Transcript Document
هیدروگرافها موسوی ندوشنی ویراست بهار 1389 1 دانشگاه صنعت اب و برق فرآیندتشکیلجریانسطحی جریان روی سطح یا جریان ورقهای ()overland flow تجمع جریان روی سطوح پست ()shallow concentrated flow جریان در ابراهه ()open channel flow 2 دانشگاه صنعت اب و برق هیدروگراف )Q(t جریان سطحی منحنی فروکش جریان پایه t 3 دانشگاه صنعت اب و برق هیدروگراف()1 منحنیتغییراتدبینسبتبه زمانراهیدروگرافگویند. اینرویکردنسبتبهسایر روشهامزیتهایزیررادارد: 4 تغییراتدبیدریکبازهزمانیقابل پایشاست .اگرتغییراتدبیکندباشد میتوانبازهزمانیرابزرگترانتخاب نمود .اماچنانچهتغییراتدبیتندباشد بایدبازهزمانیراکوچکترنمود. t میتوانباداشتنآنحجمجریانرا محاسبهنمود. Q دبیاوج شاخهفروکش دانشگاه صنعت اب و برق )Q(t0 شاخه باالرونده t0 هیدروگراف()2 حجم درواقعسطحزیر هیدروگراف،حجمروانابرا بیانمیکند. t 5 Q t2 دانشگاه صنعت اب و برق t1 زمانهایشاخصدرهیدروگراف درهیدروگرافچهارزمان شاخصوجوددارد: زمانرسیدندبیبهحداکثر زمانتاخیر زمانتمرکز زمانپایه R Tc Tl Tp t 6 دانشگاه صنعت اب و برق Tb Q روشهایجدانمودندبیپایه زمان پایه هیدروگراف •دبیکلازدبیپایهودبی سیالبتشکیلشدهاست. •درتحلیلهابایددبیپایهرا ازدبیکلجدانمود .برای اینکارروشهایمختلفی مرسومکهدرشکلمالحظه میشود. •روش)(A-B-D-E • روش)(A-B-C-E •روش)(A-E N=0.8A0.2 7 دانشگاه صنعت اب و برق منحنیفروکش 8 دانشگاه صنعت اب و برق هیدروگرافواحد هیدروگراف ناشی از یک واحد بارندگی خالص است. یک واحد میتواند یک میلیمتر ،سانتیمتر یا یک اینچ باشد. این هیدروگراف شامل دبی پایه نیست. هیدروگراف واحد باید زمان تداوم بارندگی خالص را همراه خود داشته باشد. هیدروگراف واحد 2ساعته هیدروگراف واحد 6ساعته هیدروگراف واحد xساعته 9 دانشگاه صنعت اب و برق اجزاءهیدروگرافواحد()UH ارتفاع شدت مدت 10 دانشگاه صنعت اب و برق هیدروگرافواحدبهمنزلهیکابزار در واقع هیدروگراف واحد پاسخ حوضه است نسبت به بارشی که در ان صورت گرفته است و اگر درست محاسبه گردد بیانگر رفتار حوضه است نسبت به بارندگی ورودی با در دست داشتن هیدروگراف واحد و باران مازاد میتوان (بدون اندازهگیری) هیدروگراف متناظر ان بارندگی را براورد نمود. 11 دانشگاه صنعت اب و برق اصلمهمدرهیدروگرافواحد تقسیمبندیهای متنوعی در مدلهای بارندگی-رواناب وجود دارد که در اینجا میتوان به رابطه بین بارندگی و رواناب اشاره نمود: مدلهای ی که رابطه بین بارندگی و رواناب خطی هستند .که هیدروگراف واحد یکی از مصادیق ان است. مدلهای ی که رابطه بین بارندگی و رواناب غیرخطی هستند. 12 دانشگاه صنعت اب و برق اصولهیدروگرافواحد if I1 Q1 then C×I1 C×Q1 if I1 Q1 and I2 Q2 then I1+I2 Q1+Q2 دانشگاه صنعت اب و برق 13 اصلاولهیدروگرافواحد 14 دانشگاه صنعت اب و برق اصلدومهیدروگرافواحد 15 دانشگاه صنعت اب و برق هیدروگرافواحد 4ساعتهبااستفادهازهیدروگرافواحد 2ساعته 16 دانشگاه صنعت اب و برق روانابناشیازرگبارمرکب 17 دانشگاه صنعت اب و برق (Convolution principal)اصلپیچش حالت پیوسته حالت گسسته Q is flow, P is precipitation and U is unit hydrograph M is the number of precipitation pulses, n is the number of flow rate intervals The unit hydrograph has N-M+1 pulses دانشگاه صنعت اب و برق 18 کاربردیازپیچشباتوجهبهاصلخطی 19 دانشگاه صنعت اب و برق روشبدستآوردن UHازدادههایتجربی()1 ایدهال ان است که شرایط زیر برقرار باشد: رکورد زیادی از بارندگی در حوضه داشته باشیم بارندگی ثبت شده مناسب باید دارای شرایط زیر باشد: توزیع مکانی ( )spatialیکنواخت روی حوضه توزیع زمانی ان در حین باران خالص یکنواخت باشد. رگبارها منفرد و مجزا باشند. ارتفاع باران مازاد از 0.5تا 2.0اینچ باشد. زمان تداوم بارش مازاد ،تقریبا 25تا 30درصد زمان تاخیر حوضه باشد. 20 دانشگاه صنعت اب و برق روشبدستآوردن UHازدادههایتجربی()2 گامهای محاسبه به شرح زیر است: دبی پایه را از دبی کل هیدروگراف جدا میشود. حجم جریان سطحی محاسبه میگردد. ارتفاع رواناب بدست میاید. عرضهای هیدروگراف مشاهده شده بر ارتفاع رواناب تقسیم شده و عرضهای هیدروگراف واحد را بدست میدهد. هیدروگراف واحد حاصل ممکن است که شاخص نباشد؟ 21 برای رفع این مساله هیدروگراف واحد را برای چندین رگبار محاسبه نموده و سپس از پیکهای جریان و زمانهای حداک ثر ،متوسط گرفته میشود. دانشگاه صنعت اب و برق هیتوگرافبارانمازادو1-hr UH 9 0 22 Total 6 5 4 3 2 1 Time )(hr 5.0 0.4 0.9 1.2 1.6 0.8 0.1 Rainfall )(cm 4 3 2 1 8 7 6 400 200 100 5 100 200 400 800 600 دانشگاه صنعت اب و برق 0 )Time (hr 0 )Q (m3/s محاسباتروشپیچش q1 =0.1×100=10 q2=p2u1+p1u2 =0.8×100+0.1×200=100 q3=p3u1+p2u2+p1u3 =1.6×100+0.8×200+0.1×400=360 q4=p4u1+p3u2+p2u3+p1u4 q5=p5u1+p4u2+p3u3+p2u4+p1u5 q6=p6u1+p5u2+p4u3+p3u4+p2u5+p1u6 … دانشگاه صنعت اب و برق 23 Total جدولمحاسبات )0.1(uh UH 0 0 0 0 10 100 1 0 80 20 200 2 0 160 160 40 400 3 0 120 320 320 80 800 4 1670 0 90 240 640 640 60 600 5 2500 40 180 480 1280 480 40 400 6 2700 80 360 960 960 320 20 200 7 2410 160 720 720 640 160 10 100 8 1740 320 540 480 320 80 0 0 9 1000 240 360 240 160 0 460 160 180 120 0 170 80 90 0 40 40 0 0 0 0 )0.4(uh )0.9(uh )1.2(uh )1.6(uh 10 100 360 840 24 )0.8(uh )Time (h 10 11 12 13 14 دانشگاه صنعت اب و برق بدستآوردنهیدروگرافواحدبازمانهایمختلف روش تاخیر دادن سهولت و سادگی فقط برای مضارب صحیح از زمان هیدروگراف xساعته بهکار میرود .یعنی nx روش هیدروگراف S عملیات ان نسبتا مفصل و حجیم است ،اما میتوان با یک صفحه گسترده کار را سهل نمود. از هر زمان میتوان زمانهای دیگر را ساخت. 25 دانشگاه صنعت اب و برق هیدروگراف)1( S 3500 uh1 uh1L_1 uh1L_2 uh1L_3 uh1L_4 uh1L_5 uh1L_6 uh1L_7 uh1L_8 uh1L_9 S_curve 3000 2500 هیدروگراف S 2000 هیدروگرافواحد تاخیریافته 1500 1000 500 0 20 26 18 16 14 12 10 دانشگاه صنعت اب و برق 8 6 4 2 0 هیدروگراف)2( S 27 دانشگاه صنعت اب و برق )3( Sهیدروگراف S (D , t ) = U (D , t ) + U (D , t - D ) + U (D , t - 2D ) + L D U (T , t ) = [S (D , t ) - S (D , t - T )] T دانشگاه صنعت اب و برق 28 هیدروگرافواحدمصنوعی ً معموال دادههای مربوط به دبی و بارندگی برای حوضههای کوچک ،طبیعی (توسعه نیافته) و دور از دسترس اندازهگیری نشدهاند. روشهای مختلفی ارایه شده است که هیدروگراف واحد مصنوعی را بدست میدهد. در این حالت ،هیدروگراف واحد از روابط تجربی ناشی میگردد. هیدروگراف واحد سنتز شده از روابط تجربی ،متاثر از عوامل زیر است: در حالت کلی بسط هیدرگراف واحد مصنوعی متضمن موارد زیر است: 29 زمانهای شاخص هیدروگراف مساحت حوضه ،شیب طول حوضه زمان رسیدن به دبی حداک ثر دبی حداک ثر شکل هیدروگراف دانشگاه صنعت اب و برق هیدروگرافواحدمصنوعیاشنایدر این هیدروگراف توسط ارتش امریکا در نرمافزار HEC-HMSمورد استفاده قرار میگیرد. این تکنیک برای حوضههای ی با مساحت 10تا 10000مایل مربع مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش پنج مشخصه هیدروگراف مد نظر قرار میگیرد: 30 زمان پایه هیدروگراف زمان تاخیر دبی حداک ثر بازه زمانی در عرض 50درصد دبی حداک ثر بازه زمانی در عرض 75درصد دبی حداک ثر با استفاده از هفت نقطه فوق میتوان شکل کلی هیدروگراف را یافت و کنترل نمود که ارتفاع رواناب برابر واحد باشد. استفاده از این تکنیک اسان است اما باید در بهکارگیری ضرایب این روش احتیاط نمود. دانشگاه صنعت اب و برق جزییاتروشاشنایدر()1 زمان تاخیر 31 در این روش فرض میشود که L=tlزمان تاخیر است. با استفاده از رابطه تجربی زیر زمان تاخیر بصورت زیر است: Ctضریب تجربی است که از حوضههای اندازهگیری اخذ شده است و بین 1.8تا 2.2در تغییر است که مقدار تقریبی ان Ct=2.0است. Lطول بلندترین ابراهه برحسب mile Lcaفاصله از نقطه خروجی تا نقطهای روی ابراهه نزدیک مرکز ثقل مساحت حوضه بر حسب mile دانشگاه صنعت اب و برق جزییاتروشاشنایدر()2 زمان تداوم باران مازاد ( tdبر حسب ساعت) عبارت فوق با زمان تداوم باران مازاد خواسته متفاوت است .لذا تعدیل انجام میشود. که در ان tdaزمان هیدروگراف واحد و tlaزمان تاخیر تعدیل شده است. در اینجا میتوان زمان tlaرا بهجای tlبهکار برد. 32 دانشگاه صنعت اب و برق جزییاتروشاشنایدر()3 زمان پایه هیدروگراف به صورت زیر ارایه شده است. در اینجا زمان پایه بر حسب روز است .در حوضههای کوچک این زمان بین 3tLتا 5tLاست. دبی حداک ثر ) (Qp cfsعبارتست از: 640 ґ A ґ C p = QP A سطح حوضه بر حسب مایل مربع ضریب دوم Cpتجربی روش اشنایدر است ،که از 0.5تا 0.7تغییر میکند ،و به ضریب ذخیره حوضه شهرت دارد .که مقدار تقریبی ان Cp=0.6است. tl 33 دانشگاه صنعت اب و برق جزییاتروشاشنایدر()4 شکل هیدروگراف واحد اشنایدر توسط دو پارامتر زمانی W50و W75 کنترل میشود. )Discharge (m3/s Qp W75 W50 2/3W50 )Time (hr 34 دانشگاه صنعت اب و برق 1/3W50 جزییاتروشاشنایدر()5 مقادیر W50و W75به صورت زیر ارایه میگردد .این مقادیر بر حسب ساعت است. - 1.08 ) - 1.08 ) 35 QP A QP A (W 75 = 440 (W 50 = 770 دانشگاه صنعت اب و برق هیدروگرافواحدSCS سازمان حفاظت خاک امریکا تعداد زیادی هیدروگراف واحد در حوضههای ی که در انها اندازهگیری انجام میشود را مطالعه نموده است. دو پارامتر برای UHمورد نیاز است. دبی اوج زمان اوج در عمل دو نوع هیدروگراف واحد از این دست وجود دارد: 36 UHمثلثی UHبدون بعد دانشگاه صنعت اب و برق هیدروگرافواحدمثلثی L tb 37 دانشگاه صنعت اب و برق Tp Tc: time of concentration C = 2.08 (483.4 in English system) A: drainage area in km2 (mi2) دانشگاه صنعت اب و برق 38 هیدروگرافواحدبدونبعد در نتیجه تحلیل تعداد زیادی از هیدروگرافهای واحد طبیعی ،نسبتهای بدون بعدی برای منحنی هیدروگرافهای واحد بسط داده شده است. 1.0 T b 5 T p 5 39 Q Qp T Tp دانشگاه صنعت اب و برق 1.0 مثالیازهیدروگرافبدونبعد با استفاده از مثال هیدروگراف واحد مثلثی و جدول مربوطه هیدروگراف بدون بعد ساخته میشود. برای t/tp=0.5و Q/Qp=0.43داریم t=4.75 :و Q=1533 ft3/s برای t/tp=2و Q/Qp=0.32داریم t=19 :و Q=1141 ft3/s برای t/tp=3و Q/Qp=0.075داریم t=28.5 :و Q=267 ft3/s 40 دانشگاه صنعت اب و برق Q Qp t tp 0 0.015 0.075 0.16 0.28 0.43 0.6 0.77 0.89 0.97 1 0.98 0.92 0.84 0.75 0.66 0.56 0.42 0.32 0.18 0.075 0.036 0.018 0.009 0.004 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.8 2.0 2.4 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0