طراحی به کار برد.لیکن با وسیعتر شدن سطح تحت پوشش و بنابراین پیچیدهتر شدن سیستمهای جمعآوری، انتقال و تخلیه، ضرورت هر چه بیشتر استفاده از مدل های دقیقتر که قادر به انجام محاسبات مربوط به بخشهای متنوع شبکه باشد محدودتر میگردد. صرفنظر از تسریع در محاسبات و پیشگیری از بروز خطاهای ناشی از محاسبات دستی، استفاده از این قبیل مدلها را ناگزیر نموده است .بدیهی است که سطح دقت محاسبات بستگی به ابعاد طرح و نتیجتاً هزینههای اجرایی آن دارد.
در طرحهای کوچک و کم اهمیتتر، غالباً نیاز به استفاده از تکنیک های پیشرفته محاسباتی نمی باشد در حالی که در طرحهای بزرگ جمع آوری رواناب سطحی به دلیل هزینه های اجرایی یا بار سنگین مالی آنها، هر گونه تلاش در جهت بالا بردن دقت محاسبات میتواند باعث کاهش قابل ملاحظهای در هزینههای اجرایی گردد . از اینرو امروزه با بهرهگیری حداکثر از کامپیوترها، امکان به کارگیری روشهای پیشرفته محاسباتی میسر گردیده است. در عین حال همواره باید توجه داشت که مدلهای ریاضی صرفاً تلاشی برای انعکاس شرایط واقعی به کمک فرمولهای ریاضی میباشند و از اینرو نباید به آنها بیش از حد متکی بود و همواره عوامل دیگری نظیر قضاوت مهندسی، شرایط اجتماعی و اقتصادی را مد نظر داشت . در واقع مهمترین نقش مدلهای کامپیوتری حوضه آبریز، امکانپذیر ساختن ارتباط منطقی بین فرآیندهای هیدرولوژیکی، هیدرولیکی، کیفیت آب و اقتصادی با صرف هزینههای معقول میباشد.
-2 مدلهای شبیهسازی سیلاب:
از نقطه نظر مهندسی، مسائل زهکشی شهری به دو زمینه عمده پیشبینی حجم سیلاب1 F3 و طراحی شبکه2F4 تقسیم میگردد. در دهههای اخیر در زمینه مدلهای پیش بینی حجم سیلاب تلاشهای قابل ملاحظهای صورت گرفته است و مدلهایی تهیه شده است که علاوه بر قابلیتهای دیگر میتواند حجم و شدت سیلاب را نیز برآورد نماید.مدلهای طراحی نیز به نوبه خود به دو دسته مدلهای شبیهسازی رفتاری و مدلهای بهینهسازی رفتاری تنها با در نظر گرفتن ملاحظات هیدرولیکی به طراحی شبکهها میپردازند.در این مدلها عمدتاً شکل شبکه3F5 جهت طراحی از قبل مشخص میباشد و شیب اعضاء توسط طراح در مراحل طراحی مشخص میگردد . هدف اساسی در این مدلها معین کردن حداقل ابعاد اعضا، در شبکه است بطوریکه شبکه میتواند حجم رواناب را با در نظر گرفتن ملاحظاتی خاص از شبکه عبور دهد. مدلهای شبیهساز متعددی تهیه شده است که در این قسمت به اجمال به بررسی برخی از متداولترین از آنها اشاره میشود:
الف - مدل : MIDUSS 98
این مدل که در کانادا توسط شرکت آلن اسمیت در سال 1988 توسعه یافته است یک نرم افزار شبیهساز و طراحی سیستم های جمعآوری رواناب سطحی است که دارای قابلیتهای مختلف نظیر تحلیل رگبارها و بررسی تلفات رواناب و محاسبه رواناب سطحی میباشد. این مدل توانایی شبیهسازی و طراحی مخازن تاخیری و منطقه سیلابدشتها را نیز دارد. همچنین دارای زیر برنامههایی برای محاسبات هیدرولیکی لوله ها و کانالهای باز میباشد که همراه با امکان روندیابی میتواند قطرهای اقتصادی برای سیستم های جمعآوری رواناب سطحی را محاسبه نمایند. [7]
ب- مدل Overflow - STORAGE STORM ،Treatment ،: - Runoff Model
این مدل در طرح جامع زهکشی سانفرانسیسکو و برای تعدیل مشکلات ناشی از سرریزشدگی های مربوط به سیستم مختلط جمعآوری فاضلاب - سیلاب توسط رسته مهندسی ارتش آمریکا در سال 1970 تهیه شداین. مدل اساساً برای برآورد تواتر جریانات سرریزی سیلابروهای مختلط قابل استفاده است و میتواند تحلیلهای کیفی را نیز انجام دهد .
ج - مدل : - British Road Research Laboratory - BRRL
مدل BRRL به عنوان یک مدل برآورد جریان به منظور محاسبه حجم جریان رواناب در سیستم کاربرد دارد. در این مدل سطح حوضه با ترمیم خطوط همزمان تمرکز به مناطق مختلف تقسیم میشود و هیدروگراف حوضه با توجه به زمان واکنش مناطق همزمان و پس از تعدیل در شبکه سیلابروها محاسبه و استخراج میگردد. در این مدل نفوذپذیر و همچنین سطوح نفوذناپذیری که مستقیماً به شبکه متصل نیستند - یعنی ارتباط هیدرولیکی ندارند - در محاسبات وارد نمیشوند. [2]
د- مدل : - Illinois Urban Drainage Area simulator - ILLUDAS
این مدل یک گام پیشرفته تر از مدل BRRL است این مدل همچنین نواحی نفوذپذیر را نیز در بر می گیرد و محاسبه نفوذ آب در آن بر اساس معادله هورتن صورت میپذیرد از آنجایی که در این مدل از روی اطلاعات مدل هیدروگراف از روی اطلاعات رگبار تهیه میشود میتوان از آن برای محاسبه حجم و شدت سیلابها استفاده کرد.بدلیل کاربرد ساده، قابلیت استفاده در میکروکامپیوترها، امکان استفاده از سیستم آحاد متریک، مدل فوق دارای کاربرد گستردهای در نواحی شهری است و اخیراً با اصلاحاتی قادر به بررسی وضعیت غرقابشدگی لوله ها نیز میباشد [3].
ه- مدل : ILLUDRAN
این مدل حالتی تعدیل شده از مدل ILLUDAS است. مدل فوق مدلی است هیدرولوژیک که با استفاده از اطلاعات مربوط به شدت رگبارها و وضعیت نفوذپذیری حوضه آبریز - شامل سطوح پوشش شده و سطوح چمنی - هیدروگرافهای مورد نظر را محاسبه می نماید. بدیهی است که مشخصات سیستم زهکشی باید بصورت اطلاعات ورودی به مدل وارد شود . این مشخصات در مورد لولهها شامل مقاطع دایرهای یا مستطیلی و در مورد کانالها به شکل ذوزنقه در نظر گرفته میشود چنانچه مشخصات مربوط به مخازن تاخیری در هر حوضه ارائه شود تاثیر آنها در وضعیت جریان در قسمتهای پایآب و ابعاد سیلابرو توسط مدل تعیین خواهد شد.[3]
و- مدل : WALLRUS
این مدل توسط مرکز تحقیقات هیدرولیک والینگفورد در انگلستان تهیه شده است برآورد شدت سیلاب روی حوضههای کوچکتر از 15 کیلومتر مربع در این محل با استفاده از روش منطقی و برای حوضههای بزرگتر از طریق روش هیدروگراف صورت میپذیرد هیدروگرافهای طراحی بوسیله مدل از داخل کلیه اعضاء عبور داده میشود و اثرات تعدیل آنها تعیین میگردد. همچنین میزان غرقابشدگی شبکه به کمک روش شبیهسازی که در مدل لحاظ گردیده مشخص میشود. از این روش برای تحلیل عملکرد هیدرولیک یک شبکه موجود نیز استفاده میشود. [4]
ز- مدل : HEC-HMS
این مدل از جمله مدلهای جدیدی است که توسط مهندسین شاخه عمران ارتش آمریکا درسال 1998 منتشر شده است و هر ساله نیز قابلیتی به آن اضافه میشود. با نرم افزار HMS میتوان یک حوضه آبریز با انواع مسائلی مربوط به آن را مدل و شبیهسازی کرد. در این تحقیق HMS نیز بعنوان یک محیط مناسب کامپیوتری در تحلیل و برآورد هیدروگرافهای سیلاب در رواناب شهری مورد بررسی بیشتر قرار گرفته است.
ح- مدل : HEC1
این مدل به نام - Flood Hydrograph Package - معروف است و جزو سری مدل های تهیه شده توسط رسته مهندسی آمریکا است. عملکرد اصلی مدل فوق شامل محاسبه حجم و زمان وقوع سیلاب تا محل سیستمهای انتقال یا ذخیرهسازی و تعدیل شدت سیلاب از درون این سیستمها میباشد. نتیجه کار با مدل فوق به ارائه ارقام آبدهی در محلهای مورد نظر منجر میشود. کلیه محاسبات متداول مربوط به هیدروگراف سیل مرتبط با یک رگبار ثبت شده یا فرضی را میتوان از طریق این مدل انجام داده درعین حال این مدل از قابلیت خوبی برای استفاده از روشهای مختلف برآورد سیلاب به منظور مطالعه سیلابها برخوردار است. [5]
ط- مدل : HEC2
این مدل نیز جزو سری مدلهای رسته مهندسی ارتش آمریکا است و قادر به محاسبه پروفیلهای سطح آب در شرایط جریان تک بعدی پایدار و متغیر تدریجی در رودخانهها با هر مقطعی و در وضعیتهای جریان تحتبحرانی یا فوقبحرانی است. همچنین این مدل میتواند اثر سازه های موجود در مسیر نظیر پل، زیرگذر، سرریز و مانند آنها در محاسبات منظور نماید. این مدل اولین بار در سال 1964 تهیه شد و پس از اصلاحات و تغییرات زیادی، در فوریه 1991 جدیدترین نسخه آن - Version4.6 - آماده بهرهبرداری گردید. این مدل با استفاده از برنامههای کمکی PLOT2 وSUMPO از سال 1984 قابلیت استفاده بر روی کامپیوترهای شخصی را پیدا کرده است. [6]
ی- مدل : - STORM Water Management Model - SWMM
این مدل به منظور شبیهسازی مدیریتی و پیشگویی کمی و کیفی مرتبط با سیلابروهای مختلط تهیه شدهستا. در عین حال از این مدل عملاً در کلیه زمینه های زهکش اعم از طراحی ساده سیستم جمعآوری تا تحلیلهای پیچیده هیدرولیکی و مطالعات کیفی جریان استفاده شده است. در عین حال این مدل تحلیل اقتصادی نیز انجام میدهد. در این مدل برای سیستمهای جمعآوری و دفع رواناب سطحی از یک تخمین موج سینماتیکی غیرخطی استفاده شده است. شیب اصطکاکی جریان - - S f نیز به وسیله فرمول مانینگ در این مدل محاسبه می گردد.
مدل تجارتی SWMM مشتمل بر بیش از 12000 سطر برنامه کامپیوتری است و یکی از جامعترین مدلهای موجود برای تحلیلهای مربوط به برآورد سیلاب و آبدهی طراحی در سیلابروهای مستقل و مختلط محسوب میشود. داده های مورد نیاز برای این مدل بسیار گسترده و مشتمل بر دادههای فیزیوگرافی زیرحوضهها، مشخصات مربوط به سازههای سیستم، اطلاعات مربوط به نگهداری سیستم، شدت آب دهی در دورههای خشک، وضعیت تخلیه گاه ها، آمار و اطلاعات مربوط به بارندگی، هیدروگرافهای سیلاب ها، وضعیت کیفی جریان در سیلابروهای مختلط میباشد. [2] دراین تحقیق این مدل به عنوان یک محیط مناسب کامپیوتری برای شبیهسازی شبکه جمعآوری رواناب شهری مورد بررسی بیشتر قرار گرفته است.
-3 مبانی مدل سازی در [8] : SWMM
مبانی مدل سازی در مدل مذکور، در بخشهای بعدی اشاره میگردد:
-1-3 مزایای مدل سازی در : SWMMبرای محاسبات هیدرولیکی مجاری از مدل SWMM استفاده شده است. این مدل، برنامه تخصصی و مدل خاص بارش – رواناب برای حوضههای آبریز شهری است که به تائید تمامی مراجع بین المللی رسیده است. رخدادها در این مدل بهصورت تکواقعهای و به صورت بههم پیوسته قابل تعریف هستند. شبیه سازی در این مدل در اراضی شهری و برمبنای کیفیت و کمیت بوده و مولفه رواناب مدل مذکور براساس جمعآوری زهآب زیرحوضههای متاثر از وقوع بارش طراحی شده و میتواند بار آلودگی و رواناب را شبیه سازی نماید. قسمت روندیابی مدل، رواناب حاصله را میتواند در قالب سیستمی از لولهها، کانالها، سیستم ذخیره، پمپ ها و تنظیمکننده ها منتقل نماید.مدل SWMM با استفاده از خصوصیات زیر، فرآیند بارش – رواناب را در اراضی شهری شبیهسازی میکند.
•بارش با طول مدت متفاوت
