بخشی از مقاله
چکیده
رواناب سطحی و جریان آب در رودخانه ها همواره با فرسایش خاک و حمل مواد رسوبی توام است. این مواد در هرجا که موقعیت ایجاب کند تهنشین میشوند. اطلاع از چگونگی فرسایش و توانایی حمل رسوب در آبراهههای مختلف از جمله مواردی است که در هر طرح مهندسی رودخانه و هیدرولوژی باید مورد نظر قرار گیرد. تجزیه و تحلیل و پیش بینی میزان فرسایش و رسوبگذاری در رودخانه ها از مهمترین مباحث هیدرولیک رسوب میباشد. ازبین روشهای مختلف برای بررسی هیدرولیک رسوب استفاده مدلهای ریاضی به دلیل قابلیتهای نسبی زیاد، سادگی اجرا و هزینه اندک، مناسب و مقرون به صرفه میباشد. در این پژوهش بازه ای به طول حدود 12/5 کیلومتر از رودخانه تالار که از رشته کوه های البرز سرچشمه قرار می گیرد موردبررسی و شبیه سازی توسط مدل گردید. نتایج پس از شبیه سازی و واسنجی مدل، نشان داد از بین معادلات انتقال رسوب موجود در مدل معادله انتقال رسوب میر-پیتر –مولر بیشترین تطابق را با واقعیت دارد و می تواند برای پیش بینی تغییرات مقاطع مورد استفاده قرار گیرد.
واژههای کلیدی: شبیهسازی عددی- هیدرولیک رسوب -رودخانه تالار - مدل HEC-RAS4.0
مقدمه
باتوجه به روند پیچیده رسوبگذاری و فرسایش در رودخانهها و اهمیت زیادی که پارامترهای هیدرولیک جریان و رسوب رودخانهها در طرحهای ساماندهی، کنترل سیلاب و طراحی سازههای هیدرولیکی دارد بررسی رسوب در رودخانهها از موارد ضروری میباشد. برای پیشبینی آورد رسوب، عموما با استفاده از مدلهای فیزیکی- هیدرولیکی روابط تجربی متعددی ارائه شده است. این روابط که براساس قوانین دینامیک و هیدرولیک استوارند با درنظرگرفتن خصوصیات جریان همانند دبی، سرعت، سطح مقطع و عمق جریان، دانهبندی و قطر ذرات رسوب، وزن مخصوص، لزجت و دمای آب بدست آمدهاند. در بسیاری از ایستگاههای آبسنجی هرگز چنین دادههایی به اندازه کافی یافت نمیشود و عمدتاً کل دادهها به دبی آب و دبی رسوب خلاصه میگردد که این امر استفاده از این روابط را دچار مشکل میکند.
در چنین مواردی از منحنی سنجه رسوب1 جهت تخمین آورد رسوب مطرح میشود. روش منحنی سنجه نیز به دادههای فراوان و آماربرداری تقریبا متوالی و مستمر نیاز دارد. بنابراین توسعه روشهای کارآمد و دقیق برای برآورد میزان رسوب که این محدودیتها ر ا نداشته باشد از اهمیت زیادی برخوردار است که در طی چند دهه اخیر استفاده از این مدلهای کامپیوتری روند انجام محاسبات را آسانتر و انجام تحلیلها را دقیقتر نموده است. یکی از مدلهای موجود در این زمینه مدل HEC- RAS 4.0 میباشد. این مدل که توسط اداره مهندسی ارتش امریکا توسعه یافته، در آخرین نگارش خود علاوه بر قابلیتهای قبلی توانایی تحلیل فرآیند رسوب، فرسایش و کیفیت را نیز دارا میباشد.
مهمترین مسائل مطرح در خصوص رودخانه تالار که یکی از رودخانه های شمالی کشور می باشد عبارتند از: فرسایش و رسوب رودخانه در مقاطع مختلف، برداشت شن و ماسه از رودخانه، تصرف بستر و حریم رودخانه برای کاربریهای مختلف به-خصوص کاربری کشاورزی، وضعیت نامناسب زیستمحیطی رودخانه و عمکلرد نامناسب سازههای متقاطع با رودخانه در بازههای مختلف. باتوجه به موارد گفته شده اینطور به نظر می رسد که مطالعه بیشتر بر روی این رودخانه ضروری میباشد. نظر به اینکه مدل هیدرولیکیHEC-RAS4.0 دارای قابلیتهای خوبی برای تحلیل هیدرولیکی جریان و رسوب میباشند، در این پژوهش بر اساس دادههای اندازهگیری شده رسوب و دبی جریان در ایستگاههای هیدرومتری موجود، مقاطع مورد نیاز و ...رودخانه مورد نظردر این مدل شبیهسازی شده و پارامترهای مختلف رسوبی مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش ها
منطقه مورد مطالعه
رودخانه تالار از بخشهای شمالی رشته کوههای البرز سرچشمه میگیرد. طول رودخانه 152 کیلومتر و مساحت حوضه آبریز آن 2900 کیلومترمربع است. در این تحقیق بازهای به طول 12/5 کیلومتر از ایستگاه هیدرومتری شیرگاه که در قسمت کوهپایهای رودخانه قرار دارد، مورد مطالعه قرار گرفته.ایستگاه هیدرومتری شیرگاه که بر روی شاخه اصلی رودخانه قرار دارد یک ایستگاه هیدرومتری درجه یک میباشد که مساحت 1768 کیلومتر مربع از زیر حوضه را تحت پوشش قرار میدهد.>2@
مدل HEC- RAS 4.0
یکی از بستههای نرمافزاری مطرح در زمینه مهندسی رودخانه، مدل هیدرولیکی HEC- RAS میباشد. این برنامه توسط مرکز مهندسی هیدرولوژی آمریکا نهیه شده و آخرین نسخه آن HEC- RAS 4.0 در نوامبر سال 2006 توسعه یافته است. این نسخه دارای قابلیتهای محاسبات انتقال رسوب و کیفیت آب نیز میباشد.ازجمله مزیتهای این مدل میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
✓ قابلیت مدلسازی هندسی آسان و بدون محدودیت برای مقاطع عرضی رودخانه و شاخههای فرعی آن.
✓ امکان استفاده از 7 معادله انتقال رسوب و 4 روش محاسبه سرعت سقوط ذرات در محاسبه انتقال رسوب.
✓ امکان شبیهسازی و تحلیل جریان در سه حالت ماندگار، غیرماندگار و شبهغیرماندگار.
✓ امکان ورود دقیق اطلاعات سری زمانی جریان و تعیین شرایط مرزی در حالتهای مختلف. ✓ امکان اختصاص دانه بندی بستر تا دانههای به قطر 2متر وشرط مرزی اختصاصی برای هر مقطع عرضی.
✓ دردسترس بودن نسخه اصلی، حل معادلات در کمترین زمان و قابلیت گرافیکی بالا در نمایش نتایج.
این نرم افزار یک مدل یکبعدی برای شبیهسازی جریان و رسوب دارا میباشد که تغییرات پروفیل طولی بستر رودخانه را
در اثر رسوبگذاری و فرسایش برای دورههای طولانیمدت شبیهسازی میکند. برای محاسبه نرخ انتقال رسوب، روابط مختلفی در مدل پیشبینی شده است تا کاربر رابطه مناسب برای رودخانه مورد مطالعه را از میان آنها انتخاب کند. این مدل براساس معادلات جریان و انتقال رسوب و معادله پیوستگی رسوب در شرایط یکبعدی و فرض جریان شبه ماندگار توسعه یافته است .[3] توابع انتقال رسوبی که برای بار بستردر این نرمافزار وجود دارد عبارتند از: تابع انتقال ایکرز و وایت، توفالتی، ویلکوک، میر-پیتر- مولر، انگلندو هانسون،لارسن ، یانگ
داده های مورد نیاز
به منظور استفاده از این مدل برای شبیهسازی جریان و رسوب، دادههای مورد نیاز عبارتند از : دادههای هندسی، دادههای هیدرولیکی و دادههای رسوبی. در بخش هندسی پلان عمومی رودخانه همراه با مقاطع عرضی به مدل معرفی میشوند. به این منظور ، 55 مقطع عرضی برای بازه ای به طول 12/5 کیلومتر مورد استفاده قرار گرفت. در قسمت اطلاعات هیدرولیکی، مدل برای شبیهسازی پدیده انتقال رسوب رودخانه نیاز به تعریف جریان شبهغیرماندگار دارد که برای شبیهسازی از دادههای دبی روزانه ایستگاه شیرگاه از سال 1385 تا سال 1388 استفاده شد. - شکل - 1داده های مربوط به بخش رسوب شامل دادههای رسوب ورودی، دادههای دما، دادههای دانه بندی بستر و پارامترهای مربوط به انتقال رسوبات چسبنده میباشد. در این بخش منحنی سنجه رسوب معلق در ایستگاه شیرگاه بدست آمده و به عنوان ورودی بکار گرفته شد.بهمنظور ورود اطلاعات مربوط به دانهبندی مواد رسوبی رودخانه، از نتایج آزمایشات نمونههای بستر رودخانه و مقادیر دانهبندی ذرات بستر که توسط پژوهشگر انجام شده استفاده و دانهبندی مواد بستر در هر مقطع عرضی از رودخانه تعریف گردید.
واسنجی مدل ریاضی
در مدلسازی عددی سیستم رودخانه، بهمنظور انجام صحیح محاسبات، تعداد زیادی از پارامترها میبایست به شکل مناسبی تعریف شوند. مقادیر این پارامترها اغلب فاقد صحت و درستی قابل قبولی هستند و بنابراین تعریف مقادیر می بایست براساس اطلاعات تجربی سیستم باشد.[1]بررسی نتایج نشان می دهد که میزان فرسایش و رسوبگذاری در یک مقطع عرضی، نسبت به انتخاب معادله انتقال رسوب و ضریب زبری مانینگ حساس میباشد. همچنین ضریب زبری مانینگ، مهمترین ضریب هیدرولیکی در انواع مطالعات هیدرولیک رودخانه است که تاثیر بارزی بر نتایج محاسبات برجای میگذارد.
در مطالعه حاضر با داشتن قطر مصالح بستر برحسب اینچ و استفاده از روابط تجربی مختلف و بازدید از منطقه مورد مطالعه، مقدار ضریب زبری اولیه برای سواحل و بستر رودخانه محاسیه شده و پس از تعدیل و کالیبره کردن مدل، مقدار ضریب زبری n=0.04 برای بستر وn=0.043 برای دشت سیلابی، درنظر گرفته شد.بعد از اطمینان از واسنجی مدل برای شبیهسازی هیدرولیکی، میبایستی این مدل نیز برای شبیهسازی رسوب نیز واسنجی گردد. برای این منظور از 6 معادله انتقال رسوب، 5 رابطه توفالتی،ایکرز-وایت،میرپیتر مولر، انگلند -هانسن،لارسن و یانگ اجرا شده و نتایج برای چهار مقطعی که در بالادست نقشه برداری شدند مورد مقایسه قرار گرفت که در شکلهای زیردو نمونه نمونه آمده است.
