پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS

word
98
35 MB
30863
1393
کارشناسی ارشد
قیمت: ۹,۸۰۰ تومان
دانلود فایل
  • خلاصه
  • فهرست و منابع
  • خلاصه پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS

    پایان­نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشدM.se

    رشته سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی- منابع آب و خاک

    چکیده :

    پدیده شکست سد از پتانسیل فاجعه انگیزی برخوردار است. بنابراین برآورد پارامترهای هیدرولیکی امواج سیلاب جهت پیش‌بینی خطرات و مدیریت منابع و امکانات و حفظ جان انسان‌ها امری مهم می‌باشد. از این رو موضوع شکست سد و تخمین سرعت و ارتفاع موج حاصل از این پدیده و در نتیجه تعیین نواحی  پرخطر پایین دست سد و برآورد خسارت‌های ناشی از شکست احتمالی سدها از دیر باز مورد توجه و مطالعه محققین بوده است. این مهم به کمک مدل‌سازی شکست سد انجام می‌شود. در این تحقیق معادلات آب‌های کم عمق با روش احجام محدود توسط حل کننده تقریبی ریمان (روش عددی HLL) حل میشوند و برای اولین بار در محیط ‎ArcO‎bject  برنامه‌نویسی شده و خروجی آن در محیط GIS  تحلیل خواهد شد. در این تحقیق شکست سد کرج شبیه سازی شده، ونواحی  پایین‌دست سد از نظر خطر آب گرفتگی، پهنه بندی گردید و مدت زمان رسیدن امواج سیل به نواحی پایین‌دست سد تعیین و نقشه‌های نواحی پرخطر پایین‌دست هنگام شکست آن تولید می­شود.

    واژگان کلیدی: GIS، شکست سد، مدل عددی، روش احجام محدود (FVM)، حل کننده تقریبی ریمان (HLL)، سد کرج

    1-فصل اول: کلیات تحقیق

    1-1-مقدمه

    ساخت سد در مسیر رودخانه، از روزگار قدیم مورد توجه بشر بوده است. نیاز همیشگی انسان‌ها در طول تاریخ برای تأمین منابع آبی مورد نیازشان مهم‌ترین توجیه برای ساخت سازه‌هایی بوده که بتوانند آب را ذخیره کنند. امروزه الزامات و توجیهات اقتصادی، رفاهی و حتی سیاسی برای ساخت سدهای بزرگ به طور گسترده‌ای افزایش یافته است. اگرچه ساخت سدهای بزرگ، رفاه و آسایش برای بشر را به همراه داشته ولی شکست آن‌ها بارها هزینه‌های هنگفت مالی و جانی را موجب شده است. هزینه‌ها و خطرات شکست سد باعث می‌شود تا قبل از ساخت، انجام مطالعات گسترده‌ای در زمینه تحلیل ریسک شکست سد، تحلیل خسارت و مدیریت بحران ضروری باشد که نتیجه ‌این مطالعات در انتخاب محل احداث سد، نوع و خصوصیات آن تعیین‌کننده خواهد بود. به همین منظور مدل‌های ریاضیاتی روندیابی موج حاصل از شکست توسعه یافتند. طی چند­ دهه گذشته، پیشرفت سریع علوم کامپیوتر و بالا رفتن سرعت محاسبات موجب شده تا در کنار ساخت مدل‌های فیزیکی و آزمایشگاهی، استفاده از روش‌های عددی در شبیه‌سازی شکست سد و روندیابی موج حاصل از آن، گسترش یابد. با اینکه کاهش هزینه و زمان، استفاده از مدل‌های شبیه‌ساز کامپیوتری را افزایش داده ولی برای صحت‌سنجی و واسنجی مدل‌ها نیازمند استفاده از نتایج مطالعات آزمایشگاهی و اطلاعات ثبت شده شکست سد در برداشت‌های میدانی از نمونه‌های واقعی هستیم.

    1-2-طرح مسئله و ضرورت انجام تحقیق

    سدها با اهداف گوناگونی ساخته می‌شوند. با این حال، صدمات مالی و جانی زیاد ناشی از شکست آن می‌تواند معضلات بی‌شماری را برای جوامع انسانی و اکوسیستم‌ها ایجاد نماید. با توجه به صدمات مالی و جانی وسیع حاصل از پدیده شکست سد، می‌توان این پدیده را از لحاظ میزان تخریب و خسارت هم‌ردیف بلایای طبیعی دانست. آنچه در شکست سد با آن روبه‌رو هستیم، آزاد شدن حجم عظیمی از آب پشت سد و ایجاد امواج سهمگین در پایین‌دست سد است. با توجه به سرعت زیاد این امواج، خسارت در پایین‌دست سد زیاد بوده و زمان هشدار که نقش مهمی در میزان خسارات جانی دارد، بسیار محدود است. از این رو موضوع شکست سد و همین طور تخمین سرعت و ارتفاع موج حاصل از این پدیده و در نتیجه تعیین نواحی  پر خطر و برآورد خسارت­های ناشی از شکست احتمالی سدها از دیر باز مورد توجه و مطالعه محققین بوده است.

     پس از لحاظ مکانی-زمانی، باید اطلاعاتی از رفتار آب پس از شکست سد را داشته باشیم، تا روش لازم برای واکنش اضطراری هنگام شکست سد فراهم گردد. بدون شبیه‌سازی شکست سد، اطلاعاتی از رفتار آب در پایین‌دست سد بهنگام وقوع حادثه بدست نمی­آید. لذا نمی­توانیم عکس‌العمل مناسبی هنگام شکست سد داشته باشیم. اهمیت پیش‌بینی نواحی  آب گرفته، نحوه و زمان فروکش کردن سیل ناشی از شکست سد به منظور تدارک دیدن تمهیدات لازم قبل یا بعد از آن و همچنین به هنگام مطالعات مرتبط با ریسک شکست سد، باعث توسعه یافتن مدل‌های ریاضی در زمینه شبیه‌سازی شکست سد شده است.

    یکی از مناسب‌ترین روش‌ها برای نشان دادن حرکت موج ناشی از شکست سد، مجموعه معادلات حاکم بر آب‌های کم عمق است و با توجه به عدم وجود روش‌های دقیق ریاضی جهت حل این معادلات در حالت کلی، محققان روش‌های عددی مختلفی را پیشنهاد داده‌اند که در این تحقیق با استفاده از مدل عددی احجام محدود و  روش حل عددی HLL اقدام به حل این معادلات شده است. سپس با استفاده از این  مدل عددی رفتار آب را به هنگام شکست سد کرج شبیه‌سازی می­شود.

    1-3-سؤال اصلی

    -    چگونه می‌توان جریان آب ناشی از شکست سد را در محیط GIS شبیه‌سازی کرد؟

    -    آیا با استفاده از شبیه‌سازی شکست سد می‌توان نواحی   پایین‌دست سد کرج را  از لحاظ خطر آب گرفتگی پهنه بندی کرد؟

    1-4-فرضیات تحقیق

    -    حل معادلات آب‌های کم عمق به وسیله روش عددی حجم محدود امکان شبیه‌سازی شکست سد را در محیط GIS می‌دهد .

    -    با  شبیه‌سازی شکست سد می‌توان  نواحی  پایین‌دست سد کرج را از لحاظ خطر آب گرفتگی پهنه بندی کرد.

    1-5-اهداف تحقیق

    اهداف مورد نظر در این تحقیق عبارتند از:

    -    شبیه‌سازی شکست سد در محیط GIS.

    -    حل معادلات آب‌های کم عمق به وسیله روش عددی حجم محدود برای شبیه‌سازی شکست سد در محیط GIS.

    -    تعیین مدت زمان رسیدن امواج سیل به نواحی  پایین‌دست سد.

    -    تولید نقشه‌های نواحی  پرخطر پایین‌دست سد هنگام شکست آن .

    1-6-معرفی ساختار پایان‌نامه

    تحقیق حاضر در شش فصل تدوین گردید که توضیح این فصول به شرح زیر است:

    1-6-1-فصل اول:کلیات تحقیق

    در این فصل همان طور که از نظر گذشت به کلیات و چهارچوب پژوهش اعم از اهمیت موضوع،سؤال‌ها،فرضیه‌ها،و اهداف مورد نظر پرداخته شده است.

    1-6-2-فصل دوم :منطقه مورد مطالعه و پیشینه تحقیق

    در این فصل به معرفی و بیان ویژگی‌های منطقه مورد مطالعه پرداخته شده است.همچنین چکیده­ای از برخی تحقیقات صورت گرفته در زمینه شبیه‌سازی شکست سد و روش حل عددی HLL در مدل‌سازی شکست سد بیان می­شود.

    1-6-3-فصل سوم:مبانی نظری

    در این فصل از تحقیق، تعاریفی از سد و عوامل موثر در شکست سد، همچنین تاریخچه شکست سدها،همچنین تاریخچه روش HLL، مزایا و توانایی‌های آن،معادلات یک بعدی و روش­های حل عددی آن­ها پرداخته شده است.

    1-6-4-فصل چهارم:مواد و روش­ها

    در این فصل به مواد و روش­های مورد استفاده در این تحقیق شامل داده­ها مورد استفاده و روش انجام مراحل تحقیق اشاره می­شود.

    1-6-5- فصل پنجم: بحث و نتایج

    در این فصل نتایج حاصل‌شده از تحقیق و پیاده‌سازی مدل  طراحی‌شده در منطقه مورد مطالعه بیان می­شود.

    1-6-6-فصل ششم: جمع­بندی و ارائه پیشنهاد‌ و منابع

    در این فصل به جمع­بندی و ارائه پیشنهاد برای ادامه این تحقیق پرداخته شده است.

    2-فصل دوم: ناحیه مورد مطالعه و پیشینه تحقیقاتی

    2-1-مقدمه

    در این فصل ابتدا به ناحیه مورد مطالعه پرداخته شده است.سپس پیشینه تحقیقاتی در مورد شبیه‌سازی شکست سد و همچنین تحقیقاتی که در آن از روش HLL در حل عددی روش احجام محدود در شبیه‌سازی شکست سد مورد بررسی قرارگرفته شده است.

    2-2-موقعیت، حدود و وسعت ناحیه مورد مطالعه

    سد کرج و نواحی  پایین‌دست سد، این سد بین سال‌های 1337 تا آبان 1342 شمسی ساخته‌شده در موقعیت جغرافیایی شمال شرقی شهر کرج و در عرض‌های جغرافیایی 35 درجه و 46 دقیقه و 42 ثانیه تا  36 درجه و 00 دقیقه و 29 ثانیه  شمالی و 51 درجه و 00 دقیقه و 17 ثانیه تا 51 درجه و 14 دقیقه و 45 ثانیه شرقی قرار دارد، که در جاده چالوس و منطقه خوزنکلا در تنگه واریان واقع شده است. این سد با طول تاج 390 متر و ارتفاع 180 متر ، دریاچه‌ای به مساحت حدود چهار کیلومتر را ایجاد کرده است. همچنین این سد در 25  کیلومتری از مرکز استان یعنی شهرستان کرج قرار دارند، چندین روستا در مسیر جریان این سد قرار دارند که هنگام شکست  سد احتمال آب گرفتگی این روستاها وجود دارد.

     

    شکل 2-1 ناحیه مورد مطالعه را نشان می‌دهد.

    سد کرج از رودخانه کرج با شاخه‌های اصلی خود که مسافتی به طول 75 کیلومتر را از شمال شهرستان کرج در مسیر کوهستانی در جهت شمال به جنوب می‌پیماید، سیراب می‌شود.

     

    شکل(2-5) در زیر نقشه زمین شناسی ناحیه مورد مطالعه را نشان می­دهد.

    سنگ‌های اطراف سد شامل       هستند که بیشتر آن‌ها دارای سن ائوسن می­باشند.

     توف سبز رنگ (سنگ رسوبی)

     توف سبز رنگ با لایه‌هایی سنگ مرمر

     شیلی با میان لایه توفی و ما­سه سنگ:

    توف سبز رنگ با لایه های شیلی

    مارن

    ماسه سنگ ،کنگلومرا با قطعات توفی

    که این سنگ‌ها عمد تا با گسل­­های شرقی – غربی قطع شده­اند. گسل اصلی منطقه کرج گسل آبیک-فیروزکوه می­باشد، این گسل از شرق تهران شروع شده­، و تا نزدیکی آبیک قزوین ادامه دارد.

    شکل ‏2‑5 نقشه زمین شناسی ناحیه مورد مطالعه

    یکی از گسل­ها همان‌طور که در شکل دیده می­شود در کنار سد کرج قرار دارد و این در هنگام زلزله خطری برای سد محسوب می­شود.                                                               همچنین تصویر زیر نمای سه بعدی ناحیه مورد مطالعه را نشان می­دهد.

    شکل ‏2‑6- نمای سه بعدی منطقه مطالعاتی

    2-3-پیشینه تحقیقاتی

    از حدود سال 1980 میلادی تاکنون، محققین مختلف روش‌های متنوعی را برای مدل‌سازی پدیده شکست سد ارائه کرده­اند که اکثر این مدل‌ها بر پایه حل معادلات سنت-ونان[1] به کمک روش‌های تفاضل محدود استوار می‌باشند. لازم به ذکر است که غالب این مدل‌سازی‌ها با فرض بستر سیلابی صلب و غیرقابل فرسایش تهیه‌شده‌اند که از جمله این روش‌ها می‌توان به روش‌های ریمن[2] توسط گلایسر[3] (1998) روش لک-فردریش[4] توسعه‌یافته توسط رائو[5]، لاتا[6] (1992) و Nujic  (1995) و روش گادانو[7] توسط ساویک [8]و هولی[9] (1993) اشاره نمود.

    Ying و همکاران (1993) جریان‌های با سطح آزاد را در حالت یک بعدی و دوبعدی توسط روش (TVD[10])با دقت مرتبه دوم و روش‌های ذاتا غیر نوسانی مورد بررسی قراردادند (Ying et al,1993).

      Chu(1999) با به‌کارگیری الگوی حل مک-کورمک و با استفاده از روش حجم محدود، الگویی برای بررسی جریان به صورت دو بعدی پیشنهاد داده است. وی با استفاده از این الگو مسائلی نظیر پرش هیدرولیکی مایل، شکست یک سد دایره‌ای و بازشدگی یک دریچه را بررسی نموده است.(Wang ,2000);  (chu ,1999)

    Mingham  و همکاران (1999)  با استفاده از الگوریتم MUSCL[11]  و روش احجام محدود صریح مدلی جهت حل معادلات آب‌های کم­ عمق ارائه دادند. مدل ارائه‌شده برای شبکه‌بندی ساختار یافته بود و در معادلات حاکم از عبارت منبع صرف‌نظر شده است. انتگرال‌گیری زمانی با استفاده از روش رانج-کوتاه صورت گرفته از روش HLL برای محاسبه شار در حل مسئله ریمن استفاده شده است. مدل ارائه‌شده برای حالت یک بعدی بوده و تعمیم آن به حالت دو بعدی با استفاده از روش تجزیه عملگر صورت پذیرفته است. در نحوه حذف نوسانات، تنها به ذکر محدود نمودن شیب متغیرها اکتفا شده، بدون آنکه جزئیات بیشتری راجع به این موضوع، اعم از ذکر نوع محدودکننده و... ارائه داده شود(Mingham et al ,1999  ).

    حرکت موج ناشی از شکست سد با تکنیک عددی احجام محدود و الگوریتم MUSCL توسط Monthe و همکاران(1999) مطالعه شد. در این مطالعه از روش Reo و شبکه‌بندی مثلثی غیر ساختار استفاده شد. مدل‌سازی حرکت آلودگی نیز همزمان انجام شده است. در این مطالعه از یک تابع کنترل آنتروپی استفاده‌شده که دلیل این کار نقص روش Roe  در مواجهه با بسترهای خشک است( Monthe et al,1999).

    Tate و همکاران در سال (1999) روشی را برای افزایش دقت آنالیز خروجی HEC-RAS در Arcview به وسیله مطابقت داده­های نقشه‌برداری زمینی، هندسه رودخانه و سازه­های کنترل با مدل زمینی موجود در  GIS ارائه دادند.آن‌ها نتیجه گرفتند که این روش قابلیت بالایی در بررسی هیدرولیکی سازه­های کنترل سیل در طول رودخانه دارد(Tate et al,1999).

    گروهی از روش‌های با دقت بالا، غیر نوسانی و قادر به تسخیر شوک برای مدل‌سازی جریان آب‌های کم عمق توسط Tseng (1999) بررسی شده است. این روش‌ها عمدتآ شامل روش Roe، روش‌های مرتبه دوم TVD  وENO[12]  روش مرتبه سه ENO است. بررسی روش‌های فوق ابتدا برای حالت بدون عبارت منبع انجام‌شده و سپس با استفاده از روش تجزیه عملگر از نوع Strang، مسئله برای حالت‌های کاربردی دارای عبارت منبع تعمیم داده شد است. واسنجی مدل با استفاده از نتایج آزمایشگاهی و برخی مسائل دارای حل تحلیلی انجام بجز نتایج روش Roe، مطابقت خوبی بین نتایج آزمایشگاهی تحلیلی و نتایج مدل گزارش گردیده است. در ارزیابی کلی انجام‌شده، روش ENO مرتبه سه دارای بهترین دقت و روش Roe مرتبه یک دارای کمترین دقت ذکر گردیده است. برای موارد کاربردی روش رتبه دوم TVD  یا مرتبه دوم ENO  توصیه شده است ( Tseng , 1999).

    روش گادانو یک مرحله از روش بالادست، که خواص فیزیکی معادله جریان را در نظر می­گیرد، جلوتر رفته و با استفاده از حل دقیق مسئله ریمن، مشخصات فیزیکی بیشتری را در روش عددی در نظر می­گیرد. اغلب روش‌های فوق، نوسانات نادرستی در جلوی موج‌دارند، برای کاهش این نوسانات،فنما [13] و چادوری [14]  (1987) روش مک کورمک[15] همراه با روش بیم و وارمینگ [16]را به کاربردند. (Tseng,2000); ( chu,2000)

    الگوی پیشنهادی این دو، حل صریح به روش مک کورمک است که دارای دقت مرتبه دو در زمان و مکان است و توانایی شبیه‌سازی هر دو رژیم جریان فوق بحرانی و زیر بحرانی را دارند. این روش که در اوایل دهه 1970 گسترش یافت به دلیل ویژگی‌های ممتاز خود هنوز هم کاربرد زیادی در حل معادلات شکست سد دارد.

    شکست سد مالپاست با مدل عددی در شبکه‌بندی ساختار یافته بلوکی توسط، Valiani و همکاران (2002) مطالعه شد. مدل استفاده‌شده دارای دقت مرتبه دوم مکانی و زمانی است. الگوریتم عددی آن بر پایه روش‌های از نوع گودانوف و با استفاده از الگوریتم MUSCL  حاصل شده است. از هر دو روش Roe  و HLL  برای حل تقریبی مسئله ریمن در محاسبه شارها استفاده‌شده. ولی تنها نتایج روش HLL  ارائه گردیده است. دلیل این کار نتایج این روش و قابلیت بهتر این روش و قابلیت بهتر آن در مدل‌سازی بستر خشک ذکر شده است. برای حذف نوسانات عددی از محدودکننده مختلفی استفاده شده است که عملکرد آن‌ها در شرایط بسترهای غیر خشک یکسان گزارش شده است . برای بستر خشک، نتایج محدودکننده Minmod  بهتر از سایر محدودکننده‌ها بوده است. نتایج مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی پروژه [17]CADAM  و نتایج اندازه‌گیری شده در واقعه شکست سد مالپاست مقایسه شده است(Valiani et al,2002).

    Stelling (2003) از یک مدل دو بعدی حجم محدود مبتنی بر شبکه جابجا شده برای مدل‌سازی ضمنی جریان متغیر سریع در محدوده زیر بحرانی و فوق بحرانی با استفاده از معادلات بقای جرم، اندازه حرکت و انرژی استفاده نمود. در این مدل برای محاسبه شارها از روش مرتبه اول بالادستی استفاده گردید. نتایج مدل حاضر نشان‌دهنده قابلیت مذکور در مدل‌سازی جریان در مجاورت گرادیان‌های شدید است. لیکن این توانایی با افزایش شدت گرادیان کاهش می‌یابد و شاهد خطا پخش عددی در نتایج هستیم(Stelling ,2003).

    مدل ارائه‌شده توسط Yoon   و همکاران (2003) برای حل میدان جریان در توپوگرافی و مرزهای متغیر با شبکه‌بندی بی ساختار مثلثی است. روش مورد استفاده احجام محدود صریح بوده، از روش HLL  برای حل مسئله ریمن در محاسبه شار استفاده شده است(Yoon et al,2003).

    Brufau و همکاران (2004) نیز نحوه مدل‌سازی معادلات آب‌های کم عمق را با نگرش ویژه به مطالعه مرزهای متحرک که با تر و خشک شدن سلول‌های محاسباتی در پیشانی موج حاصل می­شود انجام داده­اند. محققان با در نظر گرفتن حفظ خاصیت بقاء جرم، روشی را بدین منظور ارائه داده­اند. نتایج آزمون شکست سد مالپاست نیز با کاربرد جدید برای مرزهای تر و خشک در مقاله گزارش شده است. نتایج از دیدگاه رسیدن موج، عمق آب و پایستاری بقاء جرم، رضایت‌بخش بود (Brufau et al, 2004).

    مدل Namin و همکاران(2004) بر اساس حل معادلات حاکم در شبکه مثلثی با روش‌های عددی با دقت مرتبه دو سه است. محققان بعد از انجام آزمون‌های مختلف برای نشان دادن قابلیت‌های مدل ارائه‌شده، طی یک مطالعه موردی جریان در خور Ribble  پرداخته­اند. نتایج عددی با اندازه‌گیری‌های میدانی مقایسه شده است (Namin et al, 2004).

    Ying و همکاران (2006) به شبیه‌سازی شکست سد با استفاده از مدل عددی دو بعدی CCHE2D-DAM BREAK پرداختند، و این مدل روی سدهای کشور عراق که در کنار  رودخانه  دجله و فرات قرار دارند  اجرا کردند، و نتایج قابل قبولی به دست آوردند. (Ying et al,2006).

    Ying و همکاران (2007) در تحقیق خود به شبیه‌سازی شکست سد با استفاده از مدل عددی دو بعدی CCHE2D-DAM BREAK پرداختند، و این مدل روی سد فالکون که در رودخانه ریوگراند که در امتداد مرز میان ایالات‌متحده آمریکا و مکزیک است پرداختند، نواحی  پرخطر را از نظر آب گرفتگی  پهنه بندی کردند (Ying  et al,2007)

    تحقیقات انجام‌شده توسط Begnudelli و همکاران (2006) مربوط به مطالعات فرآیند تر و خشک شدن با شبکه‌بندی غیر ساختار مثلثی در مدل‌سازی جریان آب‌های کم عمق است. مدل ارائه‌شده، برای مدل‌سازی جریان به همراه انتقال آلودگی یا رسوب در توپوگرافی متغیر توانایی دارد. برای مدل‌سازی جریان از مدل جریان Bradford  و همکاران (2002) استفاده شده است که بر اساس روش MUSCL و حل کننده Roe است. Begnudelli و همکاران (2007) کار مشابهی برای المان‌های 4 ضلعی گزارش کرده‌اند. در این تحقیق افزایش 10 درصدی حجم محاسبات میدان جریان با به­کارگیری روش پیشنهادی برای مدل‌سازی مرز تر و خشک گزارش شده است (Bradford et al, 2002) ; (Begnudelli et al, 2006) ; (Begnudelli et al, 2007).

    بنی‌هاشمی(1378) در زمینه تسخیر شوک در جریان‌های با سطح آزاد در مدل­سازی شکست سد استفاده کرده اند. در این تحقیق که به صورت دو بعدی است، از ایده Mac Cormack TVD در قالب روش اختلاف‌های محدود استفاده شده است. (بنی‌هاشمی ،1378)

    پژوهی(1383) در تحقیق خود به مدل عددی یک بعدی شکست سد با فرض بستر قابل فرسایش پرداخت. نتایج حاصل از آزمون‌های مختلف انجام‌شده روی مدل عددی،نشان‌دهنده صحت و دقت مطلوب برنامه کامپیوتری تهیه شده است (پژوهی ،1383).

    بهارستانی (1385) در تحقیق خود برای  مدل­سازی دو بعدی حرکت آب و رسوب در شکست سد، از ترکیب روش مک کورمک با تکنیک component-wise TVD در چارچوب روش حجم محدودکننده کرد. نتایج نشان‌دهنده دقت مطلوب مدل‌سازی می‌باشند. و به علت استفاده از تکنیک TVD شاهد خطای پراکنش عددی نیستیم(بهارستانی ،1385).

    سید هاشمی و همکاران در سال(1386) با استفاده از مدل هیدرولیکی HEC-RAS، از الحاقی HEC-GeoRAS تلفیق آن با سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS) تأثیرات ناشی از شکست سد گلستان 1 در پایین‌دست آن شبیه‌سازی کردند، تا ابزاری قدرتمند در امر تصمیم‌گیری برای شرایط بحرانی در اختیار مدیران مربوطه قرار دهند. در این مطالعه شکست سد گلستان 1 و اثرات آن بر روی شهر گنبد واقع در پایین‌دست آن بررسی‌شده که به منظور استخراج اطلاعات هندسی مقاطع عرضی رودخانه گروگان رود برای مدل هیدرولیکی HEC-RAS در محیط Arc-View استفاده شده است. با مدل‌سازی سد گلستان 1 در محیط نرم‌افزار HEC-RAS و اعمال نحوه شکست آن جریان سیلاب در شرایط غیر ماندگار(unsteady) مدل‌سازی گردید و نتایج آن در زمان‌های مختلف به محیط Arcview ارسال و اثرات شکست سد بر روی سیلاب دشت و زمان رسیدن امواج سیلابی به محدوده شهر گنبد و تأسیسات پایین‌دست تعیین گردید(سید هاشمی و همکاران ،1386).

    مدل NAMROOD Dam Break  یک مدل عددی برای مدل‌سازی شکست سد است که قابلیت مدل‌سازی یک بعدی-دو بعدی جریان را نیز دارد. رفیعی (1388) از این مدل برای شبیه‌سازی شکست سد Touse  استفاده نمود. طبق اظهارات او از نقاط قوت مدل مذکور حل همزمان و ارتباط پیوسته مدل یک بعدی-دو بعدی است. این مرجع در مورد الگوریتم اتصال مدل یک بعدی و دو بعدی توضیحات کاملی ارائه نداده است و به ذکر این مطلب اکتفا نموده است که:در این مدل، در هر گام زمانی محاسبات در دو مرحله انجام می­گیرد، در مرحله اول معادلات یک بعدی حل شده تا پارامترهای مربوط به جریان یک بعدی تعیین شوند و در مرحله دوم محاسبات بر روی تمامی گره‌ها به صورت دو بعدی انجام می­گیرد (رفیعی ،1388).

     

    [1] Saint-Venant

    [2] Riemann                    

    [3] Glaister                         

    [4] Lax-Friedrish

    [5] Rao

    [6] Latha   

    [7] Gogunov

    [8] Savic 

    [9] Holly

    [10] Total Variation Diminishing

    [11] Monotone Upstream-centered Schemes for Conservation Laws

    [12] Essentially Non Oscillatory

    [13] Fenema

    [14] Chaudhry

    [15] Mc Cormack

    [16] Beam&warming

    [17] Concerted Action on Dambreak Modelling

    Abstract

    The dam failure phenomenon has a catastrophic potential. So estimation of hydraulic parameters of flood waves is essential in order to foresee risks and manage resources and protect humans. hence dam failure and estimation of resulting speed and wave height of this Phenomenon and thus determination of high risk areas of the dam Downstream and Estimated probable losses resulting from the failure of dams long been of interest to researchers studying. It is done with the help of a dam failure modeling. In this research, finite volume equations method for shallow water by approximate Riemann solver (numerical methods HLL) are solved and for the first time in the Arc object programing environment is programed and its output will be analyzed in a GIS environment. In this study, the karaj dam failure has been , simulated and the downstream areas of the sad were zoned acoording the risk of flooding and the maps of high risk at the time of failure was produced.

    Keywords: GIS, Dam Failure, Numerical Modeling, Finite Volume Method (FVM), the Approximate Riemann Solver (HLL), Karaj Dam.

     

  • فهرست و منابع پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS

    فهرست:

    فهرست مطالب

    1- فصل اول : کلیات تحقیق.. 2

    1-1- مقدمه. 2

    1-2- طرح مسئله و ضرورت انجام تحقیق.. 2

    1-3- سؤال اصلی.. 3

    1-4- فرضیات تحقیق.. 3

    1-5- اهداف تحقیق.. 3

    1-6- معرفی ساختار پایان‌نامه. 4

    1-6-1- فصل اول:کلیات تحقیق.. 4

    1-6-2- فصل دوم :منطقه مورد مطالعه و پیشینه تحقیق.. 4

    1-6-3- فصل سوم:مبانی نظری.. 4

    1-6-4- فصل چهارم:مواد و روشها 4

    1-6-5- فصل پنجم: بحث و نتایج.. 5

    1-6-6- فصل ششم: جمعبندی و ارائه پیشنهاد‌ و منابع.. 5

    2- فصل دوم : ناحیه مورد مطالعه و پیشینه تحقیقاتی.. 7

    2-1- مقدمه. 7

    2-2- موقعیت، حدود و وسعت ناحیه مورد مطالعه. 7

    2-3- پیشینه تحقیقاتی.. 13

    3- فصل سوم:مبانی نظری.. 21

    3-1- مقدمه. 21

    3-2- شکست سد. 21

    3-3- عوامل مؤثر بر شکست سد. 22

    3-3-1- نوع شکست سد با توجه به هیدروگراف سیل ناشی از آن.. 23

    3-4- بررسی عوامل ایجادکننده شکست... 23

    3-5- مدل ریاضی و روش‌های محاسباتی.. 25

    3-5-1- مدل‌های ریاضیاتی.. 25

    3-5-2- انتخاب مدل عددی.. 26

    3-5-3- رویکردهای اساسی برای حل مسائل ناپیوستگی.. 26

    3-6- معادلات حاکم بر جریان یک بعدی.. 29

    3-6-1- روش‌های حل عددی معادلات حاکم.. 32

    3-6-1-1- روش اختلاف‌های محدود. 32

    3-6-1-2- روش احجام محدود. 33

    3-6-1-3- روش حجم کنترل.. 34

    3-6-1-4- روش المان‌های محدود. 34

    3-7- روش حل عددی HLL.. 35

    4- فصل چهارم :مواد و روشها 40

    4-1- مقدمه. 40

    4-2- روش تحقیق.. 40

    4-3- داده‌های مورد استفاده در تحقیق.. 41

    4-3-1- داده‌های مکانی.. 42

    4-3-1-1- دادههای توپوگرافی.. 42

    4-4- توسعه مدل عددی برای شبیه‌سازی شکست سد. 42

    4-5- طراحی پایگاه داده مکانی.. 43

    4-6- ایجاد مقاطع عرضی.. 43

    4-6-1- تولید مدل رقومی ارتفاع. 43

    4-6-1-1- تولید لایه خط القعرجریان.. 43

    4-6-1-2- ایجاد نقاط روی خطوط عمود بر خط القعرجریان.. 45

    4-6-1-3- استخراج ارتفاع نقاط از مدل رقومی ارتفاع. 45

    4-7- نحوه انجام محاسبات مدل عددی و ارزیابی آن.. 46

    4-7-1- طراحی الگوریتم HLL.. 47

    4-7-2- حل معادله دبی.. 48

    4-7-3- ارزیابی مدل.. 50

    4-8- تعریف سناریوها 50

    4-8-1- تراز سطح آب و میزان بازشدگی حداکثر. 50

    4-8-2- تراز سطح آب 1760 و میزان بازشدگی حداکثر. 51

    4-8-3- تراز سطح آب 1760 و میزان بازشدگی 100 متر. 51

    4-8-4- تراز سطح آب حداکثر و میزان بازشدگی 100 متر. 51

    4-8-5- سطح آب و بازشدگی حداکثر اما بستر پایین‌دست تر. 51

    5- فصل پنجم: نتایج و بحث... 53

    5-1- مقدمه. 53

    5-2- صحت‌سنجی برنامه حل جریان.. 53

    5-2-1- آزمون استاتیک... 53

    5-2-2- آزمون شکست سد با پایین‌دست خشک... 54

    5-2-3- آزمون شکست سد با پایین‌دست تر. 56

    5-3- نتایج سناریو اول.. 58

    5-4- نتایج سناریو دوم. 62

    5-5- نتایج سناریو سوم. 65

    5-6- نتایج سناریو چهارم. 70

    5-7- نتایج سناریو پنجم.. 74

    5-8- مقایسه نتایج سناریوها بستر خشک... 78

    5-9- مقایسه نتایج سناریو بستر خشک با بستر تر. 79

    6- فصل ششم:جمعبندی و پیشنهاد. 81

    6-1- جمعبندی.. 81

    6-2- آزمون فرض... 83

    6-3- پیشنهاد. 83

    6-4- منابع فارسی : 84

    6-5- منابع لاتین : 85

    فهرست اشکال

    شکل ‏2‑1 ناحیه مورد مطالعاتی.. 8

    شکل ‏2‑2 سد کرج و نواحی  پایین‌دست... 8

    شکل ‏2‑3 موقعیت و جمعیت نواحی  پایین دست سد(سال85) 10

    شکل ‏2‑4 کاربری نواحی  پایین دست سد. 11

    شکل ‏2‑5 نقشه زمین شناسی ناحیه مورد مطالعه. 12

    شکل ‏2‑6- نمای سه بعدی منطقه مطالعاتی.. 13

    شکل ‏3‑1 مشخصات هندسی مقاطع عرضی در معادلات یک‌بعدی(رفیعی ،1388) 30

    شکل ‏3‑2 حجم کنترل در روش حجم محدود. 31

    شکل ‏4‑1 روش تحقیق.. 41

    شکل ‏4‑2 خط القعرجریان آب.. 44

    شکل ‏4‑3 ایجاد نقاط روی خطوط عمود بر خط القعرجریان.. 45

    شکل ‏4‑4 نمودار مقاطع عرضی در سه مکان جدا روی جریان رودخانه. 46

    شکل ‏4‑5- فرم مدل سازی شکست سد. 46

    شکل ‏4‑6- الگوریتم روش HLL.. 48

    شکل ‏5‑1 نتیجه مدل‌سازی آزمون استاتیک... 54

    شکل ‏5‑2 شرایط اولیه حل تحلیلی شکست سد با پایین‌دست خشک 54

    شکل ‏5‑3 نتیجه مدلسازی شکست سد با بستر خشک بعد از20 ثانیه. 55

    شکل ‏5‑4 مقایسه حل عددی و حل تحلیلی شکست سد با بستر خشک در زمان 20 ثانیه. 55

    شکل ‏5‑5- شرایط اولیه حل تحلیلی شکست سد با پایین‌دست تر. 56

    شکل ‏5‑6- نتیجه مدلسازی شکست سد با بستر تر بعد از 20 ثانیه. 57

    شکل ‏5‑7- مقایسه حل عددی و حل تحلیلی شکست سد با بستر تر در زمان 20 ثانیه. 57

    شکل ‏5‑8 پهنه بندی سیلاب در 12 دقیقه و 30 ثانیه پس از شکست سد (سناریو اول) 59

    شکل ‏5‑9 پهنه سیلاب 3 ساعت پس از شکست سد ( سناریو اول) 60

    شکل ‏5‑10 پهنه سیلاب 3 ساعت و 26 دقیقه پس از شکست سد ( سناریو اول) 61

    شکل ‏5‑11 پهنه سیلاب 14 دقیقه و 32 ثانیه  پس از شکست سد(سناریو دوم) 63

    شکل ‏5‑12 پهنه سیلاب 1ساعت و15 دقیقه پس از شکست سد(سناریو دوم) 64

    شکل ‏5‑13 پهنه سیلاب 4ساعت و 15 دقیقه پس از شکست سد(سناریو دوم) 65

    شکل ‏5‑14 پهنه سیلاب 15 دقیقه و 23پس از شکست سد (سناریو سوم) 67

    شکل ‏5‑15 پهنه سیلاب 2ساعت و 20 دقیقه پس از شکست سد (سناریو سوم) 68

    شکل ‏5‑16 پهنه سیلاب 4ساعت و 18 دقیقه پس از شکست سد (سناریو سوم) 69

    شکل ‏5‑17 پهنه سیلاب 15 دقیقه پس از شکست سد (سناریو چهارم) 71

    شکل ‏5‑18 پهنه سیلاب 2 ساعت پس از شکست سد (سناریو چهارم) 72

    شکل ‏5‑19 پهنه سیلاب 3 ساعت و 37 دقیقه پس از شکست سد (سناریو چهارم) 73

    شکل ‏5‑20 پهنه سیلاب 12 دقیقه پس از شکست سد (سناریو پنجم) 75

    شکل ‏5‑21 پهنه سیلاب 1ساعت و 50 دقیقه پس از شکست سد (سناریو پنجم) 76

    شکل ‏5‑22 پهنه سیلاب 3ساعت و 9 دقیقه پس از شکست سد (سناریو پنجم) 77

    شکل ‏5‑23- مقایسه سناریو اول با دوم (بستر خشک) 78

    شکل ‏5‑24 مقایسه سناریو اول با  چهارم(بستر خشک) 78

    شکل ‏5‑25- مقایسه سناریو اول با پنجم.. 79

    شکل ‏6‑1- مراحل مدیریت بحران.. 82

    فهرست جداول

    جدول ‏2‑1 نواحی  پاییندست سد و فاصله آنها از خط القعرجریان.. 9

    جدول ‏3‑1- نمونههایی از پدیده شکست سد (چیت سازان، 1389) 22

    جدول ‏3‑2- عوامل مختلف ایجادکننده شکست سد(رفیعی،1388) 24

    جدول ‏3‑3- آمار درصد وقوع شکست بر اساس نوع شکست(رفیعی،1388) 25

    جدول ‏4‑1- ضریب مانینگ تقریبی برای زمین با پوشش‌های مختلف... 49

    جدول ‏5‑1- زمان رسیدن سیلاب به نواحی  پاییندست سد ( سناریو اول) 58

    جدول ‏5‑2- زمان رسیدن پهنه سیلاب به نواحی  پایین دست سد(سناریو دوم) 62

    جدول ‏5‑3- زمان رسیدن پهنه سیلاب به نواحی  پایین دست سد(سناریو سوم) 66

    جدول ‏5‑4- زمان رسیدن پهنه سیلاب به نواحی  پایین دست سد(سناریو چهارم) 70

    جدول ‏5‑5- زمان رسیدن پهنه سیلاب به نواحی  پایین دست سد (سناریو پنجم) 74

    منبع:

    1-1-منابع فارسی :

     

    ابارشی مریم، جعفر زاده محمدرضا، حسینی سید محمود، (1389)، بررسی خطرات ناشی از شکست سد طرق، پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران.

    بنی‌هاشمی محمدعلی، (1382)، مدل دوبعدی شکست سد، گزارش نهایی طرح تحقیقات کاربردی، معاونت پژوهشی سازمان مدیریت منابع آب کشور، وزارت نیرو.

    بهارستانی، آیدا، )1385(، مدل دوبعدی حرکت آب و رسوب در شکست سد به روش حجم محدود، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، گرایش مهندسی آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تهران.

    جبلی اقدام، هه ژار، )1390(، مدل‌سازی دوبعدی شکست سد با روش بدون المانSPH  پایان‌نامه کارشناسی ارشد، گروه سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تهران.

    چیت­سازان، نیما (1389)، "مدل­سازی یک­ بعدی جریان ناشی از شکست سد در محیط­های شهری و روستایی"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تهران.

    خشوعی، فواد، )1389(، شبیه‌سازی دوبعدی شکست سد با استفاده از شبکه‌های نامنظم مثلثی (روش حجم محدود)، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، گروه سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تهران.

    رفیعی دستجردی، ک. (1388)، واسنجی مدل‌های ریاضی یک و دوبعدی شبیه‌ساز شکست سد با استفاده از اطلاعات میدانی، پایان‌نامه کارشناسی ارشد ، دانشگاه تهران.

    ضیاء، علیرضا (1387)، "الگوریتم عددی ساده و کارآمد برای مدل­سازی شکست سد"، پایان‌نامه دکتری، دانشگاه تهران.

    قنادکار سرابی، مارال، (1390)، "مدل عددی شکست سد خاکی در اثر سرریز آب از روی بدنه"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد،  دانشگاه تهران.

     

     

    1-2-منابع لاتین :

     

    Alcrudo, F. and Muler, J. (2007),  " Description of the Tous Dam break case study (Spain) ", Journal of Hydraulic Research, Vol. 45, Extra Issue, PP: 45-57

    B.Van Leer.MUSCL,A New Approach to Numerical Gas Dynamics.In Computing in Plasma Physics and Atstrophysik, Max-Plank-Institut fur Plasma Physik,Garchung,Germany,April 1976

    B.Van Leer.Towards The Ultimate Conservative Difference Schem.I.The Quest for Monotonicity.Lecture Notes in Physics,18:163-168,1973

    Begnudelli L, Sandres B. Conservative Wetting and Drying Methodology for Quadrilateral Grid Finite- Volume Models. Journal of Hydraulic Engineering. 2007; 133(3):312-322.

    Begnudelli L, Sandres B. Unstructured Grid Finite- Volume Algorithm for Shallow- Water Flow and Scalar Transport whit Wetting and Drying. Journal of Hydraulic Engineering. 2006; 132(4):371-384.

    Bradford SF, Sanders BF. Finite Volume Model for Shallow Water Flooding of Arbitrary Topography. Journal of Hydraulic Engineering. 2002; 128(3):289-298.

    Brufau P, Garcia-Navarro P, Vazquez-Cendon ME. Zero mass error using unsteady wetting-drying conditions in shallow flows over dry irregular topography. International Journal for Numerical Methods in Fluids. 2004; 45:1047-1082.

    Fenema R, Chaudhry MH. Explicit Methods For 2-D Transient Free- Surface Flows. Journal of Hydraulic Engineering. 1990; 116(8):1013- 1034.

    Ferziger JH, Peric M. Computational methods for fluid Dynamics, Springer. Germany, 1997.

    Fraccarollo, L. and Toro E. F. Experimental and numerical assessment of the shallow water model for two-dimensional dam-break type problems. J. of Hydraulic Research. 1995; (6):843-846.  

    Henderson, F.M., (1966). "Open channel flow". Macmillan, New York.

    Hirsch C. Numerical Computation of Internal and External Flows. Vol. 1. Fundamentals of Numerical Discretization John Wiley: England, UK., 1988.

    Masayuki F. et al. Godunove-type solution of curvilinear shallow water equations. Journal of Hydraulic Engineering. 2000; 126(11):827-836.

    Mingham CG, Causon DM. High- Resolution finite- volume method for shallow water flows. Journal of Hydraulic Engineering. 1998;124(6):605-613.

    Monthe LA, Benkhaldoun F, Elmahi I. Positivity preserving finite volume Roe schemes for transport- diffusion equations. Computer Methods in Applied Mechanics Engineering. 1999; 178:215-232.

    Namin M, Lin B, Falconer R.A, Modelling esturine and coastal flows using an unstructured triangular  finite volume algorithm. Advances in Water Resources. 2004; 27:1179-1197.

    Nujic M. Efficient Implementation of non-oscillatory scheme for the computation of free surface flows. Journal of Hydraulic Research. 1995; 33:101-111.

    Patankar SV. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Publishing Cerperation, 1980.

    S.Osher and F.Solomon. Upwind Difference Schemes for Hyperbolic Concervation Laws. Math Comp.38,153:339-374,1982

    Stelling, G. S., and Duinmeijer, S. A., A staggered conservative scheme for every Froude nimber in rapidly varied shallow water flows, International Journal for Numerical Methods in Fluids 2003; 43: 1329-1354.

    Tate, E.C, Olivera, F. and Maidment, D. 1999. "Floodplain Mapping Using HECRAS and ArcView GIS". Center for Research in Water Resources (CRWR), Report No. 99-1.

    Toro, E. F. (2001), "Shock-capturing methods for free-surface shallow flows", New York, Wiley Publishers, 2001.

    Tseng MH. Explicit finite volume non- oscillatory schemes for 2D transient freesurface flows. International Journal for Numerical Methods in Fluids. 1999; 30:831-843.

    Tseng, M. H. and Chu, C. R. (2000). “Two-dimensional shallow water flows simulation using TVDMacCormac scheme.” J. of Hydraulic Research, Vol.38, No.2, 123-131.

    Valiani A,Caleffi V, Zanni A. Case Stady: Malpasset dam- break simulation using a two- dimensional finite volume method. Journal of Hydraulic Engineering. 2002; 128(5):460-472.

    Wang, J.S. and Ni, H. G. and He, Y. S. (2000), " Finite Difference TVD Scheme for Computation of Dam Break Problems ", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 126, No. 4, PP:  253-262.

    Ying, X. and Wang, S.Y. Too-dimensional numerical simulation of malpasset dam-break wave propasation, proceedings of international conference on Hydroscience and Engineering, Brishane, Australia, May 30-june 3,2004.

    Ying, X., Khan, A. A. and Wang, S.Y., An Upwind Method of one-Dimensional Dam Break Flows, proceedings of XXX congress oginternational Hydraulic Research Association, oreece, August 2003.

    Ying, X., Wang, S.Y. and Khan, A.A., Numerical Simulation of Flood Inundation Due to Dam and Levee Breach, Proceedings of ASCE World Water and Environmental Resources Congress 2003, Philadelphia, USA, June 2003.

    Yu H, Liu YP. A second- order accurate, component- wise TVD scheme for nonlinear, hyperbolic conservation laws. Journal of Computation physics.2001; 173:1-16.

    Zienkiewicz OC, Taylor RL, The Finite Element Method, Volume 3: Fluid Dynamics. Fifth Edition, Butterworth-Heinemann, Spain, 2000.



تحقیق در مورد پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, مقاله در مورد پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, پروپوزال در مورد پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, تز دکترا در مورد پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, تحقیقات دانشجویی درباره پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, مقالات دانشجویی درباره پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, پروژه درباره پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, گزارش سمینار در مورد پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, تحقیق دانش آموزی در مورد پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, مقاله دانش آموزی در مورد پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS, رساله دکترا در مورد پایان نامه شبیه ‌سازی رفتار آب به هنگام شکست سد با استفاده از روش‌ های عددی در محیط GIS

ثبت سفارش
تعداد
عنوان محصول
بانک دانلود پایان نامه رسا تسیس