بخشی از مقاله
خلاصه
همواره یکی از معضلات مدیریت کلان شهرها کنترل و هدایت سیلابهای شهری و بهینهسازی سیستم جمعآوری آبهای سطحی میباشد. افزایش ساخت و سازها و توسعه شهری عمدتاً منجر به کاهش سطوح نفوذپذیر و افزایش حجم رواناب، بویژه در مواقع بارندگی و بروز آبگرفتگیهای شدید و در نهایت منجر به مختل شدن فعالیتهای انسانی و همینطور بحثهای زیست محیطی خواهد شد.
در شهر تهران نیز طی سالیان اخیر مطالعات طرح جامع مدیریت آبهای سطحی در کلیه مناطق آن عملیاتی شده است.
هدف از این پژوهش شبیهسازی عملکرد سیستم زهکشی رواناب سطحی منطقه 14 شهرداری تهران به عنوان یکی از حوضههای کلیدی در مطالعات جامع نامبرده با استفاده از مدل کاربردی Autodesk SSA و تقسیمبندی وضعیت مجاری براساس توانایی گذردهی سیلاب در دوره بازگشتهای مختلف طراحی میباشد.
با توجه به اینکه یکی از منابع عدم قطعیت در این شبیهسازیها بحث انتخاب نوع مدل شبیهساز بارش-رواناب میباشد، لذا تحلیل حساسیت بر روی روشهای مختلف و تأثیر آنها بر وضعیت مجاری، جهت مدیریت مرمت و بهسازی شبکه نامبرده نیز انجام گرفته است.
1. مقدمه
امروزه با توسعه شهرنشینی و گسترش شهرها موضوع جمع آوری و مدیریت رواناب شهری بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. کنترل وقایعی مانند آب گرفتگی معابر، اختلال در سیستم عبور و مرور، آلودگی منطقه بواسطه جاری شدن رواناب آلوده و سیل زدگی مناطق مسکونی و تأمین امنیت جانی، مالی و روانی شهروندان همواره دغدغه خاطر طراحان و مهندسین آب بوده است.
در کشور ما نیز امروزه اغلب شهرها با مسائل و مشکلات مختلفی در حوزه مدیریت روانابهای شهری از جمله مسائل مرتبط با کمیت رواناب، بار رسوبی، کیفیت روانابهای شهری و تأثیر آن بر محیط زیست مواجه می باشند و با توجه به اینکه همه ساله بخش عمده ای از بودجه شهرها صرف اجرای پروژه های عمرانی مربوط به جمع آوری و مدیریت آبهای شهری می گردد، طراحی و مدیریت صحیح سیستم های جمع آوری آبهای سطحی امری مهم و ضروری است.
سیستم های جمع آوری و دفع رواناب سطحی شهری وظیفه جمع آوری و انتقال رواناب ناشی از بارندگی را به سیستم های نهایی پذیرنده نظیر رودخانه، دریا و موارد دیگر بر عهده دارند. معمولا سیستم انتقال عمده ترین بخش هر سیستم دفع سیلاب شهری به شمار می رود و طبیعی است که در طراحی و نهایتا میزان هزینه های طرح نقشی تعیین کننده را دارا می باشند و به این لحاظ اساس طراحی هیدرولیکی در این شبکه ها به این قسمت اختصاص دارد.
این سیستم ها باید به گونه ای طراحی شوند که اعضا آنها قادر به حمل پیک جریان طراحی باشند و در عین حال بتوانند قیود حاکم بر شرایط طراحی را نیز برآورده سازند. مواردی نظیر حداقل و حداکثر سرعت در اعضا و هم چنین حداقل عمق استقرار و پوشش روی اعضا و سایر موارد می تواند از جمله قیود حاکم بر طراحی باشد.
در صورتی که برآورد میزان رواناب ناشی از بارندگی کمتر از مقدار واقعی باشد، ابعاد و اندازهای کانالهای طراحی شده کمتر ظرفیت مورد نیاز گشته و در صورت وقوع بارندگی موجب جاری شدن سیلاب در سطح شهر میشود و نیز اگر میزان رواناب ناشی از بارندگی بیشتر از مقدار واقعی باشد، ابعاد و اندازهای کانالهای شبکه جمعآوری آبهای سطحی بزرگتر از مقدار لازم گشته که این امر باعث غیر اقتصادی بودن پروژه میگردد. بنابراین برآورد دقیق پارامترهای هیدرولوژیکی و مطالعه شرایط هیدرولوژیکی منطقه مورد مطالعه از اهمیت بسیاری برای طراحی شبکه جمعآوری آبهای سطحی برخوردار است.
در سالهای اخیر تحقیقات گوناگونی در کشور در خصوص بحث مدلسازی رواناب های شهری با نرم افزارها و مدل های مختلف صورت گرفته است که از بین آنها می توان به کابلی و همکاران - 1388 - ، تاج بخش و خداشناس - 1391 - ، جواهری و نظیف - 1393 - و قاسمی و مغربی - 1394 - اشاره نمود 1]و2و3و.[4 همچنین در خصوص بحث بکارگیری مدل های مختلف بارش رواناب و بررسی تاثیر آنها بر رواناب شهری می توان به چوی و بال - 2002 - ، نبل و همکاران - 2005 - وجانگ و همکاران - 2007 - و دیگر تحقیقات مشابه اشاره نمود
در تحقیق حاضر با کمک نرم افزار نوین Autodesk SSA ، شبکه فرعی آبهای سطحی منطقه 14 شهر تهران به عنوان یکی از مناطق کلیدی این کلانشهر، با رویکرد دو روش هیدرولوژیکی بارش رواناب استدلالی - منطقی - و SCS شبیه سازی شده و تقسیم بندی مجاری از نظر ظرفیت عبوردهی هیدرولیکی و اولویت بهسازی و یا طراحی مجدد مشخص شده اند.
2. مواد و روش ها
بارندگی از پارامترهای مهم و اصلی در تعیین شرایط هیدرولوژیکی محدوده طرح و محاسبه سیلابهای طراحی میباشد و لذا لازم است در برآورد آن دقت کافی مبذول گردد. برای تعیین بارندگی، لازم است تا چهار پارامتر اصلی آن شامل عمق یا شدت، تداوم، توزیع زمانی و توزیع مکانی بارندگی تعیین گردد. در ادامه توضیحات مختصری درخصوص پارامترهای موثر در تعیین بارش جهت انجام مدلسازی هیدرولوژیکی محدوده طرح ارایه شده است.
تداوم بارش: در مطالعات حاضر با توجه به مراجع و منابع معتبر، تداوم بارش در محاسبه رواناب به روش منطقی برابر زمان تمرکز حوضه و در مدل سازی بارش رواناب به روش هیدروگراف SCS، حداقل دوبرابر زمان تمرکز لحاظ خواهد شد. در این راستا زمان تمرکز که از خصوصیات مهم هر حوضه میباشد با توجه به توصیه مراجع و با توجه به روشهای متعدد تجربی محاسبه میگردد که در ادامه به آن اشاره میگردد.
زمان تمرکز: زمان تمرکز برابر است با مدت زمانی که صرف میشود تا جریان آب سطحی از دورترین نقطه روی پیرامون حوضه حرکت کند و پس از پیمودن طول آبراهه اصلی، به نقطه خروجی حوضه برسد. زمان تمرکز یکی از مهمترین خصوصیات هیدرولوژیکی حوضهها محسوب می-شودکه تأثیر فراوانی درپیک سیلاب و شکل هیدروگراف سیلاب میگذارد. یکی دیگر از روشهای محاسبه زمان تمرکز، روش مبتنی بر سرعت حرکت جریان روی سطوح و یا داخل مجاری و کانالها میباشد. در این روش با محاسبه سرعت جریان در کانال با استفاده از فرمول مانینگ و مشخص بودن طول کانال، زمان حرکت در کانال تعیین خواهد شد.
در این رابطه tc و L به ترتیب زمان تمرکز و طول آبراهه اصلی و V سرعت جریان در آبراهه اصلی یا جوی بر حسب متر بر ثانیه میباشد.
از آنجا که از استفاده از هریک از این روابط تجربی مقادیر متفاوتی را برای زمان تمرکز ارائه میکند، لذا لازم است پیش از استفاده از آنها بررسیهای لازم صورت گیرد - شرایط خاص هر مطالعه با محدودیتهای اعلام شده برای روابط مختلف تطبیق داده شود - .
علاوه بر آن، منابع مختلف توصیه می کنند همواره از روش سرعت برای محاسبه و یاکنترل نتایج استفاده شود. در این خصوص محاسبه زمان تمرکز برای حوضه های درونشهری با استفاده از فرمولهای سرعت و بر اساس روش سازمان حفاظت خاک انجام میگیرد. در این روش، زمان تمرکز در حوضه های شهری با سه جزء زمان جریان ورقهای، زمان جریان جویچه ای و زمان حرکت در کانال محاسبه میگردد که مجموع آنها زمان تمرکز را تشکیل میدهد.
در این راستا در منابع جدید، زمان حرکت آب بر روی زمین و سطوح شیبدار و همچنین مدت زمانی که آب در جویچهها و جویهای مستقر در حاشیه خیابانها برای رسیدن به نخستین سازه ورودی به شبکه جمعآوری صرف میکند - مجموع زمان جریان ورقه ای و جویچهای - را زمان ورود به شبکه - ti - مینامند و بدین ترتیب زمان تمرکز حوضه به صورت مجموع زمان ورود به شبکه و مدت زمانی که سیلابهای ورودی به شبکه در داخل مجاری و کانالها جریان دارد تا به یک نقطه معین از شبکه - نقطه تمرکز - برسد و اصطلاحا زمان حرکت آب در شبکه - t f - نام دارد، تعیین میگردد.
بنابراین مجموع زمان ورود آب به شبکه و زمان حرکت آب در شبکه را میتوان مساوی با زمان تمرکز حوضه در نقطه مورد نظر محسوب کرد:
لازم به ذکر است در اکثر مواقع در روش سرعت، ti را بدون محاسبه و بین 5 تا 30 دقیقه انتخاب میکنند. در این زمینه در نواحی پرتراکم شهری و در مواردی که فاصله بین سازه های ورودی به شبکه کوتاه باشد، مقدار ti بین 5 تا 15 دقیقه، برای همان مناطق در صورتیکه شیب اراضی اندک باشد، مقدار ti معادل 10 تا 15 دقیقه و برای نواحی بسیار کم شیب و فواصل زیاد بین سازه های ورودی، مقدار ti بین 20 تا 30 دقیقه انتخاب می گردد.
بعلاوه تصریح شده که می توان زمان ورود به شبکه را با تفکیک جریان به مولفه های مختلف و محاسبه مجموع زمان حرکت در هر یک از حالات بدست آورد، اما این کار اگرچه از نظر تئوری مطلوب میباشد ، ولی در عمل دشوار است. زیرا متغیرهای بسیار زیادی بر روی جریان تأثیر می گذارند و اعتمادپذیری محاسبات را مورد تشکیک قرار می دهند .
لذا بر اساس تعاریف بالا، برای شهر تهران می توان زمان ورودی به شبکه را بین 5 تا 15 دقیقه انتخاب نمود. در مطالعات حاضر با توجه به جمیع مطالب بالا برای محاسبه زمان تمرکز از روش سرعت استفاده شده است. بدین ترتیب که tf حوضهها با استفاده از روش سرعت جریان آب در مجاری و کانالها و با استفاده از رابطه مانینگ ، در فرایند مدلسازی هیدرولیکی محاسبه و ti باعنایت به شرایط زیرحوضههای محدوده طرح معادل 12 دقیقه انتخاب شده است.
شدت بارش: رابطه بین شدت، مدت و دوره بازگشت توسط معادلات و منحنیهایی با همین نام مشخص میشود که این منحنی و معادلات به روشتحلیل آماری از گرافهای باران سنج ثبات استخراج میگردد. به طور کلی در کشور منحنیهای شدت، مدت و دوره بازگشت توسط دو مرجع سازمان هواشناسی کشور و مهندس فریبرز وزیری برای اکثر شهرهای ایران تهیه و ارایه گردیده است.گرچه در خصوص شهر تهران اقدامات انجام شده فراتر از این بوده و روابط لازم در این رابطه در طرح جامع مدیریت آبهای سطحی تهران ارایه شده است. در مطالعات هواشناسی طرح جامع مدیریت آبهای سطحی تهران برای 9 نقطه از شهر تهران منحنی های شدت -مدت- فراوانی بارش ها ارائه شده وسپس با تحلیل اطلاعات آنها، منحنی های عمومی معرف بارش های کوتاه مدت شهر تهران بدست آمده است که این رابطه درشکل عمومی آن بصورت زیرنمایش داده می شود :
که در آن :i شدت بارش - میلیمتر بر ساعت - ، :D تداوم بارندگی - دقیقه - ، :CAlt.RP ضریب معادله که متناسب با دوره بازگشت طراحی و ارتفاع متوسط حوضه انتخاب میشود. بنابراین با محاسبه زمان تمرکز هر حوضه و تعیین ارتفاع متوسط محدوده طرح و انتخاب ضریب متناسب با ارتفاع مذکور می توان شدت بارش طراحی را محاسبه نمود که در ادامه توضیحاتی در این خصوص ارایه میشود.
توزیع زمانی بارش: توزیع زمانی بارش یا نحوه تغییر شدت بارندگی در طول مدت بارش یکی از اطلاعات مهم و ضروری است که برای تبدیل بارندگی به رواناب سطحی حوضهها باید تعیین گردد. در این خصوص در محاسبه رواناب به روش های استدلالی و SCS، با توجه به فرضیات این روش شدت بارش در طول مدت بارندگی ثابت در نظر گرفته میشود. ولی از آنجا که تأثیر توزیع زمانی بارندگی در شکل هیدروگراف و حداکثر آبدهی سیلاب حوضههای آبریز قابل توجه است، تعیین الگوی مناسب بارندگی در روش هیدروگراف و استفاده از مدلهای ریاضی مربوطه بسیار مهم میباشد.
در این خصوص برای تهیه الگوی توزیع زمانی بارش طراحی در شهر تهران، استفاده از روش بلوکهای متناوب و منحنی های شدت، مدت و فراوانی بارش های کوتاه مدت توصیه شده است. روش کار بدین صورت است که با استفاده از منحنیهای IDF ، میزان بارندگی در تداوم های 10 دقیقه تا 6 ساعت تعیین و میزان بارش در هر گام زمانی منتخب با بلوک های بارش محاسبه میگردد.
سپس بزرگترین بلوک بارندگی در ساعت 3 - یک دوم تداوم بارش - قرار داده شده، بلوکهای بعدی به ترتیب بزرگی ابتدا بعد از بزرگترین بلوک و سپس قبل از آن قرار داده میشوند و این کار تا جایگذاری کلیه بلوکهای بارش ادامه می یابد .[8] لازم بذکر است نتایج مطالعات طرح جامع مدیریت آبهای سطحی تهران و پژوهشهای مرتبط نشان میدهد که برای بارش های 3 ساعته و طولانی تر، شدیدترین بخش بارندگی در بخش میانی یا اواسط بارش رخ می دهد.[8] در شکل - 1 - الگوی توزیع زمانی بارش طراحی در شهر تهران ارایه شده است.
دوره بازگشت طراحی: با توجه به نتایج و توصیه های طرح جامع مدیریت آبهای سطحی تهران، راهنمای انتخاب دوره بازگشت با توجه به کاربریهای محدوده طرح در جدول - 1 - ارایه شده است. گرچه باید توجه داشت که هر قدر دوره بازگشت طرح بیشتر باشد میزان حفاظت منطقه در مقابل روانابهای سطحی بیشتر می شود، ولی در مقابل هزینههای سرمایه گذاری اجرایی طرح نیز افزایش مییابد.
لازم بذکر است در مطالعات حاضر در این خصوص کنترل و طراحی بعضی از مجاری با توجه به اهمیت آن برای 10 و مابقی مجاری برای 5 سال انجام شده و در صورتی که کانال موجود جوابگوی دبی مذکور نباشد ، برای سیلاب 2 ساله نیز کنترل و تصمیم گیری شده است
