تعیین ضرایب اصلاحی هیدروگراف رواناب در شرایط احداث بندهای کوتاه آبخیزداری در آبراهه ها

مقدمه احداث بند اصلاحی در سرشاخه ­ها، یکی از روش­ های رایج مدیریت آبخیز برای کنترل رسوب، پایداری آبراهه و کاهش هیدروگراف سیل از بعد زمان تمرکز و دبی اوج محسوب می­ شود. در ایران، با وجود قدمت ۵۰ ساله، در اجرای گسترده این سازه کوچک مقیاس به ­وسیله ارگان های وابسته به سازمان منابع طبیعی و آبخیزداری کشور به عنوان دستگاه اجرایی، همچنان روش ارزیابی کمی و کیفی مناسبی برای آن ارائه نشده است. در بیان اثربخشی این سازه، شبیه ­سازی شرایط طبیعی در حالت وجود و عدم وجود این سازه در مدل ­های هیدرولوژیکی و هیدرولیکی، اجتناب ناپذیر است. البته بازدیدهای میدانی و اندازه گیری پارامترهای مربوطه در عرصه نیز، در تدقیق شبیه سازی و هم بیان تقریبی اثربخشی، از اقدامات اولیه محسوب می­ شود. بررسی های انجام شده نشان داد، در بسیاری از پژوهش ­ها، اثر بندهای اصلاحی بر روی هیدروگراف رواناب مد نظر بوده است. شبیه­ سازی بندها، به صورت هیدرولوژیکی با کمک تغییر در شیب آبراهه و زمان تمرکز حوضه و یا با استفاده از روش های روندیابی در مخزن انجام شده است که با توجه به فرضیات ساده شونده، برآوردی بیش از واقعیت ارائه می ­دهد. شبیه­ سازی هیدرولیکی دقیق­ تر، اما پیچیدگی و موانع خاص خود را دارا است. لذا، در این پژوهش سعی بر آن شد تا علاوه بر بهره ­مندی از دقت شبیه­ سازی هیدرولیکی و نیز از عدم پیچیدگی روابط هیدرولوژیکی، اثربخشی وجود بندهای اصلاحی در هیدروگراف رواناب اعمال شود. اثربخشی بندهای اصلاحی با تعیین و اعمال ضرایبی در هیدروگراف خروجی آبراهه بدون بند اصلاحی، صورت گرفت تا هیدروگراف خروجی آبراهه با بند اصلاحی به دست آید.   مواد و روش­ ها در این پژوهش، اثربخشی بندهای اصلاحی متوالی در کاهش هیدروگراف خروجی از یک کانال مثلثی با سه طول ۱۰۰۰، ۲۰۰۰ و ۳۰۰۰ متر در سه شیب طولی پنج، ۱۰ و ۱۵ درصد، با استفاده از مدل هیدرودینامیکیMIKE ۱۱ ، مد نظر است. در این بررسی، فرض بر آن است که بندهای آبخیزداری متوالی با ارتفاع ۲.۵ متر از تاج بند پایاب تا پاشنه بند سراب در هر کانال مثلثی احداث شود. لذا، تعداد بندها بر اساس طول و شیب آن از ۲۰ تا ۱۸۰ عدد متغیر خواهد بود. در این پژوهش، هیدروگراف خروجی از کانال مثلثی به عنوان متغیر وابسته و هیدروگراف ورودی به کانال، طول و شیب کانال، به عنوان متغیرهای مستقل در نظر گرفته شد. تغییرات بیشینه جریان خروجی تحت دو سناریوی کانال بدون بند اصلاحی (سناریوی اول) و کانال با وجود بندهای اصلاحی متوالی پر از رسوب (سناریوی دوم) مورد بررسی قرار گرفت تا بتوان اثربخشی بندهای اصلاحی در یک آبراهه را با پارامترهای هیدرولوژیکی شبیه­ سازی کرد. دو معیار سنجنده شامل درصد ضریب تسکین و درصد تغییر جریان برای بیان اثربخشی تعریف شد. درصد تغییرات دبی اوج هیدروگراف روندیابی شده در طول کانال نسبت به دبی اوج هیدروگراف ورودی یا به عبارتی اختلاف بین دبی ورودی و دبی خروجی برای سناریو و به ازای تغییرات طول مسیل، شیب و مقادیر مختلف هیدروگراف ورودی، "شدت روندیابی" نام گذاری شد. درصد تغییرات دبی اوج خروجی از سناریوی دوم نسبت به سناریوی اول هم تحت عنوان، درصد تغییر جریان، در نظر گرفته شد.   نتایج و بحث ارزیابی نتایج مدل برای روندیابی هیدروگراف در طول کانال به ازای تغییر متغیرهای مستقل در قالب دو سناریو، کاهش دبی اوج، افزایش زمان پایه هیدروگراف خروجی و زمان تاخیر ناشی از روندیابی را در پی داشت. وجود بندهای اصلاحی، تغییر پارامترهای فوق را دو چندان کرده است. هر چه شیب طولی آبراهه افزایش پیدا می ­کند، میزان ذخیره در کانال کمتر شده و دبی خروجی و در نتیجه ضریب تسکین (کاهش دبی اوج خروجی نسبت به ورودی)، کاهش می­ یابد. هر چه حجم جریان ورودی بیشتر باشد، ضریب تسکین کمتر خواهد بود. ضریب تسکین با شیب طولی، رابطه معکوس و با طول کانال، رابطه مستقیم دارد. در صورت اجرای بندهای اصلاحی، هر چه طول کانال بیشتر می ­شود، به علت بیشتر شدن تعداد بندهای اصلاحی، میزان ذخیره در کانال افزایش یافته و کاهش شیب رخ خواهد داد و تغییرات دبی خروجی نسبت به دبی ورودی بیشتر خواهد بود، لذا، ضریب تسکین افزایش می­ یاید. هدف اصلی این پژوهش، بیان ریاضی اثربخشی بندهای اصلاحی در کاهش دبی اوج هیدورگراف خروجی از مسیل بر اساس شرایط مختلف بود. پس از انجام اجراهای متعدد و بررسی انواع روش های مختلف، مشاهده شد که می توان اثرات بند اصلاحی بر روی یک آبراهه را به صورت اثر یک مخزن خطی به همراه یک تاخیر زمانی در انتهای کانال مدل کرد. به عبارتی، دو تابع مخزن خطی و تابع تاخیر زمانی بر روی متغیرهای وابسته اعمال می ­شود تا متغیر مستقل به دست آید. برای هر زوج هیدورگراف (هیدروگراف خروجی از کانال بدون بند اصلاحی و دارای بند اصلاحی)، مقادیر، به عنوان تابع مخزن خطی و  به عنوان تابع تاخیر زمانی برآورد شد. میانگین ضریب ذخیره (K) مخزن خطی برای طول­ های ۱۰۰۰، ۲۰۰۰ و  ۳۰۰۰ متر و برای سه شیب مورد بررسی به ترتیب ۵۰۰، ۱۱۰۰ و ۱۴۰۰ ثانیه برآورد شد. میانگین زمان تاخیر نیز برای سه طول یادشده به ترتیب ۵۴۰، ۱۷۵۰ و ۳۷۰۰ ثانیه، محاسبه شد. هر چه طول کانال بیشتر، شیب کانال کمتر، و دبی ورودی به کانال کمتر باشد، پارامترهای فوق بزرگتر شده و لذا، ضریب تسکین بزرگ تر می­ شود. نتیجه گیری در صورتی که آبراه ه­ای برای احداث بندهای اصلاحی انتخاب شود و هیدروگراف خروجی از آن با استفاده از مدل­ های تجربی، هیدرولیکی و هیدرولوژیکی در شرایط عدم وجود بندهای اصلاحی در دست باشد، هیدروگراف خروجی از آبراهه برای شرایط وجود سازه­ های کوچک مقیاس، با اعمال ضرایب ذخیره مخزن خطی و زمان تاخیر به دست آمده از این پژوهش، شبیه­ سازی و اصلاح خواهد شد. به این ترتیب، اثربخشی اجرای بندهای اصلاحی در کنترل سیل در آبراهه یادشده به دست خواهد آمد.

کلیدواژه ها:

بندهای اصلاحی متوالی ، شدت روندیابی ، مخزن خطی ، مدل MIKE ۱۱ ، هیدروگراف شبیه سازی