شبیه سازی پایداری کانال‌های آبرفتی با استفاده از مدل ریاضی GSTARS4.0

Abstract

سابقه و هدف: به منظور پیش‌بینی پاسخ رودخانه‌های آبرفتی به تغییرات مصنوعی و طبیعی اعمال شده، شناخت و پیش‌بینی هندسه پایدار رودخانه دارای اهمیت است. تعیین هندسه‌ مقطع عرضی، شیب و معیار پایداری کانال‌ها و رودخانه‌ها موضوع مورد توجه بسیاری از مهندسین عمران در رابطه با طرح‌های آبیاری، مهندسی رودخانه و پروژه‌های هیدرولیکی می‌باشد. هدف از این پژوهش بررسی پارامترهای هندسی، معیارهای تعادل و روند پایداری دینامیکی کانال‌های پایدار می‌باشد. <br />مواد و روش‌ها: بدین منظور یک کانال آزمایشگاهی توسط نرم‌افزار GSTARS4.0 که یک مدل ریاضی بوده و بر اساس کمینه نمودن قدرت عمل می‌کند، مدل‌سازی شده است. این مدل با استفاده از مفهوم لوله‌‌های جریان، قابلیت شبیه‌سازی جریان توزیع رسوب‌گذاری را به ‌صورت شبه دوبعدی (طولی و عرضی) در رودخانه‌‌ها دارد. واسنجی هیدرو لیکی، مدل به‌ازای دبی‌ها و ضرایب زبری مانینگ مختلف اجرا شده و نتایج پروفیل سطح آب محاسباتی با مقادیر واقعی رقوم سطح آب بر روی پهنه سیلابی مقایسه گردید. بدین ترتیب با داشتن تراز سطح آب به ازای دبی‌های مختلف، مقدار ضریب مانینگ پهنه سیلابی و کانال اصلی در مدل به نحوی انتخاب شده تا به ازای دبی معلوم ورودی و تراز سطح آب، ابعاد محاسبه شده توسط مدل با مقدار واقعی همخوانی داشته باشد. نتایج این مقایسه بیانگر مطابقت رقوم سطح آب محاسباتی با رقوم سطح آب مشاهداتی به‌ازای ضریب زبری مانینگ 014/0است. برای واسنجی هیدرولیک رسوب مدل، زاویه پایداری مصالح بستر برابر مقدار آزمایشگاهی (º33 φ =) قرار گرفت. در ادامه واسنجی، تغییرات مقطع عرضی کانال آزمایشگاهی به‌ازای روابط تجربی مختلف موجود در مدل ریاضی GSTARS شبیه‌سازی شده و با مقطع عرضی آزمایشگاهی مقایسه گردید. معادله انتقال رسوب ماسه یانگ (1979) مطابقت بهتری با مشاهدات آزمایشگاهی دارد.تعدادی از داده‌ها که در واسنجی مدل به کار نرفته بودند به منظور صحت‌سنجی مدل مورد استفاده قرار گرفتند که در این مرحله عرض بالا و پایین کانال‌ها با ضریب همبستگی به ترتیب 975/0 و 942/0 پیش‌بینی شده‌اند. <br />یافته ها: کانال‌های آبرفتی هندسه هیدرولیکی خودرا به نحوی تنظیم می‌نمایند که بین جریان و انتقال رسوب تعادل برقرار شود. در 2 تا 3 ساعت نخست، فرسایش و ته نشینی جداره ها و بستر کانال شدید بوده و مقدار قابل ملاحظه‌ای انتقال رسوب و عریض شدن کانال مشاهده گردید و سپس کاهش می‌یابد. افزایش عرض بالا، کاهش عرض پایین و نهایتاً افزایش شیب جانبی در همه مقاطع قابل مشاهده است و عمده تغییرات در 2 ساعت اول اتفاق می‌افتد که تغییرات ارتفاع در جهت تنظیم شیب بستر کانال و حفظ یکنواختی پروفیل سطح آب می‌باشد. برای تعیین مستقیم، مستقیم کم عمق و مارپیچ بودن کانال‌ها، مدل‌های تحقیق حاضر در خطوط آکرز-چارلتون و لین ترسیم گردید. این کانال‌ها در پایین این خطوط واقع شده است و مستقیم می‌باشد. <br />نتیجه گیری: این تحقیق قابلیت و کارایی مناسب مدل ریاضی GSTARS4.0را در پیش‌بینی تغییرات طولی و عرضی تراز بستر رژیم کانال‌ها نشان می‌دهد. در ادامه معیارهای پایداری نظیر تغییرات عرض، تغییرات سطح آب (مستقیم شدن پروفیل سطح آب) و یکنواختی نرخ انتقال رسوب که توسط محققان مختلف ارائه شده است مورد بررسی قرار گرفته و مشاهده گردید سه معیار مذکور در همه‌ی مدل‌ها به وقوع پیوسته است. بنابراین ترکیبی از این معیارها برای پایداری رژیم کانال‌ها پیشنهاد شد.