بخشی از مقاله
چکیده
مسئله رسوبگذاری و آب بردگی در مسیر طبیعی رودخانهها یکی از مهمترین بخشهای مطالعاتی منابع آب و خاک بشمار میرود. آببردگی یا فرسایش از یک سو باعث از دست رفتن میلیونها تن از خاک گرانبهای زراعتی شده و از سوی دیگر در پلها و دیگر سازههای آبی مشکلات پایداری شیب بوجود میآورد و از طرفی رسوبگذاری و انباشت مواد معلق رودخانهها در سازههای ذخیره کننده آب همانند مخازن سدهای انحرافی و ذخیرهای باعث تقلیل عمر مفید اینگونه تأسیسات شده و مشکلاتی را در عملکرد صحیح تأسیسات خروجی بوجود میآورد .
لزوم مطالعه دقیق رسوبگذاری در مخازن سدها به هنگام طراحی این سازهها برای آگاهی از میزان انباشت رسوبات و توزیع رسوبات جمع شده در مخزن الفبای مکانیابی بهینه تأسیسات خروجی سدها است. در این پژوهش با استفاده از مدل HEC-RAS نسخه 4.0 Beta به تخمین مقدار بار رسوبی وارده به مخزن یک نمونه سد ساخته شده واقع در استان خراسان جنوبی با استفاده از آمار و دادههای ارائه شده توسط آب منطقهای استان، پرداخته شده و با نتایج مشاهداتی پس از آبگیری سد مقایسه شده است.
مقایسه بین نتایج مدل و رسوبات جمع شده در سد فوق، حاکی از وجود اختلافاتی بین شبیهسازی انجام شده و واقعیت موجود است. در این پژوهش به ریشهیابی این اختلاف، با بررسی دقیق مکانیزمی که نرمافزار HEC-RAS در برآورد بار رسوبی از آن بهره میبرد، پرداخته شده است.
.1 مقدمه
در ایران سالانه بین 175 تا 250 میلیون متر مکعب از حجم مفید مخازن سدها در اثر رسوبگذاری از دست می رود، نرخ سالانه کاهش حجم مخازن ایران بصورت سرجمع بین 0/5 تا 0/75 متغیر بوده و متاسفانه این نرخ با گذشت زمان رو به افزایش است. این موضوع بدین معنی است که هر ساله به لحاظ رسوبگذاری مخازن سدها یک تا دو سد مخزنی با اندازه متوسط از دست می رود. این امر موجب می گردد تا شانس مکان یابی مناسب ساختگاه سد سال به سال کاهش یابد.
شایان ذکر است که سدی که مخزن آن از رسوب انباشته شده است به راحتی قابل متروکه کردن و جایگزین کردن نیست چون چنین سدی یک تهدید جدی برای پایین دست خواهد بود - عابدینی، . - 1368 در ایران اندک توجهی به نقش مهندسی منابع آب در اقتصاد می شود، در حالیکه منابع آب در ایران که جزء کشورهای خشک و نیمه خشک می باشد دارای اهمیت حیاتی است و در اقتصاد کشور نقش مهمی را بازی می کند.
از این رو مدیریت بهینه در منابع آب و برآورد صحیح مقدار بار رسوبی که عمر مفید سازه سد را دستخوش تغییر می کند جهت تهیه آب مصارف شهری، صنعتی و کشاورزی، و ساخت سدهایی با مخزن بزرگ که بتواند جریان نامنظم آب را در رودخانه ها و بویژه در رودخانه های فصلی، جبران کند یک ضرورت بحساب می آید
به هنگام آبگیری و جمع شدن آب در پشت مخزن، به ویژه در مواقعی که جریان های سیلابی راه می افتد، معمولاً حجم زیادی از مواد رسوبی در پشت دیواره سد جمع می شود و موجب ایجاد پدیده بالا آمدن بستر که نقطه عکس آبشستگی و فرسایش است می گردد
بالا آمدن بستر نیز همانند کف کنی می تواند برای سازه های هیدرولیکی خطرناک باشد. این پدیده یکی از علل اصلی کاهش ظرفیت کانال ها و مجاری طبیعی و سرریز شدن آب از سیل بند ها در اطراف رودخانه است. این پدیده اغلب به علت افزایش در میزان بار رسوبی در یک قسمت از رودخانه آغاز می شود و این در شرایطی است که تغییری در دبی و اندازه رسوبات بستر صورت نگرفته است.
دریاچه ای که در بالادست سد در نتیجه ساخت سد ایجاد می شود با پس زدگی آب سرعت جریان رودخانه به سمت مخزن را کاهش می دهد، لذا ذرات درشت دانه تر در مسافت دورتری از سد ته نشین شده و با ادامه این روند بستر رودخانه منتهی به مخزن و نیز کف مخزن بالا می آید، این روند بویژه در مخازن کوچک سدهای انحرافی با سرعت بیشتری انجام می شود و بعضاً بستر رودخانه و مخزن تا نزدیکی تاج سد و یا بیشتر از آن بالا می آید و جزایر بزرگی در بالادست این سدها تشکیل می شود که باعث ایجاد مشکلات در آبگیری از مخزن سدها می گردد
برای اینکه بتوانأثیرات رسوب مخزن را به درستی ارزیابی کرد لزوماً باید مخزن سد را به عنوان یک قسمت از اکوسیستم رودخانه در نظر گرفت. قبل از احداث سد، آب در مسیر جریان خود در رودخانه همواره سعی دارد تا به یک حالت پایدار برسد که تقریباً هم در یک حالت پایدار به سر می برد ولی بهم ریختن این الگوی منظم جریان آب بدلیل احداث سد و جمع شدن رسوبات در پشت دیواره سد، باعث می شود که یک فرآیند جهت رسیدن به حالت تعادل جدید آغاز شود.
در طی این فرآیند توپوگرافی مسیر رودخانه هم در بالادست سد به علت ته نشینی رسوبات و بالا آمدن بستر و هم در پایین دست سد که کاهش قابل ملاحظه ای در مقدار مواد رسوبی - به علت احداث سد در مسیر رودخانه - تغییر کرده و تعادل برقرار شدهء قبل از احداث سد بهم می خورد. همچنین دانه بندی بستر رودخانه در پایین دست سد به علت اینکه آبی که از سد جاری می شود تقریباً عاری از مواد رسوبی است - با توجه به ضریب تله گیری سد - ، بهم می ریزد
بررسی این فرآیند ها تا آنجاییکه به مهندسی منابع آب مربوط می شود می تواند در سه مفهوم مورد ارزیابی قرار گیرند؛ اثرات زیست محیطی، تعیین عمر مفید سد و طراحی و بهره برداری از مخازن سدها - آناندل، . - 1987 تأثیرات ناشی از ته نشینی رسوب در مخزن و پشت دیواره سد بر محل قرارگیری دریچه ها و سازه های تخلیه کننده تحتانی و... و تعیین عمر مفید اینگونه تأسیسات یک دلیل عمده بر نیاز به لزوم محاسبه و پیش بینی دقیق توزیع رسوب در مخازن سدها است.
در این پژوهش با استفاده از مدل HEC-RAS نسخه 4.0 Beta به تخمین مقدار بار رسوبی وارده به مخزن یک نمونه سد ساخته شده واقع در استان خراسان جنوبی با استفاده از آمار و داده های ارائه شده توسط آب منطقه ای استان، پرداخته شده و با نتایج مشاهداتی پس از آبگیری سد مقایسه شده است.
.1,1 معرفی نرم افزار HEC-RAS
مرکز HEC-RAS در سال 1964 برای رسمی کردن مهارت های تکنیکی که بعد ها به عنوان مهندسی هیدرولوژی شناخته شدند، توسط وزارت دفاع ایالات متحده - گروه مهندسی ارتش - شکل گرفت - راهنمای هِک رس، . - 1991 مرکز مهندسی هیدرولوژی 1 - HEC - به منظور کمک به مهندسی هیدرولیک در تحلیل جریان کانال و تعیین پهنه سیلابگیر، سیستم تحلیل رودخانه - 2 - RAS را توسعه داد که این خود شامل قابلیت های بی شمار از جمله ورود اطلاعات، اجزای تحلیل هیدرولیکی، قابلیت های مدیریت و ذخیره داده ها و قابلیت های گرافیکی و گزارش گیری می شود. بسته های نرم افزاری اولیه HEC شامل HEC1 - هیدرولوژی حوزه - HEC2 - هیدرولیک رودخانه - HEC3 - آنالیز مخزن برای نگهداری - و HEC4 - برنامه آماری تولید جریان - بودند.
HEC-RAS یک برنامه کامپیوتری است که هیدرولیک جریان آب در رودخانه های طبیعی و کانال های دیگر را مدل می کند. این برنامه یک بعدی است، بدین معنی که هیچ مدل سازی مستقیمی از اثرات هیدرولیکی تغییرات شکل مقاطع عرضی، انحنا ها و سایر جنبه های دو بعدی و سه بعدی جریان را شامل نمی شود. سیستم مدل سازی HEC-RAS به عنوان بخشی از "نسل بعدی" - NexGen - نرم افزار مهندسی هیدرولوژی مرکز مهندسی هیدرولوژی توسعه یافت.
پروژه "NexGen" چندین جنبه مهندسی هیدرولوژی، شامل آنالیز رواناب-بارش - - HEC-HMS؛ هیدرولیک رودخانه - - HEC-RAS؛ شبیه سازی سیستم مخزن - - HEC-ResSim؛ آنالیز خسارات سیلاب - HEC-FDA و - HEC-FIA و پیش بینی بلادرنگ رودخانه برای عملکرد های مخزن - - CWMS را شامل می شود .
سیستم HEC-RAS شامل 4 جزء آنالیز یک بعدی رودخانه است؛ برای حالات - 1 محاسبه پروفیل سطح آب درجریان دائمی؛ - 2 شبیه سازی جریان غیر دائمی؛ - 3 محاسبات انتقال رسوب مرز متحرک؛ و - 4 آنالیز کیفی آب. رکن کلیدی این است که تمام 4 جزء از داده ژئومتری معمول و روش های محاسباتی هیدرولیکی و ژئومتری معمول یکسان استفاده می کنند. علاوه بر چهار جزء آنالیز رودخانه، سیستم شامل چند ویژگی طراحی هیدرولیکی است که می توانند مورد استفاده قرار گیرند و پروفیل های اساسی سطح آب محاسبه شوند
برنامه HEC-RAS نسخه 4.0 Beta محاسبات پروفیل سطح آب در جریان دائمی و غیر دائمی، انتقال رسوب/ محاسبات بستر متحرک و آنالیز دمای آب را پشتیبانی می کند. یعنی این نرم افزار امکان اجرای جریان دائمی یک بعدی، محاسبات جریان غیر دائمی، انتقال رسوب/ محاسبات بستر متحرک و مدل سازی دمای آب را ممکن می سازد. این برنامه برای اجرای محاسبات هیدرولیکی یک بعدی برای یک شبکه کامل از کانال های طبیعی و مصنوعی طراحی شده است.
.2 مدل سازی رسوب در HEC-RAS - مواد و روشها -
مدل سازی انتقال رسوب مشخصاً کار دشواری است. داده هایی که برای پیش بینی تغییر بستر مورد استفاده قرار می گیرند اساساً نامطمئن هستند و تئوری بکار رفته تجربی بوده و به یک آرایش وسیع از متغیر های فیزیکی بسیار حساس است. با در دست داشتن داده های خوب می توان مدل رسوب کالیبره شده را به صورت منطقه ای بکار برد. HEC-RAS اکنون دارای قالبی است که به کمک آن مدل سازی انتقال رسوب و مرزهای متحرک اجرا می شود .
قابلیت های حاضر HEC-RAS در زمینه رسوب بر اساس هیدرولیک جریان شبه غیر دائمی1 استوار است. در روش شبه غیر دائمی یک هیدروگراف جریان با یک سری از پروفیل های جریان دائمی همراه با دوره های جریان مرتبط با آن تقریب زده می شود. محاسبه پروفیل های سطح آب از یک مقطع عرضی به مقطع عرضی بعدی با حل معادله انرژی با یک روند متناوب بنام روش گام استاندارد انجام می شود. معادله انرژی به شکل زیر نوشته می شود
که در آن: Y1 و =Y2 عمق آب در مقاطع عرضی، V1 و =V2 سرعت متوسط - سطح جریان کل/ دبی کل - ، Z1 و = Z 2 فاصله از تراز مبنا، 1 و 2 = ضرایب توزیع سرعت، = g شتاب ثقل، = he افت هد انرژی است.
در HEC-RAS افت هد انرژی - - he بین 2 سطح مقطع، ترکیبی از افت های اصطکاکی و افت های ناشی از تنگ شدگی و بازشدگی است. معادله محاسبه افت انرژی به شکل زیر است:
به همین ترتیب برنامه می تواند متوسط هد انرژی جنبشی را محاسبه کند. مدل HEC-RAS برای یک تراز سطح آب داده شده،انرژی متوسط را با محاسبه انرژی جریان از سه زیربخش مقطع عرضی - ساحل چپ، کانال اصلی، ساحل راست - بدست می آورد.
