معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

Hec-Ras 4با استفاده از مدل پايين دست سددر بررسي پارامترهاي هيدروليكي جريان

)سد شهيد عباسپوررودخانه كارون در پايين دست :مطالعه موردي(

2 مهدي قمشي ،1سعيد شيري آراني

دانشجوي كارشناسي ارشد سازه هاي آبي، دانشگاه شهيد چمران، اهواز -1 تاد دانشكده مهندسي علوم آب، دانشگاه شهيد چمران، اهوازاس -2

چكيده

از اهداف .محاسبه و پيش بيني خصوصيات جريان در رودخانه ها و به ويژه در پايين دست سدها اهميت زيادي داردمسجد كيلومتر از پايين دست سد شهيد عباسپور تا سد 26اصلي اين تحقيق، شبيه سازي رودخانه كارون در طول

صورت گرفته و ارزيابي پروفيل سطح آب رودخانه در اين بازه با Hec Ras 4سليمان است كه با استفاده از مدل) متر مكعب بر ثانيه 435/3533و 010/3325، 022/1784(ساله 50و 20، 2برآورد سه دبي جريان با دوره بازگشت

عمق جريان ، تنش برشي (خصوصيات جريان، در طول بازه به عنوان سه جريان شاخص؛ كه نتايج حاصل از محاسباتدر شرايط طبيعي و موجود رودخانه كارون، ارائه شده ) جريان و مرزهاي پيشروي سيالب در دو سمت رودخانه

ساله مطابقت و تشابه زيادي را در اكثر موارد به يكديگر نشان 50و 20نمودارهاي مربوط به دبي هاي سيالبي .استه جز عمق هيدروليكي جريان، ساير نمودارها حالتي صعودي را نشان مي دهند كه با توجه به وجود مخزن سد ب. دادند

عموما در غالب طول بازه رژيم جريان زير بحراني و . مسجد سليمان در پايين دست، اين امر منطقي به نظر مي رسددن تنش برشي جريان، فرسايش پذيري زياد و باال بودر بازه مياني حوزه به علت شيب .جريان از نوع متالطم كامل بود

.و در پايين دست، با توجه به عمق زياد آب و كاهش تنش برشي، رسوب گذاري پيش بيني مي شود

shiri.saeed@yahoo.com:، پست الکترونيکی ٠٩٣٩٤٦٢٣٣٦٧:دانشجوی کارشناسی ارشد، تلفن - ١ m.ghomeshi@yahoo.com :پست الکترونيکی،٠٩١٦٦١٦٦٣٧٢: تلفن استاد دانشگاه شھيد چمران، - ٢

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

.، پارامترهاي هيدروليكي، رودخانه كارون، دبي سيالبي Hec- Ras 4مدل رياضي :كليد واژه

مقدمه-1از جمله تعيين بستر و حريم رودخانه، ساماندهي رودخانه، اصالح مسير و همچنين در كليه طرح هاي مهندسي رودخانه

طراحي سازه هاي هيدروليكي متقاطع رودخانه اعم از پل ها، زير گذرها، شيب شكن ها، تنداب ها و سازه هاي حفاظت طالعاتي رودخانه، در ساحل رودخانه مانند ديوارهاي ساحل و آب شكن ها، اطالع از شرايط جريان در طول بازه م

تعيين ابعاد سازه با توجه به نيروهاي وارد بر آن پس از تعيين مولفه هاي . سراب و پاياب سازه ها امري ضروري استچنانچه مولفه هاي جريان اعم از عمق جريان، فشار آب و سرعت . جريان در رودخانه و در عبور از سازه ميسر است

راورد شده باشند، گرح سازه غير اقتصادي و يا سازه اي ناكارآمد در جهت منظور جريان باال دست يا پايين دست بتعيين عمق جريان در رودخانه و كانال و مشخص كردن ديگر مولفه هاي جريان، نيازمند حل . طراحي شده خواهد بود

)1. (معادالت حاكم بر جريان مي باشد طوره ب. با زمان است تراز سطح آب تغييرو در نتيجه بي جريان ر ديدامق تغيير، جريان ترين خصلت هيدروليكي اساسي

سرعت هاي هيدروليكي جريان نظير عمق و منجر به تغيير مشخصه مسير رودخانه،در هر نقطه از دبي طبيعي اين تغييرماندگار هاي جريان تجريان، الزم است از معادال يهاي هيدروليك در اين صورت براي تعيين مشخصه. شود ميجريان

)2(.گردداستفاده ،متغير غيرماندگار وبه منظور تعيين تراز سطح آب و مشخصات متغير غيرماندگارماندگار و جريان تمعادال هاي حل يكي از روش

ي رسته مهندسي ارتش ها كه جزء سري مدل مدل اين. باشد مي Hec-Rasهيدروليكي جريان، استفاده از مدل رياضي در دو حالت ماندگار يك بعدي ومتغيرتدريجي هاي سطح آب درشرايط جريان به محاسبه پروفيل ادرق ،باشد آمريكا مي

و يا فوق بحراني ،هاي جريان زيربحراني در وضعيت و ،مصنوعي با هر مقطعييا هاي طبيعي و غيرماندگار در آبراهه و . باشد تركيبي مي

چنانچه .نمايد ميمحاسبه وتجزيه وتحليل ،به گام استاندارد به روش گامي انرژي جريان را همعادل Hec-Rasمدل :)5(برابر است با Steady Stateي انرژي در شرايط همعادل دانيم مي

hfEE 21 )1(

)2( hfzg

vyz

g

vy 2

21

21

21

1 22

:صورت زيرمحاسبه مي شوده ي مانينگ ب از رابطه hfكه مقدار

)3 ( 21

32

1fSAR

nQ

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

: ي انرژي خواهيم داشت براين اساس با ساده شدن معادله

)4( fo SS

Fr

dx

dy

21

، ، عمق بحرانيجريان عمق، سرعت جريان، پروفيل سطح آبي فوق، پارامترهاي مختلفي نظير در نهايت حل معادله

مي مشخص براي شرايط جريان ماندگار راهيدروليكي رودخانه بسياري ديگر از پارامترهاي و جريان انرژي مقادير )3(.نمايد

هاي ساير انواع سازه و نظير پل، زيرگذر، سرريزرودخانه، مسيرطول هاي موجود در تواند اثر سازه مدل مي اينامكان يطي كهدر شرانيمرخ سطح آب را دتوان مي مدل همچنين. نمايدو محاسبه اي را در محاسبات منظور رودخانه

.)6(دايمحاسبه نمنيز وجود دارد ي هيدروليكيها سازهيا ها و ديواره رويفرار جريان آب از مواد و روشها-2

كيلومتر از رودخانه كارون، حد فاصل بين دو سد شهيد عباسپور و سد مسجد سليمان مي 26بازه مورد مطالعه شامل متر از هم در 300مقطع عرضي به فواصل 98، تعداد 1:5000ي منطقه با مقياسباشد كه با بهره گيري از نقشه توپوگراف

. زده شد Civil Design با بكارگيري نرم افزار متر از هم در حوزه مياني رودخانه 50ابتدا و انتهاي بازه و فواصل ماي شماتيك بازه نشان ن) 1(زده شد كه در شكل 103به سمت پايين دست تا شماره 200مقاطع از باالدست با شماره

.داده شده است

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

سد مسجد سليمان -نمايش پالن شماتيك رودخانه كارون در بازه سد شهيد عباسپور : 1شكل

و ) اطالعات هندسي مقاطع و ضريب زبري كاليبره شده منطقه(داده هاي ورودي به مدل شامل داده هاي ژئومتريكمنطقه مورد مطالعه يك ناحيه كوهستاني با .ازه بود كه به مدل داده شددر پايين دست ب 103اشل در مقطع - روابط دبي

.برآورد و كاليبره شده است 04/0شيب نسبتا زياد است كه ضريب زبري آن طبق مطالعات قبلي برابر، 022/1784ساله معادل 50و 20، 2در اين تحقيق آزمون مدل رياضي براي سه دبي سيالبي با دوره بازگشت

و با Hyfaاستخراج اين دبي ها با به بكارگيري نرم افزار آماري.متر مكعب بر ثانيه انجام شد 435/3533و 010/3325صورت گرفت كه در نهايت نرم افزار با بررسي 1390-1370سال آماري دبي پيك حوزه، بين سال هاي 20بررسي

با درصد خطاي كمتر 3٣معادله لوگ پيرسن تيپ اين داده ها با هفت تابع توزيع، دبي هاي ارائه شده را بر اساس ..محاسبه كرد

Hec-Ras 4 شبيه سازي خصوصيات جريان پايدار با مدل -1.2به عنوان مقاطع كنترل در باالدست و پايين دست 103و 200پس از واسنجي ضريب زبري و مشخص كردن مقاطع

بي هاي سيالبي گفته شده، انجام شد كه در هر آزمون با د) Run 1-3(جريان، مدل براي سه آزمون مختلف جريان محيط خيس شده، عمق متوسط جريان، تنش برشي جريان، عدد فرود و جريان، پارامترهاي ارتفاع متوسط سطح آب،

.عدد رينولدز محاسبه گرديد

:ارتفاع متوسط سطح آب -1.1.2 . القعر نشان مي دهدرا نسبت به پروفيل طولي خط سطح آبارتفاع تغييرات ) 2(شكل

در پايين دست حوزه به علت وجود درياچه پشت سد مسجد سليمان، سطح آب تا چندين كيلومتر به -كيلومتر از پايين 10نمودار نشان مي دهد كه تا . ازاي هر سه دبي سيالبي تقريبا ثابت باقي مانده است

دبي، ارتفاع سطح آب رو به افزايش به بعد به ازاي هر سه 144دست، سطح آب ثابت بوده و از مقطع . مي گذارد

باالترين سطح آب را 200داراي پايين ترين و مقطع 103مقطع ) 3و 2، 1آزمون (در تمام جريان ها - . دارد

022/1784با افزايش ميزان جريان، سطح آب نيز افزايش پيدا كرده است و كمترين سطح آب براي دبي - .متر مكعب بر ثانيه است 435/3533و بيشترين سطح آب مربوط به دبي

٣ - Log-pearson type 3

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

. متر مكعب بر ثانيه انطباق بيشتري با هم دارند 435/3533و 010/3325ارتفاع سطح آب در دو دبي -

.روند تغييرات ارتفاع سطح آب در طول بازه براي هر سه دبي جريان، منظم و مشابه مي باشد -

:محيط خيس شده -2.1.2 .ده را نسبت به پروفيل طولي خط القعر رودخانه نشان مي دهدتغييرات محيط خيس ش) 3(شكل

با افزايش دبي، محيط خيس شده در هر مقطع از طول رودخانه نيز افزايش مي يابد و با توجه به شكل؛ -متر مكعب بر 022/1784و كمترين آن به دبي 435/3533بيشترين محيط خيس شده مربوط به دبي

. ثانيه اختصاص دارد

. غييرات محيط خيس شده در هر سه دبي عموما مشابه يكديگر مي باشدروند ت -

مي باشد كه علت اين امر تنگ شدن 158در هر سه دبي، كمترين سطح خيس شده مربوط به مقطع - . دهانه رودخانه در اين مقطع پس از عبور از حوزه پهن مياني مي تواند باشد

به خود اختصاص داده كه در حوزه پهن 169را مقطع در هر سه دبي، بيشترين محيط خيس شده - . رودخانه، جايي كه رودخانه بيشترين عرض را دارد، واقع است

:عمق هيدروليكي متوسط جريان -3.1.2 . تغييرات عمق متوسط جريان را نسبت به پروفيل خط القعر رودخانه نشان مي دهد) 4(شكل

.متر مكعب بر ثانيه كامال مشابه و منظم مي باشد 435/3533و 010/3325عمق متوسط در دبي هاي -

به 161متر مكعب بر ثانيه در مقطع 435/3533و 010/3325 عمق متوسط حداقل براي دبي هاي - . متر اتفاق افتاده است 09/1و 95/0ترتيب برابر

به 112 متر مكعب بر ثانيه در مقطع 435/3533و 010/3325 عمق متوسط حداكثر براي دبي هاي - . متر اتفاق افتاده است 4/35و 17/35ترتيب برابر

با افزايش ميزان جريان، عمق آب نيز افزايش يافته و به طوري كه مالحظه مي شود، كمترين عمق -متر مكعب 435/3533متر مكعب بر ثانيه و بيشترين آن مربوط به دبي 022/1784متوسط مربوط به دبي

. بر ثانيه است

:ش برشي تن -4.1.2 .تغييرات تنش برشي جريان را نسبت به پروفيل طولي خط القعر رودخانه نشان مي دهد) 5(شكل

تغييرات تنش برشي جريان در طول رودخانه از يك روند تبعيت مي كند؛ به طوريكه با افزايش دبي - )4(. جريان، تنش برشي نيز افزايش مي يابد

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

انه عريض شده است، به ميزان قابل توجهي بر تنش برشي كه رودخ 175تا 161در بازه بين مقاطع -جريان افزوده شده كه اين موضوع به علت افزايش شعاع هيدروليكي رودخانه در اين بازه است كه با

. تنش برشي جريان رابطه مستقيم داشته و در نتيجه تنش برشي را نيز افزايش مي دهد

. سه جريان انتخابي مشابه و منظم استروند تغييرات تنش برشي جريان عموما در هر -

متر مكعب بر ثانيه انطباق بيشتري 435/3533و 010/3325روند تغييرات تنش برشي جريان در دو دبي - .دارند

:عدد فرود -5.1.2 .تغييرات عدد فرود را نسبت به پروفيل طولي خط القعر رودخانه نشان مي دهد) 6(شكل

، 200ودخانه كوچكتر از يك و در نتيجه در طول مسير به جز مقاطع عدد فرود در اكثر طول مسير ر -در مقاطع ذكر شده، به جز مقطع . رژيم جريان زير بحراني است 135و 141، 143، 144، 145، 161متر مكعب بر ثانيه، رژيم جريان در آن فوق بحراني است؛ مابقي 022/1784كه فقط به ازاي دبي 161

كه به علت . دبي سيالبي داده شده،داراي رژيم جريان فوق بحراني مي باشندمقاطع به ازاي هر سه شيب خط القعر مقاطع رودخانه را در ) 7(شكل. شيب بيشتر اين بازه نسبت به بقيه مسير رودخانه است

. طول مسير نشان مي دهد

سليمان سد مسجد -نمايش پروفيل طولي رودخانه كارون در بازه سد شهيد عباسپور : 7شكل . روند تغييرات عدد فرود عموما در هر سه جريان انتخابي مشابه و منظم است -

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

مشاهده مي شود، به علت ) 6(به بعد به سمت پايين دست رودخانه، همانطور كه در شكل 135از مقطع -كاهش شيب رودخانه و در نتيجه كاهش سرعت جريان، از عدد فرود به ميزان قابل توجهي كاسته مي

. شود

:عدد رينولدز -6.1.2 .تغييرات عدد رينولدز جريان را نسبت به پروفيل طولي خط القعر رودخانه نشان مي دهد ) 8(شكل

. عدد رينولدز جريان در بازه مياني و عريض رودخانه كارون افزايش پيدا مي كند -

.روند تغييرات عدد رينولدز در هر سه جريان انتخابي مشابه و منظم است -

. توجه به مقادير عدد رينولدز در كل بازه پايين دست سد شهيد عباسپور، جريان متالطم كامل است با -

بازه پايين دست سد شهيد عباسپور(تغييرات ارتفاع سطح آب در طول رودخانه كارون : 2شكل

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

) د عباسپوربازه پايين دست سد شهي(تغييرات محيط خيس شده در طول رودخانه كارون : 3كلش

) بازه پايين دست سد شهيد عباسپور(تغييرات عمق هيدروليكي در طول رودخانه كارون : 4شكل

)بازه پايين دست سد شهيد عباسپور(تغييرات تنش برشي در طول رودخانه كارون : 5شكل

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

)عباسپوربازه پايين دست سد شهيد (تغييرات عدد فرود در طول رودخانه كارون : 6شكل

)بازه پايين دست سد شهيد عباسپور(تغييرات عدد رينولدز در طول رودخانه كارون : 8شكل

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

نتيجه گيري -3و در ايـن بـازه مـي ، به ميزان قابل توجهي بر تنش برشي جريان افزوده شده175تا 161در بازه بين مقاطع -1

. ي كنترل بستر مثل شيب شكن استفاده كردتوان با توجه به مورفولوژي رودخانه از سازه ها

كيلومتري رودخانه كارون در پايين دست سد شهيد عباسپور، به ازاي هر سـه دبـي سـيالبي 26در كل طول -2 .اعمال شده، جريان از نوع متالطم كامل است

اراست كـه نشـان در بين پارامترهاي مورد مطالعه، بيشترين تفاوت به ازاي سه دبي سيالبي را، عدد رينولدز د -3 .دهنده وابستگي زياد نوع جريان به دبي هاي سيالبي است

كمترين تغييرات را در بين پارامترها، به ازاي سه دبي سيالبي عدد فرود داراست كه نشان دهنده آن است كـه -4 .در طول رودخانه در هنگام وقوع سيل، جريان در حالت زير بحراني خواهد بود

تغييرات سـطح آب و تغييـرات عمـق مـدل مان در پايين دست بازه، با توجه به طول درياچه سد مسجد سلي -5 .كيلومتر برآورد مي شود 9حدود شده،

سـاله، 50و 20، 2رژيم جريان به ازاي هر سـه دبـي سـيالبي 135و 141، 143، 144، 145، 200در مقاطع -6 .ساله، فوق بحراني مي باشد 2 نيز رژيم جريان به ازاي دبي سيالبي 161فوق بحراني است و در مقطع

با توجه به افزايش محيط خيس شده به ازاي دبي سيالبي بيشتر، مي توان از سازه هاي كنتـرل سـيالب مثـل -7 .دايك يا پوند جهت كنترل سيل در مناطقي كه محيط خيس شده افزايش قابل توجهي دارند، بهره جست

مراجع -4سيت پروفيل سطح اب نسبت به ضريب زبري با توجه به هندسه بررسي حسا. قره چلو، س. حسيني، خ -1

.، سومين كنفرانس مديريت منابع آب ايران1387مهرماه . رودخانه

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

، انتشارات كميته ملي سدهاي )1386(آل ياسين، ا، كاربرد مهندسي رودخانه در رودخانه هاي دز و كارون، -2 .33، نشريه شماره )وزارت نيرو(بزرگ ايران

و، سازمان مديريت و برنامه ريزي كشور، راهنماي كاربرد مدل هاي رياضي و فيزيكي در وزارت نير -3 . الف-320نشريه شماره) 1386(مطالعات مهندسي و ساماندهي رودخانه،

انتشارات دانشگاه شهيد چمران محمد، محموديان شوشتري، ،)1387(اصول جريان در مجاري باز، -4 . اهواز،چاپ دوم

٥-Chow, V.T. ١٩٥٩. Open Channel Hydraulics. McGraw Hill, N. Y,PP ١١٣-١١٠ ٦- Gill."Diffusion Model for Aggrading Channels" J. Hydraulic Engineering, M.A(١٩٨٣)

Effects of flow hydraulic parameters in

Downstream of the dam using the model (Hec-Ras ٤). (case study:Karun river in downstream of Abbaspour dam.)

Saeed Shiri Arani1, Mehdi Ghomeshi2

1 M.Sc Student of Hydraulic Structures, Chamran University Of Ahwaz, Ahwaz

2 Professor Of Science Water Engineering , Chamran University Of Ahwaz, Ahwaz

Abstract

Calculate and predict the flow characteristics in rivers is important, especially in the downstream of dams.The main objectives of this research, simulation Karun River over ٢٦ km of the downstream Abbaspour dam to Masjed Soleiman dam is using Hec-Ras ٤ been made and assess the profiles of the surface water in the range of estimates three

معماري راه، سازه، ملي همايش چالوس واحد اسالمي آزاد دانشگاه

1390 اسفند

flow with return period ٢٠ ,٢ and ٥٠ years (٣٣٢٥.٠١٠ ,١٧٨٤.٠٢٢ and ٣٥٣٣.٤٣٥ m٣/s) as the three control flow of which the results of calculations of the flow characteristics, the range (depth of flow,the shear stress and advancing the frontiers of floods in the river) in natural conditions and the Karun River, is presented. Graphs ٢٠ and ٥٠ year flood flow of the match and in most cases together showed great similarity. Apart from the hydraulic depth, other figures show the incremental mode that given the existence of Masjed Soleiman Dam downstream, it would seem logical. state of Masjed Soleiman Dam downstream, it would seem logical. Most commonly during the period, the flow regime was subcritical and the type of flow was turbulent. In the range of the middle basin due to high slope and high shear stress flow, erosion is expected and in the

downstream, with respect to the deep water and low shear stress, sediment is expected.

Key Words: Mathematical model Hec- Ras ٤ , Hydraulic parameters , Karun River , flood discharge .