مقاله و تحقیق دانشجویی

توضیحات :

تحقیق درباره سيل و خسارات ناشي از آن در 28 ص

در قالب ورد قابل ویرایش.

بخشی از متن :

ساليان متمادي است انسان در تقابل با پديده هاي طبيعي بوده و همواره در معرض خطرات ناشي از وقوع پديده هاي زيانباري نظير سيل قرار داشته است. در حال حاضر نيز سالانه خسارات مالي و جاني فراواني بر اثر بروز سيلابهاي عظيم به مردم وارد مي شود. به طور مثال وقوع سيلاب در 12 استان كشور طي بهمن ماه سال 1371 باعث قرباني شدن بيش از 220 نفر و خساراتي بالغ بر دهها ميليارد ريال گرديد (1).

مسئله مهم ديگري كه همزمان با حركت آب و وقوع سيلابها رخ مي دهد. حركت ذرات خاك از سطح حوضه هاي آبخيز و ورود اين ذرات به مجاري طبيعي همچنين جابه جايي اين ذرات در طول
رودخانه ها از نقطه اي به نقطه ديگر مي باشد كه اثرات جنبي و مضاعف بروز سيلابها محسوب گرديده و موجب روبگذاري يا فرسايش و تغيير در تراز بستر رودخانه و در نتيجه تغيير در تراز سطح آب مي گردد. افزايش تراز بستر و بالا آمدن كف منجر به كاهش ظرفيت مجاري طبيعي شده. همچنين پر شدن مخازن سدها و كانالهاي آبياري از رسوب از ساير عوارض آن مي باشد. بنابراين پيش بيني تراز سطح آب با در نظر گرفتن مسئله رسوب در مجاري طبيعي از اهميت خاصي برخوردار است. تغييرات بستر رودخانه ها كه به دو صورت بالا آمدن بستر (Aggradation) و كف كني (Degradation) است يكي از پديده هاي مهم مهندسي رودخانه مي باشد. اين امر زماني بوجود
مي آيد كه كه وضعيت تعادلي پارامترهاي مختلف رودخانه تحت شرايطي بهم بخورد. منظور از پارامترهاي مذكور، دبي جريان، دبي رسوبات، مقطع و سيب رودخانه و اندازه مواد بستر مي باشد. شرايطي كه باعث بهم زدن اين تعادل مي باشد ممكن است طبيعي و يا توسط بشر باشد. مسائل فوق علاوه بر اينكه باعث تغيير رژيم رودخانه مي شود سبب خواهد شد تا سازه هاي هيدروليكي اطراف رودخانه نيز در مخاطره قرار گيرند.

پيش بيني شرايطي كه تحت آن شرايط، بالا آمدن يا كف كني بستر رودخانه بوجود مي آيد. همچنين تعيين ميزان آن، در نتيجه چگونگي تاثير آن بر شرايط هيدروليكي رودخانه موضوعي است كه از ديرباز مورد توجه مهندسين هيدورليك قرار گرفته است. روشهاي مختلفي نيز پيشنهاد گرديده است. تعدادي از اين روشها با استفاده از فرضيات متعدد و بكار گيري اصول حاكم بر حركت نخستين ذره (Incepient Motion) بوجود آمده اند و روابط جبري نسبت ساده اي را تشكيل مي دهند كه در آن پروفيل نهايي بستر را بدست مي دهند. تعداد ديگري از روشها با بكار بردن فرضيات كمتري و بكار بردن معادله پيوستگي رسوب منجر به پيدايش معادله اي مي شود كه با حل آن مي توان تغييرات بستر رودخانه را نسبت به زمان پيش بيني نمود.

بطور كلي روابط حاكم بر حركت جريانهاي سيلابي و جريان در مجاري فرسايش پذير معادلات جريان غير ماندگار موسوم به معادلات Saint Venant مي باشند. از آنجا كه تاثير متقابلي بين تغييرات بستر و شرايط هيدورليكي جريان وجود دارد در رودخانه هاي آبرفتي علاوه بر حل همزمان معادلات مذكور شامل:

1- معادله پيوستگي جريان (معادله بقاء جرم سيال) Continuity Equation

2- معادله ممنتم (معادله بقاء اندازه حركت) Mcmentum Equation

لازم است معادله پيوستگي رسوب (Sediment Continuity Eqution) نيز حل شود. همچنين به دو معامله كمكي جهت برآورد ظرفيت حمل رسوب رودخانه و تعيين شيب خط انرژي نياز مي باشد. از قديميترين مدلهايي كه در اين رابطه بوجود آمده مدل HEC-6 مي باشد كه در سال 1977 توسط اداره مهندس ارتش امريكا تهيه گرديده است. در اين مدل ابتدا پروفيل سطح آب با استفاده از معادله انرژي محاسبه مي شود ( در اين قسمت مدل رياضي پيش بيني پروفيل سطح آب بر اساس جريان متغير تدرجي براي كانالهاي غير فرسايشي موسوم به HEC-2 مي باشد) و براي هر فاصله زماني با بكار بردن معادله پيوستگي رسوب و يك رابطه تجربي براي محاسبه ميزان رسوب حمل شده، پروفيل بستر را محاسبه مي كند. مدلهاي ديگري هم سپس از آن بوجود آمده اند كه اكثراً به صورت
بسته هاي نرم افزاري به بازار عرضه شده اند.

مدل تهيه شده در اين پايان نامه يك مدل رياضي يك بعدي غير ماندگار براي كانالهاي فرسايش و غير فرسايشي است كه معادلات كامل جريان غير ماندگار و معادله پيوستگي رسوب را بطور همزمان و با استفاده از روش عددي حل مي نمايد.

روشهاي عددي شامل روش تقاضاي محدود و روش المانهاي محدود است ولي روش تقاضاهاي محدود كاربرد بيشتري دارد. در روش تقاضاهاي محدود. معادلات ديفرانسيل جزيي حاكم با استفاده از
شم هاي (Schemes) ديفرانسيل به معادلات جبري تبديل مي شوند. اين شم ها متفاوت بوده و كاربرد آن ها در يك مسئله خاص ممكن است مزايا و معايبي را به همراه داشته باشد.

مسئله مهمي كه در حل معادلات حاكم وجود دارد مسئله كوپلينگ (Couqling) بين معدلات جريان و رسوب است. منظور از كوپلينگ در نظر گرفتن تغييرات در كليه متغيرها در محاسبه مقدار نهايي هر متغير وابسته است و اين كار با استفاده از شم دو مرحله اي پيش بيني و تصحيح ميسر شده است. در هر مرحله معادلات مذكور بطور همزمان حل مي شوند. به عبارت ديگر در صورتي كه معادله پيوستگي رسوب بعد از حل كامل معادلات جريان حل مي شد كوپلينگ ايجاد نمي گرديد. بنابراين مدل حاضر يك مدل كوپل شده مي باشد. ضمناً كوپلينگ بين معادلات باعث افزايش پايداري مدل نيز مي گردد. كاربرد روشهاي كوپل نشده در شرايطي كه شيب كف زياد باشد منجر به بروز ناپايداري عددي
مي شود و جهت ايجاد پايداري بايستي از عمليات سعي و خطا در هر گام زماني بهره جست ولي در مدل حاضر نيازي به سعي و خطا نيست و مدل از پايداري خوبي برخوردار است و همين امر زمان اجراي مدل را به شدت كاهش مي دهد. همچنين كاربرد شم صريح مك.

تعاريف

• جريانهاي ماندگار و غير ماندگار (Steady And Unsteady Flow):

جرياني ماندگار ناميده مي شود كه عمق، دبي و سرعت متوسط جريان در هر مقطع نسبت به زمان تغيير نكند و در صورتي كه پارامترهاي مذكور نسبت به زمان تغيير نمايند جريان غير ماندگار ناميده مي شود. به عبارت ديگر مشخصات جريان هاي پايدار بصورت زير مي باشد:

و و

h : عمق

v : سرعت

q : دبي

2-3-مدل سازي (Modelling ) :

به منظور شبيه سازي پديده هاي طبيعي اقدام به تهيه مدل مي گردد. هدف از ايجاد مدلها، فراهم نمودن امكان مطالعه و بررسي پديده هاي مهندسي است. چرا كه غالباً مطالعات بخاطر پيش بيني و بيان كميت و رفتار يك پديده است. مثلاً پيش بيني تاثيرات سيلاب به لحاظ افزايش تراز سطح آب در رودخانه ها يا تغييرات پروفيل بستر رودخانه اثر فرسايش يا رسوبگذاري در شرايط اجراي طرح اهميت داشته و قبل از اجراي طرح بايستي انجام گيرد.

2-3-1- انواع مدلها:

مدلها بر دو نوع هستند:

1. مدلهاي فيزيكي
2. مدلهاي رياضي

بطور كلي به علت هزينه هاي سنگين و مشكلات تهيه مدلهاي فيزيكي، همچنين به دليل قابليت زياد و امكان بررسي حالات متعدد توسط مدلها رياضي، سعي مي شود تا حد امكان با استفاده از مدلهاي رياضي كار پيش بيني انجام پذيرد، البته در شرايط خاص و بسته به اهميت پروژه ممكن است تهيه مدل فيزيكي نيز ضرورت يابد.

2-3-2- مدلهاي رياضي :

مدل رياضي مجموعه اي از عبارات رياضي است كه در برگيرنده اصول فيزيكي حاكم بر پديده مي باشد. بطور مثال مدل رياضي در هيدروليك داراي عبارات رياضي است كه بر اساس شرايط تعادلي نيروها و قانون بقاء انرژي و جرم و غيره نوشته شده اند. عبارات رياضي ممكن است تحت شرايط خاص ساده شوند. كه در آن صورت، آن مدل فقط تحت همان شرايط كاربرد دارد.

مدلهاي رياضي توليد شده بسته به ميزان فرضياتي كه در ايجاد آنها بكار رفته است به دو شكل شاده و پيچيده در خواهند آمد.

مدل رياضي پيچيده

فرضيات كم

مدل رياضي پيچيده

فرضيات زياد

حل مدلهاي ريپاي پيچيده جز از طريق روشهاي عددي و در اختيار داشتن كامپيوترهاي با سرعت زياد ميسر نمي گردد، ولي حل مدلهاي رياضي ساده، اگر چه حل معادلات دقيق مي باشد ولي جواب همراه با تقريب زياد و از دقت كمي برخوردار است. بنابراين براي حل مدلهاي رياضي دو راه حل پيشنهاد شده است.

2-4-3- انواع راه حلهاي رياضي:

1- راه حلهاي تحليلي Analy Tical Soluion

2- راه حلهاي عددي Numical Solution

در راه حلهاي تحليلي معادلات ديفرانسيل پس از ساده شدن بطور مستقيم حل مي گردند ولي در راه حلهاي عددي، به علت پيچيدگي معادلات دسفرانسيل حاكم، امكان حل مستقيم معادلات وجود ندارد. معادلات حاكم بر حركت آب و رسوب در رودخانه ها شامل: سه معاله پيوستگي، حركت آب و پيوستگي جرم رسوب، مجموعه اي از معادلات ديفرانسيل جزيي و هذلولولي غير خطي

(Differential equaticns Non linear Hyperbolic Partial ) هستند و راه حلهاي عددي معادلات مذكور شامل: روشهاي عددي مستقيم (Direct Numerical Methods) و روشهاي مشخصه

(Chracteristic Methods) مي باشد. در روشهاي مشخصه، معادلات ديفرانسيل جزيي ابتدا به صورت معادلات ديفرانسيل كامل درآمده سپس با استفاده از يكي از تكنيكهاي عددي حل مي شوند.

2-4-روش خطوط مشخصه (Characteristic Metod):

روش خطوط مشخصه يكي از روشهاي هيدروليكي حل معادلات حاكم بر جريانهاي غير ماندگار
مي باشد. اين روش از سال 1960 مورد استفاده قرار گرفته است. در اين روش معادلات ديفرانسيل جزيي حاكم بر حركت آب ابتدا به صورت معادلات ديفرانسيل كامل درآمده و سپس با استفاده از روش عددي تقاضاي محدود صريح حل.

رونديابي رسوب:

بسياري از تمدنهاي بشري بر روي دشتهاي حاصلخيز و آبرفت رودخانه هاي بزرگ بوجود آمده اند. از آن جمله تمدن دره نيل در مصر، تمدن بين النهرين در امتداد رودخانه هاي دجله و فرات و همچنين در امتداد رودخانه زرد چين را مي توان برشمرد. البته اين تمدنها همواره با مسائل خاص سيلاب و كنترل آن مواجه بودند، بنابراين فكر بشر به شناخت اين مسئله و راه هاي مقابله با آن متوجه گرديد و در مقاطع زماني مختلف و در حد توانايي خود براي اين مسئله چاره انديشي كرده است. اين مسائل زماني پيچيده تر مي شود كه توجه شود جريان آب رودخانه ها در بيشتر حالات در ميان مواد س جاري بوده و جريان آب بخشي از اين مواد را با خود حمل مي كند. البته به اين نكته بايستي توجه نمود كه وقوع باران بر اراضي سطح حوضه هاي آبخيز نيز يكي از عوامل اصلي پاشيدگي خاكدانه ها و جدا شدن بخشهايي از پوسته جامد سطح زمين مي باشد. كه با تداوم بارندگي و حركت رواناب سطحي، اين مواد نيز تحت تاثير نيروي آب و ثقل به سمت مجاري طبيعي حركت نموده و وارد رودخانه ها مي كردند. بنابراين مسئله جابه جايي ذرات جامد همراه با حركت جريان آب امري مسلم مي باشد. حركت اين مواد در رودخانه ها به دو صورت اصلي مي باشد:

1- حركت به صورت غلطيدن و لغزشي - بار بستر Bed load

2- حركت به صورت معلق و غوطه ور - بار معلق Suspended load

در نتيجه مشخص مي شود كه كل بار رسوبي در حال حركت در مجاري طبيعي از حاصل جمع باربستر و بار معلق بدست مي آيد. روشهاي مختلفي براي برآورد و تعيين براي بستر و بار معلق وجود دارد كه در ادامه بحث ارائه مي گردد.

فهرست مطالب :

تعاريف

• جريانهاي ماندگار و غير ماندگار (Steady And Unsteady Flow):

2-3-مدل سازي (Modelling ) :

2-3-1- انواع مدلها:

2-3-2- مدلهاي رياضي :

2-4-3- انواع راه حلهاي رياضي:

2-4-روش خطوط مشخصه (Characteristic Metod):

رسوب

3-1-پديده كف كني و علل پيدايش آن:

رونديابي رسوب:

3-1-1- اثرات كف كني (Effect of degradation):

3-1-2- تاثير تركيب و اندازه مواد بستر بر پديده كف كني:

3-1-3- آرمورينگ بستر رودخانه در اثر كف كني:

3-1-4- انواع ديگر كف كني Anothor type of degradation)):

3-2- پديده بالا آمدن بستر (Aggradation):

3-3- معادله پيوستگي رسوب (Continuty eguation of Sediment):

3-4 روشهاي برآورد دبي رسوب:

3-4-1- انواع فرمولهاي بار بستر:

3-4-3- فرمولهاي محاسبه باركل (دبي رسوبي كل)

3-6-1- پيش بيني پروفيل بستر در شرايط جريان شبه پايدار:

3-7- مروري بر مطالعات انجام شده: