روح انگیز اختری؛ حمیدرضا حاجی پور؛ مجتبی صانعی؛ محمدرضا غریب رضا
چکیده
مقدمه
سیلابهای فصلی در مناطق کوهستانی ایران ازجمله چالشهای اساسی در مدیریت منابع آب و حفاظت از سکونتگاههای روستایی محسوب میشوند. این مطالعه به بررسی اثربخشی سازههای آبخیزداری در کنترل سیلابهای فصلی در حوزه آبخیز سیجان واقع در استان البرز میپردازد. انتخاب این منطقه بهدلایل متعددی ازجمله حوزه آبخیز سیجان ...
بیشتر
مقدمه
سیلابهای فصلی در مناطق کوهستانی ایران ازجمله چالشهای اساسی در مدیریت منابع آب و حفاظت از سکونتگاههای روستایی محسوب میشوند. این مطالعه به بررسی اثربخشی سازههای آبخیزداری در کنترل سیلابهای فصلی در حوزه آبخیز سیجان واقع در استان البرز میپردازد. انتخاب این منطقه بهدلایل متعددی ازجمله حوزه آبخیز سیجان بهدلیل پتانسیل بالای سیلخیزی، سابقه وقوع سیلابهای واریزهای مخرب (ازجمله سیلاب سال ۱۳۹۴) و اهمیت گردشگری روستا بهعنوان منطقه مطالعه انتخاب شد. در سال 1397، سازمان جنگلها، مراتع و آبخیزداری کشور با هدف کاهش ریسک سیلابهای واریزهای، اقدام به اجرای عملیات آبخیزداری در این منطقه نمود که شامل احداث یک بند سنگی ملاتی و چهار بند گابیونی در مسیل اصلی مشرف به روستا بود. این پژوهش با هدف شبیهسازی سیلاب واریزهای تاریخی و ارزیابی عملکرد سازههای مذکور در تعدیل ویژگیهای هیدروگراف سیلاب طراحی شده است. با توجه به ماهیت فصلی جریان رودخانه و کمبود دادههای هیدرومتری، از روش مدلسازی فیزیکی (مدل کوچک مقیاس مسیل سیجان) بهعنوان ابزار اصلی تحقیق استفاده شد. پژوهش حاضر به ارائه نتایج مرحلهی اول این مطالعه که شامل تحلیل کمی تأثیر سازهها بر پارامترهای هیدروگراف سیلاب روانابی (جریان آب بدون رسوب) است، اختصاص یافته است.
مواد و روشها
این پژوهش با استفاده از مدلسازی فیزیکی مستقیم یک آبراهه مجهز به بندهای اصلاحی به بررسی تأثیر این سازهها بر کاهش دبی اوج سیلاب و افزایش زمان تأخیر در رسیدن به پیک جریان پرداخته است. مطالعه میدانی در مسیل سیجان (بالادست روستای سیجان) به طول 700 متر انجام شد و پس از احداث بندهای اصلاحی، نقشهبرداری زمینی با مقیاس 1:1000 صورت گرفت. با توجه به محدودیتهای آزمایشگاهی، بخشی به طول 168 متر از این مسیل که شامل سه بند اصلاحی به ارتفاع یک متر بود برای پژوهش انتخاب شد. مدل فیزیکی با رعایت اصول تشابه هندسی و دینامیکی و با مقیاس 1:10 در پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری کشور ساخته شد. برای حذف اثرات نفوذ جریان، مدل بهصورت نفوذناپذیر طراحی شد. آزمایشها بر اساس دو عامل شامل شرایط آبراهه (بدون بند، بندهای خالی از رسوب و بندهای پر از رسوب) و شرایط جریان ورودی (دبی اوج و زمان رسیدن به دبی اوج) طراحی شدند. شرایط آبراهه در سه حالت شامل حالت شاهد (بدون بند اصلاحی)، بندهای اصلاحی خالی از رسوب و بندهای اصلاحی پر از رسوب بررسی شد. جریان ورودی به مدل در دو حالت جریان دائمی (برای ترسیم منحنیهای دبی-اشل) و جریان غیردائمی (با هیدروگراف مثلثی جهت شبیهسازی سیلاب) اعمال شد. زمان رسیدن به دبی اوج در سه حالت کمتر، برابر و بیشتر از زمان تمرکز در نظر گرفته شد و دبی اوج نیز کمتر از مقدار متناظر با دوره بازگشت دهساله (با توجه به محدودیتهای آزمایشگاهی) انتخاب شد. پارامترهای هیدرولیکی با استفاده از سرریزهای استاندارد اندازهگیری و برای افزایش دقت قرائت اشلها، کل آزمایشها فیلمبرداری شد. تحلیل دادهها با محاسبه شاخصهای کمی شامل کاهش دبی پیک، تأخیر زمانی رسیدن به پیک و تغییرات زمان پایه سیلاب انجام شد. در مجموع، 90 آزمایش انجام شد و هیدروگراف خروجی از طریق یک سرریز فشرده مستطیلی در انتهای مدل ثبت شد.
نتایج و بحث
نتایج این پژوهش تأثیر بندهای اصلاحی با ارتفاع یک متر را بر ویژگیهای هیدروگراف سیلاب در شرایط مختلف هیدرولوژیکی، با استفاده از آب صاف و بستر صلب و غیرقابل فرسایش، بررسی کرد. در مسیل طبیعی بدون بند، با افزایش دبی ورودی، میزان کاهش دبی اوج و تأخیر زمانی رسیدن به پیک کاهش یافت. همچنین بندهای اصلاحی خالی از رسوب در دبیهای کمتر از 4.74 مترمکعب بر ثانیه (معادل سیلابهایی با دوره بازگشت کمتر از ۵ سال) بیشترین کارایی را در ذخیره موقت جریان و تعدیل هیدروگراف نشان دادند، در حالی که با افزایش دبی یا پرشدگی بندها از رسوب، بهدلیل کاهش حجم مفید ذخیره، اثربخشی آنها کاهش یافت. تحلیل نتایج نشان داد که بندهای خالی از رسوب در سیلابهای با دوره بازگشت کوتاه میتوانند دبی اوج را تا 28 درصد کاهش داده و زمان رسیدن به پیک را تا 36 درصد افزایش دهند. علاوه بر این، نسبت زمان تمرکز حوضه به زمان رسیدن به دبی اوج، نقش تعیینکنندهای در عملکرد سازهها داشت؛ بهگونهای که در سیلابهای با زمان پایه کوتاه (Tp < tc)، که معرف وقوع رگبارهای ناگهانی هستند، بیشترین میزان کاهش دبی اوج (تا 22.5 درصد) و افزایش زمان تأخیر (تا 43 درصد) مشاهده شد. با افزایش دوره بازگشت سیلاب و طولانیتر شدن زمان پایه، اثر بندها در تعدیل سیلاب بهتدریج کاهش یافت.
نتیجهگیری
نتایج همچنین نشان داد طراحی سیستمهای کنترل سیلاب با بندهای اصلاحی باید بر اساس ویژگیهای هیدرولوژیکی حوضه، شامل دوره بازگشت سیلاب، زمان رسیدن به دبی اوج و وضعیت رسوبگذاری بندها انجام شود تا بیشترین کارایی حاصل شود. در نهایت، سه رابطه تجربی مبتنی بر تحلیل ابعادی برای کمّیسازی تأثیر بندهای اصلاحی بر ویژگیهای هیدروگراف استخراج شد که با ضرایب تعیین 0.81 تا 0.92 قابلیت مناسبی برای پیشبینی تغییرات هیدروگراف در شرایط مشابه دارند، هرچند کاربرد آنها در سایر حوضهها مستلزم واسنجی است. بر اساس نتایج مدل فیزیکی، نسبت زمان تمرکز حوضه (tc) به زمان رسیدن به دبی اوج (Tp) به عنوان شاخصی کلیدی در ارزیابی عملکرد بندهای اصلاحی در تعدیل هیدروگراف سیلاب شناسایی شد. بر این اساس، عملکرد هیدرولیکی سازهها را میتوان در سه حالت تفسیر کرد: حالت اول (tc/Tp > 1): در این شرایط، زمان رسیدن به دبی اوج کوتاهتر از زمان تمرکز حوضه بوده و سیلاب دارای هیدروگرافی با اوج تیز و زمان پایه کوتاه است. در این وضعیت، بندهای اصلاحی فرصت کافی برای ذخیرهسازی موقت رواناب و استهلاک انرژی دارند. تشکیل پسآب در بالادست بندها، افزایش آشفتگی و گردابههای موضعی و در نتیجه اتلاف بیشتر انرژی، موجب افزایش زمان انتقال جریان و کاهش دبی اوج خروجی میشود. نتایج این پژوهش نیز نشان داد که بیشترین کارایی بندهای اصلاحی در کاهش دبی اوج و افزایش زمان تأخیر در این شرایط حاصل میشود. حالت دوم (tc/Tp ≈ 1): در این وضعیت، زمان رسیدن به دبی اوج تقریباً با زمان تمرکز حوضه برابر است و تعادل مناسبی میان حجم ذخیرهسازی، دبی ورودی و ظرفیت استهلاک انرژی برقرار میشود. در نتیجه، بندهای اصلاحی همچنان عملکرد مناسبی در تعدیل هیدروگراف سیلاب دارند، هرچند میزان اثربخشی آنها نسبت به حالت اول کمتر است. حالت سوم (tc/Tp < 1): در این شرایط، زمان رسیدن به دبی اوج از زمان تمرکز حوضه بیشتر بوده و سیلاب دارای زمان پایه بلندتری است. با تداوم جریان، حجم مفید ذخیره پشت بندها به تدریج تکمیل شده و تغییرات زمانی جریان کاهش مییابد. در نتیجه، نسبت انرژی مستهلکشده به انرژی کل جریان کاهش یافته و کارایی بندهای اصلاحی در کاهش دبی اوج و افزایش زمان تأخیر افت میکند. در مجموع، نتایج این پژوهش نشان داد که کارایی بندهای اصلاحی علاوه بر مشخصات هندسی سازه، به ویژگیهای هیدرولوژیکی سیلاب، بهویژه نسبت tc/Tp، وابسته است. بنابراین، در حوضههای با زمان تمرکز کوتاه، این سازهها در کنترل سیلابهای ناگهانی مؤثرتر بوده و طراحی آنها باید بر تأمین ظرفیت مناسب ذخیرهسازی موقت و استهلاک انرژی متمرکز شود. در مقابل، در حوضههای با زمان تمرکز طولانی، استفاده از سامانههای ذخیرهسازی گستردهتر و تلفیق بندهای اصلاحی با سایر اقدامات آبخیزداری میتواند اثربخشی بیشتری در کنترل سیلاب داشته باشد. همچنین، نتایج این مطالعه بر ضرورت لحاظ کردن روند رسوبگذاری در طراحی و بهرهبرداری از بندهای اصلاحی تأکید میکند، زیرا کاهش حجم مفید مخزن در طول زمان میتواند عملکرد هیدرولیکی این سازهها را بهطور قابلتوجهی کاهش دهد.
