Transcript سيستم سطحي
هيدرولوژي • مراجع درس • • • • • • Applied Hydrology, V. T. Chow et al., MGH, 1988 Engineering Hydrology, Principles and Practices, V. M. Ponce, Printice Hall, 1989 Hydrology and Flood-plain Analysis, P. B. Bedient et al., Addison Wisely, 1988 Engineering Hydrology, K. Subramanya, TMH, 1988 Introduction to Hydrology, W. Wiessman et al. Elementary Hydrology, V. P. Singh, 1992 1386 ، دانشگاه صنعتی اصفهان، دک تر حمید رضا صفوی، هيدرولوژي مهندسي انتشارات استان قدس رضوی، امين عليزاده،هيدرولوژي كاربردي دانشگاه علم و صنعت ايران، محمد نجماي ي، ) 2 و1 هيدرولوژي مهندسي (ج • • • نگاهي بر وضعيت اب به عنوان ضروري ترين عامل حيات در کره خاکي • وضعيت کمي اب )(Status of Water Quantity • وضعيت کيفي اب )(Status of Water Quality وضعيت کمي اب محدوديت کمي منابع اب و ابهاي قابل-1 استفاده براي بشر اب يک منبع کمياب است Only this portion is renewable saline (salt) water: 10 to 100g/L (34g/L) brackish water: 1 to 10g/L freshwater: <1g/L وضعيت کمي اب Principal sources of fresh water for human activities (44,800 km3/yr) وضعيت کمي اب توزيع مکاني نامناسب-2 )توزيع مکاني ابهاي جهان (نسبت منابع به جمعيت • Water scarcity: <1000 m3 /person/year – chronic and widespread freshwater problems • Water stress: <1700 m3 /person/year – intermittent, localised shortages of freshwater • Relative sufficiency: >1700 m3 /person/year توزيع مکاني ابهاي جهان (با توجه به منابع موجود) وضعيت کمي اب -3توزيع زماني نامناسب و غير يکنواخت -4افزايش روز افزون نيازها به لحاظ رشد جمعيت و فرهنگ Population and Water Use 9000 8000 Withdrawal (km3/yr) 7000 Population (million) 6000 5000 4000 3000 2000 global freshwater use is ~4000 km3/year ~10% of the renewable supply (44,800km3/year) 1000 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 افزايش روز افزون نيازها Global Water Consumption Global Water Use وضعيت کيفي اب -1افزايش الودگيها -2راهيابي پسابهاي صنعتي و کشاورزي به منابع اب سطحي و زيرزميني -3گرم شدن تدريجي زمين و تغيير اقليم )(Climate Change -4تخريب منابع و جنگلها و... مقدمات و تعاريف: تعريف هيدرولوژي : (مطالعه))+Logyواژه يوناني اب( Hydrology=Hudor شاخه اي از علوم زمين که به مطالعه توزيع ،گردش و حرکت و ويژگيهاي ابهاي زمين مي پردازد. • علم مطالعه حرکت و گردش اب در طبيعت مي باشد . • علم مطالعه چرخه ابي يا سيکل هيدرولوژيک مي باشد . Some Terminology • Hydrology – Study of Water and its properties, distribution, and effects on the Earth’s surface, soil, and atmosphere • Water Management – Sustainable use of water resrouces – Manipulating the hydrologic cycle • Hydraulic structures, water supply, water treatment, wastewater treatment & disposal, irrigation, hydropower generation, flood control, etc. هیدرولوژي: • علمی که در رابطه با پیدایش و خصوصیات و نحوه ي توزیع اب در طبیعت بحث می کند. • بر اساس تعریف انجمن دولتی علوم و فنون در ایاالت متحده ،هیدرولوژي علم مطالعه ي اب در کره ي زمین بوده و در مورد پیدایش ،چرخش و توزیع اب در طبیعت، خصوصیات فیزیکی و شیمیای ی اب ،واکنش هاي اب در محیط و ارتباط ان با موجودات زنده بحث می کند. • امروزه بر حسب استفاده انسان و با توجه به گستردگی موضوع مستقل مربوط به اب در شاخه هاي مختلفی مورد بررسی قرار می گیرد. هیدرومتوئرولوژي (اب -هواشناسی): Hydrometeorology • کاربرد هواشناسی را در مسائل هیدرولوژي مورد بررسی قرار می دهد .به عبارتی علمی است که درباره ي مسائل مشترك هواشناسی و هیدرولوژي بحث می کند. لیمنولوژي: Limnology • علم مطالعه اب هاي داخل خشکی ها (مثل دریاچه ،برکه ها و ).....را می گویند در این رابطه به خصوصیات فیزیکی و شیمیای ی و بیولوژیکی اب دریاچه ها ،رودخانه ها و دیگر توده هاي اب موجود در داخل خشکی ها مورد بررسی قرار می گیرد. کرایولوژي (یخ شناسی): Cryology • علمی است که در ان خصوصیات مختلف اب در حالت جامد (مثل یخ و برف) بررسی میشود .یعنی کرایولوژي علم یخ شناسی و بررسی یخچالها است (که البته یخ شناسی علم جداگانه اي است). ژوئهیدرولوژي: Geohydrology • هیدرولوژي اب هاي زیر زمینی یا علم مطالعه ي اب در زیر زمین است که در مقابل ژوئهیدرولوژي ،علم مطالعه اب در سطح زمین را داریم که به ان هیدرولوژي اب هاي سطحی گ فته می شود. پوتامولوژي: Potamology • مسائل مربوط به جریان اب در رودخانه ها را مورد بررسی و مطالعه قرار می دهد که تاکید ان بیشتر بر جنبه هاي فیزیکی است تا بیولوژیکی هیدروگرافی: Hydrography • علم مطالعه ي وضعیت و خصوصیات فیزیکی اب به خصوص در مسائل کشتیرانی را می گویند .البته مطالعه ي جزر و مد در دریا هاي ازاد و نوسانات سطح اب و موج شناسی در قلمرو این علم قرار دارد. چرخه ي هیدرولوژي (گردش اب در طبیعت): • سیکل هیدرولوژي یک چرخه ساده نیست بلکه مجموعه اي از حرک تها و چرخش هاس مختلف در سه بخش اتمسفر (یا هوا سپهر – جو) ،هیدروسفر (اب سپهر) و لیتوسفر (پوشش سنگی سطح زمین) است. • سیکل هیدرولوژي چرخه اي است بدون ابتدا و انتها بدین صورت که اب از سطح دریاها و خشکی ها تبخیر شده بعد وارد اتمسفر می گردد و سپس بخار اب وارد شده به جو طی فرایند هاي گوناگون به صورت نزوالت جوي مختلف فرو می ریزد. • نزوالت جوي :یا قبل از رسیدن به سطح زمین توسط شاخه و برگ گیاهان گرفته می شوند (برگاب) که بعدا مستقیما از همان جا تبخیر می شوند و به هوا بر میگردند .یا در روي زمین جاري میشوند که به ان روان اب می گویند و یا ممکن است مقداري از ان در خاك نفوذ کند .ابی که وارد زمین می شود جذب خاك می شود و مقداري از ان در خاك ذخیره می شود و مقداري دیگر توسط تبخیر به هوا باز می گردد و یا اینکه سرانجام از طریق چشمه ها یا تراوش به داخل رودخانه ها دوباره به سطح زمین باز می گردد و در تمام موارد اب با تبخیر و بازگشت به اتمسفر سیکل هیدرولوژي را تکمیل می کند. سيکل هيدرولوژيک • فرايند يا مسير گردش اب را در طبيعت مي گويند • در حقيقت سيکل هيدرولوژيک گردش پيوسته اب در طبيعت بين اتمسفر ، خشکي و اقيانوسها مي باشد . چرخه هيدرولوژيک اب هيدرولوژي مهندسي: علم استفاده از تحليل هاي هيدرولوژيک در حل مسائل مهندسي و بخصوص مسائل عمراني سيستم هاي اصلی در : HC -1اقيانوسها به عنوان منبع اصلي اب در طبيعت (هيدروسفر)Hydrosphere ، - 2اتمسفر به عنوان عامل اصلي انتقال دهنده اب در طبيعت -3خشکي ها و زمين به عنوان عامل مصرف کننده اب (ليتوسفر)Earth System ، شماتيک سيکل هيدرولوژيک : بارش جريانهاي رودخانه اب هاي زيرزميني سيستم اقيانوسها اقيانوسها سيستم بارش سيستم زمين زمين سيستم جريانهاي ساحلي اب هاي زيرزميني سيستم اتمسفر اتمسفر سيستم تبخير و تعرق تبخير سيستم سطحي يا خشکي ها Land System سيستم زمين : سطح قرار دارد) سيستم زير سطحي (اليه اي که در عمق کم و در زير Subsurface system سيستم ابخوان (مخازني در زير زمين که اب در ان جمع مي شود) Aquifer System شماتيک سيستم زمين : جريان سطحي جريان اب زير سطحي سيستم سطحي سيستم زير سطحي نفوذ عميق تر جريان اب زير زميني سيستم آبخوان جريان اب در سيستم زير سطحي به صورت غير اشباع است در حاليکه در سيستم اب خوان به صورت اشباع است . سيستم سطحي : بارش تبخير و تعرق رواناب سيستم سطحي نفوذ مؤلفه های سيکل هيدرولوژی: • • بارش ) : (Precipitationباران ،برف ،تگرگ روانا ِب سطحيرواناب ) : (Run off • جريان) زيرسطحي رواناب ( ِجريان ا ِب زيرزميني ِ تلفات :بخشي ازبارندگي كه تبديل به رواناب نمي شود شامل : نفوذ ()Infiltration تبخير ( )Evaporationو تعرق ()ETپوشش گياهي جذب سطح مين توسط ِ برگاب ( : )Interceptionقسمتي ازبارندگي كه قبل از رسيدن به ِ ً ونهايتا تبخير مي شود . ذخيره سطحي يا چاالب ( : )Depression Storageبخشي ازبارندگي كه در ناهمواريها ِي سطح زمينجمع و سپس تبخير مي شود . • • • • بارندگی :مقدار ابی که از سطح خشکی ها و دریاچه ها به طور موقت در جو ذخیره می شوند و طی فرایندهاي فیزیکی به شکل ابر در می اید و بعد از اشباع شدن به صورت باران و .....به زمین باز می گردند. تبخیر :پدیده اي است که از هر گونه سطح مرطوب مانند سطح ازاد اب یا سطح مرطوب (گیاه و خاك) صورت گرفته و طی ان اب به بخار تبدیل می شود و به سطح زمین باز می گردد و از عوامل موثر بر تبخیر می توان دما ،رطوبت هوا ،سرعت باد و تابش خورشید را نام برد. تعرق :پس از اینکه اب وارد خاك شد ،بخشی از ان از طریق ریشه گیاه جذب می شود و داخل گیاه می شوند .اب موجود در گیاه از طریق روزنه هاي سطح برگ خارج و وارد جو می شود .این پدیده ي فیزیکی ،بیولوژیکی را تعرق می گویند. تبخیر .تعرق :در حوزه هاي اب ریز دو پدیده تبخیر از سطح مربوط به خاك و تعرق از سطح گیاهان را با هم بکار می برند. نفوذ :وارد شدن اب از هوا به داخل خاك را گویند ،سرعت نفوذ اب در خاك بستگی به خصوصیات فیزیکی و شیمیای ی خاك دارد. سرعت نفوذ در یک خاك خشک ابتدا زیاد است اما به تدریج کم میشود تا اینکه به حد ثابتی می رسد( .به ان ظرفیت نفوذ می گویند). جریان اب هاي زیر زمینی :اب هاي زیر زمینی حدود %4از مجموع اب های ی که فعاالنه در سیکل هیدرولوژي دخالت دارند را تشکیل میدهد .با این وجود % 50جمعیت دنیا از نظر اب شرب به اب هاي زیرزمینی متکی هستند. بارش برف باران تگرگ رواناب سطحي Surface RunOff مولفه ها يا فرايند هاي سيکل هيدرولوژی رواناب رواناب زير سطحي Subsurface RunOff جريان اب زير زميني Ground Water Flow نفوذ Infiltration تلفات تبخير و تبخير و تعرق Evaporation برگاب Interception ذخيره سطحي يا چاالب Depression Storage کابردهاي هيدرولوژي به عنوان ابزار کاربردي در طراحي و بهره برداري از سازه هاي ابي و منابع اب مطالعات سيالب – – – – – – طراحي حجم کنترل سيالب سدها مانور دريچه هاي سد در زمان سيالب و بهره برداري احداث سازه هاي کنترل در پايين دست نظير ساخت Levee طراحي سيستم هاي هشدار سيالب ،پيش بيني سيالب و طرحهاي نجات و بحران تحليل فراواني مقادير سيالب با احتماالت مختلف طرحهاي کنترل سيالب مطالعات بيالن منابع اب – تعيين بده و دبي ساعتي ،روزانه ،ماهانه و ساالنه در يک محل مشخص و در يک زمان مشخص براي تامين نيازهاي شرب و کشاورزي – مطالعات بده ابهاي زيرزميني مطالعات طراحي سيستم جمع اوري ابهاي سطحي و فاضالب کابردهاي هيدرولوژي به عنوان ابزار کاربردي در طراحي و بهره برداري از سازه هاي ابي و منابع اب مطالعات مربوط به محاسبه و تعيين دبي طراحي سازه هاي هيدروليکي – سريزها PMP :و PMF – – سيستم هاي جمع اوري ابهاي سطحي شهري سيستم زهکش راهها و غيره. مطالعات مربوط به فرسايش و رسوب در حوضه ها و رودخانه ها جهت ابخيزداري و طرحهاي حفاظت اب و خاک مطالعات مربوط به خشکسالي و پايش و پيش بيني ان مطالعات زيست محيطي و حداقل دبي الزم زيست محيطي و نيز تاالبها و باتالقها و حفظ اکولوژي کابردهاي هيدرولوژي به عنوان ابزار کاربردي در طراحي و بهره برداري از سازه هاي ابي و منابع اب تعيين ارتفاع مناسب سدهاي تاخيري و سدهاي ذخيره اي با هدف – توليد انرژي برق ابي – تامين نيازها – کنترل سيل مطالعات تنظيم مصارف اب کشاورزي (تبخير و تعرق) و صنعتي مطالعات طراحي پلها (جنبه هيدرولوژيکي ،ابشستگي و غيره) کابردهاي هيدرولوژي به عنوان ابزار کاربردي در طراحي و بهره برداري از سازه هاي ابي و منابع اب مطالعات زهکش پارکينگ ها ،فرودگاه ها ،راه اهن و غيره مطالعات زهکش ناشي از رگبارها در ساختمانها و مجتمعهاي مسکوني و زهکش باران از بام به زمين مديريت حوضه رودخانه )(River Basin Management تعريف حوضه ابريز: يک حوضه ابريز مولفه اي از سيستم خشکي است که رواناب بارندگي بر روي ان در نقطه اي به نام نقطه تمرکز (نقطه خروجي) جمع شده و از ان نقطه تخليه مي گردد . خط الراس ارتفاعات نقطه تمرکز حوضه ابريز وقتي حوضه ابريز بارندگي را دريافت مي كند ،قسمتي از بارندگي ،قبل از رسيدن به شبكه ابراههها ،روي سطح حوضه به صورت يك جريان رو سطحي (overland )flowجاري مي شود .سپس اين جريانها جمع شده و تشكيل رودخانه اصلي را داده و نهايتا از نقطه خروجي يا تمركز خارج مي شود .يعني شيب نقاط به گونه اي است كه ابها به سمت نقطه خروجي هدايت ميشوند. حوضه ابريز مرز هر حوضه ابريز ،خط الراس ارتفاعات ان است ،يعني اگر دو حوضه كنار هم باشند ،مرزهاي جدا كننده ان ،خط الراس ارتفاعات است. بنابراين اشل مكاني كه تحليلهاي هيدرولوژيك روي ان انجام مي شود، حوضه ابريز يا بخشي از ان است. • توازن هیدرولوژي :مقدار اب موجود در کره زمین محدود و ثابت است .سیستم هیدرولوژیک زمین را می توان یک سیستم بسته در نظر گرفت اما در کارهاي معمولی سیکل جهانی اب مورد نظر نبوده و سر و کارمان بیشتر با سامانه هاي کوچکی مانند حوزه ابریز است که نمیتوان انها را به عنوان سیستم بسته در نظر گرفت بلکه سیستم هاي بازي هستند که بین مقدار اب ورودي به ان ها و اب خروجی از ان ها و تغییراتی که از نظر اب در داخل ان ها به وقوع می پیوندد رابطه زیر است: I – O =S • یعنی تغییراتی که از نظر اب در سیستم اتفاق می افتد برابر است با تفاوت اب ورودي و خروجی از سیستم که اگر بعد زمان را هم دخالت دهیم به شکل زیر در می اید: I – O =ds/dt • ds/dtتغییرات ذخیره ي اب در سیستم نسبت به زمان است ،به این معادله معادله ي هیدرولوژیک گ فته می شود که در محاسبات مربوط به بیالن اب زیاد استفاده می شود. • روان اب :موقعی اتفاق می افتد که شدت بارندگی و ریزش هاي جوي بیشتر از ذخیره سطحی و سرعت نفوذ باشد که مازاد اب به صورت جریان سطحی یا روان اب در سطح زمین جاري می گردد. P – R – G – E.T = S • یعنی مقدار ذخیره اي که از نظر اب بوجود می اید تفاضل بین مقدار اب هاي ورودي ( بارندگی ،روان اب ،اب هاي زیرزمینی و مقدار خروجی مثل تبخیر و تعرق )