بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاربرد نرم افزار GSTARS3 در بررسی روند رسوب گذاری مخزن سد جیرفت
مسئله رسوب و چگونگی توزیع آن در مخزن سد از اهمیت قابل ملاحظه ای برخوردار است. اگر در طراحی یک سد، مسئله رسوب مورد توجه قرار نگیرد، پس از مدتی سازه های آبگیر وتاسیسات نیروگاههای برق آبی با مشکل جدی مواجه می گردند و ازهمه مهمتر اینکه حجم ذخیره مخزن نیز کاهش می یابد. لذا ضروری به نظر می رسد که وضعیت توزیع رسوب در مخزن سد تخمین زده شود. یکی از روشها وابزارهای مهم استفاده از مدل های ریاضی می باشد که مبتنی بر حل معادلات حاکم بر پدیده های موثر در انتقال، توزیع، ته نشینی و آبشستگی رسوب می باشد. در این تحقیق بعد از کالیبره کردن مدل به کمک داده های هیدروگرافی مخزن سد جیرفت نحوه رسوبگذاری در مقطع طولی و مقاطع عرضی برای حالتای بستر اولیه، هیدروگرافی شده و نتایج حاصل از تحلیل پدیده رسوبگذاری به کمک نرم افزارGstars3 (که برمبنای اطلاعات آماری وضعیت رسوب در مخزن سد می باشد ) برای دوره معین کالیبره و سپس برای دوره چندین ساله شبیه سازی و ترسیم شده و مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفته و عمر مفید مخزن برآورد و ارائه می شود.
کلمات کلیدی: مخزن سد، رسوبگذاری، GSTARS3، سد جیرفت
-1 مقدمه
یکی از روشهای بهره برداری از منابع آب در نقاط مختلف جهان بنا نمودن سد است. احداث سد در مسیر رودخانه سبب بهم خوردن تعادل هیدرودینامیکی شده و در نتیجه تمامی یا بخشی از رسوبات حمل شده توسط عواملی همچون آب و باد، در سد بجا می ماند. مسئله رسوب و چگونگی توزیع آن در مخزن سد از اهمیت قابل ملاحظه ای برخوردار است. اگر در طراحی یک سد، مسئله رسوب مورد توجه قرار نگیرد، پس از مدتی سازه های آبگیر و تاسیسات نیروگاههای برق آبی با مشکل جدی مواجه می گردند و ازهمه مهمتر اینکه حجم ذخیره مخزن نیز کاهش می یابد. لذا ضروری به نظر می رسد که وضعیت توزیع رسوب در مخزن سد تخمین زده شود. یکی از روشها و ابزارهای مهم استفاده از مدل
های ریاضی می باشد که مبتنی بر حل معادلات حاکم بر پدیده های موثر در انتقال، توزیع، ته نشینی و آبشستگی رسوب می باشد. روشهای ریاضی رسوبگذاری مخازن بر پایه سه تئوری معروف یعنی تئوری جت1، تئوری پخشیدگی2 و تئوری انتقال رسوب3 استوار هستند. مدل SOGREH این مدل در سال 1973 توسط کونج و پردرو4 ارائه شده است. در این مدل از معادلات شبه ماندگار5 و یک بعدی استفاده گردیده که معادلات جریان آب و رسوب را بصورت همزمان به کمک روش چهار نقطه ای صریح حل می نماید.
اداره مهندسی ارتش آمریکا یک مدل رایانه ای بنام HEC-6 را در نسخه های مختلف (نسخه 1 در سال 1977 و نسخه 4/1 در سال (1933 برای شبیه سازی رسوبگذاری و رسوب برداری در رودخانه ها و مخازن ارائه داده است. مدل مدل MOBED2 که یک مدل دوبعدی می باشد توسط اسپاسوجویک و هالی( 1990) 6 برای شبیهسازی بسترهای متحرک ارائه داده شده است. در این مدل از معادلات کنترل برای جریان سیال، انتقال رسوب و تغییر شکل کف بستر استفاده شده است. مدل کامپیوتری GSTARS مدل تعمیم یافته لوله جریان برای شبیه سازی رودخانه آبرفتی است که ابتدا توسط Molinas and yang، جهت شبیه سازی شرایط جریان به روش شبه دو بعدی و شبیه سازی تفییر هندسی کانال به روش سه بعدی در سال 1987 ابداع گردید. این مدل توسط یانگ و همکارانش اصلاح گردید و با عنوان GSTARS2.0 عرضه شد. اما این نسخه از مدل نیز توسط yang & simoes بهبود یافت و در سال 2000 با نام GSTARS2.1، که یک مدل شبیه سازی جریان و رسوبگذاری در رودخانه های آبرفتی بزرگ می باشد، ارائه گردید. اما GSTARS3 مدل تعمیم یافته انتقال رسوب برای شبیه سازی رودخانه های آبرفتی که آخرین نسخه ( نسخه ( 3 از سری مدل های عددی برای شبیه سازی انتقال جریان آب و رسوب در رودخانه آبرفتی می باشد، در سال 2002 ارائه گردید.
-2 موقعیت طرح مورد مطالعه
سدّ جیرفت،در حدود 45 کیلومتری شمال غربی شهر جیرفت، در محلی معروف بهتنگِ نرآب،در 28:51:37 درجه شمالی و 57:27:08 درجه شرقی در ارتفاع 1180 متر از سطح دریا بر روی هلیل رود احداث شده است. گنجایش کل مخزن آن 465 میلیون متر مکعب است و توانایی تولید سیهزار کیلووات برق را دارد. دریاچه سد ( به مساحت تقریبی دوازده هکتار ) حدود 14200 هکتار از زمینهای شهرستان را آبیاری میکند. از اهداف احداث این سد، می توان به تامین آب کشاورزی و صنعتی، کنترل سیل آبهای مخرب، تولید انرژی برق می باشد.
-3 معادلات حاکم بر مدل
1-3 معادله انرژی و ممنتم
مدل GSTARS3 معادله انرژی را بر مبنای روش گام استاندارد حل می کند. برای محاسبه روندیابی مخزن از روش گام استاندارد اصلاح شده و روندیابی سطح آب-مخزن7استفاده می شود.
که :Z ارتفاع کف، :Y عمق آب، :v سرعت جریان، : ضریب توزیع سرعت، :H ارتفاع خط انرژی از مبنا و :g شتاب جاذبه می باشد. فرآیند محاسبات روندیابی جریان برای جریان زیربحرانی به سمت بالادست و برای جریان فوق بحرانی به سمت پایین دست انجام می گیرد.
هنگامیکه در بازه پرش هیدرولیکی اتفاق بیفتد معادله ی ممنتم مورد استفاده قرار می گیرد:
که در آن : وزن واحد آب، : ضریب ممنتم، :P فشار در مقطع عرضی داده شده، : وزن آب محدود به مقطع 1 و 2، : شیب کف بستر،: مجموع اصطکاک خارجی در طول مرز آبراهه.
2-3 روابط مقاومت جریان
یکی از فرضیات اصلی در GSTARS 3 این می باشد که فرمول جریان یکنواخت برای محاسبه افت اصطکاکی قادر به استفاده می باشد. این فرمول برای محاسبه ضریب انتقال (k) برای تعیین شیب اصطکاکی ( ( S f مورد استفاده قرار می گیرد. S f برای یک دبی معین بصورت زیر می باشد.
در GSTARS 3 برای محاسبه K فرمولهای زیر قابل استفاده می باشد.
فرمول مانینگ:
فرمول شزی:
یا فرمول دارسی ویسباخ:
که در آن n و c و f ضرایب زبری در فرمولهای مانین، شزی و دارسی ویسباخ، :g شتاب جاذبه، :A مساحت سطح مقطع و :R شعاع هیدرولیکی میباشند.
3-3 معادله پیوستگی رسوب
اساس محاسبات روندیابی رسوب در GSTARS 3 بقاء جرم رسوب می باشد. در جریان غیرماندگار یکبعدی، معادله پیوستگی رسوب بصورت زیر می باشد:
که : حجم رسوب در واحد حجم لایه بستر، : As حجم رسوب بصورت معلق در مقطع عرضی در واحد طول، : Qs دبی حجمی رسوب و : qlat جریان ورودی جانبی رسوب می باشد. برای ساده سازی این معادله از فرضیات زیر استفاده شده است.
اولاً فرض شده که تغییرات غلظت رسوب در مقطع عرضی خیلی کمتر از تغییرات غلظت رسوب در بستر رودخانه می باشد یعنی:
ثانیاً در طول یک گام زمانی فرض می شود پارامترهای تابع انتقال رسوب برای یک مقطع ثابت باقی بمانند:
که با این فرضیات معادله (7-3) تبدیل می شود به
که معادله مورد استفاده در GSTARS 3 برای روندیابی رسوب در رودخانه ها و آبراهه ها می باشد.
-4 خطوط جریان و لوله های جریان
لوله های جریان لوله های فرضی می باشند که دیوارههایشان بوسیله ی خطوط جریان تعیین می شود. دبی آب در طول لوله جریان ثابت می باشد زیرا جریان نمی تواند از مرز لوله جریان عبور کند. بنابراین متغییر سرعت در طول لوله جریان با مساحت لوله جریان نسبت عکس دارد. شکل((2-3 مفهوم اصلی لوله جریان مورد استفاده در GSTARS 3 را توضیح می دهد.
جریان اجازه داده می شود تا با زمان تغییر کنند. روندیابی رسوب برای هر لوله جریان و هر گام زمانی انجام می شود. ترکیب مواد بستر برای هر لوله جریان در آغاز گام زمانی محاسبه می شود و محاسبات جورشدگی و روسازی بطور جداگانه برای هر لوله انجام می شود.
-5 جورشدگی و روسازی
GSTARS 3 انتقال رسوب را برای هر کلاس دانه بندی انجام می دهد. در نتیجه ذرات با اندازه متفاوت با نرخ متفاوتی منتقل می شوند. با توجه به پارامترهای هیدرولیکی، توزیع رسوب ورودی به بازه و ترکیب مواد بستر، بعضی از ذرات ممکن است دچار فرسایش شوند در حالیکه برای دیگر ذرات ممکن است رسوبگذاری رخ دهد و یا ذرات بی حرکت باشند. GSTARS 3 ظرفیت حمل رسوب را برای هر کلاس دانه بندی که در بستر وجود دارد محاسبه می کند، اما مقدار واقعی مواد جابجا شده بوسیله معادله روندیابی رسوب (7-3) محاسبه می شود. در روش بنت و نردین (1977)بستر بوسیله ی استفاده از دو یا سه لایه فرضی ( سه لایه برای رسوبگذاری، دو لایه برای آبشستگی ) انجام می شود. این فرآیند بطور شماتیک در شکل((3-3 توضیح داده شده است. لایه بالایی که حاوی مواد بستر موجود برای انتقال می باشد لایه فعال نامیده میشود. در زیر لایه فعال لایه غیر فعال قرار دارد که این لایه بعنوان ذخیره مورد استفاده قرار می گیرد. در زیر این دو لایه، لایه دست نخورده با ترکیب مواد بستر اولیه وجود دارد.
لایه فعال مهمترین فرض در این فرآیند می باشد. این لایه تمام رسوب موجود برای انتقال در هر گام زمانی را در بر دارد. ضخامت لایه فعال توسط کاربر تعیین می شود. ضخامت لایه فعال به مقدار زیادی به طول گام زمانی بستگی دارد.
