بخشی از مقاله
خلاصه
کاربرد مدل های ریاضی در طرحهای مهندسی رودخا نه عموما امری اجتناب ناپذیر می باشد با این وجود نیاز حداقل به اطلاعات صحرایی؛ حجم محاسباتی اندک و درجه اعتماد مدل های ریاضی در رودخانه ها باید مد نظر قرار گیرد همچنین محاسبه و پیش بینی خصوصیات جریان و فرسایش و رسوبگذاری در روخانه ها اهمیت بسیار زیادی دارد .
در تحقیق حاضر اهداف اصلی عبارتست از: شبیه سازی رودخانه با استفاده از مدل ریاضی HEC-RAS ، ارزیابی پروفیل سطح آب رودخانه قره سو به طول تقریبی 18,5 کیلومتر با 60 مقطع عرضی در سه جریان شاخص - 66،100،133متر مکعب بر ثانیه - .که نتایج حاصل ازمحاسبه خصوصیات جریان در طول رودخانه قره سو - عمق جریان ،تنش برشی جریان ،سرعت جریان ، عرض سطح آب ، و مرز های پیشروی سیلاب در دو سمت رودخانه - در شرایط طبیعی و موجود سیستم رودخانه قره سو در محدوده ی بازه انتخابی در این مقاله ارائه شده است.
1. مقدمه
نرم افزار The Hydrologic Engineering Center River Analysis System یا HEC-RAS توسط مهندسان ارتش ایالات متحده امریکا ساخته شد و به رایگان در دسترس عموم قرار گرفت . قابلیت این نرم افزار در مدل سازی انواع سازه ها و قابلیت تحلیل جریان در حالت غیر ماندگار و همچنین گرافیک قوی این نرم افزار را یکی از کاربردی ترین نرم افزارهای مهندسی آب کرده است.
برنامه هک راس توانایی مدل کردن کامل شبکه ها ،کانال ها و رودخانه های شاخه ای یا تکی را دارا می باشد . این برنامه می تواند جریان های ماندگار یا ناماندگار ، زیر بحرانی یا فوق بحرانی را به خوبی ترسیم کند .نرم افزار HEC-RAS یکی از سری مدلهای Hydrologic Engineering Center است که جهت روندیابی جریان در رودخانه قابل استفاده می باشد. چند شاخهای شدن آبراهه ها را نیز در این مدل می توان تعریف کرد. این مدل بسیار ساده و در عین حال کاربردی است.
علاوه بر این می توان در این مدل در صورت وجود هرگونه سازه های آبی شامل پل، بند، سد، آبگذر - کالورت - و .... را به مدل تعریف و اضافه نمود و تاثیر آن را در روندیابی مشاهده نمود. در مقایسه با مدل MIKE11 که یکی از قسمتهای آن مدلسازی هیدرولیکی است بسیار ساده و کاربردی تر است. هرچند که مدل MIKE11 تا حدودی دارای دقت بیشتری نسبت به HEC-RAS است در عین حال می توان به این مدل اعتماد کرد. از خروجیهای مدل فوق می توان به تغییرات پروفیل سطح آب در دبی های با دوره بازگشتهای مختلف در بازه های مورد نظر در رودخانه، مقادیر سرعت جریان، عمق نرمال، عمق بحرانی، و خصوصیات و پارامترهای هیدرولیکی در رودخانه اشاره کرد.
ورودیهای مدل شامل مقاطع عرضی آبراهه، ضرایب زبری - در این بخش می توان ضرایب زبری مختلفی را در یک مقطع عرضی با توجه به تغییرات عمق و شکل مقطع تعریف کرد - و دبی های طرح در دوره بازگشتهای مختلف و فاصله بین مقاطع است.
سیستم HEC-RAS شامل سه مولفه تحلیل هیدرولیکی یک بعدی برای : .1 محاسبات پروفیل سطح آب در حالت جریان ماندگار .2 شبیه سازی جریان ماندگار .3 محاسبات انتقال رسوب در مرز متحرک خواهد بود.
2. مواد و روش ها
بازه مورد مطالعه بخشی از رودخانه قره سو یکی از پنج شاخه اصلی رودخانه کرخه است.حوزه آبخیز قره سو در محدوده ی 46œ22ʼ12" تا 47œ22ʼ12" طول جغرافیایی و 34œ11ʼ10" تا 34œ55ʼ10" عرض جغرافیایی قرار گرفته است. از شمال به حوزه آبخیز گاو رود، از جنوب به حوزه آب خیز اروند رود، از غرب به حوزه آبخیز زمکان و از شرق به حوزه آبخیز گاماسیاب محدود می شود.
این حوزه از نظر تقسیمات کشوری در استان کرمانشاه قرار دارد. شیب متوسط رودخانه 0.004 و طول رودخانه حدود 233 کیلومتر و ارتفاع متوسط حوزه 1268 متر است. که در این تحقیق قطعه ای به طول تقریبی 18.5 کیلومتر از رودخانه از محا دوآب قزانچی تا ورودی به شهر کرمانشاه انتخاب گردیده است. در پایین دست روخانه نیز ایستگاه پل کهنه واقع شده است.
در این تحقیق آزمون مدل ریاضی در سه شرایط مختلف 133,100,66 - متر مکعب بر ثانیه - معادل سیلاب های بیست، پنجاه وصد ساله رودخانه - - انجام یافته است.
نمای شماتیک سه بعدی از رودخانه
3. نتایج و بحث
شبیه سازی خصوصیات جریان پایدار با مدل ریاضی:
در این تحقیق 1.8 کیلومتر از رودخانه قره انتخاب گردیده و پس از برداشت مقاطع عرضی رودخانه در طول بازه توجه مقطع کنترل S1 و توزیع یکنواخت زبری در بستر و دیواره های رودخانه اقدام به واسنجی مدل گردید. و در سه آزمون مختلف - - RUN 1-3 ، شبیه سازی صورت گرفت که در هر آزمون جریان ،پارامتر های ارتفاع متوسط سطح آب، عمق متوسط - هیدرولیکی - جریان ، محیط خیس شده ، عرض سطح آب ، سرعت متوسط جریان، تنش برشی جریان،عدد فرود و عدد رینولدزمحاسبه گردید
ارتفاع سطح آب:
شکل 1 تغییرات ارتفاع سطح آب را نسبت به پروفیل طولی خط القعر رودخانه نشان می دهد.
در طول کل بازه ی مورد مطالعه ارتفاع سطح آب از پایین دست به سمت بالادست به ازای تمام دبی ها افزایش یافته است بطوری که در مقطع S1 کمترین ارتفاع و در مقطع S60 بیشترین ارتفاع را در هر سه دبی به خود اختصاص داده است.
با افزایش میزان جریان ، ارتفاع سطح آب نیز افزایش پیدا کرده است بطوری که ملاحظه میشود کمترین ارتفاع سطح آب در هر مقطع مربوط به دبی 66 متر مکعب بر ثانیه است و بیشترین ارتفاع سطح آب در هر مقطع مربوط به دبی 133 متر مکعب بر ثانیه می باشد.
روند تغییرات ارتفاع سطح آب در طول کل بازهدر هر سه آزمون جریان مشابه است.
عمق متوسط - هیدرولیکی - جریان:
شکل 2 تغییرات عمق متوسط جریان را نسبت به پروفیل طولی خط القعر رودخانه نشان میدهد.
عمق متوسط حداکثر در دبی های 66,100,133 متر مکعب بر ثانیه در مقطع S47 و معادل 3.34,3.78,4.13 متر اتفاق افتاده است.
عمق متوسط حداقل در دبی های 66,100,133 متر مکعب بر ثانیه در مقطع S1,S41,S20 معادل 1.17,0.76,0.69 متر اتفاق افتاده است.
محیط خیس شده:
شکل 3 تغییرات محیط خیس شده را نسبت به پروفیل طولی خط القعر رودخانه نشان میدهد.
با افزایش میزان جریان محیط خیس شده نیز افزایش پیدا کرده است. بطوریکه ملاحظه می شود کمتین محیط حیس شده مربوط به دبی 66 متر مکعب بر ثانیه می باشد و بیشترین محیط خیس شده مربوط به دبی 133 متر مکعب بر ثانیه می باشد که چون رود خانه در بعضی از مقاع بسیار پهن و کم عمق می باشد محیط خیس شده در این مقاطع برای دبی های متفاوت با هم اختلاف زیادی دارند.
روند تغییرات محیط خیس شده در دو دبی 100,133 متر مکعب بر ثانیه مشابه وبسیار به هم نزدیک می باشد.
محیط خیس شده حد اقل در هر سه دبی جریان در مقطع S1 معادل 17.06,18.81,20.23 متر و محیط خیس شده حد اکثر دردبی های 100,133 متر مکعب بر ثانیه در مقطع S42 معادل 131.81,230.49 متر و در دبی 66 متر مکعب بر ثانیه در مقطع S55 معادل 63.15 متر اتفاق افتاده است.
عرض سطح آب:
شکل 4 تغییرات عرض سطح آب را نسبت به پروفیل طولی خط القعر رودخانه نشان میدهد.
با افزایش میزان جریان عمق آب افزایش پیدا کرده و به طبع آن عرض سطح آب نیز افزایش یافته است. بطوریکه ملاحظه میشود کمترین عرض سطح آب در هر مقطع مربوط به دبی 66 متر مکعب بر ثانیه استو بیشترین عرض سطح آب در هر مقطع مربوط به دبی 133 متر مکعب بر ثانیه است.
