نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• روح انگیز اختری ¹
• حمیدرضا حاجی پور ²
• مجتبی صانعی ³
• محمدرضا غریب رضا ³

¹ استادیار، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

² دانشجوی دکتری مهندسی عمران - مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد، نجف آباد، ایران

³ دانشیار، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

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 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.
 

کلیدواژه‌ها

• آبخیزداری
• اتلاف انرژی
• رسوبگذاری
• زمان تمرکز
• سیلاب واریزه‌‌ای
• هیدروگراف سیلاب

عنوان مقاله [English]

Experimental assessment of individual check dam performance for peak flow reduction using a small-scale model of Sijan Stream

نویسندگان [English]

• Rouhangiz Akhtari ¹
• Hamidreza Hajipoor ²
• Mojtaba Saneie ³
• Mohammadreza Gharibreza ³

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

² PhD Candidate, Department of Civil Engineering (Water Engineering), Islamic Azad University, Najafabad Branch, Isfahan, Iran

³ Associate Professor, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction
Seasonal floods in mountainous regions of Iran are a major challenge for water resources management and the protection of rural communities. This study evaluates the effectiveness of check dams in reducing seasonal flood impacts in the Sijan watershed, Alborz Province, Iran. The watershed was selected because of its high flood potential, the occurrence of destructive debris floods (including the 2015 event), and the importance of Sijan village as a popular tourist destination. In 2018, the Forests, Rangelands and Watershed Management Organization of Iran constructed one masonry check dam and four gabion check dams along the main channel upstream of the village to reduce debris flood hazards. The main objective of this research was to simulate the historical flood event and evaluate the effectiveness of these structures in modifying flood hydrographs. Because the stream is seasonal and hydrometric data are limited, a physical model was used as the main research tool. This paper presents the results of the first stage of the study, which focuses on evaluating the effects of the check dams on runoff flood hydrographs (clear water flow without sediment).
 
Materials and methods
A direct physical modelling approach was used to investigate the influence of check dams on flood peak reduction and peak delay. Field investigations were carried out along a 700 m reach of the Sijan stream after the construction of the check dams. A detailed topographic survey at a scale of 1:1000 was then conducted. Due to laboratory space limitations, a 168 m section containing three 1 m high check dams was selected for modelling. A 1:10 scale physical model was built at the Soil Conservation and Watershed Management Research Institute following geometric and dynamic similarity principles. To eliminate infiltration effects, the channel bed and banks were made impermeable. The experiments considered two main factors: channel condition and inflow hydrograph characteristics. Three channel conditions were tested: (1) no check dams, (2) empty check dams, and (3) sediment-filled check dams. Flow conditions included both steady flow for stage-discharge calibration and unsteady triangular hydrographs for flood simulation. The time to peak was examined under three conditions: shorter than, equal to, and longer than the watershed concentration time. Peak discharges were selected below the estimated 10-year flood because of laboratory limitations. Hydraulic variables were measured using standard weirs, and all experiments were video recorded to improve measurement accuracy. The analysis focused on three hydraulic indicators: peak discharge reduction, delay in peak arrival time, and changes in flood base duration. In total, 90 experiments were conducted, and the outlet hydrographs were recorded using a sharp-crested rectangular weir.
 
Results and discussion
The results demonstrate that 1 m high check dams significantly modify flood hydrographs under different hydrological conditions using clear water over a rigid, non-erodible bed. In the natural channel without check dams, increasing inflow discharge reduced both peak attenuation and peak delay. Empty check dams showed the highest efficiency for floods with peak discharges below 4.74 m³/s (approximately corresponding to return periods of less than five years). Under these conditions, the dams temporarily stored runoff and effectively attenuated the flood hydrograph. However, as flood magnitude increased or the dams became filled with sediment, their storage capacity decreased, resulting in lower flood mitigation performance. The experiments showed that empty check dams reduced peak discharge by up to 28% and increased the time to peak by up to 36% during small and moderate floods. In addition, the ratio between watershed concentration time (tc) and flood time to peak (Tp) was identified as a key parameter controlling dam performance. For floods with short hydrograph duration (Tp < tc), representing intense short-duration storms, the dams achieved their highest efficiency, reducing peak discharge by up to 22.5% and increasing peak delay by up to 43%. Their effectiveness gradually decreased as flood return period and hydrograph duration increased. The results indicate that the design of check dam systems should consider watershed hydrological characteristics, including flood return period, hydrograph shape, time to peak, and sediment accumulation, to maximize flood reduction efficiency. Three empirical equations based on dimensional analysis were developed to quantify the effects of check dams on flood hydrograph characteristics. These equations showed good predictive performance, with coefficients of determination (R²) ranging from 0.81 to 0.92. However, their application to other watersheds requires local calibration.
 
Conclusions
The physical model results also identified the ratio tc/Tp as a practical indicator for evaluating check dam performance. When tc/Tp > 1, floods have a short time to peak and a narrow hydrograph. Under these conditions, check dams provide temporary storage, increase backwater effects, enhance local turbulence and energy dissipation, and significantly reduce peak discharge while delaying flood propagation. When tc/Tp ≈ 1, the inflow hydrograph is well balanced with the storage capacity of the dams, resulting in effective but moderate flood attenuation. When tc/Tp < 1, floods have a longer duration, and the available storage behind the dams gradually becomes full. Consequently, the proportion of dissipated flow energy decreases, leading to lower reductions in peak discharge and smaller delays in flood timing. Overall, the findings demonstrate that check dam performance depends not only on the structural characteristics of the dams but also on watershed hydrology, particularly the tc/Tp ratio. Therefore, in watersheds with short concentration times, check dams are particularly effective for mitigating flash floods and should be designed to maximize temporary storage and energy dissipation. In contrast, in watersheds with longer concentration times, combining check dams with larger storage facilities and other watershed management measures is likely to provide better flood mitigation. The study also highlights the importance of considering long-term sediment deposition during the design and maintenance of check dams, as sediment accumulation significantly reduces their storage capacity and hydraulic performance over time.

کلیدواژه‌ها [English]

• Debris flood
• Energy dissipation
• Flood hydrograph
• Sediment deposition
• Time of concentration
• Watershed management