کتاب آموزش کاربردی مدلسازی جریان و رسوب در HEC-RAS

کتاب آموزش کاربردی مدلسازی جریان و رسوب در HEC-RAS

پیشگفتار کتاب آموزش کاربردی مدلسازی جریان و رسوب در HEC-RAS :

انجام هرگونه فعالیت در رودخانه‌ها مستلزم شناخت قواعد حاکم بر رودخانه و پیش‌بینی عکس العمل رودخانه نسبت به آن است تا از پیامدهای زیان بار مربوطه جلوگیری شود. شناخت یک فرآیند رودخانه‌ای با اندازه‌گیری پارامترهای هیدرولیکی در مقیاس واقعی معمولا دشوار می‌باشد.

از سوی دیگر مدلسازی انتقال رسوب نیز امری کاملا پیچیده و مشکل می‌باشد زیرا اطلاعاتی که جهت پیش‌بینی تغییرات بستر به کار می‌رود اساسا دارای عدم قطعیت بوده و تئوری‌های به کار رفته تجربی بوده و حساسیت شدیدی نسبت به دامنه وسیعی از متغیرهای فیزیکی از خود نشان می‌دهند.

بالا بودن هزینه‌های مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری، از جمله دلایلی است که استفاده از روش‌های فیزیکی را محدود ساخته و باعث سوق یافتن متخصصان به سمت مدلسازی ریاضی و عددی برای شبیه‌سازی جریان و رسوب داخل مجاری آبی شده است.

راهنمای طراحی حاضر مدلسازی هیدرولیک جریان یک بعدی توسط مدل معروف  HEC-RAS را درمسیر رودخانه‌ها و آبراهه‌های جاری و همچنین در نزدیکی سازه‌های هیدرولیکی پل و کالورت بررسی داخل مجاری آبی انتقال رسوب داخل مجاری آبی بیان گردیده است.

همچنین بخش‌های کاربردی مدلسازی رسوب نرم افزار (شامل تحلیل انتقال رسوب و ارزیابی اثر رسوب) برای سهولت دسترسی، بصورت گام به گام معرفی گردیده و نکات راهبردی برای مدلسازی جریان های رسوبی تشریح گردیده است.

محتوای کتاب آموزش کاربردی مدلسازی جریان و رسوب در HEC-RAS

این کتاب شامل چهار پیوست کاربردی برای مدلسازی جریان‌ و رسوب نیز می‌باشد که در آنها، مبانی مدلسازی پل‌ها و جریان‌های رسوبی بر اساس روش‌های موجود در مدل HEC-RAS تشریح گردیده است که متخصصان بتوانند با آشنایی کامل ار تئوری حاکم بر روش‌های مختلف، نسبت به انتخاب آنها اقدام نمایند.

یکی از نکات مهم، ارائه دستورالعمل کاربردی برای استخراج پارامترهای هندسی مدل با استفاده از الحاقیه   HEC-GeoRAS و نرم افزار ArcGIS می‌باشد تا مهندسان بتوانند براحتی با استفاده از محیط پرکاربرد سیستم اطلاعات جغرافیایی به مدلسازی جریان و رسوب اقدام نموده و نتایج را با قابلیت های آن مشاهده و تفسیر نمایند.

کتاب آموزش کاربردی مدلسازی جریان و رسوب مناسب چه کسانی است؟

در انتها نیز ماکروی کابردی  GRADISTAT برای تجزیه و تحلیل آمارهای اندازه ذرات نمونه‌های مختلف خاک و رسوب معرفی شده و نحوه استفاده از آن بیان گردیده است.

در وهله اول این راهنما برای استفاده مهندسین عمران و آب در محل اجرای پروژه‌های آبی در مسیر رودخانه‌ها بوده لیکن می‌تواند مورد استفاده محققین در زمینه مهندسی هیدرولیک نیز قرار گیرد.

با توجه به جوان بودن و وابستگی بسیار شدید علم مهندسی رودخانه به شاخه‌های مختلف علوم مهندسی شامل هیدرولیک، ژئوتکنیک، منابع آب و محیط زیست و همجنین عدم قطعیت‌های موجود در زمینه وضعیت انتقال رسوب در مجاری آبی طبیعی، عموما مشکلات جدی در بالادست و پایین دست محل اجرای طرحهای مهندسی رودخانه پدیدار می‌شود.

آنچه که مسلم است یکی از عوامل اصلی بروز مشکلات در پروژه‌های مختلف مهندسی رودخانه، عدم توجه به پدیده مهم انتقال رسوب بوده و بعضا مهندسان به بررسی وضعیت هیدورلیکی جریان اکتفا می‌نماید.

فهرست مطالب کتاب آموزش کاربردی مدلسازی جریان و رسوب

فصل اول: مقدمه 

۱-۱ تاریخچه علم رسوب
۱-۲ هیدرولیك انتقال رسوب
۱-۳ مدلسازی رودخانه
۱-۳-۱ ضرورت مدلسازی
۱-۳-۲ اهداف مدلسازی
۱-۳-۲-۱ پدیده‌های عمومی
۱-۳-۲-۲ پدیده‌های موضعی
۱-۳-۲-۳ روندیابی سیلاب
۱-۳-۲-۴ اثر الگوی جریان رودخانه بر محیط اطراف در شرایط مختلف جریان
۱-۳-۲-۵ اثر آبشستگی و رسوبگذاری در رودخانه و اطراف سازه‌های هیدرولیکی‌
۱-۳-۲-۶ اثر الگوی جریان رودخانه و سازه‌های هیدرولیكی بر روی ریخت‌شناسی رودخانه
۱-۳-۲-۷ مسایل زیست‌محیطی و كیفیت آب در رودخانه
۱-۴ معیارهای انتخاب مدل مناسب
۱-۴-۱ معرفی مدلHEC-RAS
۱-۵ ساختار كتاب

فصل دوم: مدلسازی یك‌بعدی جریان 

۲-۱ مقدمه
۲-۲ گام اول: تعریف پروژه
۲-۳ گام دوم: وارد نمودن اطلاعات مقاطع عرضی
۲-۳-۱ ترسیم مسیر اصلی رودخانه
۲-۳-۲ منوی EDIT
۲-۳-۲-۱ ابزار ویرایش عناوین و نقاط
۲-۳-۲-۲ ابزار ویرایش خطوط و متون
۲-۳-۳ منوی VIEW
۲-۳-۴ نمایش تصاویر پیش‌‌زمینه (BACKGROUND PICTURES)
۲-۳-۵ دادههای مقاطع عرضی
۲-۳-۵-۱ وارد نمودن اطلاعات مقاطع عرضی در مدل HEC-RAS
اطلاعات موردنیاز هر مقطع عرضی

معرفی منوی Options 

۲-۴ گام سوم: وارد نمودن داده‌های جریان
۲-۵ گام چهارم: انجام محاسبات جریان ماندگار
۲-۶ گام پنجم: مشاهده و چاپ نتایج
۲-۶-۱ نیم‌رخ عرضی سطح آب
۲-۶-۲ نیم‌رخ طولی سطح آب
۲-۶-۳ ترسیم توزیع سرعت در راستای مقاطع عرضی
۲-۶-۴ ترسیم پارامترهای هیدرولیکی جریان در راستای طولی رودخانه
۲-۶-۵ ترسیم منحنیهای دبی- اشل برای هر مقطع عرضی
۲-۶-۶ ترسیم نمودارهای سه بعدی (X-Y-Z)
۲-۶-۷ خروجیهای جدولی
۲-۷ مثال‌های كاربردی
۲-۷-۱ مثال ۱: مدلسازی نیم‌رخ سطح آب در کانال
۲-۷-۲ مثال ۲: مدلسازی نیم‌رخ سطح آب در محل پل

فصل سوم: توابع طراحی كانال پایدار 

۳-۱ مقدمه
۳-۲ راهنمای کلی مدلسازی
۳-۳ محاسبات جریان یکنواخت
۳-۳-۱ محاسبه شیب، دبی یا ارتفاع سطح آب
۳-۳-۲ محاسبه عرض كف
۳-۳-۳ كاربرد داده‌های جریان یکنواخت در فایل هندسی
۳-۳-۴ ذخیره داده‌های جریان یکنواخت
۳-۴ طراحی کانال پایدار
۳-۴-۱ روش كوپلند
۳-۴-۲ روش رژیم
۳-۴-۳ روش نیروی كششی
۳-۵ محاسبه ظرفیت انتقال رسوب
ترسیم منحنی سنجه رسوب (نمودار/جدول)
ترسیم نیم‌رخ انتقال رسوب (نمودار/جدول)

فصل چهارم: انجام تحلیل انتقال رسوب 

۴-۱ مقدمه
۴-۲ وارد نمودن داده‌های رسوب
۴-۲-۱ شرایط اولیه و پارامترهای انتقال
۴-۲-۱-۱ تابع انتقال
۴-۲-۱-۲ روش مرتبسازی مصالح بستر
۴-۲-۱-۳ روش‌های سرعت سقوط
۴-۲-۱-۴ عمق حداکثر و ارتفاع حداقل
۴-۲-۱-۵ حدود مقطع عرضی متحرک
۴-۲-۱-۶ دانه‌بندی مصالح بستر
۴-۲-۲ شرایط مرزی رسوب
۴-۲-۲-۱ انتخاب مکان مورد نظر جهت تعریف شرایط مرزی رسوب
۴-۲-۲-۲ بار تعادلی
۴-۲-۲-۳ منحنی سنجه
۴-۲-۲-۴ بارهای نقطهای و بارهای توزیعی
۴-۲-۲-۵ گزینه DOWNSTREAM PASS THROUGH BOUNDARY
۴-۲-۳-۱ گزینه SET SEDIMENT PROPERTIES
۴-۲-۳-۲ گزینه COHESIVE OPTIONS SET
۴-۲-۳-۳ گزینه BED CHANGE OPTIONS
۴-۲-۳-۴ گزینه CALIBRATE TRANSPORT FUNCTION
۴-۲-۳-۵ گزینه USER DEFINED GRAIN CLASSES
۴-۲-۳-۶ گزینه OBSERVED DATA

۴-۳ وارد نمودن دادههای جریان شبه غیرماندگار 

۴-۳-۱ انتخاب شرایط مرزی
۴-۳-۱-۱ شرط مرزیFLOW SERIES
۴-۳-۱-۲ شرط مرزی LATERAL FLOW SERIES
۴-۳-۱-۳ شرط مرزی UNIFORM LATERAL FLOW
۴-۳-۱-۴ شرط مرزی GATE TIME SERIES
۴-۳-۱-۵ شرط مرزی STAGE TIME SERIES
۴-۳-۱-۶ شرط مرزی RATING CURVE
۴-۳-۱-۷ شرط مرزی NORMAL DEPTH
۴-۳-۲ تنظیم دادههای مربوط به درجه حرارت آب
۴-۴ اجرای مدل انتقال رسوب
۴-۴-۱ تعریف یک PLAN
۴-۴-۲ تنظیم پارامترهای محاسباتی و پیش فرضهای مدل رسوبی
۴-۴-۲-۱ گزینه SEDIMENT COMPUTATION OPTIONS AND TOLERANCES
۴-۴-۲-۲ گزینه SEDIMENT OUTPUT OPTIONS
۴-۴-۲-۳ گزینه لایروبی
۴-۴-۲-۴ شیب انرژی انتقال رسوب
۴-۴-۲-۵ اجرای مدل رسوبی
۴-۵ نمایش نتایج
۴-۵-۱ ترسیم نیم‌رخ طولی
۴-۵-۲ نمایش سریهای زمانی

فصل پنجم: روش‌های ارزیابی اثر رسوب 

۵-۱ مقدمه
۵-۲ شروع کار
۵-۳ تعیین یک بازه رسوبی
۵-۴ وارد نمودن دادهها
۵-۴-۱ بخش BED MAT’L
۵-۴-۲ بخش HYDRO
۵-۴-۳ بخش SED PROP
۵-۴-۳-۱ تابع انتقال رسوب
۵-۴-۳-۲ روش محاسبه سرعت سقوط
۵-۴-۳-۳ حداکثر کلاس دانهبندی (قطر) بار شسته
۵-۴-۳-۴ وزن مخصوص ذرات
۵-۴-۳-۵ غلظت رسوبات ریزدانه
۵-۴-۴ بخش SOURCES
۵-۴-۵ بخش HYDRAULICS
۵-۴-۶ منوی OPTIONS
۵-۴-۶-۱ گزینه USER DEFINED PARTICLE SIZES
۵-۴-۶-۲ گزینه MULTIPLE TRANSPORT FUNCTIONS BY GRAIN SIZE
۵-۴-۶-۳ گزینه REMOVE CROSS SECTIONS FROM SEDIMENT REACH
۵-۴-۶-۴ گزینه BUDGET TOLERANCES
۵-۴-۷ اجرای برنامه SIAM
۵-۴-۸ خروجی مدل SIAM
۵-۴-۸-۱ گزینه SEDIMENT TRANSPORT POTENTIAL
۵-۴-۸-۲ گزینه SUPPLY AND BALANCE
۵-۴-۸-۳ گزینه LOCAL SUPPLY
۵-۴-۸-۴ گزینه ANNUAL CAPACITY
۵-۴-۸-۵ گزینه‌های WASH MATERIAL و BED MATERIAL
۵-۴-۸-۶ گزینه LOCAL BALANCE
۵-۴-۸-۷ گزینه NORMALIZED LOCAL BAL
۵-۴-۹ کاربردها و محدودیتهای برنامه SIAM

پیوست ۱: استخراج پارامترهای هندسی مدل HEC-RAS با استفاده از الحاقیه HEC-GeoRAS و نرم‌افزار ArcGIS 9.3 

پ۱-۱ مقدمه
پ۱-۲ تجهیزات موردنیاز کامپیوتر
پ۱-۳ دادههای موردنیاز
پ۱-۴ تعریف پروژه و شروع كار
پ۱-۴-۱ شروع کار با الحاقیه HEC-GEORAS
پ۱-۴-۲ ایجاد لایههای RAS
پ۱-۴-۳ ایجاد خط مرکزی رودخانه (STREAM CENTERLINE)
پ۱-۴-۴ ترسیم خطوط سواحل (BANK LINES)
پ۱-۴-۵ ترسیم مسیرهای جریان (FLOW PATHS)
پ۱-۴-۶ ترسیم مقاطع عرضی (XSCUTLINES)
پ۱-۴-۸ ایجاد سطوح غیر موثر (INEFFECTIVE AREAS)
پ۱-۴-۹ ایجاد موانع انسدادی (OBSTRUCTIONS)
پ۱-۴-۱۰ آمادهسازی اطلاعات جهت انتقال به مدل HEC-RAS
پ۱-۵ وارد نمودن اطلاعات هندسی در مدل HEC-RAS
پ۱-۵-۱ وارد نمودن دادههای پل

پیوست ۲: مبانی مدلسازی پل‌ها

پ۲-۱ هیدرولیك پل‌ها
پ۲-۱-۱ روش معادله انرژی
پ۲-۱-۲ روش معادله اندازه حرکت
پ۲-۱-۳ روش تجربی یارنل
پ۲-۱-۴ روش WSPRO
پ۲-۲ مقایسه روش‌های مختلف
پ۲-۲-۱ جریانهای با دبی کم
پ۲-۲-۲ جریان‌های با دبی بالا
پ۲-۲-۲-۱ نتیجهگیری کلی در مورد دبیهای بالا
پ۲-۳ موقعیت قرارگیری مقاطع عرضی در محدوده پل

پیوست ۳: مبانی مدلسازی رسوب در مدل HEC-RAS 

پ۳-۱ توابع محاسبه زبری بستر
پ۳-۱-۱ معادله مانینگ
پ۳-۱-۲ معادله کولگان
پ۳-۱-۳ معادله استریکلر
پ۳-۱-۴ معادله لیمرینوس
پ۳-۱-۵ معادله براونلی
پ۳-۱-۶ روش سرویس حفاظت خاک آمریکا
پ۳-۱-۷ معیارهای انتخاب معادله مناسب برای تخمین ضریب زبری مانینگ
پ۳-۲ مبانی طراحی كانال پایدار
پ۳-۲-۱ روش كوپلند
پ۳-۲-۲ تئوری رژیم
پ۳-۲-۳ روش نیروی كششی
پ۳-۳ توابع انتقال رسوب
پ۳-۳-۱ روش یانگ
پ۳-۳-۲ روش انگلوند- هانسن
پ۳-۳-۳ روش ایکرز- وایت
پ۳-۳-۴ روش میر- پیتر و مولر
پ۳-۳-۵ روش توفالتی
پ۳-۳-۶ روش لارسن
پ۳-۳-۷ روش ویلكاك
پ۳-۴ روشهای برآورد سرعت سقوط ذرات
پ۳-۴-۱ روش توفالتی
پ۳-۴-۲ روش ون راین
پ۳-۴-۳ روش روبی
پ۳-۴-۴ روش گزارش ۱۲

پیوست ۴: ماكروی GRADISTAT

پ۴-۱ مقدمه
پ۴-۲ معرفی نرم‌افزار GRADISTAT
پ۴-۲-۱ روش كار با نرم‌افزار

فهرست منابع