بخشی از مقاله
چکیده
از جمله اهداف مهم شبیه سازي سیلاب در حوضه هاي شهري میتوان به مواردي همچون تحقیق در مورد وقوع رواناب در زیرحوضه هاي مختلف، تعیین زیرحوضه هایی که بیشترین سهم را در تولید دبی اوج هیدروگراف خروجی دارند و همچنین بررسی حرکت رواناب در اجزاي مختلف سیستمهاي زهکشی و بازتاب آن در روشهاي مدیریتی کنترل سیلاب در محدوده هاي شهري و نیز بررسی کفایت و یا عدم کفایت سیستم زهکشی موجود جهت تخلیه سیلاب در هنگام بروز بارش با دوره بازگشت طراحی، اشاره نمود. با توجه به موارد ذکر شده، شبیه سازي سیستم زهکشی منطقه 22 تهران با استفاده از مدل کامپیوتري در اولویت انجام این تحقیق قرار گرفت. براي انتخاب مدل کامپیوتري مناسب، پس از بررسی مدلهاي کامپیوتري متعدد موجود، مدلMIKE SWMM با توجه به قابلیتهاي بالاي آن در شبیه سازي سیستمهاي زهکشی شهري، در نظر گرفته شد. نتایج آنالیزها با استفاده از مدل مذکور نشان داد که شیب حوضه ها و نیز نواحی با تراکم بالا بیشترین تأثیر را در دبی اوج هیدروگراف خروجی داشتهاست. همچنین در این تحقیق قسمتهایی از سیستم جمع آوري آبهاي سطحی منطقه 22 تهران که با شرایط فعلی توانایی عبور دادن سیلاب طراحی را نداشتند پس از شبیه سازي کامپیوتري، شناسایی شده و ابعاد بهینه تیپ براي آنها پیشنهاد شد و به این ترتیب استفاده از مدل مدیریت سیلاب(MIKE SWMM) به عنوان ابزاري موثر و کارآمد جهت مدیریت سیلاب در حوضه هاي شهري ارزیابی و پیشنهادگردید.
کلید واژهها: مدیریت سیلاب شهري، شبیه سازي، مدلMIKE SWMM
-1 مقدمه
تخمینها نشان میدهد در سال 2000 بیش از نیمی از جمعیت جهان در نواحی شهري سکونت داشتهاند.[1] این در حالی است که در بسیاري از کشورها مساحت اشغال شده توسط مراکز شهري، اغلب کمتر از 5 درصد کل سطح کشور را در بر میگیرد. در نتیجه این واقعیت که به مفهوم تمرکز بالاي فعالیتهاي انسانی در مناطق شهري میباشد موجب تشدید رقابت براي دستیابی به همه انواع منابع از جمله آب (به عنوان ضروريترین منبع حیات) در نواحی شهري شدهاست. از سوي دیگر علی رغم این که آب براي بقاي بشر و شهرنشینی ضروري میباشد ولی میتواند روي فعالیتهاي انسانی تاثیرمنفی نیز داشته باشد که از جمله آنها میتوان به سیلاب، زهآب، فرسایش و رسوبگذاري اشاره نمود. این مشکلات در حوضه هاي شهري در اثر تغییر و اصلاح آبروهاي طبیعی و افزایش سطوح نفوذناپذیر تشدید میشود. رواناب حاصل از سیلاب در حوضه هاي شهري موجب بروز مشکلات کمی و کیفی متعددي میشود[2] که در این تحقیق تنها مشکلات کمی ناشی از سیلاب مورد بررسی قرار گرفته و براي این منظور مطالعه موردي براساس اطلاعات مربوط به یکی از مناطق22 گانه کلان شهر تهران (منطقه (22 انجام پذیرفت. منطقه بیست و دو تهران با مساحتی حدود 6200 هکتار پذیرندة جمعیتی بالغ بر 700 هزار نفر در سالهاي آتی خواهد بود و منطقه نسبتاً بزرگی را در غرب تهران تشکیل خواهد داد. با توجه به اهمیت منطقه، سطح وسیع و نیز وجود کاربریهاي مختلف اراضی، بررسی کفایت شبکه موجود جمعآوري آبهاي سطحی در عبور دادن سیلاب طراحی از اهمیت فوقالعادهاي برخوردار بوده و به همین دلیل شبیه سازي سیستم زهکشی موجود با استفاده از مدل کامپیوتري در اولویت انجام این تحقیق قرار گرفت.
-1-1 اهداف تحقیقاتی
در این تحقیق شبیه سازي هیدرولوژیکی و هیدرولیکی سیستم جمع آوري آبهاي سطحی در منطقه 22 تهران به منظور نیل به اهداف تحقیقاتی زیر انجام شد:
-1 تعیین زیرحوضه هایی که بیشترین سهم را در تولید دبی اوج هیدروگراف خروجی داشتهاند.
-2 بررسی کفایت سیستم زهکشی موجود جهت تخلیه سیلاب در هنگام بروز بارش با دوره بازگشت طراحی.
-3 پیشنهاد ابعاد تیپ مناسب براي سیستم جمع آوري آبهاي سطحی منطقه 22 تهران براساس سیلابهاي طراحی بادوره بازگشتهاي 2، 5 و 10 سال.
-2-1 مدلهاي شبیه سازي رواناب سطحی و سیلاب
مدلهاي ریاضی و کامپیوتري در عمل ابزار بسیار سودمندي براي تجزیه و تحلیل مشکلات کمی و کیفی ناشی از سیلاب در حوضه هاي شهري میباشند. در این مدلها روابط ریاضی بیان کننده رفتار سیستم به کمک کامپیوتر حل می-شود.[3] مدلهاي موجود در زمینه شبیه سازي رواناب سطحی در محدوده هاي شهري در سه دسته طبقهبندي میشوند. دسته اول مدلهاي شبیه سازي هیدرولوژیکی سیلاب هستند که به کمک آنها حجم و هیدروگراف سیلاب استخراج میگردد.
دسته دوم مدلها در زمینه شبیه سازي هیدرولیکی سیلاب و طراحی شبکه میباشند و قابلیت حل معادلات جریان در مسیر مربوطه را دارند و دسته سوم مدلهایی هستند که قابلیت شبیه سازي کیفی جریان و مدل کردن آلودگی در داخل شبکه را دارند. در این نوع مدلها شکل شبکه عمدتاً از قبل به منظور طراحی مشخص گردیده و شبیه سازي هیدرولوژیکی، هیدرولیکی و کیفی بر اساس آن انجام میگیرد. تا کنون مدلهاي متعددي تهیه شدهاند که داراي قابلیت شبیه سازي هیدرولوژیکی، هیدرولیکی یا کیفی و یا ترکیبی از آنها میباشند. از جمله این مدلها میتوان به مدلهاي BRRL،ILLUDAS، MIDUSS، STORM، MOUSE، Infoworks CS، CEDRE، SWMM، MIKE SWMM، MIKE URBAN و RisUrSim اشاره نمود. پس از مطالعه مدلهاي فوق و با توجه به وجود پیچیدگیهاي مختلف در شبیه سازي شبکه جمعآوري آبهاي سطحی منطقه 22 تهران، استفاده از یک مدل قوي و مناسب در اولویت قرار گرفت که بر این اساس از میان گروه مدلهاي فوق مدل MIKE SWMM، جهت انجام این تحقیق در نظر گرفته شد.
-3-1 مروري بر پژوهشهاي انجام شده
اسمیت (1999)، از مدل کامپیوتري MIDUSS 98 براي تعیین ابعاد شبکه جمع آوري و تعیین ذخیره و تغذیه آب زیرزمینی در شبکه زهکشی شهري استفاده نمود.[4] هسو و همکاران (2000)، براي شبیه سازي سیلاب در حوضه شهريتایپه مدل SWMM و مدل دو بعدي پخشیدگی جریان سطحی را تلفیق نمودند و به این نتیجه رسیدند که مدل تلفیقی، ابزار مناسبی براي تجزیه و تحلیل سیلاب ناشی از سرریز شدن آب از شبکه هاي جمع آوري آبهاي سطحی و سیلاب ناشی از تخریب ایستگاههاي پمپاژ میباشد.[5] کامپانا و توچی (2001)، به منظور پیشبینی سیلاب در اثر توسعه شهرسازي از مدل هیدرولوژیکی IPH IV به همراه GIS استفاده نمودند و رابطه میان پارامترهاي مدل هیدرولوژیکی و مشخصههاي توسعه شهري را بر اساس طرح تفصیلی شهر دیلوویو در کشور برزیل بدست آوردند. نتایج شبیه سازي آنها نشان داد که علت اصلی پخش سیلاب در سطح شهر به دلیل انسداد مسیر جریان توسط پلها بوده است.[6] وائس و همکاران (2004)، براي مدلسازي سیلاب در سیستمهاي زهکشی شهر لوون در کشور بلژیک از دو مدل هیدرودینامیک یک بعدي Infoworks CS و MOUSE استفاده نمودند. آنها شبکه جمعآوري آبهاي سطحی را در دو حالت: الف– با یک مسیر جمعآوري در هر خیابان و ب– با دو مسیر جمعآوري براي هر خیابان شبیه سازي نمودند و به این نتیجه رسیدند که در هر دو حالت دبیهاي اوج سیلاب تفاوت زیادي نخواهد کرد اما زمان ماندگاري سیلاب در سطح خیابان تفاوت معنیداري خواهد داشت.[7] اشمیت و همکاران (2004)، در قالب یک پروژه تحقیقاتی اروپایی که در کشور آلمان به انجام رسید مدل RisUrSim را براي تجزیه و تحلیل و مدلسازي سیلاب در سیستمهاي زهکشی شهري تهیه نمودند. سپس مدل تهیه شده را به طور موردي در شهر کایزرس لاترن آلمان به کار بردند و پیشنهاداتی را در ارتباط با دادههاي مورد نیاز براي مدلسازي، تایید مدل و نتایج شبیه سازي ارائه نمودند.[8]
-2 مواد و روشها
محدودة مورد مطالعه در این تحقیق، منطقه 22 تهران به مساحت 6200 هکتار بوده است؛ حدود جغرافیایی این منطقه براساس سیستم تصویر جهانی UTM از شمال به مرز حوضه هاي میانی (حوضه هاي باغ اناري و دانشگاه) به مختصات عرضی 3958530 متر، از جنوب به مرز اتوبان تهران کرج به مختصات عرضی 3952334 متر، از شرق به رودخانه کن به مختصات طولی 526200 متر و از غرب به حد نهایی محدودة شهري تهران به مختصان طولی 507672 متر، محدود میگردد. شکل (1) موقعیت منطقه 22 در شهر تهران و نمایی از طرح تفصیلی آن را نشان میدهد. با توجه به شکل مذکور ملاحظه میشود که منطقه 22 تهران با توجه به وسعت زیاد خود در برگیرندة شهرکهاي مسکونی پراکندهاي در سطح منطقه بوده که اغلب آنها داراي شبکه هاي نامنظم جمعآوري آبهاي سطحی میباشند.
شکل -1 موقعیتمنطقه 22 درشهرتهرانونماییازطرحتفصیلیآندرسیستمتصویرجهانیUTM
1-2 معرفی مدل MIKE SWMM
نام این مدل از دوکلمه MIKE و SWMM تشکیل شده که اولی نشان دهنده موسسه تهیه کننده آن و دومی مخفف کلمات Storm Water Management Model به معناي مدل مدیریت سیلاب میباشد در حقیقت این مدل یک بسته نرم افزاري جهت شبیه سازي و آنالیز شبکه هاي جمعآوري آبهاي سطحی و فاضلاب است که توسط مؤسسه هیدرولیک دانمارك به عنوان یک پردازنده قوي اطلاعات براي برنامه EPA SWMM تهیه شده و با دریافت اطلاعات ورودي مورد نیاز در محیط ویندوز، آنرا به فرمت مناسب براي مدل SWMM4.4 تبدیل مینماید. این مدل حاوي سه بلوك رواناب1، انتقال2 و انتقال توسعه یافته3 میباشد. بلوك رواناب جهت شبیه سازي هیدرولوژیکی رواناب سطحی به کار میرود. بلوك انتقال به منظور بررسی انتقال آلودگی در شبکه زهکشی کاربرد دارد و بلوك انتقال توسعه یافته در شبیه سازي هیدرولیکی شبکه جمعآوري آبهاي سطحی به کار میرود.[9] که در تحقیق حاضر، جهت شبیه سازي هیدرولوژیکی و هیدرولیکی سیلاب به ترتیب از بلوکهاي رواناب و انتقال توسعه یافته استفاده شد.
-2-2 معادلات اساسی و روشهاي محاسباتی در مدل MIKE SWMM
در این مدل، مقدار جریان سطحی بر اساس روش موج سینماتیکی و روندیابی در داخل واحدها براساس روش مخزن غیرخطی مطابق شکل (2) انجام میشود. بر این اساس مقدار جریان خروجی از زیر حوضه ها با استفاده از رابطه زیر بدست میآید:
که در آن: Q دبی خروجی از زیر حوضه ، W عرض واح
شکل-2نحوه محاسبه رواناب سطحی و انجام روندیابی در مدل هیدرولوژیکی[9]
همچنین در این مدل محاسبات مربوط به هیدرولیک جریان در مجاري آبرو براساس معادلات سنت ونان به صورت زیر میباشد:
که در آن: Q مقدار دبی، A سطح مقطع جریان، V سرعت، h ارتفاع جریان، S0 و Sf به ترتیب شیبهاي کف وهیدرولیکی و t زمان است.
