بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از موارد مهم مدیریت و کنترل سیل، محاسبهي توزیع عرضی سرعت در رودخانهها در هنگام وقوع سیلاب است. علاوه بر این، توزیع عرضی سرعت در تعیین نقاط فرسایشی و رسوبگذار در عرض رودخانه، توزیع غلظت رسوب معلق و بار بستر، طراحی مقاطع پایدار رودخانه و انتقال مواد آلاینده لازم و ضروري است. براي حل توزیع عرضی سرعت در رودخانهها از مدلهاي ریاضی دوبعدي و شبهدوبعدي استفاده میشود. در این مقاله از یک روش بسیار ساده و کاربردي به این منظور استفاده شده و در چند مقطع مرکب آزمایشگاهی و رودخانهي طبیعی مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج این روش در مقایسه با نتایج واقعی توزیع عرضی سرعت داراي دقت مناسبی بوده و کارایی روش پیشنهادي را نشان میدهد. با توجه به سادگی روابط حاکم و دقت مناسب این روش، کاربرد آن در رودخانههاي سیلابی توصیه میشود.
کلمات کلیدي : توزیع عرضی سرعت ، رودخانه هاي سیلابی ، مدل یک بعدي ، مقاطع مرکب
.1 مقدمه
موضوع سیل همواره مورد توجه محققین مختلف بوده است. وقوع سیل جنبههاي زیادي از قبیل مسائل جانی، اقتصادي، اجتماعی و زیست-محیطی را دربر گرفته و اثرات منفی آن میتواند تا مدتها باقی بماند. به همین دلیل در چند سال اخیر تحقیقات زیادي در زمینهي هیدرولیک جریان در دشتهاي سیلابی انجام شده است. دشتهاي سیلابی رودخانهها معمولاً کانون فعالیتهاي کشاورزي و تفریحی بوده و از نظر محیط زیست نیز داراي اهمیت زیادي هستند. در بعضی از این دشتها گونههاي جانوري و گیاهی زیادي وجود داشته که باید در مقابل خطرات سیلاب محافظت شوند. از طرف دیگر، وسعت زیاد این دشتها باعث شده است که از این دشتها به عنوان محلی براي ذخیره سیل و کاهش دبی پیک سیل در رودخانهي اصلی استفاده شود. بدین منظور باید با شناخت دقیق هیدرولیک جریانها در دشتهاي سیلابی، روشهاي مناسب و مؤثري براي کنترل و مهار سیلاب انتخاب شود. - ظهیري ، - 1378
در اغلب طرحهاي مهندسی رودخانه از قبیل روندیابی سیل، تعیین حد بستر و حریم رودخانه و ...، محاسبهي مقادیر متوسط پارامترهايهیدرولیکی مقطع رودخانه - سرعت جریان، عمق آب و تنش برشی - کفایت میکند. این نتایج با استفاده از مدلهاي ریاضی یکبعدي جریان دائمی نظیر HEC-RAS ، MIKE-11 ، ISIS و HEMET قابل استخراج میباشد. مشکل و محدودیت اصلی این مدلهاي ریاضی این است که متغیرهاي هیدرولیکی را فقط در جهت طولی محاسبه کرده و توزیع عرضی و عمقی متغیرها را درنظر نمیگیرند. همچنین از نظر دقت نیز داراي محدودیت میباشند. در برخی موارد نظیر مطالعات حمل رسوب، تعیین بازههاي فرسایشی و رسوبگذار در عرض رودخانه، طرحهاي کنترل فرسایش سواحل و تعیین سرعت جریان در مقطع اصلی و دشتهاي سیلابی رودخانه، توزیع عرضی یا عمقی پارامترهاي سرعت جریان و تنش برشی اهمیت فراوانی دارند . به این منظور در این طرحها استفاده از مدلهاي ریاضی دوبعدي و سهبعدي اجتنابناپذیر است.
مدلهاي ریاضی MIKE-21C، SSIIM، SMS، FLUENT، TELEMAC و DELFT3D از این گروه هستند. این مدلها، اگرچه فیزیک و مکانیسم جریان را با دقت بیشتري شبیهسازي میکنند، اما به دلیل نیاز به اطلاعات دقیق مرزهاي جریان، ضرائب ثابت و اندازهگیريهاي فراوان میدان سرعت جریان در جهات طولی و عرضی و نیز حجم بالاي حافظه کامپیوتر، فعلاً براي کاربردهاي معمول مهندسی توصیه نشدهاند - نایت، . - 2004 عملاً اینگونه مدلهاي ریاضی فقط براي بازههاي رودخانهاي بسیار کوتاه و نیز در مجاورت سازههاي هیدرولیکی مهم - نظیر آبگیرها، ایستگاههاي پمپاژ، سرریزها، آبشکنها، پایههاي پل و ... - قابل استفاده هستند. با این شرایط، بایستی راهکار میانبري را اتخاذ کرد. در این مقاله، راهکار مناسب و بهینهاي براي حل توزیع عرضی سرعت و تنش برشی بستر در رودخانههاي سیلابی ارائه شده است که از نظر سادگی و دقت، قابل توجه است.
.2 مواد و روشها
در شرایط سیلاب، مقطع عرضی رودخانه معموًلا شامل یک مقطع اصلی و دو دشت سیلابی است که جریان در مقطع اصلی، داراي عمق و سرعت زیادي است در حالیکه جریان در دشت سیلابی داراي عمق و سرعت کمی میباشد. اختلاف سرعتها در این شرایط، گرادیان عرضی قابل توجهی را ایجاد نموده و تنش برشی زیادي در مرز تماس مقطع اصلی و دشتهاي سیلابی اتفاق میافتد. این تنش برشی باعث تغییر هیدرولیک جریان و انتقال رسوب در رودخانه شده و دبی سیل عبوري از رودخانه را کاهش میدهد. بنابراین مهمترین مرحله از محاسبات هیدرولیک جریان در رودخانههاي سیلابی، تقسیم رودخانه به مقطع اصلی و دشتهاي سیلابی است. - ایوب زاده و ظهبري ، - 1381
در شرایط عادي رودخانه که جریان آب فقط در مجراي اصلی حرکت میکند، دو محدوده جریان چرخشی - سلول - در کنارههاي رودخانه تشکیل خواهد شد. این نواحی چرخشی جریان در شکل -1 الف نشان داده شده است. با افزایش عمق جریان و سرریز شدن به دشتهاي سیلابی، قدرت چرخشی این سلولها تشدید خواهد شد - شکل -1ب - . با افزایش بیشتر عمق جریان، جریان چرخشی به سمت دشتهاي سیلابی توسعه پیدا میکندبراي محاسبهي توزیع عرضی سرعت در رودخانههاي سیلابی، ابتدا مطابق شکل 2، مقطع عرضی رودخانه با هر هندسهي دلخواه به المان-هاي کوچک تقسیم میشود. سپس مطابق شکل 3، گرههاي محاسباتی در عرض مقطع و در مرز المانها مشخص میشود. در این شکل به عنوان نمونه، چند گره از گرههاي ابتدایی، میانی و انتهایی مقطع عرضی نشان داده شده است.
بدیهی است با افزایش تعداد گرههاي محاسباتی، دقت نتایج افزایش مییابد.سرعت جریان در اولین و آخرین گره از مقطع عرضی به دلیل شرط عدم لغزش2، برابر صفر است. - - ایوب زاده و ظهبري ، - 1383بعد از تقسیم مقطع رودخانه به المانهاي کوچکتر، مراحل زیر انجام میشوند:محاسبهي ظرفیت انتقال هر یک از المانها از رابطهي - 1 - که Ki ظرفیت انتقال، Ai مساحت هر المان، Ri شعاع هیدرولیکی هر المان و ni ضریب زبري مانینگ در هر المان است.محاسبهي شیب انرژي کل مقطع رودخانه از رابطهي - 2 - که Q دبی کل جریان سیل و K ظرفیت انتقال کل رودخانه است. ظرفیت انتقال کل مقطع از مجموع کلیهي ظرفیتهاي انتقال محاسبهي توزیع عرضی سرعت جریان از رابطهي - 3 - المانها بدست میآید.
.3 نتایج مدل
به منظور ارزیابی کارایی روش ساده فوق، این روش براي یک کانال آزمایشگاهی و 2 رودخانه سیلابی با دشتهاي سیلابی مورد استفاده قرار گرفته است. در شکل 4، نتایج محاسباتی توزیع عرضی سرعت در کانال آزمایشگاهی به ازاء عمق جریان 0/1655 متر و براي تعداد مختلف المانها ارائه شده است. این کانال به شکل ذوزنقه با دشتهاي سیلابی متقارن بوده و در آن عرض مقطع اصلی 1/5 متر، عمق مقطع اصلی 0/15 متر، عرض دشتهاي سیلابی 2/25 و شیب طولی 0/00105 میباشد. ضریب زبري کانال در مقطع اصلی 0/01 و در دشتهاي سیلابی با توجه به عمق جریان در هر نقطه از رابطه4 قابل محاسبه است - آتاباي ، . - 2001در این شکل دادههاي آزمایشگاهی توزیع عرضی سرعت نیز نشان داده شده است. به دلیل متقارن بودن کانال، فقط دادههاي آزمایشگاهی
