سیل و خسارات ناشی از آن
(( سیل و خسارات ناشی از آن ))
سالیان متمادی است انسان در تقابل با پدیده های طبیعی بوده و همواره در معرض خطرات ناشی از وقوع پدیده های زیانباری نظیر سیل قرار داشته است. در حال حاضر نیز سالانه خسارات مالی و جانی فراوانی بر اثر بروز سیلابهای عظیم به مردم وارد می شود. به طور مثال وقوع سیلاب در 12 استان كشور طی بهمن ماه سال 1371 باعث قربانی شدن بیش از 220 نفر و خساراتی بالغ بر دهها میلیارد ریال گردید (1).
مسئله مهم دیگری كه همزمان با حركت آب و وقوع سیلابها رخ می دهد. حركت ذرات خاك از سطح حوضه های آبخیز و ورود این ذرات به مجاری طبیعی همچنین جابه جایی این ذرات در طول
رودخانه ها از نقطه ای به نقطه دیگر می باشد كه اثرات جنبی و مضاعف بروز سیلابها محسوب گردیده و موجب روبگذاری یا فرسایش و تغییر در تراز بستر رودخانه و در نتیجه تغییر در تراز سطح آب می گردد. افزایش تراز بستر و بالا آمدن كف منجر به كاهش ظرفیت مجاری طبیعی شده. همچنین پر شدن مخازن سدها و كانالهای آبیاری از رسوب از سایر عوارض آن می باشد. بنابراین پیش بینی تراز سطح آب با در نظر گرفتن مسئله رسوب در مجاری طبیعی از اهمیت خاصی برخوردار است. تغییرات بستر رودخانه ها كه به دو صورت بالا آمدن بستر (Aggradation) و كف كنی (Degradation) است یكی از پدیده های مهم مهندسی رودخانه می باشد. این امر زمانی بوجود
می آید كه كه وضعیت تعادلی پارامترهای مختلف رودخانه تحت شرایطی بهم بخورد. منظور از پارامترهای مذكور، دبی جریان، دبی رسوبات، مقطع و سیب رودخانه و اندازه مواد بستر می باشد. شرایطی كه باعث بهم زدن این تعادل می باشد ممكن است طبیعی و یا توسط بشر باشد. مسائل فوق علاوه بر اینكه باعث تغییر رژیم رودخانه می شود سبب خواهد شد تا سازه های هیدرولیكی اطراف رودخانه نیز در مخاطره قرار گیرند.
پیش بینی شرایطی كه تحت آن شرایط، بالا آمدن یا كف كنی بستر رودخانه بوجود می آید. همچنین تعیین میزان آن، در نتیجه چگونگی تاثیر آن بر شرایط هیدرولیكی رودخانه موضوعی است كه از دیرباز مورد توجه مهندسین هیدورلیك قرار گرفته است. روشهای مختلفی نیز پیشنهاد گردیده است. تعدادی از این روشها با استفاده از فرضیات متعدد و بكار گیری اصول حاكم بر حركت نخستین ذره (Incepient Motion) بوجود آمده اند و روابط جبری نسبت ساده ای را تشكیل می دهند كه در آن پروفیل نهایی بستر را بدست می دهند. تعداد دیگری از روشها با بكار بردن فرضیات كمتری و بكار بردن معادله پیوستگی رسوب منجر به پیدایش معادله ای می شود كه با حل آن می توان تغییرات بستر رودخانه را نسبت به زمان پیش بینی نمود.
بطور كلی روابط حاكم بر حركت جریانهای سیلابی و جریان در مجاری فرسایش پذیر معادلات جریان غیر ماندگار موسوم به معادلات Saint Venant می باشند. از آنجا كه تاثیر متقابلی بین تغییرات بستر و شرایط هیدورلیكی جریان وجود دارد در رودخانه های آبرفتی علاوه بر حل همزمان معادلات مذكور شامل:
1- معادله پیوستگی جریان (معادله بقاء جرم سیال) Continuity Equation
2- معادله ممنتم (معادله بقاء اندازه حركت) Mcmentum Equation
لازم است معادله پیوستگی رسوب (Sediment Continuity Eqution) نیز حل شود. همچنین به دو معامله كمكی جهت برآورد ظرفیت حمل رسوب رودخانه و تعیین شیب خط انرژی نیاز می باشد. از قدیمیترین مدلهایی كه در این رابطه بوجود آمده مدل HEC-6 می باشد كه در سال 1977 توسط اداره مهندس ارتش امریكا تهیه گردیده است. در این مدل ابتدا پروفیل سطح آب با استفاده از معادله انرژی محاسبه می شود ( در این قسمت مدل ریاضی پیش بینی پروفیل سطح آب بر اساس جریان متغیر تدرجی برای كانالهای غیر فرسایشی موسوم به HEC-2 می باشد) و برای هر فاصله زمانی با بكار بردن معادله پیوستگی رسوب و یك رابطه تجربی برای محاسبه میزان رسوب حمل شده، پروفیل بستر را محاسبه می كند. مدلهای دیگری هم سپس از آن بوجود آمده اند كه اكثراً به صورت
بسته های نرم افزاری به بازار عرضه شده اند.
مدل تهیه شده در این پایان نامه یك مدل ریاضی یك بعدی غیر ماندگار برای كانالهای فرسایش و غیر فرسایشی است كه معادلات كامل جریان غیر ماندگار و معادله پیوستگی رسوب را بطور همزمان و با استفاده از روش عددی حل می نماید.
روشهای عددی شامل روش تقاضای محدود و روش المانهای محدود است ولی روش تقاضاهای محدود كاربرد بیشتری دارد. در روش تقاضاهای محدود. معادلات دیفرانسیل جزیی حاكم با استفاده از
شم های (Schemes) دیفرانسیل به معادلات جبری تبدیل می شوند. این شم ها متفاوت بوده و كاربرد آن ها در یك مسئله خاص ممكن است مزایا و معایبی را به همراه داشته باشد.
مسئله مهمی كه در حل معادلات حاكم وجود دارد مسئله كوپلینگ (Couqling) بین معدلات جریان و رسوب است. منظور از كوپلینگ در نظر گرفتن تغییرات در كلیه متغیرها در محاسبه مقدار نهایی هر متغیر وابسته است و این كار با استفاده از شم دو مرحله ای پیش بینی و تصحیح میسر شده است. در هر مرحله معادلات مذكور بطور همزمان حل می شوند. به عبارت دیگر در صورتی كه معادله پیوستگی رسوب بعد از حل كامل معادلات جریان حل می شد كوپلینگ ایجاد نمی گردید. بنابراین مدل حاضر یك مدل كوپل شده می باشد. ضمناً كوپلینگ بین معادلات باعث افزایش پایداری مدل نیز می گردد. كاربرد روشهای كوپل نشده در شرایطی كه شیب كف زیاد باشد منجر به بروز ناپایداری عددی
می شود و جهت ایجاد پایداری بایستی از عملیات سعی و خطا در هر گام زمانی بهره جست ولی در مدل حاضر نیازی به سعی و خطا نیست و مدل از پایداری خوبی برخوردار است و همین امر زمان اجرای مدل را به شدت كاهش می دهد. همچنین كاربرد شم صریح مك.
تعاریف
- جریانهای ماندگار و غیر ماندگار (Steady And Unsteady Flow):
جریانی ماندگار نامیده می شود كه عمق، دبی و سرعت متوسط جریان در هر مقطع نسبت به زمان تغییر نكند و در صورتی كه پارامترهای مذكور نسبت به زمان تغییر نمایند جریان غیر ماندگار نامیده می شود.