آنالیزحساسیت بارکل رسوب در رودخانه کارون با استفاده از مدل HEC–RAS (بازه ملاثانی– فارسیات)

" فهرست مطالب "

عنوان			صفحه
	چکیده ……	1
	مقدمه	2
	فصل اول : کلیات تحقیق
1 – 1	پدیده انتقال رسوب …	5
1 – 2	شناخت مکانیزم انتقال رسوبات ………	7
1 – 3	عوامل تاثیر گذار بر فرسایش و رسوب گذاری …	8
1 – 3 - 1	شیب ……	8
1 – 3 – 2	پوشش زمین ……	9
1 – 3 – 3	روان آب ……	9
1 – 3 – 4	خاک …	9
1 – 3 – 5	آب و هوا …………………………………………………………………………………………	9
1 - 4	عوامل تاثیر گذار بر فرسایش کناره ها ................................................................................	10
1 – 4 - 1	عامل آب …………………………………………………………………………………………...	10
ا – 4 – 2	عامل اثر موج ……………………………………………………………………………………...	10
1 – 4 – 3	عامل سرعت جریان آب در خم رودخانه ………………………………………………..	11
1 – 4 – 4	عامل آبشستگی …………………………………………………………………………………...	11
1 – 4 – 5	عامل تراوش ………………………………………………………………………………………	12
1 – 4 – 6	عامل آبدوی سطحی ……………………………………………………………………………	13
1 – 5	انتقال رسوب و فرسایش رودخانه ای …………………………………………………….	13
1 - 6	اهمیت و ضرورت تحقیق ……………………………………………………………………..	15
1 – 7	اهداف تحقیق ……………………………………………………………………………………...	16
1 – 8	نوآوری تحقیق ……………………………………………………………………………………	16
	فصل دوم – مروری بر منابع
2 – 1	مقدمه ………………………………………………………………………………………………	18
2 – 2	مطالعات آزمایشگاهی و عددی ……………………………………………………………...	18
2 – 3	جمع بندی نهایی مطالعات انجام شده و ضرورت انجام تحقیق ………………….	29
	فصل سوم – مواد و روشها
3 – 1	مقدمه ………………………………………………………………………………………………...	31
3 – 2	محدوده طرح ……………………………………………………………………………………	32
3 – 3	آمار و اطلاعات مورد استفاده در این تحقیق …………………………………………...	36
3 – 3 – 1	ایستگاه های هیدرومتری منطقه و آمار و اطلاعات آنها ……………………………..	36
3 – 3 – 2	اطلاعات دانه بندی مواد بستر رودخانه …………………………………………………...	37
3 – 3 – 3	اطلاعات مربوط به شکل هندسی رودخانه ……………………………………………...	37
3 – 3 – 3 – 1	ضریب زبری مانینگ ……………………………………………………………………………	38
3 – 3 – 3 – 2	محل بستر متحرک و عمق لایه های فعال ……………………………………………….	38
3 – 3 – 3 – 3	مقاطع عرضی رودخانه ………………………………………………………………………	38
3 – 3 – 3 – 4	اطلاعات مربوط به پل های محدوده تحقیق ……………………………………………	40
3 – 3 – 4	اطلاعات مربوط به رسوب …………………………………………………………………	40
3 – 3 – 4 – 1	دانه بندی رسوبات بستر ……………………………………………………………………….	41
3 – 3 – 4 – 2	طبقه بندی ذرات رسوب ……………………………………………………………………...	41
3 – 3 – 4 – 3	ظرفیت انتقال رسوب …………………………………………………………………………...	42
3 – 3 – 4 – 4	اطلاعات ایستگاه رسوب سنجی ……………………………………………………………	42
3 – 3 – 4 – 5	بار رسوب ورودی ………………………………………………………………………………	43
3 – 3 – 4 – 6	اطلاعات مربوط به هیدرولوژی رودخانه ………………………………………………	44
3 – 3 – 4 – 7	شرایط مرزی ………………………………………………………………………………………	44
3 – 4	استفاده از مدل های ریاضی …………………………………………………………………..	45
3 – 5	معرفی و انتخاب مدل های ریاضی ………………………………………………………...	46
3 – 5 – 1	مدل های ماندگار ………………………………………………………………………………...	46
3 – 5 – 2	مدل های ریاضی غیر ماندگار ……………………………………………………………….	46
3 – 6	معرفی نرم افزار HEC – RAS..........................................................................................	47
3 – 7	شبیه سازی جریان با نرم افزار HEC – RAS............................................................	48
3 – 8	مبانی هیدرودینامیک مدل ..........................................................................................................	49
3 – 8 – 1	مبانی محاسبات مدل بر مبنای تحلیل جریان در حالت دائم ....................................	49
3 – 8 – 2	معادله پیوستگی …………………………………………………………………………………	51
3 – 8 – 3	معادله مومنتوم................................................................................................................................	52
3 – 8 – 4	شبیه سازی جریان غیر ماندگار ...............................................................................................	54
3 – 8 – 5	پل ها و کالورتها ............................................................................................................................	54
3 – 8 – 6	محاسبات هیدرولیکی پل ها ....................................................................................................	55
3 – 9	ورود اطلاعات مورد نیاز به نرم افزار HEC – RAS............................................	55
3 – 9 – 1	داده های هندسی ...........................................................................................................................	56
3 – 9 – 2	داده های جریان .............................................................................................................................	59
3 – 9 – 3	شرایط مرزی ...................................................................................................................................	59
3 – 9 – 4	شرایط مرزی در تحلیل جریان ماندگار و غیر ماندگار ................................................	59
3 – 9 – 5	داده های رسوب ............................................................................................................................	60
3 – 10	روشهای محاسبه میزان انتقال رسوبات ...............................................................................	63
3 – 10 – 1	روش میر – پیتر و مولر .............................................................................................................	64
3 – 10 – 2	روش لارسن ..............................................................................................................................	65
3 – 10 – 3	روش انگلوند – هانسن .............................................................................................................	66
3 – 10 – 4	روش ایکرز و وایت ....................................................................................................................	67
3 – 10 – 5	روش ویلکاک .................................................................................................................................	69
3 – 10 – 6	روش یانگ ......................................................................................................................................	70
3 – 10 – 3	روش توفالتی ..................................................................................................................................	72
3 – 11	تعیین لایه های فعال و غیر فعال ...........................................................................................	73
3 – 12	کالیبراسیون و صحت سنجی مدل .......................................................................................	73
3 – 12 – 1	انتخاب ضریب مانینگ و واسنجی مدل	73
3 – 12 – 2	کالیبراسیون و ارزیابی مدل در شبیه سازی هیدرولیک جریان و رسوب..............	74
3 – 12 – 3	صحت سنجی مدل .......................................................................................................................	74
3 – 13	مدل HEC – RAS..................................................................................................................	74
3 – 13 – 1	مزایای مدل HEC – RAS..................................................................................................	75
3 – 13 – 2	محدودیت های مدل ریاضی HEC-RAS....................................................................	76
3 – 13 – 3	اطلاعات مورد نیاز جهت محاسبات مدل HEC – RAS.....................................	76
3 – 14	انتخاب مدل ریاضی مناسب .....................................................................................................	78
	فصل چهار – ارائه نتایج
4 – 1	مقدمه ..................................................................................................................................................	80
4 – 2	اجرای مدل ریاضی HEC – RAS..................................................................................	81
4 – 2 – 1	محاسبه میزان خطاء ......................................................................................................................	81
4 – 2 – 2	واسنجی و صحت سنجی مدل هیدرولیکی ......................................................................	82
4 – 2 – 2 – 1	واسنجی دبی جریان .....................................................................................................................	83
4 – 2 – 2 – 2	صحت سنجی دبی جریان .........................................................................................................	85
4 – 2 – 2 – 3	واسنجی اشل جریان ....................................................................................................................	87
4 – 2 – 2 – 4	صحت سنجی اشل جریان ........................................................................................................	90
4 – 2 – 2 – 5	بررسی آماری نتایج واسنجی و صحت سنجی دبی و اشل .....................................	92
4 – 2 – 2 – 6	واسنجی رسوب جریان ..............................................................................................................	92
4 – 2 – 2 – 7	صحت سنجی رسوب جریان ..................................................................................................	95
4 – 2 – 2 – 8	بررسی آماری نتایج واسنجی و صحت سنجی رسوب ..............................................	97
4 – 2 – 2 – 9	واسنجی و صحت سنجی ضریب زبری مانینگ .............................................................	97
4 – 3	آنالیز حساسیت بار کل رسوب ...............................................................................................	98
4 – 3 – 1	آنالیز حساسیت دبی رسوب کل نسبت به تغییرات تنش بحرانی شیلدز ............	99
4 – 3 – 1 – 1	کاهش تنش بحرانی شیلدز .......................................................................................................	104
4 – 3 – 1 – 2	افزایش تنش بحرانی شیلدز ......................................................................................................	104
4 – 3 -2	آنالیز حساسیت دبی رسوب کل نسبت به تغییرات دمای جریان آب ..................	105
4 – 3 -2 – 1	کاهش درجه حرارت جریان آب ...........................................................................................	108
4 – 3 -2 – 2	افزایش درجه حرارت جریان آب .........................................................................................	108
4 – 3 – 3	آنالیز حساسیت دبی رسوب کل نسبت به تغییرات دانه بندی بستر ......................	108
4 – 3 – 3 – 1	کاهش دانه بندی بستر ...............................................................................................................	112
4 – 3 – 3 – 2	افزایش دانه بندی بستر .............................................................................................................	112
4 – 3 – 4	آنالیز حساسیت دبی رسوب کل نسبت به تغییرات ضریب زبری مانینگ .........	112
4 – 3 – 4 – 1	کاهش ضریب زبری مانینگ ....................................................................................................	116
4 – 3 – 4 – 2	افزایش ضریب زبری مانینگ ...................................................................................................	116
4 – 3 – 5	آنالیز حساسیت دبی رسوب کل نسبت به تغییرات روش سرعت سقوط ذرات رسوب	116
4 – 3 – 5 – 1	روش سرعت سقوط Toffaleti..........................................................................................	119
4 – 3 – 5 – 2	روش سرعت سقوط Van rijn...........................................................................................	119
4 – 3 – 5 – 3	روش سرعت سقوط Ruby...................................................................................................	119
4 – 4	برآورد عدم قطعیت در انتقال رسوب کل ..........................................................................	120
5 – 4	تعیین حساسیت بار رسوب کل نسبت به متغیرهای ورودی و پارامترهای کالیبراسیون مدل	122
	فصل پنج – نتیجه گیری و پیشنهادات
5 - 1	نتیجه گیری ......................................................................................................................................	124
5 – 2	جمع بندی نتایج آنالیز حساسیت پارامترهای ورودی به مدل .................................	124
5 – 3	پیشنهادات .........................................................................................................................................	126
5 - 4	منابع و ماخذ ....................................................................................................................................	127

 " فهرست جداول "

عنوان		صفحه
3 – 1	جدول پیک سیلاب تنظیمی با دوره بازگشت های چند ساله ..........................................	36
3 – 2	جدول اطلاعات ایستگاه های هیدرومتری .................................................................................	37
3 – 3	جدول طبقه بندی و کلاس بندی مصالح رسوب ...................................................................	41
3 – 4	جدول روابط بده – رسوب ایستگاه های مختلف .................................................................	43
3 – 5	جدول ضریب انبساط و انقباض .....................................................................................................	58
4 – 1	جدول فاصله بین ایستگاه های هیدرومتری ..............................................................................	80
4 – 2	جدول دبی مشاهداتی و دبی محاسباتی مرحله کالیبراسیون ..............................................	83
4 – 3	جدول اطلاعات دبی مشاهداتی و دبی محاسباتی مرحله صحت سنجی ....................	85
4 – 4	جدول اشل مشاهده ای و محاسباتی مرحله کالیبراسیون ....................................................	88
4 – 5	جدول اشل مشاهده ای و محاسباتی مرحله صحت سنجی ..............................................	90
4 – 6	جدول نتایج آماری دبی و اشل در شرایط کالیبراسیون و صحت سنجی ....................	92
4 – 7	جدول رسوب مشاهده ای و محاسباتی مرحله کالیبراسیون ..............................................	93
4 – 8	جدول رسوب مشاهده ای و محاسباتی مرحله صحت سنجی ........................................	95
4 – 9	جدول نتایج آماری رسوب در شرایط کالیبراسیون و صحت سنجی ............................	97
4 – 10	جدول رسوب مشاهده ای و محاسباتی مرحله صحت سنجی ........................................	99
4 – 11	جدول نتایج آنالیز حساسیت دبی رسوب با اعمال تنش بحرانی شیلدز ......................	101
4 – 12	جدول آنالیز حساسیت وزن رسوب کل و میانگین دبی رسوب کل نسبت به تغییرات تنش بحرانی شیلدز .............................................................................................................	103
4 – 13	جدول نتایج آنالیز حساسیت دبی رسوب نسبت به پارامتر درجه حرارت .................	105
4 – 14	جدول آنالیز حساسیت وزن رسوب کل و میانگین دبی رسوب کل نسبت به تغییرات درجه حرارت ........................................................................................................................	107
4 – 15	جدول نتایج آنالیز حساسیت دبی رسوب نسبت به پارامتر دانه بندی بستر در تلورانس تعیین شده ..............................................................................................................................	109
4 – 16	جدول آنالیز حساسیت وزن رسوب کل و میانگین دبی رسوب کل نسبت به تغییرات دانه بندی بستر ......................................................................................................................	111
4 – 17	جدول نتایج آنالیز حساسیت دبی رسوب نسبت به پارامتر ضریب زبری مانینگ در تلورانس تعیین شده .......................................................................................................................	113
4 – 18	جدول آنالیز حساسیت وزن رسوب کل و میانگین دبی رسوب کل نسبت به تغییرات ضریب زبری مانینگ ..........................................................................................................	115
4 – 19	جدول نتایج آنالیز حساسیت دبی رسوب نسبت به پارامتر روش سرعت سقوط ذرات ...........................................................................................................................................................	117
4 – 20	جدول آنالیز حساسیت وزن رسوب کل و میانگین دبی رسوب کل نسبت به تغییرات روش سرعت سقوط ذرات .............................................................................................	118
5 – 1	جدول خلاصه نتایج آنالیز حساسیت پارامترهای ورودی به مدل ..................................	124

" فهرست اشکال "

عنوان		صفحه
1 – 1	شکل تخریب اراضی کشاورزان ....................................................................................................	3
1 – 2	شکل رودخانه کارون جنوب اهواز ...............................................................................................	11
1 – 3	شکل آبشستگی اطارف پایه های پل ............................................................................................	12
3 – 1	شکل رودخانه کارون در محدوده شهر اهواز ...........................................................................	34
3 – 2	شکل رودخانه کارون در محدوده شهر اهواز و نمایش محل پلها ..................................	35
3 – 3	شکل منحنی دانه بندی مواد بستر در ایستگاه های هیدرومتری ......................................	37
3 – 4	شکل مقطع ایستگاه ملاثانی ..............................................................................................................	39
3 – 5	شکل مقطع ایستگاه اهواز ...................................................................................................................	39
3 – 6	شکل مقطع ایستگاه فارسیات ...........................................................................................................	39
3 – 7	شکل نمایی از پل های برداشت شده ...........................................................................................	40
3 – 8	شکل منحنی دبی – اشل ایستگاه اهواز .......................................................................................	45
3 – 9	شکل منحنی دبی – اشل ایستگاه فارسیات ...............................................................................	45
3 – 10	شکل مولفه های معادله انرژی در جریان دائمی .....................................................................	50
3 – 11	شکل حجم کنترل در محاسبات رسوب .....................................................................................	72
4 – 1	شکل نتایج مقایسه ای دبی جریان مشاهده ای و محاسباتی ..............................................	84
4 – 2	شکل ضریب تعیین نتایج کالیبراسیون جریان .........................................................................	85
4 – 3	شکل نتایج دبی مشاهداتی و دبی محاسباتی شرایط صحت سنجی .........................	87
4 – 4	شکل ضریب تعیین نتایج صحت سنجی جریان ..................................................................	87
4 – 5	شکل اشل جریان مشاهده ای و اشل محاسباتی مدل مرحله کالیبراسیون ...................	89
4 – 6	شکل ضریب تعیین نتایج کالیبراسیون اشل ................................................................................	89
4 – 7	شکل اشل جریان مشاهده ای و اشل محاسباتی مرحله صحت سنجی ........................	91
4 – 8	شکل ضریب تعیین نتایج صحت سنجی اشل ..........................................................................	92
4 – 9	شکل رسوب جریان مشاهده ای و رسوب محاسباتی مرحله کالیبراسیون .................	94
4 – 10	شکل ضریب تعیین نتایج کالیبراسیون رسوب ..........................................................................	94
4 – 11	شکل رسوب جریان مشاهده ای و محاسباتی مرحله صحت سنجی ............................	96
4 – 12	شکل ضریب تعیین نتایج صحت سنجی رسوب ....................................................................	97
4 – 13	شکل تقسیم بندی محدوده طرح از نظر ضریب زبری مانینگ ........................................	98
4 – 14	شکل دبی رسوب محاسباتی به همراه نمودارهای ناشی از اعمال تنش بحرانی شیلدز مختلف ..	102
4 – 15	شکل آنالیز حساسیت میانگین دبی رسوب کل نسبت به تغییرات تنش بحرانی شیلدز ....	103
4 – 16	شکل آنالیز حساسیت درصد حساسیت دبی رسوب کل نسبت به تغییرات تنش بحرانی شیلدز	103
4 – 17	شکل آنالیز حساسیت مجموع وزن رسوب کل نسبت به تغییرات تنش بحرانی شیلدز ...	104
4 – 18	شکل دبی رسوب محاسباتی به همراه نمودارهای ناشی از اعمال درجه حرارت های مختلف	106
4 – 19	شکل آنالیز حساسیت میانگین دبی رسوب کل نسبت به تغییرات درجه حرارت آب ......	107
4 – 20	شکل آنالیز حساسیت درصد حساسیت دبی رسوب کل نسبت به تغییرات درجه حرارت آب	107
4 – 21	شکل آنالیز حساسیت مجموع وزن رسوب کل نسبت به تغییرات درجه حرارت آب ......	108
4 – 22	شکل دبی رسوب محاسباتی به همراه نمودارهای ناشی از اعمال دانه بندی های بستر مختلف	110
4 – 23	شکل آنالیز حساسیت میانگین دبی رسوب کل نسبت به تغییرات دانه بندی بستر	111
4 – 24	شکل آنالیز حساسیت درصد حساسیت دبی رسوب کل نسبت به تغییرات دانه بندی بستر ........	111
4 – 25	شکل آنالیز حساسیت مجموع وزن رسوب کل نسبت به تغییرات دانه بندی بستر	112
4 – 26	شکل دبی رسوب محاسباتی به همراه نمودارهای ناشی از اعمال ضریب زبری های مختلف	114
4 – 27	شکل آنالیز حساسیت میانگین دبی رسوب کل نسبت به تغییرات ضریب زبری مانینگ	115
4 – 28	شکل آنالیز حساسیت درصد حساسیت دبی رسوب کل نسبت به تغییرات ضریب زبری مانینگ	115
4 – 29	شکل آنالیز حساسیت مجموع وزن رسوب کل نسبت به تغییرات ضریب زبری مانینگ	116
4 – 30	شکل دبی رسوب محاسباتی به همراه نمودارهای ناشی از اعمال روش های سرعت سقوط ذرات	118
4 – 31	شکل آنالیز حساسیت دبی رسوب کل نسبت به تغییرات روش سرعت سقوط ذرات .....	119
4 – 32	شکل هیدروگراف حد بالا و حد پایین تغییرات دبی رسوب کل ...................................	120
4 – 33	شکل هیدروگراف دبی رسوب کل حاصل از انجام آنالیز حساسیت ............................	121
4 – 34	شکل نمودار تعیین حساسیت بار رسوب کل نسبت به متغیرهای ورودی و پارامترهای کالیبراسیون مدل ..............................................................................................................	122

 چکیده

فرایند انتقال رسوب یک پدیده کاملا پیچیده، متغیر و غیر خطی می باشد. بطوریکه رفتاررودخانه درظرفیت انتقال رسوب به ازای یک دبی معین درزمان های مختلف متفاوت می باشد.بنابراین به علت پیچیده بودن مکانیزم انتقال رسوب وتعددعوامل موثربرآن، برآوردوپیش بینی ظرفیت حمل رسوبات وتعیین هیدروگراف رسوب همراه با عدم قطعیت می باشد. با شناسایی عوامل موثر بر انتقال رسوب و میزان تاثیر آنها و با سنجش دقیقتر عوامل موثر، می توان عدم قطعیت در برآورد رسوب را کاهش داد. از جمله روشهای برآورد عدم قطعیت یک متغیر خروجی، آنالیز حساسیت آن نسبت به متغیر های ورودی می باشد. در این تحقیق ابتدا هیدرولیک سیلاب و رسوب در رودخانه کارون بازه ملاثانی تا فارسیات با استفاده از مدل ریاضی شبیه سازی شد. سپس آنالیز حساسیت دبی رسوب کل عبوری از ایستگاه هیدرومتری اهواز نسبت به متغیر های ورودی و پارامتر های مدل مورد نظر انجام گردید. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت نشان می دهد که دبی رسوب کل به ترتیب نسبت به تغییرات تنش بحرانی شیلدز، ضریب زبری مانینگ، دمای آب و روش سرعت سقوط ذرات معلق رسوب حساسیت دارد. به طوری که با افزایش 30% در تنش بحرانی شیلدز، میانگین دبی رسوب کل 23.68% کاهش می یابد و با کاهش 30% در تنش بحرانی شیلدز، میانگین دبی رسوب کل 40.82 درصد افزایش می یابد. همچنین با افزایش 30% در ضریب زبری مانینگ، میانگین دبی رسوب کل 25.18% کاهش و با کاهش 30% در ضریب زبری مانینگ ، میانگین دبی رسوب کل %38.1 افزایش می یابد. با افزایش 30% در دمای آب، میانگین دبی رسوب کل 18.93% کاهش می یابد و با کاهش 30% در دمای آب، میانگین دبی رسوب کل %25.63 افزایش می یابد. علاوه بر این اگر ذرات معلق رسوب با روشهای Toffaleti ، Van rijn و Ruby سقوط نمایند، میانگین دبی رسوب کل عبوری به ترتیب 0.2%، 0.8% و 2.1% نسبت به روش سرعت سقوط حاصل از کالیبراسیون مدل ( روش Report12) افزایش می یابد. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت دبی رسوب کل عبوری در مقطع اهواز نسبت به تغییرات دانه بندی مواد بستر نشان می دهد که با افزایش و کاهش دانه بندی بستر در تلورانس تعیین شده میانگین و مجموع دبی رسوب کل عبوری هیچ تغییری نخواهد کرد. با توجه به نتایج حاصل از آنالیز حساسیت، میزان عدم قطعیت در میانگین دبی رسوب کل عبوری در مقطع ایستگاه هیدرومتری اهواز به علت عدم قطعیت در متغیرهای ورودی و پارامترهای مدل ، برابر با 66% می باشد.

 کلمات کلیدی : آنالیز حساسیت،عدم قطعیت، انتقال رسوب، رودخانه کارون، HEC-RAS