۱-۱-مقدمه

یکی از اهداف مهم در مهندسی منابع آب، افزایش منافع و کاهش خسارات ناشی از جریان در رودخانههاست. کنترل و کاهش خسارات وارده ناشی از سیلاب، رسوبگذاری و فرسایش به آبراهه ها، اراضی کشاورزی و سازههای آبی مستلزم این است که فرایند فرسایش، انتقال رسوب و تهنشینی مواد رسوبی مورد مطالعه کامل قرار گیرد. با توجه به اینکه در رودخانهها همواره فرسایش و انتقال رسوب صورت میگیرد، پدیده انتقال رسوب از جمله فرایندهای هیدرودینامیکی مهمی است که بسیاری از سازههای رودخانهای و تاسیسات عمرانی را تحت تأثیر قرار میدهد و به عنوان یکی از بزرگترین مشکلات بهره برداری از منابع آبهای سطحی در جهان مطرح میباشد. آگاهی از میزان مواد جامد رسوب که توسط جریان، حمل یا ترسیب میگردد جزو اطلاعات لازم و اولیه هر پروژه آبی و یکی از عوامل مهم تصمیم گیری در مورد احداث سازههای آبی در رودخانهها میباشد. برای تعیین مقدار ذرات معلق، معمولا گلآلودگی جریان را در زمانهای مختلف در طول سال و طبق برنامهای مشخص در محل ایستگاههای رسوبسنجی اندازه گیری می کنند. Brushkeh et al (2004) بیان داشت، برای برآورد غلظت رسوب رودخانه در سایر اوقات، با بهره گرفتن از داده های غلظت و دبی جریان متناظر با آن منحنی سنجه رسوب ترسیم می شود. بنابراین از تلفیق این منحنی و منحنی تداوم جریان، بار معلق رودخانهها در طول دوره آماری برآورد می شود. بنا به نظر(۲۰۰۳) Verstraeten et al آگاهی از مقدار تولید رسوب حوزه آبخیز و بررسی رسوبدهی رودخانهها در شناسایی مناطق بحرانی اهمیت زیادی دارد. همچنینTurner et al (1990) بیان می کند، در بسیاری از مناطق فرسایش خاک باعث تخریب غیرقابل بازگشت اراضی شده و بر پایداری اکوسیستمها تأثیرات منفی می گذارد، از طرف دیگر در مقیاس جهانی تغییرات محیطی- انسانی موجب افزایش فعالیت فرایند زمین ریختی و جریانهای رسوبی در قسمت های زیادی از جهان شده است. به عقیده(۲۰۰۲) Horwitz هیدرولوژیستها در صورت کمبود داده های غلظت رسوب معلق، از منحنیهای سنجه برای پیش بینی و برآورد غلظت رسوب معلق جریانها استفاده می کنند.

( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

بررسی شاخص های آماری رسوبدهی حوزه آبخیز یکی از روشهای بررسی تغییرات زمانی رسوب است. به طوری که محققین زیادی سعی کرده اند این شاخص ها را با تغییرات فیزیکی حوزه آبخیز ارتباط دهند. تشدید فرایند فرسایش خاک و فزونی رسوبات، به عنوان دو محرک تنش زا، مهمترین تهدید برای منابع آب و خاک به حساب می آیند. بر این اساس در پژوهشهای رسوبدهی آبخیزها به مطالعه غلظت رسوب معلق توجه خاصی شده است . زیرا بار معلق شاخصی از رسوبدهی کل سطح آبخیز است، و علاوه بر این، بر اثر شستشوی اراضی حاصل خیز بالادست و رودخانه شکل می گیرد (صادقی و همکاران، ۱۳۸۴). مواد معلق موجود در آب رودخانهها بسته به غلظت و انرژی جریان، در زمانها و در نقاط مختلفی از مسیر رودخانه تهنشین میشوند. اطلاع از مقدار رسوب در زمانهای مختلف در یک رودخانه در برنامهریزیها و طرحهای پهنه بندی سیل و ساماندهی رودخانه حائز اهمیت است. در ایستگاههای رسوبسنجی کشور آماربرداری رسوب به صورت تصادفی و فقط در برخی رگبارهای شدید انجام شده و هیچ گونه ارزیابی از الگوی توزیع زمانی رسوب در رگبارها و وقایع بارندگی صورت نمیپذیرد. از طرف دیگر برداشت نمونههای آب و رسوب در فواصل معین زمانی و ترسیم آب نمود و رسوبنگار همه رگبارها مستلزم صرف انرژی و هزینه زیاد بوده که انجام مداوم آن را غیر ممکن میسازد. از این رو توسعه مدلهایی که بتوانند تغییرات زمانی رسوب را برای رسم رسوبنگار و اندازه گیری مقدار کل رسوب حاصل از رگبار ارائه نمایند ضرورتی اجتنابناپذیر استDas et al (1990) ؛ صادقی و همکاران (۱۳۸۴). مطالعه و بررسی منحنیهای سنجه رسوب خود راهی در جهت شناخت و کنترل عوامل مؤثر بر سیل و سیلخیزی بوده که نهایتاُ میزان خسارات احتمالی ناشی از سیل را کاهش میدهد.

۱-۲ بیان مسئله

یکی از مسایل مهم در حوزه آبخیز کشکان وقوع سیلابهای بزرگ با حجم رسوب انتقالی زیاد است، که هر ساله موجب خسارتهای بیشماری در زمینه انتقال رسوب و رسوبگذاری، پیامدهایی چون ایجاد جزایر رسوبی در مسیر رودخانه، کاهش عمر مفید سدها و ظرفیت ذخیره مخازن، خوردگی تاسیسات سازههای آبی، وارد شدن خسارات به مزارع، رسوبگذاری در کف کانال و بسیاری مسایل و مشکلات دیگر را در بر دارد. آگاهی از چگونگی توزیع زمانی رسوب در طول یک سیلاب به دلیل مشکلات حاصل از وقوع این پدیده در زمینه برنامه ریزیهای مربوط به کاهش خسارات ناشی از سیلاب و رسوب انتقالی در زمینه های مختلف خواهد شد. در این راستا منحنیهای رسوب برای تجزیه و تحلیل روابط متقابل مواد رسوبی و سازههای مؤثر کنترل رسوب از جمله مخازن سدها دارای اهمیت ویژهای میباشند. با دانستن تغییرات زمانی رسوب در طول رگبارها امکان مدیریت بهتر و جامعتر حوزه های آبخیز مهیا میگردد. در حال حاضر، مسائل مربوط به خوردگی سازههای کنترلی و رسوبگذاری درصد قابل توجهی از درآمد سرانه کشورهای مختلف را به خود اختصاص میدهد (بهرنگی، ۱۳۸۸). همچنین تولید رسوب در دراز مدت اثرات نامطلوبی بر کیفیت و ساختمان خاک در زمینه کشاورزی و اقتصاد آن، کیفیت آبهای زیرزمینی و سطحی در زمینه آب آشامیدنی و صنعت، آلودگیهای زیست محیطی خواهد داشت.

۱-۳ اهداف تحقیق

تحقیق حاضر به منظور دست‌یابی به اهداف زیر انجام خواهد گرفت:
۱٫ بررسی تغییرات زمانی منحنی سنجه رسوب در مواقع سیلاب جهت مقایسه رسوب برآوردی حاصل از نرم افزارهای ۴٫۳ GEP و HEC-RAS4.1 با رسوب اندازه گیری شده ایستگاه رسوبسنجی کشکان پلدختر.
۲ . ارائه روشی جهت پیش بینی بهتر رسوب معلق در رودخانه کشکان پلدختر.

۱-۴ فرضیات تحقیق

۱- همبستگی بین دبی رسوب معلق و دبی آب در مواقع سیلابی رودخانه کشکان از رابطه غیرخطی پیروی می کند.
۲- میزان رسوب برآوردی با بهره گرفتن از نرم افزارهای ۴٫۳ GEP و HEC-RAS4.1 با میزان رسوب اندازه گیری شده در منطقه تحقیق اختلاف معنیداری ندارد.
فصل دوم
کلیات و مرور منابع

۲-کلیات و مرور منابع

۲-۱-مقدمه

هیدرولیک رسوب دانشی است که چگونگی فرسایش، حرکت و رسوبگذاری مواد رسوبی در کانالها و رودخانهها را مورد بحث قرار میدهد. این علم برپایه علومی چون مکانیک سیالات، هیدرولیک رودخانه و رسوبشناسی استوار میباشد. از آنجا که خسارات وارده رسوبات رودخانهای به طبیعت، کشاورزی و سازههای آبی بسیار گسترده و زیانآور است، شناخت دقیق آن از اهداف مهم مهندسان هیدرولیک میباشد. برای جلوگیری یا به حداقل رساندن خسارات وارده باید سه فرایند فرسایش، انتقال و تهنشینی مواد رسوبی را مورد مطالعه قرا داد. به عنوان مثال ذرات رسوبی در حین انتقال به توربینها، پمپها، پایه های پل و پوشش کانالها خسارات زیادی وارد می کنند. در این فصل علاوه بر ذکر مبانی نظری، با توجه به موضوع تحقیق، اشاره به منابع تحقیقاتی نرمافزارهای HECRAS 4.1 و GEP 4.3 خواهد شد.

۲-۲- رودخانه، سیلاب و انتقال رسوب

رودخانهها یکی از منابع حیاتی انسان و سایر موجودات زنده میباشد. درحالت طغیان رودخانهها این منبع زندگی باعث نابودی و وارد شدن خسارات جبرانناپذیری گردیده است. شناخت رفتاری رودخانه و انجام فعالیتهای سازگار با طبیعت رودخانه و اقدامات مهندسی بهجا همواره دغدغه مهندسین درگیر در این زمینه بوده است و همیشه به ابزاری جهت شبیهسازی پدیده مورد نظردر رودخانه نیاز بوده است. یکی از مهمترین ابزارها، مدلهای مقیاسی (مدلهای فیزیکی) میباشد که در قرن اخیر به طور گستردهای مورد استفاده مهندسین و محققین قرار گرفتهاند. کاربرد جدی این مدلها که پایه تئوریک آن در قرن نوزدهم توسط فرود (Froude) گذاشته شده به دهههای ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰ میلادی برمیگردد که با موفقیت زیادی همراه بوده وجوابهای کمی ونسبتاٌ دقیقی را در اختیار طراحان و مهندسین قرار دادهاست. اما با توجه به توسعه فعالیتهای مهندسی رودخانه و ازدیاد ابعاد پروژه های مرتبط با رودخانه، مدلهای مقیاسی کارآیی کمتری از خود نشان دادهاند، زیرا محدوده مورد مطالعه طراحان وسیعتر از حدی بود که در مدلی با مقیاس قابل قبول شبیهسازی شود. علاوه بر آن زمانهای شبیهسازی نیز بعضاٌ در حدی میباشد که استفاده از مدل مقیاسی را غیر ممکن میسازد. پیش بینی سیلاب قبل از وقوع، هشدار آن و روشهای غیر سازهای مهار سیل، یکی از راهکارهای مؤثر در کاهش خسارت سیل میباشد، که به عنوان ابزاری برای مدیریت سیل از اهمیت زیادی برخوردار هستند. سیلابی بودن اکثر حوزه های کشور، گسترش طرحهای توسعه منابع آب در حوزه ها و پیشرفت فنآوریهای کامپیوتری ضرورت مدیریت سیلاب از طریق مدلسازی را دوچندان کرده است. با تمام اهمیتی که آب در اقتصاد ایران دارد، سیلابها هر ساله حجم عظیمی از آبها و خاکهای حاصلخیز کشور را از دسترس خارج نموده و به کویرها، دریاچهها و دریا انتقال می دهند (علیزاده، ۱۳۸۱). تداوم این وضعیت، صدمههای جبرانناپذیری بر منابع آب و خاک کشور وارد می کند. از این رو در کنترل و مبارزه با این پدیده شناخت عوامل و پارامترهای موثر بر سیلاب اهمیت بسیار زیادی دارد. به عبارت دیگر قبل از هرگونه برنامه ریزی برای کنترل سیل، باید رفتار و فرآیندهای آن را شناخت (Smith ,1992).

۲-۳- اهمیت انتقال رسوب در رودخانهها

در کشور ما اطلاعات دقیق و صحیح از فرسایش، انتقال رسوب و رسوب گذاری کم است و بین اندازه گیریها و برآوردهای انجام شده نیز اختلاف زیادی مشاهده می شود. جوان بودن تحقیقات در این رشته و فقدان اندازه گیریهای درازمدت رسوب، مانع از دستیابی به اعداد قابل اعتماد شدهاست. با توجه به اینکه در رودخانهها همواره فرسایش و انتقال رسوب صورت میگیرد، بنابراین بررسی ظرفیت حمل رسوب جریان و مکانیسم انتقال رسوب در هیدرولیک رودخانه و مورفولوژی آن، از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد. از سال ۱۹۷۰ به بعد، اندازه گیری و برآورد بارمعلق به دلایل گوناگون و متعدد، شامل مسئله گلآلودگی و انتقال رسوب، بحث کیفیت آب، رسوبگذاری مخازن و کانالها، فرسایش و تلفات خاک مورد توجه قرار گرفت. با وجود مطالعات و تحقیقات زیادی که در دو دهه اخیر در مورد مسئله فرسایش خاک، حمل رسوب و سرانجام ته نشست آنها به عمل آمده، اما هنوز راهی طولانی برای فهم کامل این پدیده باقی مانده است (.Horowitz, 2002 Ferguson, 1986). کشور ایران با فرسایش بیش از یک میلیارد تن در سال ، رتبه اول تخریب در دنیا را دارا بوده و روزانه سیل در حدود ۳۰۰ میلیون تومان و خشکسالی ۱۰۰ میلیون تومان خسارت وارد می نماید (مهدوی، ۱۳۸۰). درایران نیز سالانه بیش از ۱۰۰ میلیون مترمکعب از گنجایش سد های مخزنی به خاطر رسوبگذاری کاسته می شود (موسوی و صمدی بروجنی، ۱۳۷۵). از این رو برآورد بار رسوب معلق که قسمت اعظم رسوب ته نشین شده در مخازن را تشکیل می دهد، بسیار حائز اهمیت است. اندازه گیری رسوب معلق رودخانهها از سال۱۳۴۳ آغاز و تا پایان سال آبی ۷۶-۱۳۷۵ تعداد ۷۱۵ ایستگاه رسوب سنجی با ۲۴۴۰۰۰ رکورد در سطح کشورگزارش شده است (تماب، ۱۳۷۶ ). در این ایستگاهها غلظت یا گل آلودگی جریان اندازه گیری و نتایج حاصل از آن، در مطالعات مرتبط با مدیریت منابع آب، فرسایش و رسوب و مسائل زیست محیطی استفاده می شود. بخش عمده رسوب حمل شده بوسیله اکثر رودخانهها را بار معلق تشکیل میدهد. به همین علت تعیین مقدار بارمعلق رسوب رودخانه در مطالعات مهندسی رودخانه و منابع آب حائز اهمیت است. به مطالعه رسوب معلق به سه دلیل توجه بیشتری شده است: اول اینکه بار معلق شاخصی از تحویل رسوب از کل سطح آبخیز است؛ در حالی که بار بستر شاخصی از شرایط بستر در زمان نمونهبرداری است. دوم اینکه، غلظت مواد حاصلخیز در بار معلق خیلی بیشتر است؛ در نتیجه اهمیت آن نیز بیشتر از بار بستر است (صادقی و همکاران، ۱۳۸۴). و دلیل سوم اینکه معمولاً بار معلق بدون تماس با کف رودخانه است و از ذرات رس، سیلت و و شن ریز تشکیل شده است که نمونهبرداری و اندازه گیری آن به مراتب آسانتر از بار بستر است (Mimikou, 1982). رسوب انتقال یافته توسط رودخانهها به مخازن، ظرفیت ذخیره آنها را کاهش داده و بر کیفیت آب قابل استفاده شده برای نیروگاههای برق، آبیاری و کاربردهای صنعتی و خانگی تأثیرگذار است (Kumar and Rastogi, 1987).

۲-۴-مؤلفه های مدلسازی حوزه

۲-۴-۱- واسنجی مدل

واسنجی مدل فرآیندی است که در طی آن مقادیر پارامترهای معرفی شده به مدل، با هدف دسترسی به نتایج مشابه با داده های واقعی و طبیعی تصحیح می شود (موسوی ندوشن و داننده مهر، ۱۳۸۴). فرایند واسنجی می تواند به صورت کاملاٌ دستی با بهره گرفتن از قضاوت مهندسی به روش تصحیح مکرر پارامترها و محاسبه بهترین برازش بین هیدروگرافهای محاسبه شده و مشاهده شده، انجام پذیرد. بهترین شبیهسازی، خروجی نزدیک به داده های اندازه گیری شده خواهد بود. برای مدلهای ریاضی باید مراحل واسنجی و صحتسنجی صورت گیرد. همانطور که گفته شد در مرحله واسنجی مجموعه ای از عوامل به نحوی اصلاح میگردند که نتایج حاصل از مدل و مقادیر اندازه گیری شده در طبیعت، تطابق داشتهباشند، شکل(۲-۱). قبل از واسنجی، کاربر باید از صحت عملکرد مدل و کامل بودن فایل ورودی اطمینان حاصل کند. به عنوان مثال در مطالعه هیدرولیک جریان، معمولاٌ از اطلاعات اندازه گیری شده دبی جریان و تراز سطح آب برای واسنجی استفاده میگردد. در این حالت ضریب زبری عمدهترین عاملی است که مورد واسنجی قرار میگیرد. ولی در مدلهای دو بعدی و سه بعدی، جریان غیرماندگار و مدلهای فرسایش و رسوب، اطلاعات بیشتری برای واسنجی مورد نیز میباشد. از جمله تغییرات مکانی و زمانی دبی جریان و تراز سطح آب، غلظت رسوب، تراز و شکل بستر و تراز سرعت از جمله اطلاعاتی هستند که برای واسنجی اینگونه مدلها مورد نیز میباشد (راهنمای مطالعات فرسایش و رسوب در ساماندهی رودخانهها، ۱۳۸۶).

شکل(۲-۱) مراحل مختلف واسنجی داده ها در مدلسازی

۲-۴-۲- صحت سنجی مدل

از آنجایی که نتایج حاصل از مدلها در تصمیم گیریها و طراحی منابع آب و خاک و همچنین مسایل مربوط به سیل و امثال آن کاربرد فراوان دارد، همواره درجه اعتبار آنها مورد سؤال است. البته از هیچ مدل کامپیوتری نمی توان پیش بینیهای کامل و دقیقی را انتظار داشت و همیشه به صورت نسبی مطرح است. در این قسمت با یک سری از دادههایی که در مرحله واسنجی استفاده نشدهاند، نرمافزار اجرا می شود. در مرحله واسنجی، شبیهسازی جریان انجام می شود. میزان نزدیکی جریان محاسباتی به جریان مشاهداتی حاکی از معتبر بودن مدل است و در غیر این صورت صحت و اعتبار مدل زیر سؤال خواهد بود. در صورتیکه اطلاعات کافی برای واسنجی و صحت سنجی مدل در دسترس نباشد، باید آنالیز حساسیت مدل به عوامل ورودی انجام گیرد تا میزان ثأثیر خطای اطلاعات ورودی روی نتایج خروجی مدل قابل بررسی باشد (راهنمای مطالعات فرسایش و رسوب در ساماندهی رودخانهها، ۱۳۸۶). صحتسنجی آخرین مرحله ای است که باید بعد از واسنجی صورت گیرد.

۲-۵- نقش مدلها در پیش بینی روند فرسایش و رسوبگذاری

۲-۵-۱- مدلهای تجربی

روشها یا مدلهای تجربی مبتنی بر روابط مشتق شده از آنالیز رگرسیون بوده و معمولاٌ نیازمند تعداد زیادی داده هستند. در این مورد، دانش و علم ما به طور غیرمستقیم از طریق استخراج داده ها و آنالیز آنها منعکس می شود. عیب این نوع مدلها این است که قابلیت استفاده در خارج از محدوده استخراج داده ها را ندارند. این نوع مدلها در واقع توصیف ریاضی از داده ها بوده قادر به افزایش شناخت ما از سیستم نیستند (رفاهی، ۱۳۸۵). از جمله مدلهای تجربی معادله جهانی هدررفت خاک (USLE) بوده که برای برآورد میزان تلفات خاک از یک قطعه زمین و یا در طول یک شیب ارائه شده است و با بهره گرفتن از آن نمی توان میزان رسوبدهی حوزه های آبخیز را تخمین زد. مدل PSIAC و MPSIAC که در مقایسه با سایر روشهای تجربی موجود بیشترین عامل موثر در فرسایش خاک برای محاسبه فرسایش ویژه و تولید رسوب در نظر گرفتهاند. بنابراین می تواند بهتر از روشهای دیگر جواب بدهد. از مزایای این روش در نظر گرفتن شرایط فعلی فرسایش خاک و فرسایش رودخانهای میباشد. مدل EPM و FAO نیز از روشهای تجربی برآورد رسوب میباشد که میزان فرسایش خاک را بر اساس ارزیابی فاکتورهای موثر در فرسایش خاک و تولید رسوب در حوزه آبخیز میباشند (رفاهی، ۱۳۸۵). بیشتر بررسیهای مدلهای تجربی برای فرسایش و رسوب بر این نکته اتفاق نظر دارند که در برآورد درست و دقیق از میزان رسوبدهی رخدادهای منفرد و ارزیابی مدلهای تجربی برآورد رسوب سیلابها بیش از همه نمونهبرداری و ثبت هیدروگراف سیل از نظر میزان غلظت رسوب اهمیت دارد. در صورت وجود چنین پایه آماری میتوان برآورد مدلهای تجربی را تا حد ممکن اصلاح نمود. با فرض اینکه میزان رسوبدهی در زمان رخداد سیل با انجام نمونهبرداری از شاخه های صعودی و نزولی هیدروگراف می تواند بدست آید. این بررسی با هدف ارزیابی دقت و درستی مدلهای تجربی در برآورد رسوبدهی در زمان رخدادهای سیلابی انجام شد (رنگزن و همکاران، ۱۳۸۷). با توجه به گسترش روزافزون سختافزار و نرمافزارهای کامپیوتری و همچنین پیچیدگیهای پدیده های فیزیکی مربوط به رودخانه، ضرورت توسعه مدلهای ریاضی و حل آنها به روش عددی بیشتر مورد توجه محققین قرار گرفته است. بعلاوه انعطافپذیری آنها سبب شده، تا بتوان آنها را به مسایل مختلف تعمیم داد. جریان در رودخانهها مشابه جریان در کانالهای روباز توسط معادلات دیفرانسیلی با مشتقات جزئی معرفی میگردد. این معادلات در اغلب موارد حل تحلیلی ندارد، پس به روشهای عددی جهت تحلیل معادلات حاکم بر جریان در رودخانهها نیز داریم. به دلیل وجود پیچیدگیهای زیاد در پدیده های هیدرولیکی و رسوبی، لازم است قبل از طراحی و اجرای پروژه های مرتبط با این پدیده ها، از چگونگی عملکرد آنها اطلاعاتی بدست آورد شود. به منظور پیش بینی پدیده های پیچیده هیدرولیکی و رسوبی از روشهای شبیهسازی و مدلهای فیزیکی و ریاضی بهره گیری می شود. چنانچه مراحل واسنجی و صحتسنجی مدلها به خوبی صورت گیرد و عملکرد مدل تأیید گردد، پیش بینی مدل در خصوص پدیده های مورد مطالعه قابل اعتماد خواهد بود. مدلهای ریاضی به صورت یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی توسعه یافته و متناسب با اطلاعات موجود و نیازهای طراحی، هریک از آنها در شرایط خاص خود مورد استفاده قرار میگیرند. با بهره گرفتن از مدلهای ریاضی ابعاد واقعی پدیده ها و برای دوره های زمانی طولانی قابل بررسی میباشد. به طور کلی از روند تغییرات رودخانه در گذشته برای واسنجی و صحتسنجی مدلها استفاده میگردد و پس از تأیید عملکرد مدل، روند تغییرات در آینده با بهره گرفتن از مدل پیش بینی میگردد.

۲-۵-۲- مدلها و نرمافزارهای کامپیوتری

پیشرفت تکنولوژی و همچنین کامپیوتر و گسترش چشمگیر روشهای عددی در کاربردهای مهندسی، امکان شبیهسازی بسیاری از پدیده های فیزیکی را به صورت مدلهای ریاضی و کامپیوتری در مبحث مهندسی رودخانه و هیدرولیک داده است. مدلهایی که در علم مهندسی رودخانه تهیه میشوند، به صورتهای یکبعدی، دو بعدی و گاهاٌ سه بعدی ساخته شده اند. این مدلها کاربردهای متفاوتی دارند. از جمله کاربرد این مدلها در مهندسی رودخانه، پیش بینی الگوی جریان، روندیابی سیل، فرسایش و رسوبگذاری در کانال، تغییرات هندسی کانالها، جریان در محیط متخلخل، انتقال و انتشار آلودگی و … میباشند (ره نورد و همکاران، ۱۳۹۱). بر اساس امکانات در دسترس، نوع و دقت مورد نیاز، میزان آمار اطلاعات مربوط به ویژگیهای محیطی نوع مدل مورد نیاز و مناسب را میتوان تعیین کرد. البته وجود این ابزارها به تنهایی نمیتواند راهگشای کاملی باشد و لازم است اطلاعات و اندازه گیریهای دقیقی از طبیعت در دسترس باشد و مدل را به ازای شرایط واقعی واسنجی نمود. بدیهی است که دقت نمونهبرداری اطلاعات در بخشهای مختلف هندسی، هیدرولیکی، رسوب، کیفیت آب و… رکن اصلی در بکارگیری این مدلها هستند و میزان اعتبار آنها بشدت متأثر از حجم اطلاعات آمار و نمونهها و کیفیت آنها میباشد و بدون آنها خروجی معتبری از مدل بدست نخواهد آمد.

۲-۶- استفاده از مدل در سیلاب و انتقال رسوب

با توجه به گسترش روزافزون سختافزار و نرمافزارهای موجود و همچنین پیچیدگیهای پدیده های فیزیکی مربوط به رودخانه، توسعه مدلهای ریاضی و حل آنها به روش عددی بیشتر مورد توجه محققین قرار گرفته است. این معادلات در اغلب موارد حل تحلیلی ندارد، پس به روشهای عددی جهت تحلیل معادلات حاکم بر جریان در رودخانهها نیاز است (رهنورد و همکاران، ۱۳۹۱). پتانسیل انتقال رسوب بر اساس اندازه ذرات محاسبه می شود که بهموجب آن شبیهسازی دستهبندی و حفاظت هیدرولوژیکی امکان پذیر میگردد. ویژگیهای عمده عبارت خواهند بود از: قابلیت مدل کردن یک شبکه کامل از آبراهه ها، لایروبی کردن کانالها، گزینه های مختلف گوره و پخش سیلاب و استفاده از چند معادله مختلف برای محاسبه انتقال رسوب.

۲-۶-۱- شبیه‌سازی جریان در رودخانه

مدل‌های ریاضی مبتنی بر حل عددی معادلات حاکم، به کاربر این امکان را می‌دهد تا بتواند وضعیت جریان و تغییرات بستر رودخانه در یک بازه و یا در مجاورت سازه خاصی را مدل نماید. مدل‌های ریاضی با توجه به روشی که برای حل معادلات در نظر می‌گیرند، چگونگی ورود اطلاعات، گزارش‌دهی، خصوصیات خروجی‌ها به‌ لحاظ ارائه و همچنین سرعت همگرایی جواب‌ها، با یکدیگر قابل رقابت هستند. از جمله خصوصیاتی که مدل‌ها بایستی دارا باشند، سهولت استفاده از آنها، امکانات جنبی مختلف از جمله امکانات گرافیکی مدل می‌باشد که به استفاده کننده در جهت تحلیل نتایج و کنترل اطلاعات ورودی و خروجی کمک می کند. مدل‌های تک‌‌ فازی و دو فازی که به‌صورت یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی در حالت‌های جریان ماندگار و غیرماندگار ساخته شده‌اند، می‌توانند جریان‌های رودخانه و جابجایی رسوب را تا حدود زیادی مدل نمایند. با توجه به نیاز و اهدافی که مد نظر است، استفاده کننده یکی از حالت‌های بالا را جهت مدل نمودن جریان و رسوب در رودخانه انتخاب خواهد کرد. توسعه هر مدل مبتنی بر ساده‌سازی‌هایی است که در معادلات دیفرانسیلی صورت می‌گیرد. حرکت آب و رسوب در طبیعت به صورت سه ‌بعدی می‌باشد. در مواردی که به‌دست آوردن الگوی جریان و رسوب در یک مقیاس کلی مد نظر باشد، از مدل‌های یک بعدی و دو بعدی بهره گرفته می‌شود. در این مدل‌ها، معادلات دیفرانسیل در یک یا دو بعد حل می‌گردند. مدل‌های ساده‌تر نیازمند اطلاعات اولیه کمتر و در نتیجه سرعت بیشتر در کسب اطلاعات بوده و همچنین جهت وارد نمودن اطلاعات اولیه به مدل، نیاز به حافظه کمتر و زمان اجرای کوتاه‌تر می‌باشد. این مدل‌ها به علت ساده‌سازی‌ها دارای دقت کمتری هستند. مدل‌های پیچیده‌تر برای شرایط پیچیده‌تر جریان به‌کار برده می‌شوند، هرچند این مدل‌ها نیازمند اطلاعات پیچیده‌تر بوده و برای اطلاعات ورودی هر مدل انتخابی نیز بایستی از اطلاعات موجود بهره‌گیری نمود. چنانچه اطلاعات داده شده به مدل به صورت قطعی نباشد، می‌توان این اطلاعات را در مرحله واسنجی مدل قطعی نمود. در این مرحله (واسنجی مدل) با توجه به شرایط خاص رودخانه، پاره‌ای از پارامترها که این رودخانه را از دیگر رودخانه‌ها متمایز می‌کند (‌از جمله ضریب زبری مانینگ و معادله حمل رسوب و …) با عمل واسنجی مدل، تعیین می‌گردد. مدل برای اطلاعات مشخص اجرا گردیده و جواب‌های حاصل از مدل با اطلاعات اندازه‌گیری شده (در صورتیکه موجود باشند) مقایسه می‌گردند. چنانچه جواب‌ها مناسب و منطبق بر داده‌های اندازه‌گیری شده نباشد، بایستی پارامترهای واسنجی با روش سعی و خطا طوری تغییر نماید که جواب‌های نزدیک به مقادیر اندازه‌گیری شده بدست آید (راهنمای مطالعات فرسایش و رسوب در ساماندهی رودخانهها، ۱۳۸۶). از آنجا که مدل‌های ریاضی، مبتنی بر فرضیات و ساده‌سازی‌هایی در معادلات جریان می‌باشند، چنانچه این فرضیات با واقعیت مطابقت بیشتری داشته باشد، نتایج بدست آمده از مدل با واقعیت تطابق بیشتری خواهد داشت. همچنین در تعیین پارامترهای واسنجی که برای شرایط خاصی از جریان تعیین می‌گردند و سپس برای کلیه شرایط جریان تعمیم داده می‌شوند، بایستی دقت لازم اعمال گردد. برای مدل نمودن رودخانه و انتخاب مدل مناسب چندین عامل را باید در نظر گرفت که در اینجا به اعم آنها اشاره و براساس آنها مدل انتخاب می‌گردد. یکی از مهم‌ترین عوامل، هدف مطالعه است. در صورتی‌که هدف از مطالعه، بررسی بخش کوچکی از رودخانه است که آن بخش شامل تغییرات ناگهانی در پلان و مقطع باشد، به گونه‌ای که تغییرات سرعت در پلان و مقطع بایستی به دقت مورد بررسی قرار گیرد به ناچار از مدل سه‌بعدی استفاده می‌‌گردد. بخش کوچک شامل بازه‌ای از چند متری تا حداکثر چند ده‌ متری را می‌تواند شامل شود. چرا که بزرگتر از آن یا تغییرات سرعت و پارامترهای جریان در پلان و مقطع را پوشش نمی‌دهد و یا در صورت کوچک کردن فواصل برای حل عددی تعداد متغیرها چنان زیاد می‌شود که کامپیوترهای معمولی قادر به حل آن نبوده و یا زمان بسیار زیادی برای حل آن نیاز می‌باشد. محدودیت مدل‌های دوبعدی نسبت به مدل سه‌بعدی کمتر بوده و بازه‌های بزرگتر را می‌تواند مورد ارزیابی قرار دهد. در همین‌جا می‌توان متذکر شد که علاوه بر هدف از مطالعه، طول بازه مورد مطالعه نیز پارامتر بسیار مهم دیگری است که در تصمیم‌گیری موثر می‌باشد.

۲-۷- انتقال رسوب و اثرات آن

رسوب^[۱]: عموماً به مواد معلق در آب اخیراً نهشته شده از محلول معلق و نیز مواد محلول در آب و موادی که به صورت خزش، جهش و یا غلتیدن در بستر رودخانه حمل می شود اطلاق میگردد در مجموع این واژه برای کلیه انواع نهشتههای جریانها، رودخانهها، دریچهها و دریاها اطلاق میگردد (مهدوی، ۱۳۸۸).
بار رسوبی عبارت است از کل رسوب خروجی از یک حوزه که مقدار آن در یک نقطه مرجع و در یک دوره زمانی خاص قابل اندازه گیری باشد.
فرایند تولید رسوب، حمل و رسوبگذاری در رودخانهها بخشی از سیکل هیدرولوژی به حساب می آید به طوری که ممکن است قانون طبیعی حرکت رسوب، پراکنش مکانی و زمانی و روند آن تحت تأثیر تغییرات جهانی اقلیم قرار گیرد (وروانی و همکاران، ۱۳۸۰). مقدار تولید رسوب، چگونگی و زمان رسوبدهی، اندازه و ترکیب دانه های رسوبی، انتقال آن در بین شبکه آبراهه ها از ویژگیهای مهم رژیم رسوبدهی حوزه های آبخیز به شمار میرود (Reid, 1993؛ Long Yoqian, 1992). مهمترین خسارات ناشی از انتقال رسوب عبارتند از(چوچی و رضوی، ۱۳۸۵):
۱- تخریب پلها و سازه های کنار رودخانه.
۲- عمیق تر شدن بستر کانالها.
۳- کاهش پتانسیل انتقال رسوب در پائین دست.
۴- پر شدن کانالهای آبرسانی و کاهش عمق رودخانه ها.
۵- رسوب گذاری در مخازن پشت سد و کاهش ظرفیت مخزن و… .
۶- انتقال آلودگیها.

۲-۸- اهمیت تعیین بار رسوبی رودخانهها

موضوعات: بدون موضوع لینک ثابت

فرم در حال بارگذاری ...

فید نظر برای این مطلب