در این مطالعه از دو نرم­افزار[۱۷]GEP و HEC-RAS[18] جهت بررسی تغییرات زمانی منحنی سنجه رسوب در رودخانه کشکان استفاده می­ شود، در این فصل شرح مفصلی از نرم­افزارهای HEC RAS 4.1 و GEP 4.3 و فرایندهای و ساختارهای آن­ها در انتقال رسوب آمده است. پس از آن نیز روش­های واسنجی و صحت سنجی مدل­ها ذکر شده است.

۳-۶ معرفی مدل­ها

۳-۶-۱- مدلHEC RAS 4.1

مدل HEC-RAS یک سیستم مجتمع نرم افزاری می­باشد که برای استفاده متقابل در محیط به صورت چند منظوره طراحی شده است این نرم افزار امکان انجام محاسبات یک بعدی در حالت جریان ماندگار و غیر ماندگار را فراهم می­سازد. این مدل نیز در طبقه ­بندی مدل­های فرایند محور قرار می­گیرد در HEC-RAS فرایند اصلی محاسبات بر یک روش حل یک بعدی معادله انرژی استوار است. معادله انرژی از یک سطح مقطع به سطح مقطع بعدی با بهره گرفتن از روش گام به گام استاندارد جهت محاسبه نیمرخ سطح آب حل می­ شود. محاسبات انتقال رسوب در مرز متحرک که این مولفه از سیستم مدلسازی برای شبیه سازی محاسبات انتقال رسوب در مرز متحرک یک بعدی که از آبشستگی و رسوبگذاری در طی دوره زمانی محدود ناشی می شود در نظر گرفته شده است. پتانسیل انتقال رسوب بر اساس اندازه ذرات محاسبه می شود که به موجب آن شبیه سازی دسته بندی و حفاظت هیدرولیکی امکان پذیر می گردد. داده های مورد نیاز برای اجرای محاسبات این مدل به دو دسته داده ­های هندسی ( ژئومتریک) و داده های شرایط مرزی (داده ­های شرایط ماندگار) تقسیم بندی می شوند. داده ­های ژئومتریک پایه شامل داده های مقاطع عرضی (طول بازه، ضرایب کاهش انرژی و اطلاعات محل اتصال رودخانه­ها) و داده ­های سازه هیدرولیکی یا پل­ها (طول انشعابات، ضریب مانینگ، ضریب انبساط و انقباض، داده های اتصال یا پیوند جریان، رژیم جریان، داده ­های دبی) می­باشد. نهایتاٌ خروجی آن نمودارهای مقاطع عرضی، نمودارهای منحنی سنجه آب و نمودارهای سه بعدی می­باشد. ضریب زبری مانینگ و ضریب انقباض و انبساط به عنوان موارد کلیدی برای واسنجی و صحت­سنجی مدل HEC-RAS مورد استفاده قرار می­گیرند. به طوری­که خروجی­های مدل مانند دبی جریان و یا سطح تراز آب را با بهره گرفتن از این ضرایب با واقعیت تطبیق می­ دهند و با بهره گرفتن از معیارهای ارزیابی کارآیی مدل مانند ناش ساتکلیف (Nash-sutcliff)، R-mod، ضریب تبیین®، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، میانگین مربعات خطا (MSE) میزان کارآیی مدل در شبیه­سازی رسوب معلق مورد ارزیابی قرار می­گیرد.

(( 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. ))

۳-۷ مراحل اجرای مدل HEC-RAS

قبل از هرچیز ابتدا سیستم آحاد مربوط به برنامه را تعیین می­کنیم که در این مطالعه سیستم متریک و برای معادله یانگ سیستم انگلیسی تعریف شد.

۳-۷-۱ شروع یک پروژه جدید

اولین گام در ایجاد یک مدل هیدرولیکی با HEC-RAS عبارتست از تعیین شاخه­ای که می­خواهیم در آن کار کنیم و وارد کردن عنوان جدید برای پروژه جدید.

۳-۷-۲وارد کردن داده ­های هندسی

گام بعدی وارد کردن داده ­های هندسی مورد نیاز است که شامل اطلاعات اتصال برای سیستم آبراهه­ (طرح شماتیک رودخانه)، داده ­های مقاطع عرضی و داده ­های سازه­های هیدرولیکی است. داده ­های هندسی با ترسیم طرح شماتیک سیستم رودخانه، ایجاد شده که این امر بر مبنای بازه به بازه و ترسیم یک بازه از بالا دست به سمت پایین دست (در جهت مثبت جریان) انجام می­ شود. هر مقطع عرضی دارای یک نام رودخانه، یک نام بازه، یک ایستگاه رودخانه و یک توصیف می­باشد. در این مطالعه بازه از بین ایستگاه هیدرومتری کشکان پلدختر تا ۲۰۰ متر بالاتر از آن مورد ارزیابی قرار گرفت که دارای ۲ مقطع عرضی و اطلاعات هندسی آن می­باشد. مقاطع عرضی به‌صورت مختصات فاصله-ارتفاع، کانال اصلی (کرانه چپ و راست)، فاصله بین مقاطع (فاصله سمت چپ، کانال اصلی و سمت راست از یک مقطع تا مقطع بعدی)، محل اتصال شاخه‌ها به همدیگر، ضرایب افت ناشی از تنگ و یا گشادشدگی مقاطع، ضرایب افت انرژی (K) ناشی از شکل پایه پل، ضریب زبری مانینگ (کانال اصلی و سیلاب‌دشت­ها، سازه‌های مسیر) و همچنین مشخصات جریان مانند تعداد پروفیل‌های مورد محاسبه، شرایط مختلف مرزی مانند رابطه دبی- اشل و اتصالات بودند. پس از وارد کردن داده ­های مقطع عرضی، سازه­های هیدرولیکی به مدل اضافه می­شوند که در این مطالعه سازه­ای در محدوده و بازه مطالعاتی وجود نداشت.

۳-۸- وارد کردن داده ­های جریان و شرایط مرزی

پس از وارد کردن داده ­های هندسی، داده ­های جریان ماندگار با رژیم جریان مختلط (زیر بحرانی و فوق بحرانی) در نظر گرفته شد که ضمن آن شرایط مرزی در بالا و پایین دست جریان برای آن معرفی شد.
در قسمت جریان ماندگار برای تعیین نحوه محاسبه انتقال در سواحل رودخانه از گزینه Conveyance Calculation در برنامه استفاده شد، که دارای دو گزینه می­باشد. در این مطالعه ازگزینه اول که به برنامه دستور می­دهد پیرامون مرطوب و سطح مقطع بین قسمت­ هایی که دارای مقادیرn مختلف می­باشند را با یکدیگر جمع نموده و سپس مقدار انتقال را در این موقعیت­ها محاسبه کند. در قسمت تعیین معادله شیب اصطکاکی از میان ۶ روش موجود از روش انتقال متوسط استفاده شده است.
برای محاسبه تلورانس نیز تنظیمات لازم جهت کاهش خطاهای محاسباتی، محاسبه تراز سطح آب به صورت منطقی و تعیین تعداد حداکثر تکرارهای برنامه در هنگام برقراری تعادل سطح آب صورت گرفت. جهت محاسبه عمق بحرانی در کلیه موقعیت­ها از روشParabolic Method استفاده شد که دارای قابلیت یافتن یک حداقل بر روی منحنی انرژی را دارا بوده و سریع می­باشد.
در سری جریان غیر ماندگار می­توان منحنی سنجه آب را به عنوان شرایط مرزی در پایین دست مورد استفاده قرار داد. منحنی سنجه آب در پایین دست یک رابطه مقداری ساده است. هیدروگراف اشل به­عنوان شرایط مرزی پایین دست استفاده شد که شبیه هیدروگراف جریان می­باشد، و شرایط مرزی به منظور مدل­سازی بازه مورد مطالعه در بالادست عمق نرمال استفاده شده است. در این روش مدل برای محاسبه عمق نرمال جریان از شیب خط انرژی استفاده می­ کند.

۳-۹- ورود داده ­های رسوب

برای اجرای محاسبات انتقال رسوب در نرم­افزار HEC-RAS از ۶ رابطه محاسبه بارکل استفاده می­ شود( ایکرز-وایت[۱۹]، یانگ[۲۰]، توفالتی[۲۱]، لارسن[۲۲]، مایر- پیتر- مولر[۲۳]، انگلند- هانسن[۲۴]). در این پنجره عمق لایه فعال، دانه­بندی مواد بستری و رسوب معلق اندازه ­گیری شده در ایستگاه هیدرومتری کشکان­ پلدختر که به صورت تن در روز محاسبه شده ­اند وارد شدند.
در نرم­افزار HEC RAS برای برآورد انتقال رسوب از ۶ معادله استفاده می­ کند که انتقال رسوب و نتیجه آن به معادله انتخاب شده وابسته است. همچنین هر روش اندازه بافت و شرایط هیدرولیکی خاص دارد.معادلات انتقال رسوب دارای درجات مختلفی در علوم تجربی و تئوری می­باشد. بسیاری از آن­ها در حالت تئوری با بهره گرفتن از ضرایب تجربی دارای نتایج مناسب و شایسته­ای می­باشد. این ضرایب نشان­دهنده گرایش مرکزی مربوط به داده­هاست ولی محل دقیق آن را نشان نمی­دهد. مثلا در فرمول Laursen باید میزان تنش برشی بحرانی مشخص باشد، یا در فرمول Ackers-White باید آستانه پیوستگی (A) مشخص شود. وجود قابل توجه ذرات ریز در جریان آب می ­تواند باعث حرکت ذرات درشت نیز شود در نتیجه میزان تنش برشی بحرانی کاهش می­یابد.

۳-۹-۲ دانه­بندی مواد بستری

پس از برداشت دانه­بندی مواد بستری داده ­های آن بر اساس شکل (۳-۳) وارد نرم­افزار HEC RAS 4.1 می­شوند.

شکل(۳-۳)-تعریف کلاس­های دانه­بندی در نرم­افزار HEC-RAS
در پنجره انتقال رسوب معادلات انتقال رسوب، روش کاهش سرعت، رسوب و درجه به­ هم پیوستگی ذرات در هر مقطع مشخص می­ شود. که در اینجا مقاطعی که دانه­بندی از آن برداشت شده مشخص و بقیه مقاطع درونیابی به وسیله خود نرم­افزار انجام شد. محاسبات انتقال رسوب به­وسیله معادلات بستگی به معادله انتخاب شده دارد که به علت روش استفاده از دانه­بندی و شرایط هیدرولیکی در هر روش می­باشد. در مرتب کردن روش­ها لایه­ های فعال و غیر فعال که به صورت عمودی هستند مشخص می­شوند.

۳-۹-۳ بررسی معادلات انتقال رسوب و انتخاب معادله مناسب

تاکنون معادلات مختلفی برای تعیین بارکل توسط محققین و متخصصین مسایل رسوب ارائه شده است که در زیر به معرفی معادلات متداول پرداخته می شود.

۳-۹-۳-۱ روش توفالتی[۲۵]

این روش کاملاٌ تجربی و برمبنای داده ­های زیاد صحرایی استوار می­باشد. در این روش نیاز به وارد کردن داده­هایی چون عرض کف کانال، سرعت متوسط، درجه حرارت برحسب فارنهایت، شیب، ولایه بندی و چگالی مواد بستر می­باشد. در سیستم باید ابتدا سیستم نرم­افزار را به انگلیسی تغییر داد. در این روش ابتدا منحنی دانه­بندی مواد به چند قسمت تقسیم می­ شود سپس با توجه به قطر میانه آن غلظت محاسبه می­ شود.
برای منطقه پایین یعنی حالتی که،
(۸)
برای منطقه میانی یعنی حالتی که،
(۹)
و برای منطقه بالا یعنی حالتی که ،
(۱۰)
در روابط بالا عبارتست از عمق جریان از کف، شعاع هیدرولیکی، و عبارتست از:
(۱۱)
که در آن سرعت سقوط ذره به قطر، سرعت متوسط جریان، شیب کانال ، منطقه پایینی،منطقه میانی، منطقه بالایی می­باشد. فاکتوری است که به درجه حرارت بستگی دارد و برابر است با:
(۱۲)
که در آن درجه حرارت و برحسب فارنهایت می­باشد. چنانچه مقدار کمتر از شد در آن صورت مقدار برابر ۱٫۵ انتخاب می­ شود.
(۱۳)
میزان بار معلق در منطقه پایین توسط توفالتی و بر مبنای داده ­های صحرایی به شرح زیر برآورد شده است.
(۱۴)
که در آن عبارتست از میزان بار معلق مواد رسوبی ذرات به اندازه در منطقه پایینی برحسب تن در روز در هر فوت عرض کانال، برحسب فوت، عبارتست از درصدی از مواد بستر که شامل اندازه می­باشد. مقدار با ضرایب درجه حرارت برابر است با:
(۱۵)
و ضریب اصلاحی می­باشند که از شکل بدست می ­آید.
توفالتی همچنین رابطه زیر را برای توزیع پروفیل سرعت ارائه کرد:
(۱۶)
بدین ترتیب مقدار کل مواد بستر که در رودخانه حرکت می­ کند از رابطه زیر محاسبه خواهد شد:
(۱۷)

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...