برآورد تلفات انتقال و ارائه یک مدل روندیابی دینامیکی توسعه یافته برای خشکه رودها

در رودخانه های مناطق خشک جریان آب سطحی به طور دائمی برقرار نمی باشد و محدود به دوره های زمانی کوتاه مدت می شود که پس از آن مجدداً رودخانه خشک می گردد. لذا هنگام وقوع سیلاب، حجم جریان در پایین دست به علت نفوذ به بستر رودخانه کاهش می یابد، که این کاهش حجم، تلفات انتقال نامیده می شود. بنابراین لازمه ی انجام محاسبات هیدرولیکی دقیق در خشکه رودها و نیز محاسبات دقیق بیلان آب در یک محدوده مطالعاتی در مناطق خشک، یافتن روش هایی برای برآورد تلفات انتقال و محاسبه میزان نفوذ است که منجر به تخمین مناسبی از پتانسیل تغذیه آب های زیرزمینی از طریق این رودخانه ها نیز می گردد. این تحقیق با هدف شناسایی بهتر رفتار جریان و ارائه مدل های کاربردی به منظور تحلیل جریان در خشکه رودها در دو بخش انجام شد. بخش اول این تحقیق به توسعه روابط رگرسیونی برای برآورد تلفات انتقال در رودخانه های حوضه آبریز قره قوم در خراسان رضوی اختصاص یافت. برای این منظور، اطلاعات موجود در ایستگاه های هیدرومتری و مشخصات فیزیکی رودخانه های کشف رود، کارده و زشک در این حوضه استخراج، تحلیل و مورد استفاده قرار گرفتند. به منظور تولید روابط رگرسیونی، تلفات انتقال در کیلومتر اول از ابتدای هر بازه به عنوان متغیر وابسته رگرسیون در نظر گرفته شد و چگونگی وابستگی آن به متغیرهای مستقلِ حجم جریان بالادست، زمان تداوم جریان، شاخص رطوبت پیشین، هدایت هیدرولیکی، شیب و عرض رودخانه مورد آزمایش قرار گرفت. در این تحقیق مشخص شد که موثرترین متغیر مستقل در برآورد تلفات انتقال، حجم جریان بالادست می باشد. بر این پایه، سه رابطه رگرسیون (خطی و غیرخطی) برای پیش بینی تلفات انتقال بر حسب حجم جریان بالادست و عرض رودخانه، از میان روابط بررسی شده توصیه می شوند. با استفاده از این روابط می توان تلفات انتقال را در انتهای هر کیلومتر از مسیر رودخانه، با داشتن حجم جریان در آغاز آن کیلومتر تخمین زد. چنین روابطی می توانند توسط بهره برداران منابع آب و طراحان سازه هیدرولیکی استفاده شوند. در بخش دوم تحقیق یک مدل روندیابی دینامیکی با افزودن معادله ای برای محاسبه نفوذ از بستر برای روندیابی جریان در خشکه رودها توسعه یافت. نفوذ در شرایط غیر اشباع از بستر با استفاده از معادله نفوذ یک بعدی گرین- امپت شبیه سازی شد و تصحیحاتی بر آن به دلیل تأثیر دیواره ها در مقاطع مستطیلی و ذوزنقه ای بر روی نفوذ اعمال گردید. با اضافه نمودن این مولفه ها به معادلات سنت- ونان، حل عددی معادلات دیفرانسیل حاصل با استفاده از روش پریسمن چهار نقطه ای صورت پذیرفت. عملکرد هیدرولیکی و صحت سنجی مدل روندیابی نیز با استفاده از یک مجموعه اطلاعات گسترده تولید و جمع آوری شده در مقیاس آزمایشگاهی- میدانی انجام شد. این اطلاعات در چهار کانال مستطیلی حفرشده در محوطه دانشگاه فردوسی مشهد که به طور متوسط دارای طول 72 متر و عرض 50 سانتی متر می باشند، تولید و جمع آوری شدند. اطلاعات جمع آوری شده شامل هیدروگراف های ورودی و خروجی در کانال ها و مشخصات فیزیکی و هیدرولیکی مرتبط با مدل روندیابی نظیر پارامترهای رطوبتی و نفوذ خاک و ضریب زبری مانینگ می باشند. صحت سنجی مدل روندیابی دینامیکی توسعه یافته در دو گام انجام شد. در گام اول صحت سنجی مدل با استفاده از پارامترهای فیزیکی که به صورت مستقل و با انجام آزمایش های متداول بر آورد شدند (بدون واسنجی)، انجام شد. نتایج اجرای مدل با استفاده از پارامترهای برآورد شده مستقل سازگاری قابل قبولی بین هیدروگراف های خروجی پیش بینی شده توسط مدل با هیدروگراف های خروجی اندازه گیری شده در مجموعه آزمایشگاهی- میدانی نشان دادند. در گام دوم، سناریوهای اندازه گیری شده در مجموعه آزمایشگاهی- میدانی با توجه به خصوصیات کانال های آزمایش به دو بخش برای واسنجی و صحت سنجی تقسیم شدند که چگونگی انجام این تقسیم با توجه به پارامترهای رطوبتی خاک تجربیاتی را به دنبال داشت که می تواند توسط محققین دیگر مورد استفاده قرار گیرد. با انجام تحلیل حساسیت بر روی پارامترهای مدل، پارامترهای موثر و دامنه تغییرات آن ها در واسنجی تعیین گردیدند. نتایج تحلیل حساسیت پارامترهای مدل در بازه امکان وقوعشان نشان داد که چهار پارامتر ارتفاع مکش مصالح بستر، هدایت هیدرولیکی اشباع، رطوبت اشباع و ضریب زبری مانینگ حساس تر از بقیه می باشند. نتایج مدل در پیش بینی هیدروگراف های خروجی با استفاده از پارامترهای واسنجی شده نسبت به پارامترهای مستقل بهبود یافتند. به عنوان مثال در یکی از سناریوهای صحت سنجی مقدار تابع هدف، که دارای مقدار صفر در حالت تطابق کامل می باشد، در اثر واسنجی پارامترها از 0.44، در شرایط استفاده از پارامترهای برآورد شده مستقل، به 0.26، بر مبنای اطلاعات واسنجی شده، کاهش یافت. در مجموع نتایج این بخش نشان می دهد که مدل روندیابی توسعه یافته توانایی شبیه سازی خشکه رودها در مقیاس مورد مطالعه را دارد.