شبيه سازي جريان در مسيل ها با استفاده از مدل هاي هيدروديناميك، بمنظور كنترل و مديريت سيلاب هاي شهري  

مهندس عبدالاحد ملکرئیسی

 

چكيده
اخيراً بدليل اثرات مخرب ناشي از سيلاب در حوضه‌هاي شهري، گرايش زيادي به هيدرولوژي و چگونگي جمع آوري و انتقال رواناب ناشي از رگبار در مناطق شهري معطوف شده است. از آنجا كه مسيل‌ها يكي از مهمترين سازه‌هاي انتقال و توزيع جريان رواناب در سطح شهرها مي‌باشند لذا در اين تحقيق با استفاده از يك مدل هيدروديناميك به شبيه‌سازي هيدروليكي جريانات غيرماندگار ايجاد شده در يك مسيل پرداخته شده است. شبيه‌سازي‌ها براي دو گزينه مختلف با دبي‌هاي متفاوت ورودي به مسيل انجام شده و نتايج شامل منحني‌هاي دبي-زمان و عمق-زمان در چند نقطه كنترل ارائه و بحث گرديده‌اند.

واژگان كليدي: مسيل‌، مدل هيدروديناميك ICSS ، سيلاب شهري، جريان غيرماندگار

 

1- مقدمه
با توسعه روز افزون مناطق شهري و از بين رفتن اراضي كشاورزي مناطق غيرقابل نفوذ توسعه يافته، كه اين حالت موجب افزايش حجم و ارتفاع رواناب ناشي از بارش در حوضه هاي شهري مي گردد. جريان جاري شده در حوضه هاي شهري بدليل عبور از مناطق مختلف در سطح شهر داراي كيفيت نامناسب بوده و همراه خود مقدار زيادي آلودگي حمل مي نمايد. در صورت عدم تخليه(زهكشي) مناسب رواناب ناشي از بارش هاي شهري امكان بروز سيلاب در سطح شهر افزايش مي يابد. به دليل اثرات مخرب ناشي از سيلاب در حوضه هاي شهري چگونگي انتقال، مديريت و تخليه رواناب هاي ايجاد شده در سطح شهر مورد توجه محققين و سازمانهاي مربوطه از جمله شهرداري ها قرار گرفته است. كيفيت رواناب در حوضه‌‌هاي شهري بدليل آلودگي‌هاي ناشي از وسايل نقليه موتوري، ساختمان سازي، كودهاي شيميايي مربوط به فضاهاي سبز و ... بسيار نامناسب مي‌باشد. براي كاهش اثرات ناشي از كيفيت و كميت رواناب در حوضه هاي شهري، سازه هاي متعددي بكار گرفته مي شود. نوع، اندازه و چگونگي اين سازه ها به تناسب، اندازه و شدت رواناب و همچنين ميزان آلودگي تجمع يافته در اين مناطق بستگي دارد. مسيل ها يكي از مهمترين سازه ها در جمع آوري، تخليه و انتقال رواناب هاي موجود در سطح شهر مي باشند. هدف از اين تحقيق، بررسي رفتار هيدروليكي جريان در مسيل‌ها با استفاده از يك مدل هيدروديناميك حل جريانات غيرماندگار، ارائه زمان بندي حركت امواج و تعين تغييرات عمق جريان در زمان در طول مسير با توجه به ورود رواناب مي باشد. از آنجا كه جريان در مسيل ها از نوع غيرماندگار بوده و با گذشت زمان و همچنين در طول مسيل بر حسب محل هاي ورود رواناب، پارامترهاي هيدروليكي جريان تغيير مي نمايند. بنابراين هيدروليك حاكم بر جريان در مسيل ها بسيار پيچيده بوده و بمنظور حل معادلات و تعيين پارامترهاي هيدروليكي از جمله زمان حركت امواج، ناچار به استفاده از مدل هاي هيدروديناميك مي باشيم. در اين تحقيق با استفاده از مدل هيدروديناميك ICSS به شبيه سازي جريان غيرماندگار پرداخته شده است.

2- هيدرولوژي جريان رگبار در حوضه‌هاي شهري
واضح است كه هيدرولوژي كاربردي در حوضه‌هاي شهري يك علم دقيق نخواهد بود، چرا كه توانايي ما براي فهم كامل روند هيدرولوژي در حوضه‌هاي شهري كامل نيست. بر عكس، مي‌توانيم فقط بر اساس اصول نظري پديده باران-رواناب را فرموله كنيم كه به خاطر عكس‌العمل‌هاي متقابل روي اجزاي مختلف در يك حوضه شهري، معادلات بدست آمده و شرايط مرزي كه بتوانند اين پديده را بشكل معادله درآورند، بسيار پيچيده مي‌باشند. چنين مدل‌هاي نظري به دو دليل عمده نمي‌توانند قابل كاربرد و تأييد در روند هيدرولوژي شهري باشند. اول اينكه توسعه و كاربرد اين نوع مدل‌ها بسيار مشكل و گران قيمت هستند. ثانياً در بيشتر حالات كيفيت اطلاعات قابل تطبيق با مدل نمي‌باشد. به خاطر اين دلايل،‌ غالباً مدل‌هاي تجربي براي مطالعه كردن بعضي اجزاي پديده باران-رواناب به كار گرفته مي‌شوند. اين كته نيز كاملاً واضح است كه بكارگيري مدل‌هاي تجربي، مختص مناطق خاصي است و اين مدل‌ها بدون توجه و نگرش دقيق نمي‌توانند در مناطقي با مشخصات ديگر به كار گرفته شوند.
تمام آبي كه بصورت بارش بر زمين فرو مي ريزد نيازي به جمع آوري و تخليه از طريق سيستم زهكشي ندارد. بخشي از اين آب بداخل خاك نفوذ كرده و بخش ديگري ممكن است در گودال ها و ديگر فرورفتگي ها جمع شده و نهايتاً تبخير گردد. نسبت آبي كه بر روي زمين جاري شده و بايد بوسيله سيستم زهكشي انتقال يابد را ضريب رواناب مي نامند. ضريب رواناب بصورت زير به شرايط خاك، شيب زمين و نحوه استفاده از آن بستگي دارد:

1- شرايط خاك
آب در خاك هاي شني در مقايسه با خاك هاي رسي و يا زمين هاي سنگي راحتر و سريعتر نفوذ مي كند.
2- شيب منطقه
آب در زمين هاي با شيب تند، با سرعت بيشتري بسمت پايين حركت مي نمايد و در نتيجه نسبت به شرايط سكون و يا حركت آهسته اي كه در مناطق مسطح دارد، زمان كمتري براي نفوذ در اختيار خواهد داشت.
3- كاربري زمين
گياهان بخش قابل توجهي از آب را در خود نگه داشته داشته و نيز موجب سستي خاك مي شوند و به همين دليل فرآيند نفوذ آب در داخل خاك را تسهيل مي نمايند. در مقابل پشت بام ها و سطوح آسفالت شده از نفوذ آب به داخل خاك جلوگيري مي كنند. با اين ترتيب مي توان دريافت كه ضريب روان آب در مناطق داراي خاك رسي يا بافت سنگي، در مناطقي با شيبهاي تند و مناطق با تراكم ساختماني و پوشش گياهي كم، بيشتر از ديگر مناطق است.

2-1- محاسبه جريان سيلاب براي طراحي مسيل ها 
براي طراحي مسيل‌ها ابتدا ضروري است حداكثر جريان سيلابي كه بايد به وسيله مسيل انتقال يابد، محاسبه شود. حداكثر آبدهي از يك حوضه هنگامي اتفاق خواهد افتاد كه تمام حوضه در ايجاد رواناب شركت داشته باشد و تمام حوضه هنگامي در ايجاد رواناب شركت خواهد داشت كه قطره آب باران از دوردست‌ترين نقطه به انتهاي حوضه برسد(زمان تمركز). تعيين حداكثر جريان سيلاب شامل گام هاي زير مي باشد:
الف- تصميم گيري در مورد دوره برگشت مناسب.
ب- به دست آوردن حداكثر شدت باران (I) برحسب ميلي متر بر ساعت براي شرايط فوق.
ج- محاسبه مساحت حوزه آبريزي (A) كه بايد بوسيله زهكش پوشش داده شود(بر حسب هكتار).
د- تخمين ضريب روانابي براي حوزه آبريز مورد نظر .C
ه- محاسبه حداكثر جريان بر حسب مقدار آبي كه بايد در هر ثانيه زهكشي شود با استفاده از مقادير I ، A و C .
از آنجا كه هدف اصلي از اين تحقيق مطالعه و بررسي هيدروليك جريان در مسيل‌ها مي‌باشد، لذا مقادير پيك هيدروگراف‌هاي چند سيلاب‌ بعنوان ورودي در محل‌ انشعابات (محل ورودي‌هاي مسيل) در نظر گرفته شده است و در اينجا از تشريح جزئيات بيشتر در مورد چگونگي تعيين مراحل فوق خودداري شده است.