کاربرد نرم افزار SHARC در مدیریت رسوب
نویسنده:
علیرضا آبشوری
فهرست مطالب
مقدمه. 11
پیشگفتار. 13
گفتار اول: رسوب و روشهای کنترل آن.. 19
نيازهاي كنترل رسوب… 21
ظرفيت حمل رسوب در رودخانه‌ها و كانالها 21
روابط محاسبه توان حمل رسوبات… 24
رابطه دو بوی… 25
رابطه مير- پيتر و مولر. 26
معادله اصلاح شده مير پيتر و مولر: 26
كالينسك (1947) و اينشتين (1950) 28
روش انگلوند و هانسن.. 32
روش توفالتي(1968) 33
روش آيكر – وايت(1973) 34
روش يانگ(1972) 35
روش برونلي(1981) 37
روش فان راين (1984) 38
منابع رسوب… 39
الف- بار بستر. 39
ب- بار معلق.. 39
ج- بار آبرفتی(بار شسته) 39
آبگيري از رودخانه. 40
انتخاب نقطه‌آبگيري… 40
زاويه انحراف آب… 42
رسوبگيري در دهانه‌هاي آبگيري… 44
كنترل ثانويه رسوبات – استخراج رسوبات… 47
حوضچه‌هاي رسوبگير. 49
حوضچه رسوبگير ايده‌آل.. 50
فاكتورهاي هيدروليكي مؤثر در طراحی حوضچه. 51
حوضچه‌هاي ترسيب… 53
سرعت سقوط ذره. 55
روش استوکس…. 56
روش دیتریچ (1982) 58
نسبت عملكرد. 58
گفتار دوم: معرفي نرم افزارSHARC… 61
مقدمه. 63
بخش اول -منوی تشخیص مسأله و ارائه گزینه های اولیه. 65
اطلاعات کلی.. 67
اجرای مدل.. 67
گزینه های اولیه. 71
خروج.. 71
بخش دوم- تخمین اولیه از هزینه های موجود. 73
بخش سوم- منوی ابزار طراحی.. 77
طراحی کانال در حال رژیم.. 80
گزینه های محاسباتی.. 80
I- معادلات در حال رژیم.. 81
II- روش نیروی کششی.. 84
III- روش منطقی 85
IV- محاسبات با استفاده از فرمول مانینگ…. 87
V- محاسبات برای سطح مقطع نامنظم.. 87
VI- روش ضریب آبرفتی.. 89
VII- محاسبه غلظت ماسه های حمل شده از رودخانه به کانال.. 89
VIII- محاسبه غلظت سيلت حمل شده از رودخانه به سمت کانال.. 90
باز خوانی اطلاعات باربستر. 92
رسوبگیرها 92
گزینه های محاسباتی.. 94
-I محاسبات ضریب آبرفتی.. 94
II- محاسبه ماسه های انتقالی در کانال.. 95
III- محاسبه شیب و عمق کانال.. 96
IV- محاسبه راندمان تله اندازی… 97
V- پیش بینی طول مناسب بین آبگیری از رودخانه و رسوبگیر. 103
VI- طراحی لوله گردابه ای(ورتکس) 108
VII -طراحی تونل رسوبگیر. 115
VIII- طراحی کانال فرار. 127
باز خوانی اطلاعات بار بستر. 129
جدول خلاصه. 129
I – ساخت جدول.. 129
II- رسم جدول.. 129
III- بازخوانی جداول.. 129
طراحی حوضچه های رسوبگیر. 130
قرار گیری طرح اولیه. 132
مدل ته نشینی.. 137
-I ایجاد/ اصلاح داده های ورودی… 137
-II اجراي مدل.. 141
III – ذخيره‌سازي فايلهاي نتايج.. 142
IV – مشاهده نتايج.. 142
-V كپي از فايل شروع مجدد. 146
مدل لايروبي.. 146
I- ايجاد/ اصلاح داده‌هاي ورودي… 148
II- اجراي مدل.. 148
III- ذخيره سازي فايلهاي نتايج.. 148
IV- مشاهده نتايج.. 148
V- كپي از فايل شروع مجدد. 150
طراحي كانال فرار. 151
مدل آبگير. 152
باز كردن داده‌ها 154
داده‌هاي جديد.. 154
آماده‌سازي داده‌هاي ورودي… 154
I – داده‌هاي مربوط به رودخانه. 154
II- اطلاعات رسوب… 156
III- جزئيات آبگير. 157
الف) آبگير نوع 1.. 157
ب) آبگير نوع 2.. 157
ج) آبگير نوع 3.. 158
د) آبگير نوع4.. 158
اجراي مدل.. 160
مشاهده نتايج.. 161
ذخيره‌سازي خروجي‌ها 164
اتصال به مدل هيدروليكي.. 164
بخش چهارم. 165
شبيه‌سازي هيدروليكي.. 165
الف- تعداد مرحله‌هاي زماني.. 169
ب- طول مراحل زماني.. 169
ج- داده‌هاي مربوط به مدل آبگير. 169
د- نحوه اجراي مدل.. 170
ه- درجه حرارت آب… 170
و- اطلاعات مربوط به ذرات ماسه كه شامل موارد زير است: 170
ز- اطلاعات مربوط به ذرات ريز شامل موارد زير است: 171
بخش پنجم.. 185
تاثيرات محيطي.. 185
تغيير محل آبگيري از رودخانه يا اصلاح آن.. 188
بهينه كردن دفع رسوبات با استفاده از رسوبگيرها 190
بهينه كردن دفع رسوبات با تغيير در نحوة بهره‌برداري… 190
رسوبگيري از كانال.. 191
افزايش لايروبي كانال.. 192
طراحي كانال.. 193
بهره برداري كانال.. 193
بخش ششم.. 195
تجزيه و تحليل اقتصادي… 195
مقايسه هزينه‌ها 198
تجزیه تحلیل هزینه- فایده. 200
فهرست منابع.. 201
مقدمه
رسوبگذاري مشكلي است كه به تمامي كانالهاي آبياري كه آب را مستقيماً از رودخانه منتقل مي‌كنند مربوط مي‌شود. تجمع رسوبات از ظرفيت شبكه‌هاي آبياري كاسته و اگر به طور منظم اين رسوبات جمع‌آوري نشوند، بتدريج به خرابي و نهايتاً به زوال كامل كانال منجر مي‌گردد. اين عمل باعث مي‌گردد كه ضمن تحميل هزينه‌هاي زياد براي لايروبي اين رسوبات، عمليات بهره‌برداري مختل شده و حتي گاهي شبكه با كمبود آب مواجه گردد. همانطورکه گفته شد، پديده رسوبگذاري در شبكه‌هاي آبياري از اهميت بسيار بالايي برخوردار است بالاخص هنگامي كه شبكه متأثر از سيل و طغيان رودخانه گشته، غلظت رسوبات انتقالي در رودخانه و متعاقب آن غلظت رسوبات ورودي به كانال بالا رود.
اولين گام براي جلوگيري از ورود رسوبات در كانالهاي آبياري انتخاب محل مناسب براي بند انحرافی مي‌باشد. در صورت امكان بايستي بند را در خارج از پيچ يك رودخانه ساخت. مسير جريان بايد تا حد امكان كمتر دچار آشفتگي شود. اين بدان معني است كه زاويه حاده مابين كانال اصلي در ورودي و جهت جريان رودخانه كمترين مقدار ممكن را داشته باشد.
انتخاب دقيق نقطه آبگيري از رودخانه نيز، از عوامل اساسي در كاهش رسوبات وارده به سيستم انحراف و آبگيري است. عموماً قوس بيرون پيچ‌رودخانه به عنوان نقطه مناسب انتخاب مي‌شود. اين عمل از نشست رسوبات در محل آبگيري مي كاهد. علت اين امر جاروب شدن بار بستر در محل انحناء رودخانه به طرف قوس داخلي مي‌باشد كه موجب عدم ته نشینی رسوبات در قوس بيروني مي‌گردد.
آب منتقل شده از رودخانه به سمت كانال، محتوي مواد رسوبي مي‌باشد. در صد عمده اين مواد رسوبي بايد در ابتداي كانال انتقال ازآب جدا شوند، در غير اين صورت بعلت سرعت كم جريان در كانال، مواد رسوبي ته نشين شده و باعث گرفتگي و نهايتاً كاهش ظرفيت كانال مي‌گردد.
مواد رسوبي منحرف شده از رودخانه به سمت شبكه يا بصورت معلق مي‌باشند و يا در نزدكيهاي كف كانال حركت مي‌كنند. طراحي تمامي تخليه كننده‌هاي رسوبي بر اين واقعيت متكي است كه تمركز رسوب در رودخانه يا كانال در لايه هاي تحتاني بيش از لايه‌هاي فوقاني آن مي‌باشد. ابزار و وسايل نيز طوري ساخته مي‌شوند كه لايه پايين آب را طوري جدا كنند كه كمتر بهم خوردگي در تمركز رسوب بوجود آيد. اين كار به كانال اجازه مي‌دهد تا آب نسبتاً تميزي را در لايه فوقاني منتقل كند.
به منظور جلوگيري از ورودي رسوبات به داخل شبكه و كاهش هزينه‌هاي نگهداري نيز مي‌توان يك حوضچه رسوبگير را در ابتداي شبكه احداث نمود. حوضچه‌های ته نشيني در كانالهايي با سطح مقطع بزرگ ساخته مي‌شوند، به جهت آنکه سرعت جريان تا آن حدي پايين بياید كه رسوبات در حوضچه رسوبگير ته نشين گردند. در جايي كه شرايط ته‌نشيني رسوب مناسب است، رسوبات از پايين‌ترين رقوم كف حوضچه به درون رودخانه بازگردانده مي‌شوند، چنانچه دفع رسوبات به اين طريق عملي نباشد، با وسايل مكانيكي بايستي رسوبات منتقل گردند.
البته قبل از هر چيزي طراح بايستي بداند چه غلظتي از رسوبات رودخانه وارد كانال اصلي مي‌گردد، چه غلظتي وارد شبكه مي‌گردد و چه ميزاني از رسوبات بايستي توسط رسوبگير يا حوضچه‌هاي رسوبگيربه دام افتاده و در نهايت توسط كانال فرار مجدداً به رودخانه بازگردانده شوند.
پیشگفتار
نقش موثر حوضچه های ترسیب در روند کاهش رسوبات ورودی به شبکه را نمی توان کتمان نمود. با احداث آنها در ابتدای شبکه های آبیاری می توان از هزینه های بالاسری شبکه(لایروبی) به مقدار زیادی کاست. تاکنون تحقیقات متعددی در زمینه روند رسوبگذاری در حوضچه های ترسیب و یا مخازن سدها صورت گرفته است.
موذن و ظهیری در سال 1385در مقاله ای به بررسی مبانی طراحی حوضچه رسوبگیر و راهکارهای احیای آن پرداختند. در این مقاله مشکلات موجود حوضچه رسوبگیر وصیله از نظر مبانی طراحی و بهره برداری و با استفاده از آمار اندازه گیری شده شامل سرعت جریان، دانه بندی و غلظت رسوبات ورودی به حوضچه در فاصله سالهای 69-1365 مورد بررسی قرار گرفت. این بررسی ها نشان داد که بدلیل فاصله زیاد حوضچه از رودخانه کرخه و عدم امکان تخلیه هیدرولیکی رسوبات، مشکلات بهره برداری زیادی در خصوص لایروبی مکانیکی رسوبات ایجاد نموده است. با طراحی بتنی حوضچه در فاصله نزدیکی از رودخانه کرخه می توان مشکلات بهره برداری را به حداقل رساند. همچنین بر اساس دانه بندی رسوبات ته نشین شده، ابعاد حوضچه موجود بسیار بیشتر از ابعاد مورد نیاز طراحی شده است. دبی طراحی این حوضچه نیز حدود دو برابر دبی جریان واقعی کانال وصیله در نظر گرفته شده است، بنابراین طرح یک حوضچه رسوبگیر با ابعاد کوچکتر و با پوشش بتنی در نزدیکی رودخانه کرخه که رسوبات در آن به صورت هیدرولیکی تخلیه شوند، می تواند بسیار مفید باشد.
در پژوهشی دیگر محققین با استفاده از میکرو مدل موفق به مکان یابی آبگیر کانال شهید چمران واقع در بالا دست سد انحرافی حمیدیه شدند. در این تحقیق بمنظور بررسی وضعیت هیدرولیکی و رسوب جریان در مقابل دو آبگیر شهید چمران و آزادگان از یک مدل فیزیکی میکرو با مقیاس افقی 1:500 و مقیاس عمودی 1:100 واقع در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه شهید چمران استفاده گردید. جهت ساخت میکرو مدل، ابتدا نحوه تامین آب و هدایت و کنترل جریان مورد بررسی و طراحی قرار گرفت و سپس منطقه مورد مطالعه شامل بازه ای از رودخانه کرخه، سد انحرافی و آبگیرهای شهید چمران و آزادگان بر روی میز هیدرولیکی شبیه سازی گردید. در این تحقیق از مدلی به طول 95، عرض 55 و ارتفاع 50 سانتیمتر استفاده گردید.جهت تعیین کنترل دبی و سرعت جریان بترتیب از سرریز لبه تیز مستطیلی و میکرو مولینه استفاده گردید.
در این مطالعه به منظور بررسی هیدرولیک و رسوب جریان و اصلاح شرایط هیدرولیکی جریان در مدل گزینه هایی مشتمل بر افزودن مجاری تحتانی به آبگیر چمران، قرار دادن سه نوع اپی با طولها و زوایای مختلف در ساحل مقابل آبگیر چمران، افزایش رقوم تاج سد و کاهش عرض و افزایش رقوم کف آبگیر آزادگان را مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج حاصل از آزمایشات قبلی حاکی از پایین بودن بیش از مقدار مورد نیاز تراز کف آبگیر آزادگان بود. بررسی الگوی جریان در آزمایشات نشان داد که آبگیر شهید چمران در وضعیتی است که خطوط جریان به شکل مناسبی به طرف آن هدایت نمی شوند، لذا طرح تغییر موقعیت آبگیر چمران پیشنهاد و در مدل اجرا گردید.
در آزمایشات مربوط به رسوب ابتدا با تزریق رسوب، نحوه رسوبگذاری در مقابل دو آبگیر و ناحیه بالادست سد مشخص شد. سپس با مشاهده رسوبگذاری در مقابل آبگیر شهید چمران با اضافه کردن دیواره جدا کننده رسوب( با طولها و زوایای مختلف) اقدام به اصلاح شرایط فوق گردید. در آزمایشات صورت گرفته مجاری تخلیه رسوب سمت راست و چپ سد انحرافی به جهت تخلیه سیلاب و رسوب مدل شده کاملا باز در نظر گرفته شدند. آزمایش مربوط به شرایط هیدرولیکی نشان دادند که خطوط جریان بطور فاحشی به سمت آبگیر آزادگان بوده در حالیکه خطوط جریان انحراف یافته به سمت آبگیر چمران کم و با زاویه نامطلوبی می باشند.
در سری آزمایشات مربوط به رسوب ته نشینی رسوبات در مقابل آبگیر چمران و عمق زیاد رسوبات ته نشین شده را میتوان به قرار گرفتن این آبگیر در قوس داخلی مرتبط دانست. وجود جریان گردابی در مقابل دهانه های سمت راست آبگیر چمران موجب معلق شدن رسوبات کف و انتقال آنها به درون آبگیر می شوند. در صورتیکه آبگیر آرادگان بدلیل اینکه در قوس خارجی واقع شده است مشکلات فوق الذکر را ندارد.
همچنین در پژوهشی که در سال 1385 انجام شد پژوهشگران به بررسی رسوبگذاری در مخزن سدها با استفاده از تحلیل عددی دو بعدی پرداختند. برای تعیین مقدار و شکل توزیع رسوب در مخزن، کم هزینه ترین روشها، استفاده از مدلهای عددی می باشد. در این مقاله، مدل دو بعدی جریان آب و مقدار رسوبگذاری در عرض متوسط مورد توجه قرار گرفت و محاسبات آن توسط برنامه کامپیوتری انجام شد و در نهایت کاربرد مدل سد مخزنی بوکان، با برآورد روشهای تجربی مورد مقایسه قرار گرفت. مدل و برنامه تهیه شده برای 50 روز، در مورد سد مذکور واقع در جنوب شرقی شهرستان میاندوآب و با پرامترهای این سد مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که این مدل می تواند برای تحلیل رسوب در جریانهای دائمی و غیر یکنواخت در مخزن سدها مورد استفاده قرار گیرد. نتایج عددی حاصل از مدل، با نتایج اندازه گیری شده مطابقت خوبی ندارد.
از این مقاله نیز چنین استنباط می شود که با کاربرد مدلهای ریاضی از یک سو می توان مقدار رسوبگذاری در مخزن را پیش بینی و از سوی دیگر راهکارهای لازم را برای حفظ کارآیی و زنده نگهداشتن ظرفیت زنده مخزن ارائه نمود و نیز در نتیجه رسوبگذاری در مخازن تغییرات فرم بستر را پیش بینی نمود.
مرتضی کلاهدوزان و همکاران به شبیه سازی یک بعدی و دو بعدی رسوبگذاری مخزن سد چم گردلان واقع در استان ایلام پرداختند. در این تحقیق معادلات دیفرانسیل حاکم بر هیدرودینامیک انتقال رسوب و تغییرات بستر در یک مخزن سد، توسط روش تفاضلهای محدود در حجم کنترل حل شده است. سپس یک دوره پنجاه ساله از آمار دبی و دبی رسوب ورودی با استفاده از مدلهای فوق الذکر مدلسازی گردید. در حالت مدلسازي دو بعدی با توجه به طولانی بودن مدت اجرا و صرف زمان زیاد در اجرای کامل، دبی و دبی رسوب شاخص انتخاب شده و نتایج حاصل از رسوبگذاری در مخزن سد، به کل دوره مورد مطالعه تعمیم داده شده است.
در نهايت پس از مدلسازي نتايج زير در مخزن سد حاصل گرديد:
1- فرضيات ساده كننده در مدل يك بعدي باعث ايجاد خطاهاي قابل توجهي در نتايج مدل شده است.
2- مدلسازي طولاني مدت مورفولوژي در مخازن را مي توان با فرضيات مناسب عملي نمود.
3- از نتايج مدل يك بعدي كه نياز به زمان زيادي نسبت به مدل دو بعدي ندارد مي توان براي انتخاب دوره هاي موثر رسوبگذاري در مخزن سد استفاده نمود، بدين لحاظ استفاده از مدلهاي يك بعدي در كنار مدلهاي دو بعدي در كاهش مدت اجراي برنامه و سرعت در رسيدن به نتايج صحيح، بسيار مفيد خواهد بود.
در مطالعه ای که شمسایی و امامی در سال1381 انجام دادند به ارزیابی و پیش بینی نحوه توزیع رسوب و انباشت آن در مخزن سد اکباتان به روش مینیمم توان واحد جریان پرداختند. در این تحقیق نتایج حاصل از هیدروگراف مذکور با نتایج بدست آمده از مدل کامپیوتری START مقایسه گردید. نتایج حاصل نشان داد که روش مینیمم توان واحد جریان به منظور تعیین تراز رسوب در مجاورت سد از دقت بالاتری برخوردار است و با ارقام هیدروگرافی مطابقت بیشتری دارد. همچنین با بررسی روش مینیمم توان واحد جریان در مخزن سد نشان داده شد که دقت روش مذکور در پیش بینی ارتفاع انباشت رسوب در قسمتهای مختلف مخزن متغییر است. این روش در قسمتهای ابتدایی مخزن که محل انباشت رسوبات دلتایی است، از دقت مناسبی برخوردار نیست ولی با نزدیک شدن به محور سد، دقت نتایج آن افزایش می یابد.
قانی[1] در سال 1993 پارامترهای مو ثر در مراحل انتقال رسوب در آبراهه های روباز در جریان ماندگار و متغیر تدریجی که شامل عمق جریان(y)، شعاع هیدرولیکی(R)، سرعت متوسط(V)، تنش برشی( )، اندازه ذرات(d)، چگالی ذرات ضریب غلظت رسوبات نسبت، زبری بستر((n، ضریب اصطکاک رسوبات شیب کفو بهم چسبیدگی ذرات که بر روی نیروی ثقل تاثیر گذارند، می باشند را مورد بررسی قرار داد.
فان راین علاوه بر پارامترهای فوق، به بررسی پارامترهای دیگری همچون پارامتر سرعت ته نشینیپخشیدگی ناشی از مومنتوم جریان اختلاف پخشیدگی ذرات رسوبی جدا از هم و ذرات رسوبی(فاکتور) و پارامتر تعلیق جریان پرداخت.
[1] – Ghani