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

فهرست 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.