بخشی از مقاله
خلاصه
برای طراحی سازه های موجود در مسیر رودخانهها، آگاهی کامل از شرایط هیدرولیکی حاکم بر آن در سیلابهای انتخابی ضروری میباشد. عدم در دسترس بودن این اطلاعات، منجر به طراحی های بسیار پرهزینه و اغلب نادرست خواهد شد. استفاده از مدلهای عددی پیشرفته در مطالعات مهندسی رودخانه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. در این تحقیق با استفاده از روش المان محدود دو بعدی، سیلاب 100 ساله رودخانهی پاسنگ در ساختگاه انتخابی و در دو سناریو شبیه سازی شده است. در سناریوی اول شرایط سیلابی جریان در رودخانه ی پاسنگ برای دبی 100 ساله، بدون جانمایی سد انحرافی مورد بررسی قرار گرفته شده است.
آگاهی کاملی از واکنش رودخانه ی پاسنگ در برابر دبی 100 ساله بدست آمده است. در سناریوی دوم، رودخانه با جانمایی سد انحرافی شبیه سازی شده است. الگوی جریان شکل گرفته در مخزن و عمق و سرعتهای جریان خروجی این سناریو بوده است. اطلاعات خروجی از دو سناریو برای طراحی سد انحرافی از لحاظ پایداری، آبگذری، حوضچهی آرامش و شرایط پایین دست بسیار ضروری و راهگشا می باشد.
1. مقدمه
رودخانه ها به عنوان یک منبع آبی در صنعت، کشاورزی و شرب بکار رفته و بعنوان یک منبع انرژی ارزان قیمت نیز مورد استفاده قرار می- گیرند. از این رو شناخت رفتار رودخانه ها برای پیش بینی عملکرد آنها یکی از اهداف بسیار مهم می باشد. علیرغم تحقیقات و مطالعات بسیار، هنوز بخش عمده ای از رفتار رودخانه ها ناشناخته است. با توجه اهمیت روز افزون رودخانه ها، دانستن مشخصات و رفتار جریان یعنی ارتباط بین عمق و دبی و نحوه توزیع سرعت در مقطع عرضی رودخانه برای دقت بیشتر در ساخت سازه های هیدرولیکی و راندمان بهتر در بهره برداری امری ضروری می باشد.
شکل کلی مقطع عرضی رودخانه، شاخه ای بودن رودخانه، شیب طولی، میزان و ضریب زبری، نوع پوشش بستر و دیواره و دیگر پارامترهای مشابه از عوامل تأثیرگذار بر رفتار جریان می باشند. پلان رودخانه نیز در مشخصات جریان تأثیرگذار است. بعنوان مثال پیچرودی یا مئاندری بودن رودخانه، اثری خاص و یا شاخه ای بودن رودخانه اثر دیگری در جریان دارد .[1]
در دهه های اخیر، فرایندهای حاکم بر جریان آب و حمل رسوب به صورت دقیق تر، مورد بررسی آزمایشگاهی قرار گرفته اند. همچنین، با پیشرفت های به وجود آمده در توانمندی رایانه ها و توسعه روش های محاسبات عددی، استفاده از مدل های دینامیک سیالات محاسباتی، به صورت چشمگیری افزایش یافته است و امروزه کاربرد CFD به عنوان یک ابزار موثر برای مهندسین هیدرولیک در بررسی کانالهای روباز و فرایندهای رودخانه ای محسوب می شود .[2]
نصار مدل CCHE-2D را برای بازهای از رودخانه نیل اجرا کرده و با استفاده از آنالیز حساسیت چند پارامتره نشان داد که جریان در رودخانه نیل بیشتر توسط ضریب زبری بستر کنترل می شود .[3] وو در مطالعات خود به شبیه سازی جریان و انتقال رسوب در پایین دست رودخانه زرد در کشور چین پرداخت. همچنین با استفاده از مدل عددی دو بعدی، مدل های آشفتگی دو معادله ای k را با مدل های صفرمعادله ای مقایسه نمود. بر اساس مقایسه، این نتیجه حاصل شد که تمام مدل های آشفتگی، نتایجی بهتری در مورد جریانهای ساده ارائه می کنند، اما در مورد جریان های پیچیده، دو مدل آشفتگی k و RNG نتایجی واقعی تر را نسبت به مدل های صفرمعادله ای نشان می دهند.
همچنین بر اساس این پژوهش، در میان مدل های دو معادله ای، مدل k و مدل RNG در مورد جریان های چرخشی، نتایج بهتری ارایه می کنند .[4] مین دوک و همکاران یک مدل دو بعدی متوسط گیری شده در عمق را برای جریان ناپایدار در رودخانه های با هندسه نامنظم توسعه دادند که از معادلات حاکم شامل پیوستگی و اندازه حرکت و همچنین یک معادله آشفتگی k در سیستم مختصات منحنی استفاده نمودند. برای حل این معادلات از روش حجم محدود استفاده شد. سپس مدل عددی با استفاده از مدل هیدرولیکی رودخانه راین آزمایش گردید.
لازم به ذکر است که در اندازه گیری های مدل هیدرولیکی، بیشترین تمرکز بر روی حداقل تراز آب بین آب شکن ها و دیوار خاکریز قرار داده شده بود. در پایان نتایج عددی نشان داد، اثر آب شکن ها بر توزیع سرعت، بخوبی توسط مدل عددی شبیه سازی شد .[5] منصوری و همکاران در یک مطالعه آزمایشگاهی، خاصیت سه بعدی جریان در خم های رودخانه را با مدل های عددی سه بعدی شبیه سازی نمودند.
در این مطالعه، با استفاده از مدل عددی سه بعدی SSIIM ابتدا الگوی جریان آشفته در دو قوس 180 درجه از یک کانال آزمایشگاهی با انحنای نسبی متفاوت که در آنها بستر کانال صلب بود، بررسی شد. نتایج بررسی ها نشان داد که مدل تا حدی به انتخاب شبکه، حساس است ولی الگوی جریان شبیه سازی شده توسط مدل با الگوی جریان واقعی مطابقت دارد .[6]
در این تحقیق با استفاده از مدل دوبعدی CCHE-2D تحت دوسناریو، سیلاب 100 ساله در رودخانه ی پاسنگ شبیه سازی شده است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که محل سازه ی جانمایی شده در رودخانه مناسب بوده و در ادامه می توان با نتایج شبیه سازی سعی در بهینه سازی ابعاد و اندازه های سد و حوضچه ی آرامش کرد.
2. منطقهی مورد مطالعه
روستای پاسنگ بالا در محدوده ی 55°31´ طول و 37°17´ عرض جغرافیایی، به فاصله 12 کیلومتری شهر گالیکش مرکز این شهرستان و 3 کیلومتری جاده بینالمللی تهران - مشهد در استان گلستان واقع شده است. این روستا از سمت شمال به زمینهای کشاورزی و درنهایت به جاده بینالمللی و از سمت جنوب نیز به جنگل های انبوه، از شرق نیز به پوشش جنگلی و از غرب هم به کوه نیلکوه ختم میشود. محدوده ی مورد بررسی و تصویر ماهواره ای در شکل شماره 1 نشان داده شده است.
3. تعیین مشخصات هیدرولیکی محدوه مورد مطالعه دبی جریان
بر اساس مطالعات هیدرولوژی در حوضه ی آبریز رودخانه پاسنگ و انتخاب دبی 100 ساله به عنوان دبی طرح، بیشینه ی دبی سیلاب 100 ساله 77/6 مترمکعب بر ثانیه بدست آمده است. هیدروگراف سیلاب 100 سالهی رودخانهی پاسنگ هم در شکل شماره 2 نشان داده شده است. هیدروگراف نشان داده شده در شکل شماره 2 به عنوان مبنای شرط مرزی ورودی رودخانهی پاسنگ در مدل عددی مورد استفاده قرار گرفته شده است.
برای تعیین عوامل هیدرولیکی نظیر عمق و سرعت جریان، نیاز به تعیین ضریب زبری می باشد. در کلیه مطالعات مهندسی رودخانه و طراحی سازه های متقاطع رودخانه نظیر پل ها، سدهای انحرافی و یا دهانه های آبگیر که دانستن عمق و سرعت جریان ضروری است، تعیین دقیق ضریب زبری مورد نیاز خواهد بود. ضریب زبری هیدرولیکی در شرایط متنوع و پیچیده رودخانه ها متاثر از عوامل مختلفی می باشد، بنابراین تحقیقات گسترده ای بر روی شرایط متنوع جریان در رودخانه ها صورت پذیرفته و طیف گستردهای از روابط ارائه شده است.
اطلاعات موجود در نشریه ی شماره 688 سازمان مدیریت و برنامه ریزی با عنوان راهنمای تعیین ضریب زبری هیدرولیکی رودخانه ها و نشریه ی جامع موسسه ی USGS آمریکا در ارتباط با ضریب زبری، مبنای بررسی ها بوده است.. در شکل شماره -3ب شرایط بستر رودخانه ی پاسنگ نشان داده شده است .[7] با همسان سازی شرایط رودخانه ی پاسنگ با یکی از معیارهای بیان شده توسط نشریه ی شماره 668 و تصاویر راهنمای نشریه موسسه USGS، رودخانه شماره 698 نشان داده شده در شکل شماره -3الف، شرایط مشابهی با رودخانه ی پاسنگ داشته و بر اساس همین همسان سازی ضریب زبری 0/55 برای بستر اصلی و 0/45 برای سیلابدشت انتخاب شده است.[7]
