تحلیل و آنالیز هیدرولیکی جریان غیردائمی ناشی از شکست سد توسط مدل عددی مطالعه موردی رودخانه تاکستان

شکست سد یک مسأله هیدرولیکی است که در پی آن حجم زیاد آب انباشته شده در مخزن در زمان کوتاهی به صورت ناگهانی تخلیه و سیلاب عظیمی در پایین دست سد جریان می یابد که در این حالت امواج بزرگ سیلاب زیان های عظیمی در نواحی پایین دست به وجود می آید. این امواج سبب خسارات جانی و مالی فراوان، فرسایش زمین و اثرات زیست محیطی نامطلوب می گردند. سیلاب حاصل از شکست سد، چه از لحاظ ابعاد آن و چه از لحاظ اثرات دینامیکی موج سیلاب، قابل مقایسه با سیلاب های طبیعی حوضه آبریز مربوطه نمی باشد و بنابراین از قدرت تخریب بالایی برخورد ار است. علاوه بر آن در اکثر موارد، کانال رودخانه در پایین دست سد چنین سیلابی را تجربه نکرده و لذا قادر به مهار آن در کانال اصلی خود نمی باشد. از این رو انجام تحلیل شکست سد و ارزیابی تبعات ناشی از آن برای همه سدها ضروری به نظر می رسد. این تحلیل علاوه بر ارزیابی خسارت و میزان خطر موجود در پایین دست سد، امکان برنامه ریزی عملیات نجات و تسکین فاجعه ناشی از شکست سد را نیز فراهم می کند. مدل سازی پدیده ی شکست سد بیشتر به منظور محاسبه تقریبی دبی پیک خروجی ناشی از شکست انجام می شود، تا پیش بینی هایی برای مهار آن یا تمهیداتی برای پیشگیری از خطرات ناشی از آن اندیشیده شود در این تحقیق مدل عددی پدیده شکست شامل محاسبه دبی خروجی از مخزن و مدلسازی هیدرولیکی جریان در پایین بدنه سد می باشد. برای مدل کردن فرسایش تدریجی سد با ایجاد یک شکاف اولیه پایین بدنه آن برای شروع فرسایش ارائه شده است. توسط مدلسازی افزایش تدریجی ابعاد این شکاف، افزایش دبی عبوری از آن و در نتیجه انهدام سد و تخلیه آب مخزن پشت سد تحلیل می گردد. شبیه سازی جریان در محل شکستگی سد براساس گسسته سازی معادلات سنت ونانت تحلیل و مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور انجام تحلیل غیردائمی جریان و شکست سد از تحلیل سیستم رودخانه با استفاده مدل های هیدرولیکی مبتنی بر مدلسازی مخزن با استفاده از قابلیت مدلسازی شکست سد در محیط مدل hec rac و اعمال نحوه شکست سد وحداکثردبی جریان سیلاب در شرایط غیر ماندگار مورد ارزیابی قرار گرفته و تحلیل شکست سد مرتفع گردیده است. لذا به جهت انجام آنالیز شکست سد و تعیین پارامترهای هیدرولیکی در طول رودخانه و در مقاطع مختلف از این مدل به عنوان یک مدل برای آنالیز شکست با شبیه سازی جریانهای غیردائمی در کانال و در محل شکستگی سد براساس گسسته سازی معادلات سنت ونانت به روش عددی تفاضل محدود ضمنی چهار نقطه ای تحلیل شده است. این مدل توانایی مدل کردن انواع سد اعم از بتنی و خاکی را با لحاظ کردن سازه های عرضی داشته و در حالت سد خاکی قابلیت شبیه سازی هر دو مدل شکست از نوع روگذری و آبگذری حفره ای را دارا می باشد. از این رو این مدل مبنای محاسبات قرار گرفته است. بررسی پدیده شکست تدریجی سد در این تحقیق شامل دو بخش کلی می باشد. در بخش اول فرآیند شکست تدریجی سدو گسترش شکاف، انجام شده که برای شبیه سازی توسعه زمانی شکاف به وجود آمده در شکست سد ناشی از پدیده رگاب، از مدلسازی نرم افزار hec rac استفاده شده است که در آن گسسته سازی معادلات سنت ونانت به روش عددی تفاضل محدود ضمنی چهار نقطه ای پرایزمن انجام می شود. بخش دوم شامل حل معادلات جریان ناشی از شکست تدریجی سد به طور همزمان در مخزن بالادست سد و رودخانه پایین دست آن بوده است. در بررسی این پدیده از روش عددی تفاضلات محدود صریح مک کورمک استفاده گردیده است. با احتساب اینکه الگوی عددی ضمنی پرایزمن برای منقطع سازی معادلات استفاده شده که به علت ناتوانی این الگو در مدل کردن جریان های فوق بحرانی، از روش تقریبی استفاده شده است. این روش هنگامی که عدد فرود جریان کم است دقت خوبی داشته ولی در جریان های فوق بحرانی به دلیل صرف نظر کردن از جملات اینرسی در معادله حرکت، دچار خطای غیرقابل صرف نظر می شود. لذا با توجه به صریح بودن الگوی مک کورمک دقت های لازم در اعمال شرط مرزی شکست تدریجی به عنوان یک شرط مرزی درونی اعمال شده است. مزیت گسسته سازی فرمول های سنت و نانت براساس روش عددی صریح نسبت به مدل hec rac دقت بالای در محاسبه تبدیل رژیم های مختلف جریان وتحلیل در شبیه سازی جریان فوق بحرانی و همچنین شبیه سازی پرش هیدرولیکی می باشد. لذا با توجه به مطالب فوق، تحقیق حاضر برای مدل کردن شکاف از مدل hec rac استفاده شده است و مرحله بعد شامل حل عددی صریح جریان متغییر سریع بوده است که جریان حاصل از شکست سد، با شوک و انتقال جریان از حالت فوق بحرانی به زیر بحرانی همراه بوده، بنابراین به کارگیری روش های عددی صریح که قادر به مدل کردن این نوع جریان ها بوده، استفاده گردیده است. هدف از انجام این تحقیق بررسی اثر متقابل ورود سیلاب ناگهانی بر مخزن و شکست همزمان سد و تأثیرموج منفی حاصل از شکست سد پرداخته شده است ،لذا به دلیل کوتاه بودن زمان انهدام، تأثیر موج منفی بر روی دبی خروجی حاصل از شکست سد بررسی گردیده است. با استفاده از شبیه سازی موج توسط روش عددی صریح که به طور همزمان پسروی موج منفی در مخزن سد و پیشروی موج مثبت رودخانه پایین دست را شبیه سازی نموده است و میزان حداکثرجریان رها شده به پایین دست می باشد که می تواند بر میزان تلفات به خصوص در مناطق پرجمعیت و توسعه یافته شهری می باشد. سیلاب حاصل از شکست سد، چه از لحاظ ابعاد آن و چه از لحاظ اثرات دینامیکی موج سیلاب، بنابراین از قدرت تخریب بالایی برخوردار است. علاوه بر آن در اکثر موارد، کانال رودخانه در پایین دست سد چنین سیلابی را تجربه نکرده و لذا قادر به مهار آن در کانال اصلی خود نمی باشد. از این رو انجام تحلیل شکست سد و ارزیابی تبعات ناشی از آن برای همه سدها ضروری به نظر می رسد. این تحلیل علاوه بر ارزیابی خسارت و میزان خطر موجود در پایین دست سد، امکان برنامه ریزی عملیات نجات و تسکین فاجعه ناشی از شکست سد را نیز فراهم می کند. به دلیل هزینه های بالای مدلسازی پدیده های پیچیده به صورت آزمایشگاهی، امروزه روش های عددی در این زمینه بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. از اینرو مدل های عددی متعددی برای بررسی این پدیده در سال های اخیر توسعه یافته و به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند. پیش بینی شرایط بوجود آمده در مواقع بحرانی همچون وقوع سیل و احتمال همزمانی شکست سد، ضرورت بررسی های بیشتر را فراهم نموده است. لذا برای مدلسازی هیدرولیکی جریان غیردائمی از معادلات سنت ونانت استفاده شده که با الگوی عددی صریح مک کورمک الگوی ضمنی پرایزمن و گسسته سازی شده اند. با استفاده از شبیه سازی موج و تحلیل عددی براساس روش عددی صریح مککورمک، به طور همزمان موج منفی در مخزن سد و موج مثبت رودخانه پایین دست را شبیه سازی نموده است. در انتها به منظور اطمینان از نتایج حداکثر دبی عبوری در لحظه شکست سد حاصل توسط از روش های تحلیلی و مدل hec rac با مدل عددی صریح، به دلیل سادگی و دارا بودن دقت مرتبه دو اعتبارسنجی گردیده است. مقایسه هیدروگراف دبی شکست سد در مدل hec rac با مدل عددی صریح در حالت شکست سد در شرایط ورود هیدروگراف به مخزن، نشان می دهد که چنانکه در مدل عددی صریح مشهود است حجم سیلاب ورودی به مخزن همچون موجی بر روی موج منفی به وجود آمده در مخزن حرکت کرده ودر شکل آن تغییراتی ایجاد کرده است .این تغییرات با توجه به حرکت جریان آزاد شده در مخزن به سمت پایین دست، به تدریج و با گذشت زمان در تمام نواحی مخزن و پایین دست منتشر می شود و افزایش عمق در تمام نقاط مخزن بوجود می آید، که با وجود اینکه موج منفی به انتهای کانال می رسد سطح آب مطابق انتظار در ابتدای کانال به علت سیلاب ورودی به مخزن کاهش نمی یابد. لیکن سرعت حرکت موج منفی به سمت بالادست می تواند بر گسترش جریان سیلاب ورودی در مخزن تأثیر گذاشته و تا حدودی در تخلیه سیلاب تاخیر ایجاد می نماید، بنابراین، نتایج حاصل از مقایسه هیدروگراف دبی شکست سد در مدل hec rac و مدل عددی صریح در حالت شکست سد و در شرایط ورود هیدروگراف به مخزن، اعتبارسنجی شده ونتایج قابل اعتماد و خیلی بهم نزدیک می باشد و نمودارهای ارائه شده تطابق نسبتاً خوبی را نشان می دهند. بنابر مطالب ذکر شده در این تحقیق، الگوی ضمنی پرایزمن در تحلیل مدل hec rac دارای مزایای و نتایج مشابه نسبت به الگوی صریح مک کورمک برای حل معادلات سنت ونانت می باشد. مقایسه هیدروگراف حداکثر دبی شکست سد، منتج از روش های تحلیلی و مدل hec rac نشان دهنده نزدیک بودن حداکثر دبی حاصل از شکست سد در مدل hec rac با نتایج حاصل از روش تحلیلی scs می باشد. در روش تحلیلی scs نسبت به سایر روش های تحلیلی، اثر عرض متوسط شکست و حجم مخزن سد و ارتفاع آب پشت سد درلحظه شکست برای تخمین حداکثر دبی شکست سد لحاظ می کند و این علت نزدیک بودن نتایج حداکثر دبی حاصل از شکست سد به دو الگوی عددی می باشد. درصد خطای نسبی نشاندهنده این است که ، نتایج روش تحلیلی scs هم روند و شیب نمودار محاسباتی همخوانی قابل قبولی با منحنی مدل hec rac دارد .