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)
