| تعداد نشریات | 286 |
| تعداد نشریات سازمان | 84 |
| تعداد شماره‌ها | 2,873 |
| تعداد مقالات | 32,555 |
| تعداد مشاهده مقاله | 42,418,819 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 19,194,415 |
تعیین ضرایب اصلاحی هیدروگراف رواناب در شرایط احداث بندهای کوتاه آبخیزداری در آبراهه‌ها | ||
| مهندسی و مدیریت آبخیز | ||
| مقاله 5، دوره 15، شماره 3، مهر 1402، صفحه 404-422 اصل مقاله (1.17 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22092/ijwmse.2022.357101.1948 | ||
| نویسندگان | ||
| روح انگیز اختری* 1؛ محمد رستمی2؛ بهرام ثقفیان3؛ محمد علمی4 | ||
| 1استادیار پژوهشی، گروه مهندسی رودخانه و سواحل پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران | ||
| 2استادیار، گروه پژوهشی مهندسی رودخانه و سواحل، پژوهشکده حفاظت خاک و آبخیزداری، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران | ||
| 3استاد، گروه مهندسی عمران، دانشکده عمران، معماری و هنر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، تهران، ایران | ||
| 4دانشجوی دکتری، دانشکده عمران، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران | ||
| چکیده | ||
| مقدمه احداث بند اصلاحی در سرشاخه‌ها، یکی از روش‌های رایج مدیریت آبخیز برای کنترل رسوب، پایداری آبراهه و کاهش هیدروگراف سیل از بعد زمان تمرکز و دبی اوج محسوب می‌شود. در ایران، با وجود قدمت ۵۰ ساله، در اجرای گسترده این سازه کوچک‌مقیاس به‌وسیله ارگان‌های وابسته به سازمان منابع طبیعی و آبخیزداری کشور به عنوان دستگاه اجرایی، همچنان روش ارزیابی کمی و کیفی مناسبی برای آن ارائه نشده است. در بیان اثربخشی این سازه، شبیه‌سازی شرایط طبیعی در حالت وجود و عدم وجود این سازه در مدل‌های هیدرولوژیکی و هیدرولیکی، اجتناب ناپذیر است. البته بازدیدهای میدانی و اندازه‌گیری پارامترهای مربوطه در عرصه نیز، در تدقیق شبیه‌سازی و هم بیان تقریبی اثربخشی، از اقدامات اولیه محسوب می‌شود. بررسی‌های انجام شده نشان داد، در بسیاری از پژوهش‌ها، اثر بندهای اصلاحی بر روی هیدروگراف رواناب مد نظر بوده است. شبیه‌سازی بندها، به‌صورت هیدرولوژیکی با کمک تغییر در شیب آبراهه و زمان تمرکز حوضه و یا با استفاده از روش‌های روندیابی در مخزن انجام شده است که با توجه به فرضیات ساده شونده، برآوردی بیش از واقعیت ارائه می‌دهد. شبیه‌سازی هیدرولیکی دقیق‌تر، اما پیچیدگی و موانع خاص خود را دارا است. لذا، در این پژوهش سعی بر آن شد تا علاوه بر بهره‌مندی از دقت شبیه‌سازی هیدرولیکی و نیز از عدم پیچیدگی روابط هیدرولوژیکی، اثربخشی وجود بندهای اصلاحی در هیدروگراف رواناب اعمال شود. اثربخشی بندهای اصلاحی با تعیین و اعمال ضرایبی در هیدروگراف خروجی آبراهه بدون بند اصلاحی، صورت گرفت تا هیدروگراف خروجی آبراهه با بند اصلاحی به‌دست آید. مواد و روش‌ها در این پژوهش، اثربخشی بندهای اصلاحی متوالی در کاهش هیدروگراف خروجی از یک کانال مثلثی با سه طول 1000، 2000 و 3000 متر در سه شیب طولی پنج، 10 و 15 درصد، با استفاده از مدل هیدرودینامیکیMIKE 11 ، مد نظر است. در این بررسی، فرض بر آن است که بندهای آبخیزداری متوالی با ارتفاع 2.5 متر از تاج بند پایاب تا پاشنه بند سراب در هر کانال مثلثی احداث شود. لذا، تعداد بندها بر اساس طول و شیب آن از 20 تا 180 عدد متغیر خواهد بود. در این پژوهش، هیدروگراف خروجی از کانال مثلثی به عنوان متغیر وابسته و هیدروگراف ورودی به کانال، طول و شیب کانال، به عنوان متغیرهای مستقل در نظر گرفته شد. تغییرات بیشینه جریان خروجی تحت دو سناریوی کانال بدون بند اصلاحی (سناریوی اول) و کانال با وجود بندهای اصلاحی متوالی پر از رسوب (سناریوی دوم) مورد بررسی قرار گرفت تا بتوان اثربخشی بندهای اصلاحی در یک آبراهه را با پارامترهای هیدرولوژیکی شبیه‌سازی کرد. دو معیار سنجنده شامل درصد ضریب تسکین و درصد تغییر جریان برای بیان اثربخشی تعریف شد. درصد تغییرات دبی اوج هیدروگراف روندیابی شده در طول کانال نسبت به دبی اوج هیدروگراف ورودی یا به عبارتی اختلاف بین دبی ورودی و دبی خروجی برای سناریو و به ازای تغییرات طول مسیل، شیب و مقادیر مختلف هیدروگراف ورودی، "شدت روندیابی" نام‌گذاری شد. درصد تغییرات دبی اوج خروجی از سناریوی دوم نسبت به سناریوی اول هم تحت عنوان، درصد تغییر جریان، در نظر گرفته شد. نتایج و بحث ارزیابی نتایج مدل برای روندیابی هیدروگراف در طول کانال به ازای تغییر متغیرهای مستقل در قالب دو سناریو، کاهش دبی اوج، افزایش زمان پایه هیدروگراف خروجی و زمان تاخیر ناشی از روندیابی را در پی داشت. وجود بندهای اصلاحی، تغییر پارامترهای فوق را دو چندان کرده است. هر چه شیب طولی آبراهه افزایش پیدا می‌کند، میزان ذخیره در کانال کمتر شده و دبی خروجی و در نتیجه ضریب تسکین (کاهش دبی اوج خروجی نسبت به ورودی)، کاهش می‌یابد. هر چه حجم جریان ورودی بیشتر باشد، ضریب تسکین کمتر خواهد بود. ضریب تسکین با شیب طولی، رابطه معکوس و با طول کانال، رابطه مستقیم دارد. در صورت اجرای بندهای اصلاحی، هر چه طول کانال بیشتر می‌شود، به‌علت بیشتر شدن تعداد بندهای اصلاحی، میزان ذخیره در کانال افزایش یافته و کاهش شیب رخ خواهد داد و تغییرات دبی خروجی نسبت به دبی ورودی بیشتر خواهد بود، لذا، ضریب تسکین افزایش می‌یاید. هدف اصلی این پژوهش، بیان ریاضی اثربخشی بندهای اصلاحی در کاهش دبی اوج هیدورگراف خروجی از مسیل بر اساس شرایط مختلف بود. پس از انجام اجراهای متعدد و بررسی انواع روش‌های مختلف، مشاهده شد که می‌توان اثرات بند اصلاحی بر روی یک آبراهه را به‌صورت اثر یک مخزن خطی به همراه یک تاخیر زمانی در انتهای کانال مدل کرد. به عبارتی، دو تابع مخزن خطی و تابع تاخیر زمانی بر روی متغیرهای وابسته اعمال می‌شود تا متغیر مستقل به‌دست آید. برای هر زوج هیدورگراف (هیدروگراف خروجی از کانال بدون بند اصلاحی و دارای بند اصلاحی)، مقادیر، به عنوان تابع مخزن خطی و به‌عنوان تابع تاخیر زمانی برآورد شد. میانگین ضریب ذخیره (K) مخزن خطی برای طول‌های 1000، 2000 و 3000 متر و برای سه شیب مورد بررسی به‌ترتیب 500، 1100 و 1400 ثانیه برآورد شد. میانگین زمان تاخیر نیز برای سه طول یادشده به‌ترتیب 540، 1750 و 3700 ثانیه، محاسبه شد. هر چه طول کانال بیشتر، شیب کانال کمتر، و دبی ورودی به کانال کمتر باشد، پارامترهای فوق بزرگتر شده و لذا، ضریب تسکین بزرگتر می‌شود. نتیجه‌گیری در صورتی‌که آبراه‌های برای احداث بندهای اصلاحی انتخاب شود و هیدروگراف خروجی از آن با استفاده از مدل‌های تجربی، هیدرولیکی و هیدرولوژیکی در شرایط عدم وجود بندهای اصلاحی در دست باشد، هیدروگراف خروجی از آبراهه برای شرایط وجود سازه‌های کوچک مقیاس، با اعمال ضرایب ذخیره مخزن خطی و زمان تاخیر به‌دست آمده از این پژوهش، شبیه‌سازی و اصلاح خواهد شد. به این ترتیب، اثربخشی اجرای بندهای اصلاحی در کنترل سیل در آبراهه یادشده به‌دست خواهد آمد. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| بندهای اصلاحی متوالی؛ شدت روندیابی؛ مخزن خطی؛ مدل MIKE 11؛ هیدروگراف شبیه‌سازی | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Determination of improving parameters for runoff hydrograph in the conditions of the construction of check dams in streams | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Rouhangiz Akhtari1؛ mohammad Rostami2؛ Bahram Saghafian3؛ Mohammad Elmi4 | ||
| 1Assistant Professor, Research Department of River Engineering, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran | ||
| 2Assistant Professor, Research Department of River Engineering, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI), Agricultural Research Education and Extension Organization, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Tehran, Iran | ||
| 3Professor, Depatment of Water Resources Engineering, Science and Research Branch Islamic Azad University, Tehran, Iran | ||
| 4PhD Student, Department of Civil Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Introduction The construction of check dams in the branches is one of the common methods of watershed management to control sedimentation, watercourse stability and reduce the flood hydrograph from the time of concentration and peak flow. In Iran, despite being 50 years old, in the wide implementation of this small-scale structure by the bodies affiliated to the country's Natural Resources and Watershed Management Organization as an executive body, a suitable quantitative and qualitative evaluation method has not been provided. In expressing the effectiveness of this structure, it is inevitable to simulate natural conditions in the presence and absence of this structure in hydrological and hydraulic models. Of course, field visits and measurement of the relevant parameters in the field are also considered to be primary measures in the verification of the simulation and the approximate expression of the effectiveness. The investigations showed that in many researches, the effect of correction dams on the runoff hydrograph has been considered. Simulation of the dams has been done hydrologically with changes in the slope of the waterway and basin time concentration or by using the method of routing in the reservoir that according to simplified hypotheses, estimates more than reality. Hydraulic simulation is more precise but has its own complexity and obstacles. Therefore, in this study, we tried to apply the effectiveness of improving check dams in runoff hydrograph by using both the accuracy of hydraulic simulation and the lack of complexity of hydrological relations. The effectiveness of check dams is computed by determining and applying coefficients in the waterway output hydrograph without improving check dams to obtain the waterway output hydrograph with check dams. Material and methods In this research, the effectiveness of successive check dams in reducing the output hydrograph of a triangular channel with three lengths of 1000, 2000 and 3000 meters in three longitudinal slopes of five, 10 and 15%, using the MIKE 11 hydrodynamic model, is considered. In this study, it is assumed that series check dams with a height of 2.5 meters will be constructed in each triangular canal, therefore, the number of check dams will vary from 20 to 180 based on their length and slope. In this study, the output hydrograph of the triangular channel was considered as the dependent variable, and the input hydrograph, channel length, and channel slope were considered as independent variables. Variations of outflow hydrograph peak discharge were investigated under two scenarios. The first scenario for the condition where the channel is without improving check dams and the second scenario for the case where the channel was studied with full of sediment series check dams in order to simulate the effectiveness of the dams in a waterway with hydrological parameters. Two criteria were defined to express effectiveness: the percentage of the intensity of hydrograph routing and the percentage of flow discharge change. The percentage of changes in peak discharge of the hydrograph is determined in relation to the peak discharge of the inlet hydrograph. In other words, "attenuation coefficient" was named based on the difference between inlet and outlet discharge for the scenario and for changes in length of waterway, slope and different amounts of inlet hydrograph. The percentage of change in peak flow discharge from the second scenario compared to the first scenario was also considered as the percentage of flow discharge change. Results and discussion Evaluation of the model results for hydrograph routing along the channel in exchange for changing independent variables in the form of two scenarios resulted in decreasing peak flow, increasing the base time of output hydrograph, and delayed time due to trending. The existence of check dams has doubled the change in the mentioned parameters. As the longitudinal slope of the waterway increases, the amount of storage in the canal decreases, and the output discharge and therefore the intensity of the routing (decrease in peak outflow relative to the inlet). Increasing the volume of inflow decreases the intensity of the routing. Routing intensity has an inverse relationship with longitudinal slope and has a direct relationship with channel length. Increasing the number of check dams increases the amount of storage in the canal and as a result, slope reduction occurs and the changes in output discharge are greater than inlet flow. Therefore, the intensity of routing increases. The main purpose of this study was to determine the effectiveness of improving check dams in reducing peak discharge of ouflow hydrograph from a triangular channel based on different conditions using a mathematical model. After performing various simulations and investigating different methods, it was observed that the effects of improving check dams on a outflow hydrougraph can be modeled as the effect of a linear reservoir with a lag time at the end of the channel. In other words, two linear reservoir function and a lag time function are applied to independent variables to obtain the dependent variable. For both output hydrographs obtained in the channel without and with improving dams, K values were estimated as linear reservoir function and TL as lag time function. The average storage coefficient (K) of the linear reservoir was estimated 500, 1100 and 1400 seconds respectively for lengths of 1000, 2000, and 3000 m and for three slopes. The mean lag time for the three mentioned lengths was 540, 1750, and 3700 seconds, respectively. As the length of the channel increases, the slope of the canal, as well as the inflow to the canal, as well as the inflow to the canal decreases, and the amount of the above parameters and therefore the attenuation coefficient increases. Conclusion If a stream is selected for the construction of improving check dams and the output hydrograph is available using empirical, hydraulic, and hydrological models in the absence of check dams, the outflow hydrograph from the stream will be simulated and modified for the existence of small-scale structures by applying the linear reservoir storage coefficients and the lag time obtained from this research. In this way, the effectiveness of the construction of improving check dams in flood control will be achieved in the mentioned waterway. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Attenuation coefficient, Linear reservoir, MIKE 11 model, Series check dam, Simulation hydrograph | ||
| مراجع | ||
|
Abbasi, M., Mohseni, S., Kheirkhah, M., Khalighi Sigaroudi, M.M., Rostamizad, S., Hosseini, M., 2010. Assessment of watershed management activities on time of concentration and curve number using HEC-HMS model, case study: Kan Watershed, Tehran. J. Range Watershed Manag. 63(3), 375-385 (in Persian). Abbasi, N.A., Xiangzhou, X., Borja, M.E.L., Dang, W., Liu, B., 2019. The use of check dams in watershed management projects: examples from around the world. Sci. Total Environ. 676, 683-691. Amini, A., Ghazvinei, P.T., Javan, M., Saghafian, B., 2014. Evaluating the impacts of watershed management on runoff storage and peak flow in Gav-Darreh Watershed, Kurdistan, Iran. Arab. J. Geosci. 7(8), 3271-3279. Campbell, B., Sayer, J.A., Frost, P., Vermeulen, S., Ruiz Perez, M., Cunninggam, A., Prabhu, R., 2001. Assessing the performance of natural resource systems. Conserv. Ecol. 5(2), 22. Cucchiaro, S., Cavalli, M., Vericat, D., Crema, S., Llena, M., Beinat, A., Marchi, L., Cazorzi, F., 2019. Geomorphic effectiveness of check dams in a debris-flow catchment using multi-temporal topographic surveys. Catena 174, 73-83. Danish Hydraulic Institute (DHI). 2008. Mike 11 User’s guide. Danish Hydraulic Institute, Hørsholm Denmark. Darabi, M., Malekinejad, H., Talebi, A., Heydari, H., 2020. Evaluation of the performance of watershed management projects on the flood situation of Sivand Dam Watershed, Fars Province. Hydrogeomorphology 6, 83-105 (in Persian). Dillon, P., Stuyfzand, P., Grischek, T., Lluria, M., Pyne, R.D.G., Jain, R.C., Wang, W., Fernandez, E., Zheng, Y., Rossetto, R., 2018. Sixty years of global progress in managed aquifer recharge. Hydrogeology 27, 1–30. Feng, Z., Li, Z., Shi, P., Li, P., Wang, T., Duan, J., 2021. Impact of sedimentation by check dam on the hydrodynamics in the channel on the loess plateau of China. Nat. Hazards 107, 953-969. Ghodrati, A., Qudusi, J., Dadashi, M., 2004. Projects in Sepid-rud dams evaluation of watershed management. Proceedings of National Conference on Watershed Management and Soil and Water Management, Soil Conservation and Watershed Management Research Institute, Tehran. Iran (in Persian). Hassanli, A., Beecham, S., 2013. Criteria for optimizing check dam location and maintenance requirements. Check Dams, Morphological Adjustments and Erosion Control in Torrential Streams, 11-31. Hosseinzadeh, N.P., 2014. An investigation of the hydrological response of flood control structures based on the hydraulic simulation. MSc Thesis, Faculty of Engineering, Department of Civil Engineering, Islamic Azad University Science and Research Branch, Tehran, Iran (in Persian). Kaboosi, K., Jelini, J., 2017. The efficiency of detention reservoirs for flood control on the Jafar Abad River in Golestan Province (Iran). Russ. Meteorol. Hydrol. 42, 129-134. Kim, M.I., Kim, N., 2021. Analysis of debris flow reduction effect of check dam types considering the mountain stream shape: a case study of 2016 debris flow hazard in Ulleung-do Island, South Korea. Adv. Civ. Eng. 8899368. Mozzi, G., Pavelic, P., Alam, M.F., Stefan, C., Villholth, K.G., 2021. Hydrologic assessment of check dam performances in semi-arid areas: a case study from Gujarat, India. Front. Water 3, 628955. Safaee, A., Khodshenas, S.R., Davary, K., 2020. Flood control using a combination of delayed dam and coastal dike, case study: Kan River Basin. Ferdowsi Civ. Eng. 32(4), 105-117 (in Persian). Shiravi, B., Golkarian, A., Aboutalebi, P.N.A., 2016. The effect of construction of check dams on the concentration time and reduction of flood peak discharge, case study: Gash Watershed. Rangel. Water. Manag. (Iran. Nat. Resour.) 68(2), 307-322 (in Persian). Tang, H., Ran, Q., Gao, J., 2019. Physics-based simulation of hydrologic response and sediment transport in a hilly-gully catchment with a check dam system on the loess plateau, China. Water 11(6), 1161. Vaezi, A.R., Abbasi. M.M., Keesstra, S., Cerdà, A., 2017. Assessment of soil particle erodibility and sediment trapping using check dams in small semi-arid catchments. Catena 157, 227-240. Verstraeten, G., Rompaey, A.V., Poesen, J., Dost, K.V., Covers G., 2003. Evaluating the impact of watershed management scenarios on changes in sediment delivery to rivers. Developments in Hydrobiology, 169, Springer, Dordrecht. Xu, Y., Fu, B., He, C., 2013. Assessing the hydrological effect of the check dams in the loess plateau, China by model simulations. Hydrol. Earth Syst. Sci. 17(6), 2185-2193. Yazdi, J., 2017. Check dam layout optimization on the stream network for flood mitigation: surrogate modelling with uncertainty handling. Hydrol. Sci. J. 62(10), 1669-1682. Yuan, S., Li, Z., Li, P., Xu, G., Gao, H., Xiao, L., Wang, T., 2019. Influence of check dams on food and erosion dynamic processes of a small watershed in the loess plateau. Water 11(4), 834. Zhao, G., Kondolf, G.M., Mu, X., Han, M., He, Z., Rubin, Z., Sun, W., 2017. Sediment yield reduction associated with land use changes and check dams in a catchment of the loess plateau, China. Catena 148, 126-137. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 425 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 212 |
||