نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• روح انگیز اختری ¹
• محمد رستمی ²
• بهرام ثقفیان ³
• محمد علمی ⁴

¹ استادیار پژوهشی، گروه مهندسی رودخانه و سواحل پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

² استادیار، گروه پژوهشی مهندسی رودخانه و سواحل، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

³ استاد، گروه مهندسی عمران، دانشکده عمران، معماری و هنر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، تهران، ایران

⁴ دانشجوی دکتری، دانشکده عمران، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

مقدمه
احداث بند اصلاحی در سرشاخه‌­ها، یکی از روش­‌های رایج مدیریت آبخیز برای کنترل رسوب، پایداری آبراهه و کاهش هیدروگراف سیل از بعد زمان تمرکز و دبی اوج محسوب می­‌شود. در ایران، با وجود قدمت ۵۰ ساله، در اجرای گسترده این سازه کوچک‌مقیاس به‌­وسیله ارگان‌های وابسته به سازمان منابع طبیعی و آبخیزداری کشور به ‌عنوان دستگاه اجرایی، همچنان روش ارزیابی کمی و کیفی مناسبی برای آن ارائه نشده است. در بیان اثربخشی این سازه، شبیه‌­سازی شرایط طبیعی در حالت وجود و عدم وجود این سازه در مدل‌­های هیدرولوژیکی و هیدرولیکی، اجتناب ناپذیر است. البته بازدیدهای میدانی و اندازه‌گیری پارامترهای مربوطه در عرصه نیز، در تدقیق شبیه‌سازی و هم بیان تقریبی اثربخشی، از اقدامات اولیه محسوب می­‌شود. بررسی‌های انجام شده نشان داد، در بسیاری از پژوهش‌­ها، اثر بندهای اصلاحی بر روی هیدروگراف رواناب مد نظر بوده است. شبیه­‌سازی بندها، به‌صورت هیدرولوژیکی با کمک تغییر در شیب آبراهه و زمان تمرکز حوضه و یا با استفاده از روش‌های روندیابی در مخزن انجام شده است که با توجه به فرضیات ساده شونده، برآوردی بیش از واقعیت ارائه می‌­دهد. شبیه­‌سازی هیدرولیکی دقیق­‌تر، اما پیچیدگی و موانع خاص خود را دارا است. لذا، در این پژوهش سعی بر آن شد تا علاوه بر بهره‌­مندی از دقت شبیه­‌سازی هیدرولیکی و نیز از عدم پیچیدگی روابط هیدرولوژیکی، اثربخشی وجود بندهای اصلاحی در هیدروگراف رواناب اعمال شود. اثربخشی بندهای اصلاحی با تعیین و اعمال ضرایبی در هیدروگراف خروجی آبراهه بدون بند اصلاحی، صورت گرفت تا هیدروگراف خروجی آبراهه با بند اصلاحی به‌دست آید.
 
مواد و روش­‌ها
در این پژوهش، اثربخشی بندهای اصلاحی متوالی در کاهش هیدروگراف خروجی از یک کانال مثلثی با سه طول 1000، 2000 و 3000 متر در سه شیب طولی پنج، 10 و 15 درصد، با استفاده از مدل هیدرودینامیکیMIKE 11 ، مد نظر است. در این بررسی، فرض بر آن است که بندهای آبخیزداری متوالی با ارتفاع 2.5 متر از تاج بند پایاب تا پاشنه بند سراب در هر کانال مثلثی احداث شود. لذا، تعداد بندها بر اساس طول و شیب آن از 20 تا 180 عدد متغیر خواهد بود. در این پژوهش، هیدروگراف خروجی از کانال مثلثی به ‌عنوان متغیر وابسته و هیدروگراف ورودی به کانال، طول و شیب کانال، به‌ عنوان متغیرهای مستقل در نظر گرفته شد. تغییرات بیشینه جریان خروجی تحت دو سناریوی کانال بدون بند اصلاحی (سناریوی اول) و کانال با وجود بندهای اصلاحی متوالی پر از رسوب (سناریوی دوم) مورد بررسی قرار گرفت تا بتوان اثربخشی بندهای اصلاحی در یک آبراهه را با پارامترهای هیدرولوژیکی شبیه­‌سازی کرد. دو معیار سنجنده شامل درصد ضریب تسکین و درصد تغییر جریان برای بیان اثربخشی تعریف شد. درصد تغییرات دبی اوج هیدروگراف روندیابی شده در طول کانال نسبت به دبی اوج هیدروگراف ورودی یا به عبارتی اختلاف بین دبی ورودی و دبی خروجی برای سناریو و به ازای تغییرات طول مسیل، شیب و مقادیر مختلف هیدروگراف ورودی، "شدت روندیابی" نام‌گذاری شد. درصد تغییرات دبی اوج خروجی از سناریوی دوم نسبت به سناریوی اول هم تحت عنوان، درصد تغییر جریان، در نظر گرفته شد.
 
نتایج و بحث
ارزیابی نتایج مدل برای روندیابی هیدروگراف در طول کانال به ازای تغییر متغیرهای مستقل در قالب دو سناریو، کاهش دبی اوج، افزایش زمان پایه هیدروگراف خروجی و زمان تاخیر ناشی از روندیابی را در پی داشت. وجود بندهای اصلاحی، تغییر پارامترهای فوق را دو چندان کرده است. هر چه شیب طولی آبراهه افزایش پیدا می‌­کند، میزان ذخیره در کانال کمتر شده و دبی خروجی و در نتیجه ضریب تسکین (کاهش دبی اوج خروجی نسبت به ورودی)، کاهش می­‌یابد. هر چه حجم جریان ورودی بیشتر باشد، ضریب تسکین کمتر خواهد بود. ضریب تسکین با شیب طولی، رابطه معکوس و با طول کانال، رابطه مستقیم دارد. در صورت اجرای بندهای اصلاحی، هر چه طول کانال بیشتر می‌­شود، به‌علت بیشتر شدن تعداد بندهای اصلاحی، میزان ذخیره در کانال افزایش یافته و کاهش شیب رخ خواهد داد و تغییرات دبی خروجی نسبت به دبی ورودی بیشتر خواهد بود، لذا، ضریب تسکین افزایش می­‌یاید. هدف اصلی این پژوهش، بیان ریاضی اثربخشی بندهای اصلاحی در کاهش دبی اوج هیدورگراف خروجی از مسیل بر اساس شرایط مختلف بود. پس از انجام اجراهای متعدد و بررسی انواع روش‌های مختلف، مشاهده شد که می‌توان اثرات بند اصلاحی بر روی یک آبراهه را به‌صورت اثر یک مخزن خطی به همراه یک تاخیر زمانی در انتهای کانال مدل کرد. به عبارتی، دو تابع مخزن خطی و تابع تاخیر زمانی بر روی متغیرهای وابسته اعمال می‌­شود تا متغیر مستقل به‌دست آید. برای هر زوج هیدورگراف (هیدروگراف خروجی از کانال بدون بند اصلاحی و دارای بند اصلاحی)، مقادیر، به‌ عنوان تابع مخزن خطی و  به‌عنوان تابع تاخیر زمانی برآورد شد. میانگین ضریب ذخیره (K) مخزن خطی برای طول­‌های 1000، 2000 و  3000 متر و برای سه شیب مورد بررسی به‌ترتیب 500، 1100 و 1400 ثانیه برآورد شد. میانگین زمان تاخیر نیز برای سه طول یادشده به‌ترتیب 540، 1750 و 3700 ثانیه، محاسبه شد. هر چه طول کانال بیشتر، شیب کانال کمتر، و دبی ورودی به کانال کمتر باشد، پارامترهای فوق بزرگتر شده و لذا، ضریب تسکین بزرگ‌تر می­‌شود.
نتیجه‌گیری
در صورتی‌که آبراه‌ه­ای برای احداث بندهای اصلاحی انتخاب شود و هیدروگراف خروجی از آن با استفاده از مدل­‌های تجربی، هیدرولیکی و هیدرولوژیکی در شرایط عدم وجود بندهای اصلاحی در دست باشد، هیدروگراف خروجی از آبراهه برای شرایط وجود سازه­‌های کوچک مقیاس، با اعمال ضرایب ذخیره مخزن خطی و زمان تاخیر به‌دست آمده از این پژوهش، شبیه­‌سازی و اصلاح خواهد شد. به این ترتیب، اثربخشی اجرای بندهای اصلاحی در کنترل سیل در آبراهه یادشده به‌دست خواهد آمد.    

کلیدواژه‌ها

• بندهای اصلاحی متوالی
• شدت روندیابی
• مخزن خطی
• مدل MIKE 11
• هیدروگراف شبیه‌سازی

عنوان مقاله [English]

Determination of improving parameters for runoff hydrograph in the conditions of the construction of check dams in streams

نویسندگان [English]

• Rouhangiz Akhtari ¹
• mohammad Rostami ²
• Bahram Saghafian ³
• Mohammad Elmi ⁴

¹ Assistant Professor, Research Department of River Engineering, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran

² Assistant Professor, Research Department of River Engineering, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI), Agricultural Research Education and Extension Organization, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran

³ Professor, Depatment of Water Resources Engineering, Science and Research Branch Islamic Azad University, Tehran, Iran

⁴ PhD Student, Department of Civil Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction
The construction of check dams in the branches is one of the common methods of watershed management to control sedimentation, watercourse stability and reduce the flood hydrograph from the time of concentration and peak flow. In Iran, despite being 50 years old, in the wide implementation of this small-scale structure by the bodies affiliated to the country's Natural Resources and Watershed Management Organization as an executive body, a suitable quantitative and qualitative evaluation method has not been provided. In expressing the effectiveness of this structure, it is inevitable to simulate natural conditions in the presence and absence of this structure in hydrological and hydraulic models. Of course, field visits and measurement of the relevant parameters in the field are also considered to be primary measures in the verification of the simulation and the approximate expression of the effectiveness. The investigations showed that in many researches, the effect of correction dams on the runoff hydrograph has been considered. Simulation of the dams has been done hydrologically with changes in the slope of the waterway and basin time concentration or by using the method of routing in the reservoir that according to simplified hypotheses, estimates more than reality. Hydraulic simulation is more precise but has its own complexity and obstacles. Therefore, in this study, we tried to apply the effectiveness of improving check dams in runoff hydrograph by using both the accuracy of hydraulic simulation and the lack of complexity of hydrological relations. The effectiveness of check dams is computed by determining and applying coefficients in the waterway output hydrograph without improving check dams to obtain the waterway output hydrograph with check dams.
 
Material and methods
In this research, the effectiveness of successive check dams in reducing the output hydrograph of a triangular channel with three lengths of 1000, 2000 and 3000 meters in three longitudinal slopes of five, 10 and 15%, using the MIKE 11 hydrodynamic model, is considered. In this study, it is assumed that series check dams with a height of 2.5 meters will be constructed in each triangular canal, therefore, the number of check dams will vary from 20 to 180 based on their length and slope. In this study, the output hydrograph of the triangular channel was considered as the dependent variable, and the input hydrograph, channel length, and channel slope were considered as independent variables. Variations of  outflow hydrograph peak discharge were investigated under two scenarios. The first scenario for the condition where the channel is without improving check dams and the second scenario for the case where the channel was studied with full of sediment series check dams in order to simulate the effectiveness of the dams in a waterway with hydrological parameters. Two criteria were defined to express effectiveness: the percentage of the intensity of hydrograph routing and the percentage of flow discharge change. The percentage of changes in peak discharge of the hydrograph is determined in relation to the peak discharge of the inlet hydrograph. In other words, "attenuation coefficient" was named based on the difference between inlet and outlet discharge for the scenario and for changes in length of waterway, slope and different amounts of inlet hydrograph. The percentage of change in peak flow discharge from the second scenario compared to the first scenario was also considered as the percentage of flow discharge change.
 
Results and discussion
Evaluation of the model results for hydrograph routing along the channel in exchange for changing independent variables in the form of two scenarios resulted in decreasing peak flow, increasing the base time of output hydrograph, and delayed time due to trending. The existence of check dams has doubled the change in the mentioned parameters. As the longitudinal slope of the waterway increases, the amount of storage in the canal decreases, and the output discharge and therefore the intensity of the routing (decrease in peak outflow relative to the inlet). Increasing the volume of inflow decreases the intensity of the routing. Routing intensity has an inverse relationship with longitudinal slope and has a direct relationship with channel length. Increasing the number of check dams increases the amount of storage in the canal and as a result, slope reduction occurs and the changes in output discharge are greater than inlet flow. Therefore, the intensity of routing increases. The main purpose of this study was to determine the effectiveness of improving check dams in reducing peak discharge of ouflow hydrograph from a triangular channel based on different conditions using a mathematical model. After performing various simulations and investigating different methods, it was observed that the effects of improving check dams on a outflow hydrougraph can be modeled as the effect of a linear reservoir with a lag time at the end of the channel. In other words, two linear reservoir function and a lag time function are applied to independent variables to obtain the dependent variable. For both output hydrographs obtained in the channel without and with improving dams, K values were estimated as linear reservoir function and T_L as  lag time function. The average storage coefficient (K) of the linear reservoir was estimated 500, 1100 and 1400 seconds respectively for lengths of 1000, 2000, and 3000 m and for three slopes. The mean lag time for the three mentioned lengths was 540, 1750, and 3700 seconds, respectively. As the length of the channel increases, the slope of the canal, as well as the inflow to the canal, as well as the inflow to the canal decreases, and the amount of the above parameters and therefore the attenuation coefficient increases.
 
Conclusion
If a stream is selected for the construction of improving check dams and the output hydrograph is available using empirical, hydraulic, and hydrological models in the absence of check dams, the outflow hydrograph from the stream will be simulated and modified for the existence of small-scale structures by applying the linear reservoir storage coefficients and the lag time obtained from this research. In this way, the effectiveness of the construction of improving check dams in flood control will be achieved in the mentioned waterway.
 

کلیدواژه‌ها [English]

• Attenuation coefficient
• Linear reservoir
• MIKE 11 model
• Series check dam
• Simulation hydrograph