ارزیابی عملکرد سدهای انحرافی سیستان و زهک بر رودخانه سیستان به کمک مدل هیدرولیکی HEC-RAS

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مربی گروه پژوهشی پژوهشکده تالاب بین المللی هامون، دانشگاه زابل، زابل، ایران. *(مسوول مکاتبات)

2 مربی گروه پژوهشی پژوهشکده تالاب بین المللی هامون، دانشگاه زابل، زابل، ایران.

3 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه زابل، زابل، ایران.

10.22034/jest.2019.13701

چکیده

چکیده
زمینه و هدف: رودخانه­ها به‌عنوان شریان­های اصلی حیات بشری محسوب می‌شود، از این­رو مهار نمودن و بهره­برداری صحیح از این منابع سطحی مستلزم شناخت صحیح رفتار آن‌ها و سرمایه‌گذاری در زمینه ساماندهی رودخانه­ها می­باشد. با استفاده از بررسی و ارزیابی پروژه­های انجام پذیرفته در این زمینه می‌توان جنبه­های مثبت و منفی اجرای این طرح‌ها را بررسی نموده و از نتایج حاصله به ‌منظور رفع نواقص طرح­ها، بهبود کارایی آن‌ها و ثمربخشی بیشتر طرح‌های آتی استفاده نمود.
روش بررسی: رودخانه سیستان به‌عنوان مهم‌ترین رودخانه مرزی ایران و افغانستان می­باشد که حیات سیستان به آن وابسته است. طول این رودخانه در خاک ایران به حدود 70 کیلومتر می­رسید. در این تحقیق به بررسی عملکرد سازه­های سد انحرافی سیستان و زهک و سازه­های جانبی در مسیر این رودخانه به کمک مدل هیدرولیکی HEC-RAS پرداخته‌شده است.
یافته‌ها: وجود این سازه‌ها در مسیر رودخانه باعث افزایش حداکثر توان عبوری سیلاب رودخانه سیستان در حالت عدم وجود این سازه‌ها از 500 مترمکعب بر ثانیه به 810 مترمکعب بر ثانیه شده است. هم­چنین با توجه به اهمیت برآورد میزان ضریب زبری مانینگ[1] با دقت بالا برای انجام محاسبات هیدرولیکی در طراحی­های مهندسی رودخانه، میزان ضریب زبری بستر اصلی رودخانه سیستان 02/0 و برای سیلاب دشت­ها 035/0 برآورد گردید. از دیگر یافته های این تحقیق می‌توان به رابطه دبی-دوره بازگشت به‌صورت  اشاره کرد.
بحث و نتیجه‌گیری: وجود سازه سدهای انحرافی در مسیر رودخانه‌های غیرقابل پیش‌بینی چون رودخانه سیستان توان عبوری جریان را می‌توانند در بعضی موارد نزدیک به دو برابر افزایش دهند، در این تحقیق تأثیر افزایش 310 مترمکعبی بر توان عبوری رودخانه سیستان مشاهده گردید که یکی از دلایل تأثیر به نسبت کم(انتظار ما بیش از این بوده است) شیب ناچیز دشت سیستان و پخش شدن آب در بستر سیلابی و پس­زدگی آب در مسیر جریان رودخانه سیستان می­باشد.



4- Manning

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره بیستم،شماره چهار، زمستان 97

 

ارزیابی عملکرد سدهای انحرافی سیستان و زهک بر رودخانه سیستان به کمک مدل هیدرولیکی HEC-RAS

 

میثم امیری [1] *

Meysam.amiri@uoz.ac.ir

مهدی کیخا[2]

فرزاد حسن پور[3]

تاریخ دریافت: 05/10/93

تاریخ پذیرش:07/07/94

 

چکیده

زمینه و هدف: رودخانه­ها به‌عنوان شریان­های اصلی حیات بشری محسوب می‌شود، از این­رو مهار نمودن و بهره­برداری صحیح از این منابع سطحی مستلزم شناخت صحیح رفتار آن‌ها و سرمایه‌گذاری در زمینه ساماندهی رودخانه­ها می­باشد. با استفاده از بررسی و ارزیابی پروژه­های انجام پذیرفته در این زمینه می‌توان جنبه­های مثبت و منفی اجرای این طرح‌ها را بررسی نموده و از نتایج حاصله به ‌منظور رفع نواقص طرح­ها، بهبود کارایی آن‌ها و ثمربخشی بیشتر طرح‌های آتی استفاده نمود.

روش بررسی: رودخانه سیستان به‌عنوان مهم‌ترین رودخانه مرزی ایران و افغانستان می­باشد که حیات سیستان به آن وابسته است. طول این رودخانه در خاک ایران به حدود 70 کیلومتر می­رسید. در این تحقیق به بررسی عملکرد سازه­های سد انحرافی سیستان و زهک و سازه­های جانبی در مسیر این رودخانه به کمک مدل هیدرولیکی HEC-RAS پرداخته‌شده است.

یافته‌ها: وجود این سازه‌ها در مسیر رودخانه باعث افزایش حداکثر توان عبوری سیلاب رودخانه سیستان در حالت عدم وجود این سازه‌ها از 500 مترمکعب بر ثانیه به 810 مترمکعب بر ثانیه شده است. هم­چنین با توجه به اهمیت برآورد میزان ضریب زبری مانینگ[4] با دقت بالا برای انجام محاسبات هیدرولیکی در طراحی­های مهندسی رودخانه، میزان ضریب زبری بستر اصلی رودخانه سیستان 02/0 و برای سیلاب دشت­ها 035/0 برآورد گردید. از دیگر یافته های این تحقیق می‌توان به رابطه دبی-دوره بازگشت به‌صورت  اشاره کرد.

بحث و نتیجه‌گیری: وجود سازه سدهای انحرافی در مسیر رودخانه‌های غیرقابل پیش‌بینی چون رودخانه سیستان توان عبوری جریان را می‌توانند در بعضی موارد نزدیک به دو برابر افزایش دهند، در این تحقیق تأثیر افزایش 310 مترمکعبی بر توان عبوری رودخانه سیستان مشاهده گردید که یکی از دلایل تأثیر به نسبت کم(انتظار ما بیش از این بوده است) شیب ناچیز دشت سیستان و پخش شدن آب در بستر سیلابی و پس­زدگی آب در مسیر جریان رودخانه سیستان می­باشد.

واژه­های کلیدی: شبیه‌سازی هیدرولیکی،سامانه رودخانه، HEC-RAS.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 20, No.4, Winter 2019

 

 

 

 

 


Evaluating the performance of Sistan and Zahak diversion dams in Sistan River using HEC-RAS hydraulic model

                                                                                                                                                    

Meysam Amiri[5]*

Meysam.amiri@uoz.ac.ir

Mahdi Kaikha[6]

Farzad Hassanpour [7]

 

Admission Date: September 29, 2015

Data Received: December 26, 2014

 

Abstract

Background and Objective: Rivers are the main arteries of human life, thus control and proper exploitation of these surface resources require a proper understanding of their behavior and investment in the river improvement. By reviewing and evaluating the projects carried out in this area, their positive and negative aspects can be checked and the obtained results can be used to overcome the projects shortcomings, improve their efficiency and make the future projects more fruitful.

Method: Sistan River is the major border river between Iran and Afghanistan and Sistan life depends on it. The length of this river in Iran is about 70 Km. This study attempts to evaluate the performance of Sistan and Zahak diversion dam structures and the structures alongside the river using HEC-RAS hydraulic model.

Findings: The results show that these structures increase the maximum Sistan flood power transmission in the absence of these structures from 500 m3/s to 810 m3/s. Considering the importance of estimating Manning roughness coefficient with high precision for hydraulic calculation in the river engineering projects, the main river bed roughness coefficient for the main river and the flood plains of Sistan were estimated as 0.02 and 0.035, respectively.  It was also found that Discharge-Return period relation can be expressed as. Existence of diversion dam structures on the unpredictable rivers such as Sistan River may double the flood power transmission in some cases.

Discussion and Conclusion: In this study, the effect of 310 m3 per power transmission increse through Sistan River was observed. The reasons for the relatively low impact (the xpectation was more) are slight slope of Sistan plain, and water expansion on flood plain and back water in the direction of Sistan River flow.

Keywords: Hydraulics Simulation, River System, HEC-RAS.

 

مقدمه

 

سدهای انحرافی[8] یکی از سازه­های عظیم آبی محسوب می‌شوند که به منظور انحراف و انتقال آب رودخانه­ها با افزایش هد آب، برای مصارف شرب، کشاورزی و صنعت ساخته می­شوند. این سدها با تغییر در تراز بستر، عرض کانال و اندازه مصالح بستر و سواحل، بر هندسه هیدرولیکی رودخانه بالادست و پایین‌دست تأثیر می­گذارند (1).

بررسی خصوصیات جریان در یک بازه رودخانه‌ای نظیر عمق، سرعت و ضریب زبری در مسیر اصلی و کناره‌های رودخانه از نیازهای اساسی در طرح‌های مهندسی رودخانه است. با وجود این، نیاز حداقل به اطلاعات صحرایی، حجم محاسباتی اندک و درجه اعتماد کاربرد مدل‌های ریاضی در شرایط رودخانه‌های طبیعی موردنظر می‌باشد (2).

 مقاومت در برابر حرکت جریان آب در مجاری باز (رودخانه‌ها، کانال­ها) تحت تأثیر عوامل مختلفی ازجمله جنس مصالح بستر و بدنه، شکل مقطع و میزان نامنظمی آن، پوشش گیاهی، خم‌های رودخانه، شکل پلان مسیر مجرا و ... قرار دارد. این امر در هیدرولیک رودخانه اثر گذاشته و کلیه این عوامل در ضریب زبری نمایان می­گردد. ازجمله روابط مورد استفاده در تحلیل مقاومت جریان، رابطه مانینگ می‌باشد. تجربه نشان می‌دهد که حساسیت مدل‌های پیش‌بینی کننده مشخصات جریان در مجاری باز نسبت به ضریب مانینگ زیاد بوده و لذا انتخاب صحیح آن در پروژه‌های مهندسی رودخانه از اهمیت به سزایی برخوردار است.

ماینرلی[9] در سال 2006، مدل ارتفاع رودخانه را که مفهوم کلی آن استفاده از شبیه‌سازی هیدرولوژیکی برای ایجاد سطح آب رودخانه براساس خواص فیزیکی و هیدرولوژیکی از شبکه کانال داده است، برای حالت کلی در تحقیقی مورد بررسی قرارداد و اظهار کرد با فرض اطلاعات کافی در مورد کانال با انجام شبیه­سازی، ارتفاعات آب در طول کانال، به‌عنوان تابعی از میزان جریان تولید می­شود (3).

آندام[10] در سال 2003 در مقایسه رژیم رودخانه‌های جنگلی و خارج از جنگل با استفاده از مدل هیدرولیکی HEC-RAS و الحاقیه HEC-Geo-RAS تغییرات سرعت و عدد فرود را در این دو نوع رودخانه مورد بررسی قرارداد و تأثیر پوشش گیاهی بر رژیم و رفتار هیدرولیکی جریان را با این مدل مقایسه کرد و نتیجه گرفت که استفاده از مدل هیدرولیکی HEC-RAS می‌تواند مقادیر عددی مناسبی را جهت مطالعه رژیم و سایر خصوصیات هیدرولیکی جریان رودخانه در اختیار محققین قرار دهد (4).

جانسون[11] و همکارانش در سال 1999، به کمک مدل HEC-RAS در طول 10 کیلومتر از رودخانه ویومینگ گری بول[12] در آمریکا به تعیین حد اراضی مرطوب پرداختند. آن‌ها با استفاده از مدل مذکور پروفیل سطح آب رودخانه را شبیه‌سازی کردند. هم­چنین با انحراف آب برای یک مخزن جدید و تعیین شرایط مرزی با و بدون انحراف با مقیاس مشابه، پیش‌بینی کردند که کل مساحت زیر سیل در مواقع انحراف 28313 لیتر بر ثانیه از 2/167 به 7/149 هکتار کاهش یابد (5).

حسین روشان و همکاران در سال 1392، در تحقیقی با بررسی رفتار هیدرولیکی رودخانه بشار، استان کهگیلویه و بویراحمد به کمک مدل HEC-RAS به این نتیجه رسیدند که این مدل می‌تواند مقادیر عددی مناسبی را برای مطالعه خصوصیات هیدرولیکی جریان در رودخانه‌ها ارایه دهد و جهت پهنه‌بندی سیلاب با دقت بالا و هزینه اندک مورداستفاده قرار گیرد (6).

مینا سیفی زاده و همکاران در سال 1392، با استفاده از مدل‌های ریاضی (HEC-RAS)، تغییرات مورفولوژی رودخانه پلرود را در پایاب سد برای یک دوره کوتاه‌مدت پس از احداث سد، پیش‌بینی کردند. سپس نتایج آن باحالت عدم وجود سد مقایسه شد. نتایج نشان داد که در حالت وجود سد، فرسایش بیشتری در رودخانه ایجاد می‌شود (7).

حاجی قلی زاده در سال 1383 به بررسی نقش دخالت‌های انسانی بر رفتار سیل در بخشی از رودخانه کن تهران با استفاده از نرم‌افزار هیدرولیکی HEC-RAS پرداخت و نقش دخالت‌های انسانی شامل پل‌ها، آب­گذرها، آب‌شکن‌ها و احداث پارک ارم را در طول بازه‌ای به طول 7 کیلومتر در دوره بازگشت‌های متفاوت بررسی کردند. نتایج پژوهش وی حاکی از تأثیر متفاوت هر یک از دخالت‌های مذکور بر عمق و سطح سیل گیری بوده و تعیین دوره بازگشت بهینه برای هریک از سازه‌ها در بازه مورد نظر مشخص نمود که آب گذرها و شیب شکن‌ها به ترتیب، بیشترین و کمترین تأثیر را در عمق و سطح سیل گیری دارند (8).

بیاتی خطیبی در سال 1387، به بررسی نحوه­ی تأثیر سد سهند بر تغییرات مورفولوژی بستر جریان رودخانه قرن قو، بر ویژگی­های فرسایشی و رسوب­زایی آن پرداخته و تغییرات عمده‌ای را در مقطع عرضی، طولی بستر جریان و ... مشاهده کرد (9).

نتایج مطالعات گذشته نشان می‌دهد که نرم‌افزار HEC-RAS می‌تواند به‌عنوان یک نرم‌افزار مرسوم در شبیه‌سازی رودخانه مورد استفاده قرار گیرد و با توجه به ضریب تغییرات زیاد دبی جریان در رودخانه سیستان و عدم بررسی کامل و جامع نحوی عملکرد سازه­های موجود در مسیر این رودخانه، انجام این تحقیق ضروری به نظر می‌رسد.

در این تحقیق تأثیر سدهای انحرافی سیستان و زهک بر عملکرد رودخانه سیستان در یک بازه 70 کیلومتری در شرایط حاضر توسط نرم‌افزار HEC-RAS شبیه‌سازی شد و درنهایت سناریوهای مختلفی جهت ارزیابی عملکرد چون حداکثر توان عبوری رودخانه سیستان در شرایط وجود و عدم وجود سازه­های انحرافی سد سیستان و زهک، عملکرد سیلبر زهک-نیاتک و عملکرد سازه‌های جانبی (کانال‌های طاهری، شهر، شیب آب و پشت آب) در دبی متوسط رودخانه سیستان مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفتند.

مواد و روش­ها

موقعیت جغرافیایی دشت سیستان

رودخانه سیستان با آب­دهی متوسط سالیانه 6/2 میلیارد مترمکعب و نوسانات بسیار زیاد از هیرمند منشعب شده و بعد از آبیاری دشت سیستان به هامون هیرمند تخلیه می­شود. طول رودخانه سیستان به حدود 70 کیلومتر می­رسد که ارتفاع ابتدای آن 492 متر و ارتفاع انتهای آن در پایین­ترین نقطه 473 متر از سطح دریا می­باشد.

 

 

جدول 1- مشخصات سازه­های موجود در مسیر رودخانه سیستان (به ترتیب قرارگیری در مسیر)

Table1- Specifications structures in in the way of Sistan River (by position on track)

نوع سازه

توضیحات

سیلبر زهک-نیاتک

حدود 4/2 کیلومتر بالادست سد زهک و در ساحل راست رودخانه سیستان، طول 105 متر و ارتفاع 2 متر، چهار دهانه 25/5 متری، حداکثر توان عبوری 590 مترمکعب بر ثانیه

سد انحرافی زهک

17 کیلومتر بعد از ورود به مرز، طول آن 4/53 متر و دارای هشت دریچه به ابعاد 8/3 × 8/5 متر می­باشد

کانال طاهری

از ساحل چپ بالادست سد زهک، با سه دریچه به ابعاد 8/2 × 5/2 متر، ظرفیت ورودی 30 مترمکعب بر ثانیه.

کانال شهر

از ساحل راست بالادست سد زهک با سه دریچه به ابعاد 5/2 × 1/3 متر، ظرفیت ورودی 30 مترمکعب بر ثانیه

سد انحرافی سیستان

به فاصله 17 کیلومتر بعد از سد به طول 154 متر با 6 دریچه به ابعاد 2/3 × 24 متر زهک احداث گردیده است.

کانال شیب آب

در ساحل چپ رودخانه سیستان از سراب سد سیستان منشعب شده و طول آن تقریباً 19 کیلومتر با سه دریچه 2/2 × 6 و ظرفیت ورودی 30 مترمکعب بر ثانیه می باشد.

کانال پشت آب

در ساحل راست رودخانه سیستان از سراب سد سیستان منشعب و به طول تقریبی 25 کیلومتر طراحی گردیده است، سه دریچه 2/2 × 6، ظرفیت ورودی 30 مترمکعب بر ثانیه

 

 

شکل 1- موقعیت رودخانه سیستان و تقسیم‌بندی بازه­های مطالعاتی

Figure 1- Location of Sistan River and classification study area

 


محاسبه پروفیل سطح آب

 

در این تحقیق برای تحلیل هیدرولیک جریان از مدل ریاضی HEC-RASکهنسخه تکمیل‌شده HEC-2می­باشداستفاده ‌شده است. این مدل قادر به شبیه­سازی جریان­های یک­بعدی دایمی و غیردایمی بوده و به ‌خوبی می­تواند سازه­های عرضی نظیر سدهای انحرافی، آبگیرها و پل­ها را مدل کند و دارای قابلیت­های مختلف و توانایی گرافیکی در مورد شبیه­سازی پدیده­های رودخانه­ای است و در طرح­های مهندسی رودخانه مانند پهنه­بندی سیل، تهیه پروفیل سطح آب با توجه به شرایط رودخانه، بررسی وضعیت و مشخصات جریان استفاده می­شود. در این تحقیق شبیه­سازی جریان به‌صورت دایمی و در دبی‌های مختلف با استفاده از مدل HEC-RAS انجام می­شود. معادله انرژی در مدل HEC-RASبه روش گام‌به‌گام استاندارد پروفیل سطح آب را محاسبه می­کند (10).

روش محاسبه پروفیل سطح آب در مدل هیدرولیکی از یک مقطع به مقطع بعدی در شرایط جریان دایمی از طریق حل معادله انرژی به روش گام‌به‌گام استاندارد می‌باشد (شکل 2). معادله انرژی یا معادله ساده برنولی عبارت است از (10):

 

 

شکل 2- پروفیل سطح آب در معادله برنولی

Figure 2- Profiles water level in Bernoulli's Equation

 

 

(1)

 

که در آن  (افت ناشی از اصطکاک) مجموع دو افت طولی () و افت موضعی () می‌باشد.

(2)

 

مقدار را می‌توان با استفاده از رابطه زیر به­دست آورد.

(3)

 

=میانگین وزنی طول کانال است.

(4)

 
 

=

طول جریان بین مقاطع به ترتیب در ساحل راست، کانال اصلی و ساحل چپ.

 

=

میانگین دبی جریان بین مقاطع به ترتیب در ساحل راست، کانال اصلی و ساحل چپ.

 

=

شیب‌خط انرژی بین دو مقطع که با استفاده از رابطه مانینگ قابل‌محاسبه می‌باشد.

(5)

 

با محاسبه شیب‌خط انرژی در دو مقطع مجاور می‌توان به روش­های زیر میانگین شیب‌خط انرژی را به­دست آورد:

 میانگین حسابی شیب

(6)

 

میانگین هندسی شیب

(7)

 

میانگین ضریب انتقالی

(8)

 

که K ضریب انتقال مقطع است و مقدار آن در سیستم انگلیسی:

و در سیستم متریک:

(9)

 

 در برآورد  (افت موضعی) روش منطقی مشخصی وجود ندارد ولی معمولاً مقدار آن به‌صورت زیر محاسبه می­گردد:

(10)

 

که مقدار  از جدول زیر محاسبه می‌شود (جدول 2):

 

جدول 2- مقادیر  برای افت موضعی

Table 2-The values for

انقباض

انبساط

وضعیت تبدیل

0

0

کانال منشوری (بدون تبدیل)

1/0

3/0

تبدیل تدریجی

6/0

8/0

تبدیل ناگهانی

 

روش مناسب دیگر در برآورد مقدار (افت موضعی) به­منظور نمودن آن در افت طولی و افزایش دادن درصد ناچیزی به مقدار ضریب زبری مانینگ می‌باشد. این روش محاسبه را نیز ساده می‌کند.

اگر  را به‌عنوان تراز سطح آب نسبت به سطح‌مبنا نمایش دهیم:

(11)

 

روش میانگین ضریب انتقال HEC-RAS پیش‌فرض روش محاسبه میانگین شیب اصطکاکی در نرم­افزار می­باشد که کاربر می­تواند به‌دلخواه روش محاسباتی را تغییر دهد. لازم به ذکر است که این نرم‌افزار قادر است بر اساس رژیم جریان و نوع پروفیل سطح آب، روش مناسب محاسبه میانگین شیب‌خط انرژی را انتخاب نماید.

برآورد دبی سیلاب

تجزیه‌وتحلیل داده‌های هیدرولوژی بدون وارد شدن به محاسبات احتمالی امکان‌پذیر نیست، یکی از واژه‌هایی که در آمار و احتمالات زیاد استعمال می‌شود، فراوانی با تعداد دفعاتی است که یک پارامتر مشخص در مدت زمان معین می­اتفاق افتد. برای محاسبه‌ی دبی حداکثر سیلابی با توجه به داشتن دبی حداکثر سالانه به کمک فرمول تحلیل فراوانی وقوع و دوره بازگشت می‌توان فرمول حداکثر دبی را برای دوره بازگشت‌های مختلف برازش داد.

برای این عمل چنان­چه آمار یک مدت مشخص بدون توجه به سال وقوع به ترتیب صعودی ردیف شود، احتمال وقوع هر یک را می‌توان از فرمول زیر محاسبه کرد (ویبول weibull).

(12)

 

P

=

احتمال وقوع

m

=

شماره ردیف (شماره‌ای که بعد از مرتب کردن داده‌ها به‌صورت صعودی به آن‌ها اختصاص داده می‌شود)

n

=

تعداد کل داده (سال)

       

در هیدرولوژی غالباً به‌جای کلمه احتمال از واژه دوره بازگشت (Return Period) نیز استفاده می‌شود. دوره‌ی بازگشت عکس احتمال است و آن تعداد سال‌هایی است که به‌طور متوسط بین وقوع در حادثه مشابه وجود دارد. اگر دوره بازگشت T (سال) و احتمال وقوع P باشد، رابطه آن برابر است با:

(13)

 

واسنجی مدل (کالیبراسیون)

به‌منظور واسنجی ارتفاع سطح آب محاسبه‌شده توسط مدل HEC-RAS از ارتفاع سطح آب اندازه­گیری شده در ایستگاه هیدرومتری پایاب کهک از سال آبی 1368-1391 استفاده گردید. هم­چنین جهت این کار به سد کهک رفته و مقطع عرضی ایستگاه هیدرومتری سد کهک نقشه‌برداری شد و ارتفاع سطح آب اندازه‌گیری و به مدل وارد گردید (شکل 3).


 


 

شکل 3- سد انحرافی کهک-محل کالیبراسیون

Figure 3- Kohak diversion dam- calibration location


ارزیابی مدل

 

بهترین مدل، مدلی است که کمترین اختلاف با واقعیت را داشته باشد. معیارهای ارزیابی استفاده‌شده در این مطالعه RMSE  می‌باشد.

: RMSE مجذور میانگین مربع خطا است و به‌صورت معادله زیر محاسبه شود:

(14)

 
 

=

مقدار خروجی از مدل در نقطه i ام.

 

 

=

مقدار مشاهده‌شده در نقطه i ام.

 

 

=

تعداد کل داده‌ها.

 

         

نتایج

برآورد دبی سیلاب با دوره بازگشت مختلف رودخانه سیستان

در راستای تعیین سیلاب با دوره بازگشت‌های متفاوت، با توجه به وقوع سیلاب‌های متعدد در رودخانه سیستان از روش تحلیل فراوانی وقایع استفاده شد. این روش در هیدرولوژی برای به­دست آوردن احتمال وقوع یک حادثه مانند حداکثر لحظه‌ای سیلاب و امثال آن به کار می‌رود. بر این اساس تعیین سیلاب طراحی با دبی‌های موجود از سال 1337 تا 1390 به مدت 53 سال با استفاده از فرمول ویبول انجام شد (جدول 3).

 

 

 

جدول 3- دبی حداکثر لحظه­ای در سال­های آماری 1337-1390

Table 3-Maximum discharge (1958-2011)

دبی

(مترمکعب بر ثانیه)

دوره

(سال)

احتمال

ردیف

سال آبی

دبی

(مترمکعب بر ثانیه)

دوره

 (سال)

احتمال

ردیف

سال آبی

349/6

2/57

39/0

21

64-65

446/5

3/37

29/0

16

37-38

107/3

1/25

79/0

43

65-66

299

2/25

45/0

24

38-39

171/1

1/46

68/0

37

66-67

624

4/91

25/0

11

39-40

922

18

56/0

3

67-68

102

1/23

815/0

44

40-41

596/7

4/5

22/0

12

68-69

203

1/69

59/0

32

41-42

1198/6

54

02/0

1

69-70

689

6/75

15/0

8

42-43

404/5

3/18

31/0

17

70-71

823/5

1/8

09/0

5

43-44

314/82

2/35

42/0

23

71-72

146

1/32

76/0

41

44-45

915/55

1/17

85/0

46

72-73

896

13/5

07/0

4

45-46

259/631

86/1

54/0

29

73-74

370

2/84

35/0

19

46-47

352

2/7

27/0

20

74-75

534/5

3/86

26/0

14

47-48

171

42/1

7/0

38

75-76

320.2

2/45

4/0

22

48-49

387

3

33/0

18

76-77

28/1

1/1

91/0

49

49-50

168

38/1

72/0

39

77-78

490

3/6

28/0

15

50-51

255

6/1

94/0

51

78-79

163/9

1/35

74/0

40

51-52

17.2

1/4

96/0

52

79-80

174/9

1/5

67/0

36

52-53

0

1/2

98/0

53

80-81

294

2/16

46/0

25

53-54

201/7

1/64

61/0

33

81-82

795

9

11/0

6

54-55

32/42

1/12

89/0

48

82-83

200

1/58

63/0

34

55-56

7/273

1/93

52/0

28

83-84

294

2/7

48/0

26

56-57

709/39

1/15

87/0

47

84-85

185

1/54

65/0

35

57-58

576.1

4/15

24/0

13

85-86

729

7/71

13/0

7

58-59

132.4

1/28

78/0

42

86-87

625

5/4

18/0

10

59-60

240/79

8/1

56/0

30

87-88

976

27

04/0

2

60-61

209

74/1

57/0

31

88-89

688

6

17/0

9

61-62

280

2

5/0

27

89-90

71/4

1/2

83/0

45

62-63

 

 

 

 

 

24/1

1/8

93/0

50

63-64

 

شکل 4-نموداردبی- دوره بازگشت رودخانه سیستان

Figure 4- Discharge-Return period of Sistan River

 

 

با توجه به شکل (4) بهترین رابطه دبی-دوره بازگشت به‌صورت زیر می‌باشد:

 

 

=

دبی (مترمکعب بر ثانیه)

 

=

دوره بازگشت (سال)

نتایج واسنجی مدل (کالیبراسیون)

برای واسنجی مدل ابتدا به کمک داده‌های دبی-اشل 20 سال اخیر رودخانه سیستان (جدول 4) رابطه آن محاسبه گردید که وجود 855/0R2=، نشان‌دهنده دقت لازمه این رابطه می‌باشد (شکل 5). سپس با انجام عملیات نقشه‌برداری در محل سد کهک، سطح مقطع پایین‌دست این سد با دقت بالایی به‌عنوان مقطع کنترل به مدل داده و عملیات واسنجی انجام گردید.

 

 

جدول 4- اشلسطحآبدردبی‌هایمختلفرودخانه

Table 4-water level in Different discharge river

سال

دبی

(مترمکعب بر ثانیه)

اشل

(سانتی­متر)

69-68

596

321

71-70

404

263

72-71

314

258

84-83

273

208

86-85

325

222

87-86

488

267

88-87

366

273

90-89

429

259

91

149

174

­

شکل 5- رگرسیون دبی- اشل

Figure 5- Discharge-stage regression

 


صحت سنجی مدل

 

به‌منظور صحت سنجی مدل کالیبره شده، خروجی‌های مدل با واقعیت مقایسه‌گردید. مقادیر نسبت انحراف (نسبت انحراف برابر است با نسبت عمق محاسباتی به عمق مشاهداتی، که هر چه به عدد 1 نزدیک­تر باشد نشان­دهنده­ی واسنجی مناسب می­باشد) و RMSE محاسبه گردید (جدول 5).

 

 

جدول 5- صحت سنجی مدل

Table 5-Validation of the model

سال

دبی

(مترمکعب بر ثانیه)

عمق

(سانتی­متر)

عمق مدل HEC-RAS(سانتی­متر)

نسبت انحراف

69-68

596

321

335

0436/1

71-70

404

263

285

0836/1

72-71

314

258

260

0077/1

84-83

273

208

220

057/1

86-85

325

222

235

058/1

86-87

488

267

280

048/1

88-87

366

273

284

040/1

90-89

429

259

265

023/1

91

149

174

190

091/1

 

 

مقدار خطای RMSE برابر 24/13 سانتی­متر و میانگین نسبت انحراف 050/1 به­دست آمده که نشان‌دهنده‌ی دقت مناسب کالیبراسیون می­باشد.

هم­چنین در پایان انجام واسنجی بهترین ضریب زبری مانینگ برای کانال اصلی 02/0 و برای سیلاب دشت­ها 035/0 در مدل به دست آمد.

تعیین ماکزیمم جریان رودخانه سیستان در شرایط عدم
وجود سدهای انحرافی زهک و سیستان

به‌منظور بررسی عملکرد سازه‌های سد انحرافی سیستان و زهک در کنترل سیلاب این رودخانه در مرحله اول این تحقیق، با در نظر گرفتن عدم وجود این سازه‌ها، جریان رودخانه در مدل HEC-RAS شبیه‌سازی شد و ماکزیمم توان عبوری در این حالت برابر با 500 مترمکعب بر ثانیه برآورد گردید (جدول 6).


 

شکل 6- موقعیتشاخه­هایفرعیونقاطجهتمحاسباتدبیسیلابی

Figure 6- Location of secondary branches and the points to computing flood discharge

 

 

  • در این حالت فرض بر این است که آب از هیچ‌یک از مقاطع
    عرضی خارج و وارد سیلاب‌دشت نشده است (شکل 7).

 

 

 

شکل 7- پروفیل سطح آب در دبی 500 مترمکعب بر ثانیه در شرایط عدم وجود سد انحرافی سیستان و زهک

Figure 7- Water Surface Profile in 500 m/s3 Without Sistan and Zehak diversion dam

جدول 6- خروجی HEC-RAS در دبی 500 مترمکعب بر ثانیه در شرایط عدم وجود سدهای انحرافی زهک و سیستان

Table 6- HEC-RAS Output in 500 m/s3 Without Sistan and Zehak diversion dam

Reach

River Sta

Q Total

Min Ch Elev

W.S. Elev

E.G. Elev

Froude

(m3/s)

(m)

(m)

(m)

بالادست کهک

R1

500

2/489

75/492

81/492

25/0

کهک

R2

44/193

15/489

38/492

42/492

16/0

کهک

R3

Inl Struct

 

 

 

 

کهک

R4

44/193

15/489

36/492

4/492

23/0

کافردم

R5

56/306

23/489

44/492

5/492

21/0

ادامه کهک

R6

500

93/488

15/492

32/492

42/0

نباتک

R7

23/161

7/485

6/487

63/487

18/0

نباتک

R8

Inl Struct

 

 

 

 

نباتک

R10

23/161

7/485

56/487

59/487

19/0

نباتک

R9

23/152

7/485

38/487

45/487

32/0

سیستان

R13

77/338

4/484

63/487

65/487

14/0

سیستان

R11

Lat Struct

 

 

 

 

سیستان

R12

Lat Struct

 

 

 

 

سیستان

R16

15/301

484

73/486

78/486

22/0

سیستان

R14

Lat Struct

 

 

 

 

سیستان

R15

Lat Struct

 

 

 

 

سیستان

R17

43/224

21/477

38/480

39/480

07/0

سیستان

R18

Bridge

 

 

 

 

سیستان

R19-22

43/224

64/475

75/478

8/478

28/0

 

 

با قرار دادن نرم‌افزار در حالت بهینه‌سازی جریان مشاهده می‌شود که دبی ورودی به شاخه کافردم (56/306 مترمکعب بر ثانیه) بیشتر از دبی ورودی به شاخه کهک (94/193 مترمکعب بر ثانیه) بوده است که می‌توان علت آن را خارج کردن سد کهک از مسیر جریان و هدایت آب به سمت کافردم یا لایروبی‌های اخیر در کف شاخه کافردم دانست.

سیلبر نیاتک جهت کنترل سیل در بالادست سد انحرافی زهک احداث شده است. مشاهده شد که این سازه در دبی 500 مترمکعب بر ثانیه توانایی خروج دبی 23/161 مترمکعب بر ثانیه را دارد. در ادامه دبی 55/18 مترمکعب بر ثانیه از هر کدام از کانال طاهر و کانال شهر خارج می‌شود. کانال‌های شیب آب و پشت آب که در بالادست سد انحرافی سیستان قرار دارند هر کدام به ترتیب در دبی 500 مترمکعب بر ثانیه دارای دبی 7/38 و 15/37 مترمکعب بر ثانیه می­باشد (جدول 7).

 

 

 

جدول7-خروجیHEC-RAS در دبی 500 مترمکعب بر ثانیه درآبگیرهای جانبی در شرایط عدم وجود سد سیستان و زهک

Table 7-HEC-RAS Output in 500 m/s3 on Lateral with Sistan and Zehak diversion dam

آبگیرهای جانبی

 

Reach

River Sta

Q US

(m3/s)

Q Gates

(m3/s)

کانال طاهری

Main

R11

77/338

55/18

کانال شهر

Main

R12

77/338

55/18

کانال شیب آب

Main

R14

15/301

15/37

کانال پشت آب

Main

R15

15/301

7/38

 


تعیین ماکزیمم جریان رودخانه سیستان در شرایط حداکثر توان عبوری سدهای انحرافی زهک و سیستان

در مرحله دوم برای مشاهده عملکرد سازه‌های سد انحرافی سیستان و زهک، پروفیل سطح آب رودخانه با شرایط وجود این سازه‌ها در مدل HEC-RAS شبیه‌سازی شد.

در این سناریو فرض بر این است:

  • آب از هیچ‌کدام از مقاطع عرضی رودخانه خارج نمی­شود (وارد سیلاب‌دشت نمی‌شود).
  • سازه­های سد انحرافی زهک و سیستان در حداکثر توان عبور خود قرار دارند (باز بودن تمام دریچه­های این سازه‌ها).

در شکل (8) پروفیل سطح آب به‌خوبی شاهد تأثیر سد انحرافی زهک برافزایش ارتفاع سطح آب در پشت آن و در پی آن افزایش دبی سیلبر نیاتک از 23/161 به 21/373 مترمکعب بر ثانیه نسبت به حالت عدم وجود سد انحرافی سیستان می‌باشیم که این خود توان عبوری رودخانه سیستان را بالا می­برد.

 

 

 

شکل8- پروفیل سطح آب با دبی 810 مترمکعب بر ثانیه در آبگیرهای جانبی در شرایط وجود سد سیستان و زهک

Figure 8- Water Surface Profile in 810 m/s3 on Lateral with Sistan and Zehak diversion dam

 

 

دبی محاسبه در این سناریو 810 مترمکعب بر ثانیه است که دارای دوره بازگشت 9 ساله می‌باشد (جدول 8).

 

 

جدول 8- خروجیHEC-RAS در دبی 810 مترمکعب بر ثانیه در شرایط حداکثر توان عبوری سد انحرافی سیستان و زهک

Table 8- HEC-RAS Output in 810 m/s3 on flow capacity maximum Sistan and Zehak diversion dam

رودخانه

بازه

Q Total

Min Ch El

W.S. Elev

E.G. Elev

Froude

(m3/s)

(m)

(m)

(m)

 

بالادست کهک

R1

810

2/489

5/493

56/493

223/0

کهک

R2

79/307

5/489

2/493

34/493

3/0

کهک

R3

Inl Struct

 

 

 

 

کهک

R4

79/307

15/489

17/493

23/493

22/0

کافردم

R5

21/502

23/489

25/493

34/493

23/0

ادامه کهک

R6

810

93/488

91/492

14/493

42/0

نیاتک

R7

64/373

7/485

54/488

62/488

23/0

نیاتک

R8

Inl Struct

 

 

 

 

نیاتک

R10

64/373

7/485

48/488

56/488

24/0

نیاتک

R9

64/364

7/485

22/488

37/488

38/0

سیستان

R11

Lat Struct

 

 

 

 

سیستان

R12

Lat Struct

 

 

 

 

سیستان

R16

01/331

484

12/488

14/488

12/0

سیستان

R14-a

Inl Struct

 

 

 

 

سیستان

R16

01/331

82/483

44/486

03/487

82/0

سیستان

R14

Lat Struct

 

 

 

 

سیستان

R15

Lat Struct

 

 

 

 

سیستان

R17

61/245

21/477

69/480

7/480

07/0

سیستان

R16-a

Inl Struct

 

 

 

 

سیستان

R19

61/245

21/477

66/480

69/480

17/0

سیستان

R18

Bridge

 

 

 

 

سیستان

R20-22

61/245

64/475

89/478

94/478

27/0

R14-a و R16-a به ترتیب سدهای زهک و سیستان می باشند.

 

 

سیلبر نیاتک در دبی 810 مترمکعب بر ثانیه، دبی 21/373 مترمکعب بر ثانیه از سیلاب را از خود عبور می‌دهد که با توجه به توان عبوری این سازه عملکردش در دبی 810 مترمکعب بر ثانیه در حالت ایده­آل­ قرار دارد.

با توجه به حجم آب ورودی به سازه­های سد انحرافی سیستان و زهک و خروجی دریچه­های این سازه­ها می­توان گفت که عملکرد همه سازه‌ها در شرایط ایده­آل بوده است (جدول 9 و 10).

 

جدول 9-خروجی HEC-RAS در دبی 810 مترمکعب بر ثانیه در سازه‌ها در شرایط وجود سدهای انحرافی سیستان و زهک

Table 9- HEC-RAS Output in 810 m/s3 With Sistan and Zehak diversion dam

رودخانه

بازه

E.G. Elev

W.S. Elev

Q Total

Q Gates

(m)

(m)

(m3/s)

(m3/s)

کهک

R3

26/493

2/493

79/307

79/307

نیاتک

R8

62/488

54/488

64/373

21/373

زهک

R14-a

14/488

06/488

01/331

01/331

سیستان

R16-a

7/480

69/480

61/245

61/245

 

 

جدول 10- خروجی HEC-RAS در دبی 810 مترمکعب بر ثانیه در آبگیرهای جانبی در شرایط وجود سد سیستان و زهک

Table 10- HEC-RAS Output in 810 m/s3 on Lateral with Sistan and Zehak diversion dam

موقعیت

باره

River Sta

Q US

Q Gates

(m3/s)

(m3/s)

کانال طاهری

R11

36/436

01/331

11/52

کانال شهر

R12

36/436

01/331

11/52

کانال شیب آب

R14

01/331

61/245

9/41

کانال پشت آب

R15

01/331

61/245

64/43

 


نتیجه‌گیری

 

  • بهترین رابطه برازش داده شده توسط داده‌های 50 ساله رودخانه سیستان برای دبی-دوره بازگشت به‌صورت زیر به­دست آمد (که در آن Q دبی برحسب مترمکعب بر ثانیه و T دوره بازگشت برحسب سال می‌باشد)

 

  • ماکزیمم جریان رودخانه سیستان (توان عبوری) در شرایط عدم وجود سدهای انحرافی زهک و سیستان 500 مترمکعب بر ثانیه است که دارای دوره بازگشت 8/3 ساله می‌باشد.
  • هم­چنین ماکزیمم جریان رودخانه سیستان در شرایط حداکثر توان عبوری سدهای انحرافی زهک و سیستان 810 مترمکعب بر ثانیه می‌باشد که دارای دوره بازگشت 9 ساله می‌باشد. این امر نشان‌دهنده تأثیر و افزایش توان عبوری این رودخانه به‌اندازه 310 مترمکعب بر ثانیه در حالت عدم وجود این سازه‌ها می­باشد.
  • با توجه به اهمیت ویژه در مورد پارامترهای هیدرولیکی در محاسبات مهندسی رودخانه، داشتن اطلاعات دقیق در این زمینه کمک بزرگی به مدیریت هرچه بهتر این موضوع به ما خواهد کرد. ازاین‌رو با انجام محاسبات بهترین ضریب زبری مانینگ برای بستر اصلی رودخانه سیستان 02/0 و برای سیلاب دشت­ها 035/0 به دست آمد.

منابع

1-     Yasi, M., 2008. Assessment of Nazlou bridge construction by using Water breakers in the physical model of Nazlou River. 6th Iranian Hydraulic Conerence. Shahrekord University, Iran. (Persian).

2-     Beygi, B. and Yasi, M., 2008. Comparison of flow properties in the physical model of Nazlou River under the conditions of organization with simulation results from mathematical models HEC-RAS and BRI-STARS. 12th National Conference on Irrigation and Evaporation Reduction. Shahid Bahonar University of Kerman. Iran. (Persian).

3-     Minnerly, B., 2006. River elevation modeling. An integrated HEC-RAS ArcGIS approach, Final project: CE 547.

4-     Andam, K.S.,  2003. Comparing physical habitat condition in forest and non-forested streams. Msc Thesis, University of Vermont, USA, 136 pp.

5-     Johnson, GD., Strickland, M.D., Buyok., J.P and Derby., C.E., 1999. Quantifying impacts to Riparian Wetlands Associated with Reduced Flows along the Greybull River, Wyoming. Wetlands Journal. Vol. 19, pp.71-77.

6-     Roshun, H., Vahabzadeh, Gh., Solaimani, K. and Farhadi, R., 2013. Simulation of River Hydraulics Behavior Using HEC-RAS Model in GIS Environment (Case Study: Beshar River, Kohgiloyeh and Boyerahmad Province). Journal of Watershed Management Research. Vol. 4, pp. 70-84. (Persian).

7-     Safizadeh, M., Emadi, A. and Fazlavali, R., 2013. Polerood river morphological variations in the downstream of dam, pre and post dam construction in short term scale. The Iranian Society of Irrigation & Water Engineering. Vol. 12, pp. 5970.  (Persian).

8-     Sadeghi, S.H.R., HajiGholizadeh, M. and Vafakhaf, M., 2006. Journal of Agricultural Sciences and Natural Resources. Effects of groins and drops on flood depth and extension (Case study: Tehran Kan river). Vol. 13, pp. 109-113.  (Persian).

9-     Bayati, M., 2009. Investigating the Effect of Sahand Dam on Morphological Change of the Fluvial Basin of the Khoranqo River on the Characteristics of Erosion and Its Sedimentation. Case Study; Khorandukhay Basin, Eastern Sahand Mountains (Northwest of Iran). Geography and Development Iranian Journal. Vol. 11, pp. 199-220. (Persian).

10-  Hosseini, S.M and Abrishami, J., 2014. Open channel hydraulics. (Persian).

11-  U. S. Army Corps of Engineers., 1986. HEC-RAS River Analysis System. Hydrologic Engineerin Center. User's Manual.

 

 

 

 



1- مربی گروه پژوهشی پژوهشکده تالاب بین المللی هامون، دانشگاه زابل، زابل، ایران. *(مسوول مکاتبات)

2- مربی گروه پژوهشی پژوهشکده تالاب بین المللی هامون، دانشگاه زابل، زابل، ایران.

3- دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه زابل، زابل، ایران.

4- Manning

1- Instructor, Hamoun International Wetland Research Institute, Department of Water Resources, University of Zabol, Zabol, Iran. * (Corresponding Author)

2- Instructor, Hamoun International Wetland Research Institute, Department of Water Resources, University of Zabol, Zabol, Iran.

3-Associate Professor, Department of Water and soil, Faculty of Water Engineering, University of Zabol, Zabol, Iran.

1- Diversion dams

2- Minnerly

3- Andam

4- Johnson

5- Wyoming, Grey bull

1-     Yasi, M., 2008. Assessment of Nazlou bridge construction by using Water breakers in the physical model of Nazlou River. 6th Iranian Hydraulic Conerence. Shahrekord University, Iran. (Persian).

2-     Beygi, B. and Yasi, M., 2008. Comparison of flow properties in the physical model of Nazlou River under the conditions of organization with simulation results from mathematical models HEC-RAS and BRI-STARS. 12th National Conference on Irrigation and Evaporation Reduction. Shahid Bahonar University of Kerman. Iran. (Persian).

3-     Minnerly, B., 2006. River elevation modeling. An integrated HEC-RAS ArcGIS approach, Final project: CE 547.

4-     Andam, K.S.,  2003. Comparing physical habitat condition in forest and non-forested streams. Msc Thesis, University of Vermont, USA, 136 pp.

5-     Johnson, GD., Strickland, M.D., Buyok., J.P and Derby., C.E., 1999. Quantifying impacts to Riparian Wetlands Associated with Reduced Flows along the Greybull River, Wyoming. Wetlands Journal. Vol. 19, pp.71-77.

6-     Roshun, H., Vahabzadeh, Gh., Solaimani, K. and Farhadi, R., 2013. Simulation of River Hydraulics Behavior Using HEC-RAS Model in GIS Environment (Case Study: Beshar River, Kohgiloyeh and Boyerahmad Province). Journal of Watershed Management Research. Vol. 4, pp. 70-84. (Persian).

7-     Safizadeh, M., Emadi, A. and Fazlavali, R., 2013. Polerood river morphological variations in the downstream of dam, pre and post dam construction in short term scale. The Iranian Society of Irrigation & Water Engineering. Vol. 12, pp. 5970.  (Persian).

8-     Sadeghi, S.H.R., HajiGholizadeh, M. and Vafakhaf, M., 2006. Journal of Agricultural Sciences and Natural Resources. Effects of groins and drops on flood depth and extension (Case study: Tehran Kan river). Vol. 13, pp. 109-113.  (Persian).

9-     Bayati, M., 2009. Investigating the Effect of Sahand Dam on Morphological Change of the Fluvial Basin of the Khoranqo River on the Characteristics of Erosion and Its Sedimentation. Case Study; Khorandukhay Basin, Eastern Sahand Mountains (Northwest of Iran). Geography and Development Iranian Journal. Vol. 11, pp. 199-220. (Persian).

10-  Hosseini, S.M and Abrishami, J., 2014. Open channel hydraulics. (Persian).

11-  U. S. Army Corps of Engineers., 1986. HEC-RAS River Analysis System. Hydrologic Engineerin Center. User's Manual.