شبیه‌سازی جریان سیلاب در پایین‌دست سد کرخه و ارایه راهکارهای کنترل آن با نگاهی بر جایگاه زمین‌شناسی حوضه آبخیز
الموضوعات :نورالدین بازگیر 1 , علی محمد آخوندعلی 2 , کاظم حمادی 3
1 - دانشجوی دکتری، گروه هیدرولوژی و منابع آب، دانشکده آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز
2 - گروه هیدرولوژی و منابع آب دانشگاه شهید چمران اهواز
3 - مدیریت مطالعات پایه منابع آب سازمان آب و برق خوزستان
الکلمات المفتاحية: حوضه آبریزکرخه, سیلاب, زمین‌شناسی, شبیه‌سازی دوبعدی.,
ملخص المقالة :
حوضه آبریز کرخه با وسعت بیش از 50 هزار کیلومترمربع در غرب کشور واقع است. با این همه وجود سدهای مخزنی بالادست بخصوص سد مخزنی بزرگ کرخه، دشتها و شهرهای پایین‌دست آن هنوز از مخاطرات سيل در امان نیست. با توجه به جایگاه زمین‌شناسی حوضه آبریز رود کرخه، در بارش‌های شدید بیش از 70 درصد مساحت حوضه آبریز پتانسیل تولید سیلاب دارد. هدف پژوهش جاری شبیه‌سازی جریان سیلاب توسط مدل یک- دو بعدی و استفاده از کانالهای سیلاب بر و حوضچههای ذخیرهای برای انحراف و ذخیره بخشی از سیلاب به‌طوری‌که خسارات پایین‌دست را در حد قابل قبول تقلیل دهد. به‌منظور مدلسازی هیدرولیک جریان در شرایط سیلابی از مدل MIKE FLOOD استفاده شد. این مدل توانایی شبیه‌سازی جریان‌های پیچیده در رودخانه و سیلابدشتها را به‌صورت هیدرودینامیکی دارد. دادههای هیدرولوژیکی و هندسی مورد نیاز مدل آماده‌سازی شد؛ همچنین دبیهای سیلابی 500 تا 2500 مترمکعب بر ثانیه با تداوم 11 روزه و حجم معادل 475 تا 2376 میلیون مترمکعب طی پنج سناریو به‌عنوان مرز بالادست به مدل برای شبیه‌سازی معرفی شد. نتایج پژوهش نشان داد که از میان گزینههای مورد بررسی، حوضچه و سیلاب‌بر "شاکریه" در تمامی سیلابهای بزرگ رودخانه کرخه فعال است و از نظر حجم نگهداشت 50 درصد از کل حجم ذخیره پیشنهادی کل سامانه را تامین میکند. همچنین این حوضچه در نهایت به تالاب هورالعظیم منتهی میشود و علاوه بر کمک به تامین نیاز زیست‌محیطی تالاب، مکان مناسبی برای نگهداشت و ذخیره حجم قابل توجه سیلاب نیز میباشد. این گستره به‌عنوان موثرترین (اولویت اول) محل حوضچه تاخیری از نظر حجم ذخیره و مستعد بودن شرایط توپوگرافی تعیین شد.
احمدی شرف، ا. و تجریشی، م.، 1393. جانمایی حوضچههای ذخیره با استفاده از مدل شبیه‌ساز SWMM و تصمیم‌گیری چند معیاره مکانی. نشريه آب و فاضلاب، 25، 6، 94، 57-66.
امور نظام فنی معاونت برنامهریزی و نظارت راهبردی رئیس‌جمهور.، 1391. دستور العمل و ضوابط تقسیم‌بندی و کدگذاری حوضه‌های آبریز و محدوده‌های مطالعاتی در سطح کشور .شرکت مدیریت منابع ایران. 6.
بختیاری، م. و جهانتاب، ز .، 1401. مدلسازی مکانی سیلاب با استفاده از الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی و توابع تحلیلیGIS. پژوهشهای اقلیم‌شناسی. 194-177، 49.
تقیان، م.، 1396. برآورد آبدهی مطمئن در سیستمهای منابع آب با استفاده از بهینه‌سازی خطی. مجله علوم و مهندسی آبياری، مجله¬ی علمی- پژوهشی، 40 ، 1، 82-73.
چمن پیرا، غ.، روغنی، م.، ویسکرمی، ا. و پیامنی، ک.، 1394. ارزیابی تأثیر حوضچههای ذخیره آب در کنترل سیلاب حوزه آبخیز داد آباد لرستان، سومین کنفرانس ملی مدیریت و مهندسی سیلاب با رویکرد سیلابهای شهری، تهران، 9.
حسین زاده، م. و اسماعیلی، ر.، 1397. برآورد فرسایش کناره¬ای رودخانه با استفاده از مدل BSTEM. فصلنامه زمین‌شناسی ایران. 45. 53- 70.
حسینخانی، ح.، 1392. ارزیابی خطر فرسایش و پتانسیل رسوبدهی حوضه آبریز سد شهریار میانه با استفاده از تکنیک‌های GIS و مدل EPM. فصلنامه زمین‌شناسی ایران. 26. 96- 87.
حمادي، ك و ذاكري حسيني، ف. 1398. تحلیل وضعيت سیلاب¬هاي تاريخي رودخانه كرخه در استان خوزستان با تأكيد بر واقعه سیل فرودين 1398، کنفرانس ملی "سیلاب 98-97، اگر تکرار شود" اهواز، 9.
حمادي، ك. و نوذريان، ل.، 1400. ارزيابي سياست¬هاي بهره¬برداري سد مخزني كرخه توسط يك تابع خسارات نسبي طي سیلاب تاريخي فرودين 1398. هشتمين كنفرانس جامع مديريت و مهندسي سيلاب، تهران، 12.
رجایی، ف.، 1402. مقایسه روشهای مختلف برآورد سیلاب به‌منظور طراحی ابعاد کانال (مطالعه موردی: شهرک صنعتی علویجه در حوزه آبخیز زاینده‌رود). پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی, 12(1), 260-273. doi: 10.22034/gmpj.2023.377849.1397
رجبی، ع.، یاوری، ع. و سلوکی، ح.، 1398. کاربرد مدل EPM در ارزیابی فرسایش خاک (مطالعه موردی، حوزه شازند). فصلنامه زمین‌شناسی ایران. 50. 98- 89.
سازمان زمین‌شناسی. نقشههای 1:250000. شیت‌های NI38-7,8,11,12,15, و NI39-5,9,13 و NH38-4 وNH 39-1.
شرکت مهندسی مشاور مهاب قدس.، 1381. دستورالعمل بهرهبرداري و نگهداري سد كرخه، 142.
شرکت مهندسی مشاور مهاب قدس.، 1381. مطالعات بهنگام سازي مرحله سوم سد کرخه، 382.
شرکت مهندسی مشاور مهاب قدس.، 1383. طرح بهینه‌سازی تخصیص منابع آب کرخه، 253.
شریفی سیستانی، ع. و صنعی،ا .، 1397. ارزیابی استفاده از حوضچههای تاخیری جهت کاهش دبی پیک سیلاب در حوضه آبریز شهری کال سرافرازان. سومین کنفرانس بین‌المللی عمران، معماری و طراحی شهری، تبریز، 11.
فیض نیا، س.، موسویان، م.، عبدالهیان دهکردی، ز. و ابراهیمی درچه، خ.، 1394. بررسی اثر زمین‌شناسی بر سیل‌خیزی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز جونقان واقع در شهرکرد). مجله منابع طبیعی ایران، مرتع و آبخیزداری، 69، 4، 1395. 10177-1029.
قبادی، ف.، خداشناس، س. و مساعدی، ا.، 1397. مدیریت سیلاب شهری با احداث حوضچههای ذخیرهای (مطالعه موردی: منطقه 10 شهرداری مشهد). اولین همایش ملی راهبردهای مدیریت منابع آب و چالشهای زیست‌محیطی، ساري، 10.
کارآموز، م.، احمدي، آ. و نظيف، س.، 1385. چالشها و فرصت‌هاي بکارگيري مدل‌هاي بهرهبرداري بهينه از سيستم‌هاي منابع آب. اولين همايش منطقه¬اي بهره¬برداري بهينه از منابع آب حوضه¬هاي کارون و زاینده‌رود شهرکرد. دانشگاه شهرکرد، 16.
محمدپور، م.، بهنیا، ع.، آخوند علی، ع. و تلوری، ع .، 1387. تاثیر سد مخزنی کرخه بر میزان خطرپذیری اراضی پایین‌دست و حریم قانونی رودخانه. مجله علوم و صنایع کشاورزی ویژه آّب و خاک، 22، 1، 96-79.
معمارزاده، ر.، 1398. مبانی مدیریت سیلاب در رودخانهها و سیلابدشتها. هجدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، تهران، 9.
مهندسین مشاور ساز آب اهواز، کارفرما سازمان آب و برق خوزستان.، 1396. مطالعات پهنه‌بندی سیلاب رودخانه کرخه از سد کرخه تا تالاب هورالعظیم، 429.
Abrishamchi, A., Dashti M. and Tajrishy M., 2011. Development of a multi-reservoir flood control optimization model; Application to the Karkheh river basin, Iran. World Environmental and Water Resources Congress, Palm Springs, California, United States. 3048-3056.
Azarang, F., Telvari, A., Sedghi, H. and Shafai Bajestan, M ., 2015. Large dam effects on flow regime (case study: Karkheh river, downstream of reservoir dam). International Journal Available at www.cibtech.org/sp.ed/jls/ 2015/03/jls.htm. 5 (S3). 1970-1984.
Barr, T., 2002. Application of tools for hydraulic power plant presentation. 105- Upper Gotvand Hydroelectric Power Project Feasibility Study. Reservoir Operation Flood,14.
Carvalho Barreto, I.D., Stosic, T., Filho, M.C., Delrieux, C. P., Singh, V. and Stosic, B., 2020. Complexity Analyses of Sao Francisco River Streamflow: Influence of Dams and Reservoirs. American Society of Civil Engineers. J. Hydrol. Eng., 25(10): 05020036 . DOI: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001996.
Hamidi Machekposhti, K., Sedghi, H., Telvari, A. and Babazade, H., 2016. Determination of Suitable Probability Distribution for Annual Discharges Estimation (Case Study: Karkheh River at Iran) International Journal of Probability and Statistics 2016, 5(3): 73-81.
Hamidi Machekposhti, K., Sedghi, H., Telvari, A. and Babazade, H., 2017. Flood Analysis in Karkheh River Basin using Stochastic Model. 3, 9, 794-808.
Labadi, J. W., 2004. Optimal Operation of Multi Reservoir Systems: State-of-the-art Review, Journal of Water Planning and Management. 130(2). 93-111.
Liu, l., Zhou, l., Li, x., Chen, T. and Ao, T., 2020. Screening and Optimizing the Sensitive Parameters of BTOPMC Model Based on UQ-PyL Software: Case Study of a Flood Event in the Fuji River Basin, Japan. American Society of Civil Engineers. Journal of Hydrologic Engineering. 25, 9 . DOI: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001970.
McCollum, J. and Beighley, E., 2019. Flood Frequency Hydrology with Limited Data for the Weser River Basin, Germany, American Society of Civil Engineers. Journal of Hydrologic Engineering., 24(3): 05019002.
Moglen, G. E., Hood, K. and Hromadka, T.V., 2018. Examination of Multiple Predictive Approaches for Estimating Dam Breach Peak Discharges. American Society of Civil Engineers, Journal of Hydrologic Engineering., 24(2): 04018065.
Mondal, A. and Daniel, D., 2018. Return Levels under Nonstationarity: The Need to Update Infrastructure Design Strategies. American Society of Civil Engineers. DOI: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001738. 43-52.
Smith, A., Sampson, C. and Bates, P., 2015. Regional flood frequency analysis at the global scale. Water Resources Research. 51 (1): 539–553. https://doi.org/10.1002/2014WR015814.
Yilmaz, M., Tosunoglu, F. and Kaplan, N.H., 2020. Evaluation of Trends and Dominant Modes in Maximum Flows in Turkey Using Discrete and Additive Wavelet Transforms. American Society of Civil Engineers. Journal of Hydrologic Engineering., 25(11): 05020037 . DOI: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0002000.
نورالدین بازگیر1، علی‌محمد آخوندعلی2و1، کاظم حمادی3
1- دانشجوی دکتری، گروه هیدرولوژی و منابع آب، دانشکده آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز
2- استاد، گروه هیدرولوژی و منابع آب، دانشکده آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز
3- دکترای مدیریت منابع آب، مدیر مطالعات پایه منابع آب سازمان آب و برق خوزستان
چکيده
حوضه آبریز کرخه با وسعت بیش از 50 هزار کیلومترمربع در غرب کشور واقع است. با این همه وجود سدهای مخزنی بالادست بخصوص سد مخزنی بزرگ کرخه، دشتها و شهرهای پایین‌دست آن هنوز از مخاطرات سيل در امان نیست. با توجه به جایگاه زمین‌شناسی حوضه آبریز رود کرخه، در بارش‌های شدید بیش از 70 درصد مساحت حوضه آبریز پتانسیل تولید سیلاب دارد. هدف پژوهش جاری شبیه‌سازی جریان سیلاب توسط مدل یک- دو بعدی و استفاده از کانالهای سیلاب بر و حوضچههای ذخیرهای برای انحراف و ذخیره بخشی از سیلاب به‌طوری‌که خسارات پایین‌دست را در حد قابل قبول تقلیل دهد. به‌منظور مدلسازی هیدرولیک جریان در شرایط سیلابی از مدل MIKE FLOOD استفاده شد. این مدل توانایی شبیه‌سازی جریان‌های پیچیده در رودخانه و سیلابدشتها را به‌صورت هیدرودینامیکی دارد. دادههای هیدرولوژیکی و هندسی مورد نیاز مدل آماده‌سازی شد؛ همچنین دبیهای سیلابی 500 تا 2500 مترمکعب بر ثانیه با تداوم 11 روزه و حجم معادل 475 تا 2376 میلیون مترمکعب طی پنج سناریو به‌عنوان مرز بالادست به مدل برای شبیه‌سازی معرفی شد. نتایج پژوهش نشان داد که از میان گزینههای مورد بررسی، حوضچه و سیلاب‌بر "شاکریه" در تمامی سیلابهای بزرگ رودخانه کرخه فعال است و از نظر حجم نگهداشت 50 درصد از کل حجم ذخیره پیشنهادی کل سامانه را تامین میکند. همچنین این حوضچه در نهایت به تالاب هورالعظیم منتهی میشود و علاوه بر کمک به تامین نیاز زیست‌محیطی تالاب، مکان مناسبی برای نگهداشت و ذخیره حجم قابل توجه سیلاب نیز میباشد. این گستره به‌عنوان موثرترین (اولویت اول) محل حوضچه تاخیری از نظر حجم ذخیره و مستعد بودن شرایط توپوگرافی تعیین شد.
واژههاي کليدي: حوضه آبریزکرخه، سیلاب، زمین‌شناسی، شبیه‌سازی دوبعدی.
مقدمه
جلگه خوزستان به دلیل وجود رودخانه‌های بزرگ از دیر باز تاکنون به‌شدت تحت تأثیر سیلابهای آنها قرار دارد و همواره برای ساکنان آن خسارات و ضررهای مالی بسیاری به همراه داشته است. رودخانه کرخه به‌عنوان یکی از مهمترين و پرآبترين رودخانههاي کشور به‌حساب میآید که عليرغم وجود سدهای مخزنی سیمره و کرخه، پایین‌دست آن هنوز از مخاطرات سيل در امان نيست. زمین‌شناسی بر بروز بسیاری از ویژگی‌های هیدرولوژیکی یک گستره از جمله فرسایش‌پذیری، تولید رسوب، نفوذپذیری و سیلاب خیزی موثر است. حسینخانی (1392) با بررسی وضعیت زمین‌شناسی و تکتونیک حوضه آبریز سد شهریار در جنوب آذربایجان شرقی، و تلفیق لایه‌های مذکور با سایر لایه‌های اطلاعاتی به بررسی وضعیت فرسایش با مدل EPM پرداخت. نتایج این پژوهش نشان داد که مناطق فرسایش پذیر همبستگی بالایی با وضعیت لیتولوژی گستره دارد. حسین زاده و اسماعیلی (1397) با بررسی هم‌زمان ویژگی‌های ساختارهای زمین‌شناسی و شبیه‌سازی سیلاب، به بررسی و مدلسازی فرسایش کناره‌ای رودخانه با استفاده از مدل BSTEM در حوضه آبریز لاویج رود در استان مازندران پرداختند. رجبی و همکاران (1398) با بهره‌گیری از امکانات GIS و سنجش از دور و مدل EPM، لایه‌های زمین‌شناسی، خاکشناسی، کاربری اراضی و قابلیت فرسایش‌پذیری، را به‌واسطه روابط ریاضی تلفیق کرده و قابلیت رسوبدهی حوضه آبریز شازند در استان اراک را بررسی کردند. مهمترین عوامل زمین‌شناسی موثر بر سیل‌خیزی شامل خصوصیات سنگ‌شناسی حوضه آبخیز، میزان [درجه] گسل [خوردگی]، درز و شکاف و شکستگی در حوضه، تراکم آبراهه‌ها و نفوذپذیری واحد‌های سنگ‌شناسی است (Barr, 2002). به‌طورکلی در صورت ثابت بودن سایر شرایط، در سنگ‌های نفوذپذیر مانند سنگ‌های آهکی، بارندگی بیشتر نفوذ میکند، رواناب کمتری تولید شده و مناطق پوشیده از این سنگ‌ها سیل‌خیزی کمتری را دارا هستند. در سنگ‌های نفوذناپذیر مانند مارن‌ها بیشتر بارش به رواناب سطحی تبدیل میشود و مناطق پوشیده از این سنگ‌ها سیل‌خیزی بیشتری را دارا هستند (فیض‌نیا و همکاران، 1394).
روشهاي انجام شده در مديريت سيلاب و تاثير هر يک در کاهش خسارات، از يک روش واحد تبعيت نکرده و وابسته به شرايط ويژه و خصوصيات فيزيکي هر حوضه ميتواند متفاوت باشد. وجود يا احداث حوضچههاي ذخيرهاي و تأخيري طبيعي يا مصنوعي ميتوانند به كاهش دبي اوج سيلاب منجر شوند اما در موارد نامناسب، ممکن است وضعیت سیلاب یک حوضه را تشدید کند (احمدي شرف و تجريشي، 1393). چمن پیرا و همکاران (1394) طی مطالعه‌ای ارزیابی تأثیر حوضچههای ذخیره آب بر تغییرات حوضه و کاهش سیلاب و سیل‌خیزی حوضه آبخیز دادآباد را بررسی کردند و نتایج نشان داد عملیات انجام شده اثرگذار میباشند. قبادی و همكاران (1397) مدیریت سیلاب شهری با احداث حوضچههای ذخیرهای براي گستره شهري مشهد را مورد بررسي قرار دادهاند. حوضچههای ذخیرهای می‌تواند به‌منظور کاهش دبی پیک و افزایش زمان رخداد پیک سیلاب مورداستفاده قرار گیرد. با احداث مخزن دبی پیک خروجی حوضه از 5/18 مترمکعب در ثانیه برای دوره بازگشت 25 سال به 4/13 مترمکعب در ثانیه تقلیل پیدا کرده و کاهش 28 درصد را نشان داد. پژوهشی توسط شریفی سیستانی و صنعی (1397) در مورد تأثیر استفاده از حوضچههای تاخیری بر کاهش دبی پیک سیلاب در حوضه آبریز شهری کال سرافرازان در مشهد صورت گرفت. نتایج تحقیق نشان داد با استفاده از حوضچه تاخیری دبی پیک سیلاب در حوضه آبریز سرافرازان به نسبت گذشته 32 درصد کاهش یافته است. مرور منابع فوق نشان ميدهد حوضچههاي ذخيرهاي و تأخيري در كشور بيشتر براي مقاصد كنترل و مديريت سيلاب شهري استفاده شده است. مبانی مدیریت سیلاب در رودخانهها و سیلاب دشتها توسط معمارزاده (1398) با هدف اصلی، مرورگامهای اساسی برای مدیریت سیلاب و ریسک ناشی از آن بر مبنای استانداردهای موجود در کشور در این زمینه صورت پذیرفته است. تاکنون مطالعات زیادی در خصوص سیلاب از منظرهای مختلف در حوضه کرخه انجام شده است و از میان آنها میتوان به مطالعات محمدپور و همکاران (1387) اشاره کرد. اين پژوهشگران تاثیر احداث سد مخزنی کرخه بر میزان خطرپذیری اراضی پایین‌دست سد را مطالعه و نشان دادند احداث این سد باعث شده تا ریسک خطر سیلابهایی با دوره بازگشت پنج تا 25 ساله به‌صورت قابل ملاحظهای کاهش پیدا کند. ابریشمچی و همکاران (Abrishamchi et. al., 2011))، یک مدل بهینهسازي چندمنظوره را براي در نظر گرفتن تعارضهاي بین کنترل سیلاب و تولید انرژي برقابی در سامانههاي دربرگیرنده مخازن چندمنظوره و سازههاي کنترل سیلاب ارائه دادند. آنها در مطالعه خود به بررسی سیستم مخزن کرخه پرداختند. نتایج، نشان از یک تناقض بین اهداف مختلف مخزن داشته و درستی این تناقض‌ها با منحنی مصالحه نشان داده شد. رودخانهها مهمترین و اساسيترين منبع تأمین آب برای مصارف مختلف جوامع انساني و زيستي هستند، بنابراين مطالعه وضعیت تاريخي آنها برای برنامهریزی منابع آب، ساخت سازههای هیدرولیکی و تامین آب همواره لازم و يك ضرورت مهندسي است (Azarang et. al., 2015). "رژیم جریان" معیار مناسبی برای مطالعه و ارزیابی بهتر رفتار رودخانه و درک آن است. تعیین ابعاد سازههای آبی نیازمند محاسبه دبی طراحی از مطالعات هیدرولوژی میباشد. بنابراین برآورد دبی سیلاب با دوره‌های بازگشت مناسب آن سازه از اهم اهداف طرح‌ها میباشد (رجائی، 1402). بختیاری و جهانتاب (1401) با به‌کارگیری الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی و توابع تحلیلی GIS، به مدلسازی مکانی سیلاب در حوضه آبریز رود کن در استان تهران پرداخت. حمیدی مچکپشتی و همکاران (Hamidi Machekposhti et. al., 2016 and 2017) سیلاب کرخه را با استفاده از مدلهای آماری بررسی کردند و نتیجه گرفتند، مدل آماری آریما برای تجزیه و تحلیل سیلاب حوضه کرخه بسیار مناسب میباشد. بررسی سیلابهای تاریخی و کنونی به برنامهریزی و مدیریت سیلاب کمک شایانی میکند. حمادي و ذاكري حسيني (1398) به بررسی وضعيت تاريخي پدیده سيلاب به لحاظ دبی اوج، دوره بازگشت، حجم و مقایسه واقعه سیل فروردین 1398 با سیلابهای تاریخی پرداخته است. نتایج پژوهش نشان داد سد کرخه میانگین سری دبیهای اوج سیلاب را به میزان 79 درصد کاهش داد. سيل فروردین 1398 بدون اثر سدهاي سيمره و كرخه با دبی حداكثر روزانه 6940 و دبي لحظهای بالغ بر 8349 مترمکعب بر ثانیه مرتبه اول سیلابها را جابجا و به خود اختصاص داد. با اضافه شدن این داده به پارامترهای آماری، گشتاورها، تابع توزیع و مقادیر دوره بازگشت سیل تغییر یافت. براساس نظر لابادي (Labadi, 2004)، باوجود اینکه مدل‌هاي بهينه‌سازي به‌خوبی رشد و توسعه‌یافته‌اند اما باز هم اكثر برنامه‌ريزي‌هاي مخزن و مطالعات بهرهبرداري بر اساس مدل‌هاي شبيهسازي صورت مي‌گرفت. چالش اصلي در توسعه بهرهبرداري بهينه از مخازن تقابل با پيچيدگي‌هاي معمول سيستم و از جمله نبود قطعيت در مورد جريان‌هاي ورودي و قيمت انرژي توليد شده در آينده ميباشد. علاوه بر پيچيدگي‌هاي فوق در طراحي و مديريت منابع آب، پارامترهاي اجتماعي و زیست‌محیطی مدام در حال تغيير هستند. در پژوهشی که توسط تقیان (1396) انجام شده است، به بررسی و توسعه یک مدل آبدهی برای سیستم منابع آب سه مخزنی در حوضه آبریز زهره در جنوب غرب ایران پرداخته شده است. گستره آزادسازی مطمئن می‌تواند از صفر تا 100 درصد دبی امن رودخانه را در بر گیرد. درصورتی‌که خروجی سد از حد مطمئن خارج شود و از خروجی مطلوب تفاوت داشته باشد، هزینه‌ها به‌صورت نمایی افزایش می‌یابند (كارآموز و همكاران، 1385). ميزان جريان خروجي سد مخزني كرخه توسط تابع خسارات ايجاد شده شبيهسازي و نتايج آن حاكي از اين است، در مراحل ابتدايي انحراف از دبي ايمن رودخانه ميزان خسارت نسبي به 40 درصد كل خسارت رسيد. اين امر به دليل امكانات محدوده درون سيستم در تخليه سيلاب میباشد. 50 درصد خسارات سيلاب مربوط به دبي خروجي متوسط 977 متر مكعب در ثانيه ميباشد. دبيهاي خروجي حدود 1350 و 1700 متر مكعب در ثانيه باعث ايجاد 60 و 70 درصد خسارت شد و بالاخره 85 درصد خسارات نسبي در دبي 2100 متر مكعب در ثانيه اتفاق ميافتد (حمادي و نوذريان، 1400). دوره بازگشت تراز سطح آب در اثر شرايط نا ايستايي و نیاز به بهنگام سازي استراتژیهای طراحی سازهها توسط موندال و دانيل (Mondal and Daniel, 2018) به‌صورت مفصل مورد بحث قرار گرفت. بررسی رویکردهای پیش‌بینی چندگانه برای برآورد دبی اوج شکست سد توسط موگلن و همكاران (Moglen et. al., 2018) مورد بررسي قرار گرفت. هیدرولوژی فرکانس (تحليل فراوانی) سیل با دادههای محدود برای حوضه آبريز رودخانه وزر آلمان توسط مك كالوم و بيگلي (McCollum and Beighley, 2019) مورد مطالعه قرار گرفت. این پژوهش چالشها و راه حلهای برآورد دبی سیلاب منطقهای از تعداد محدودی از ايستگاههاي هيدرومتري و آمار با طول دورههاي مختلف را بررسی كردند. البته قبل از آن اسميت و همكاران (Smith et. al., 2016) براي اقليم و زيرحوضههاي رودخانه وزر، به‌صورت مختلف تابع توزيع مقادير حدي گسترش يافته را برازش کردند. ليو و همكاران (Liu et. al., 2020) توسط مدل BTOPMC واقعه سيلاب حوضه آبريز رودخانه فوجي ژاپن را مورد شبیه‌سازی و حساسيت پارامترهاي آن را بهينه کردند. كارلو بررتو و همكاران (Carvalho Barreto et. al., 2020) تحليل قابليت پيچيده جريان رودخانه سائو فرانسيسكو و را در بالادست و پایین‌دست سدها و مخازن و اثرات آنها را به‌طور مفصل مطالعه نمودهاند. يیلماز و همكاران (Yilmaz et. al., 2020) روند حداكثر دبي جريان سالانه رودخانههاي مختلف تركيه را براساس تئوري انتقال موجك مطالعه کردند. نتايج نشان داد روند نزولي در سري زماني حداكثر دبي جريان سالانه وجود داشته و اين روند منفي نيز از نظر آماري در سطح پنج درصد معنی‌دار است.
هدف از پژوهش جاری بررسی تاثیر زمین‌شناسی بر سیلاب خیزی حوضه آبریز رود کرخه، شبیه‌سازی جریان سیلاب توسط مدل دو بعدی، استفاده از کانالهای سیلاب بر و حوضچههای ذخیرهای برای انحراف بخشی از سیلاب به‌عنوان ذخیره و نیز کنترل و تنظیم بخش دیگر جریان برای کاهش دبی اوج به‌طوری‌که خسارات پایین‌دست را در حد قابل قبول تقلیل دهد، میباشد.
روش مطالعه
جایگاه زمین‌شناسی و پتانسیل سیل‌خیزی در حوضه آبریز رود کرخه
حوضه آبریز درجه دو رودخانه کرخه با کد 22 و مساحت ۵۱۶۴۳ کیلومتر مربع (دستورالعمل و ضوابط تقسیم‌بندی و کدگذاری حوضه‌های آبریز و محدوده‌های مطالعاتی در سطح کشور، 1391)، در حوضه درجه یک خلیج‌فارس و دریای عمان قرار داشته و شامل بیش از نیمی از استان‌های لرستان و کرمانشاه و بخش‌هایی از استان‌های کردستان، همدان، ایلام و خوزستان است. از نظر زمین‌شناسی این حوضه دربرگیرنده بخشی از زون دگرگونی سنندج- سیرجان و زون زاگرس (مرتفع، چین‌خورده و دشت خوزستان) است. واحد‌های زمین‌شناسی گستره، تنوعی از انواع لیتولوژی از پرمین تا عهد حاضر را شامل میشوند. حدود سه درصد از گستره حوضه آبریز کرخه شامل انواع واحد‌های آذرین نفوذی و آتشفشانی است. شش درصد گستره نیز از واحد‌های دگرگونی تشکیل شده است و 91 درصد گستره از انواع واحد‌های رسوبی تشکیل شده است. در شکل 1 نقشه زمین‌شناسی حوضه آبریز رود کرخه ارائه شده است. بر اساس وضعیت نفوذپذیری، ژئومورفولوژی، لیتولوژی و فرسایش‌پذیری، پتانسیل سیل‌خیزی واحد‌های زمین‌شناسی بر اساس تشخیص کارشناسی استخراج و در جدول 1 ارائه شده است. نظر کارشناسی بر مبنای مشاهدات صحرایی، جنس لایه‌ها، پوشش سطح زمین و شیب واحدها شکل گرفت. بر این اساس حدود 73 درصد حوضه آبخیز دارای پتانسیل سیل خیزی بالا میباشد. واحد‌های شیلی، مارنی، دگرگونی، آذرین، آبرفتی و واحد‌های لیتولوژیک سخت فاقد شکستگی (مثل آهک‌های توده‌ای) در این کلاس قرار دارند. واحد‌های ماسه سنگی، کنگلومرایی و بعضی از آهک‌ها در کلاس سیل خیزی متوسط (11 درصد مساحت حوضه) قرار دارد. سایر واحدها به‌دلیل نفوذپذیری بالا در کلاس پتانسیل کم سیل خیزی (16 درصد مساحت حوضه آبریز) قرار دارد.
رودخانه كرخه پس از ورود به دشتهای استان خوزستان از حاشیه یا درون شهرهاي زیادی عبور کرده و در نهایت در چندين شاخه وارد تالاب هورالعظيم ميشود. سد کرخه يکي از بزرگ‌ترين سدهاي خاکي دنيا و بزرگ‌ترين سد خاکي ايران و خاورميانه است و بر روي رودخانه کرخه در ۲۲ کيلومتري شمال غربي شهرستان انديمشک در استان خوزستان ساخته شده است. از اهداف اولیه سد بیان شده ميتوان به تأمين و تنظيم آب برای آبياري بيش از 320 هزار هكتار از اراضي پایین‌دست، دشتهای پاي پل (اوان، ارايض، دوسالق و باغه) و همچنين دشتهای حميديه، قدس، دشت آزادگان، دشت عباس، فكه و عين خوش و همچنين توليد انرژي برقابي به ميزان 934 گيگا وات ساعت در سال و كنترل سیلابهای مخرب و جلوگيري از خسارات وارده ناشي از آنها اشاره کرد. حجم كل مخزن 3/7 ميليارد مترمكعب، حجم مخزن در تراز بهره‌برداری 220 متري برابر5572 ميليون مترمكعب (قبل از رسوب‌گذاری)، حجم مخزن در حداقل تراز بهره‌برداری 160 متر430 ميليون مترمكعب و بالاخره حجم مفيد مخزن برابر3830 ميليون مترمكعب (بعد از رسوب‌گذاری) ميباشد. اين سد دبي اوج و حجم سيلاب را كاهش و در زمان سيل و رسيدن آن به پایین‌دست تأخير ايجاد ميكند. سد مخزني مورد بحث داراي ضوابط بهرهبرداري خاص در شرايط سيلاب است(گزارشات مهندسین مشاور مهاب قدس و سازاّب اهواز طی سالهای 1381 تا 1396). اهمیت پخش سيل در سيلاب دشت‌هاي پيرامون آن بخصوص در پایین‌دست سد مخزنی کرخه منجر به انتخاب این گستره یعنی حد فاصل سد مخزنی کرخه تا تالاب هورالعظیم به‌عنوان میدان پژوهش شد.
در اين پژوهش به‌منظور مدلسازی هیدرولیک جریان در شرایط سیلابی از مدل MIKE FLOOD استفاده شد. این مدل یک مدل ترکیبی است که با ارتباط و پیوند دو مدل MIKE 11 و MIKE 21، توانایی شبیه‌سازی جریان‌های پیچیده در رودخانه و سیلابدشتها را به‌صورت هیدرودینامیکی دارد. در مدل ریاضی MIKE FLOOD، کانال رودخانه به‌صورت یک بعدی و سیلاب دشت به‌صورت دو بعدی شبیه‌سازی میشود. در این مدل، ارتباط بین دو زیرمدل به لحاظ هیدرودینامیک، فقط به‌صورت چشمه‌های جریان در معادله پیوستگی هر یک از دو مدل برقرار است. در نتیجه، یک سری از نقاط شبکه مدل یک‌بعدی به یک سری از نقاط شبکه در مدل دو بعدی وابسته میشوند. در این شرایط، درصورتی‌که تراز آب در هر یک از مدل‌ها بر دیگری غلبه کند، ظرفیت تبادل جریان بین دو مدل ایجاد میشود. حال این جریان، بسته به نوع ارتباط مورد نظر، به‌صورت یک چشمه به مدل گیرنده ارسال و به‌صورت چاه از مدل فرستنده کسر میشود. شرايط کار با مدل به‌گونه‌ای است که در ابتدا وضعیت سیلاب و پخش آن در بازه مورد مطالعه مورد پژوهش و بررسی قرار گرفت سپس مقایسهای نیز با تصاویر ماهوارهای سیلابهای رودخانه کرخه در بازه مورد مطالعه برای تدقیق مدل ریاضی و شناسایی بازههای دارای پتانسیل هدایت و انحراف سیل و... صورت گرفت.
شکل 1. نقشه زمین‌شناسی حوضه آبخیز رود کرخه با مقیاس 1:250000 (سازمان زمین‌شناسی و اکتشافت معدنی، شیت‌های NI38-7,8,11,12,15, و NI39-5,9,13 و NH38-4 وNH 39-1)
[1] * نویسنده مرتبط: aliakh@scu.ac.ir
جدول 1. ویژگی‌های لیتولوژیک و پتانسیل سیل‌خیزی واحد‌های زمین‌شناسی گستره طرح
واحد | لیتولوژی | کد | سن | مساحت –km2 | پتانسیل سیل‌خیزی |
رسوبی | تراس‌های کم ارتفاع و نهشته‌های رودخانه‌ای جوان | Qft2 | کواترنری | 20597 | زیاد |
تراس‌های مرتفع و نهشته‌های رودخانه‌ای قدیمی | Qft1 | کواترنری | 737 | زیاد | |
کنگلومرا و ماسه‌سنگ مخروط افکنه ای عهد حاضر | PlQc | پلیوسن- کواترنری | 124 | کم | |
سازند بختیاری: کنگلومرا | Plbk | پلیوسن | 1102 | متوسط | |
ماسه‌سنگ و کنگلومرای پلی میکتیک | Plc | پلیوسن | 506 | متوسط | |
سازند آغاجاری: ماسه‌سنگ و مارن | MuPlaj | میوسن | 2285 | زیاد | |
سازند میشان: مارن و اهک مارنی | Mmn | میوسن | 1607 | زیاد | |
سازند گچساران: مارن و ژیپس | Mgs | میوسن | 2385 | زیاد | |
گروه فارس: ژیپس و مارن گچساران، مارن میشان و مارن و ماسه‌سنگ آغاجاریی | MPlfgp | میوسن | 47 | زیاد | |
سازند آسماری: آهک | OMas | میوسن | 1749 | کم | |
آهک‌های تفکیک نشده آسماری و شهبازان | EMas-sb | ائوسن- میوسن | 3874 | کم | |
سازند قم: آهک، مارن، ماسه‌سنگ | OMq | اولیگومیوسن | 36 | متوسط | |
آهک ریفی توده‌ای تا ضخیم لایه | OMql | اولیگومیوسن | 408 | متوسط | |
لایه‌های سرخ کنگلومرا، ماسه‌سنگ، مارن و ژیپس | OMrb | اولیگومیوسن | 76 | زیاد | |
آهک نومولیتی | El | ائوسن | 62 | متوسط | |
سنگ‌های تفکیک نشده ائوسن | E | ائوسن | 25 | زیاد | |
شیل کندوان: آهک آرژیلیتی و شیل آهکی | Ekn | ائوسن | 1185 | زیاد | |
کنگلومرا و ماسه‌سنگ | E2c | ائوسن میانی | 15 | متوسط | |
شیل سیلتی، ماسه‌سنگ، مارن ، آهک ماسه‌ای و کنگلومرا | E1f | ائوسن زیرین | 95 | زیاد | |
سازند تله زنگ: آهک توده‌ای فسیل دار | PeEtz | پالئوسن- ائوسن | 586 | کم | |
فلیش‌های توربیدیتی: ماسه‌سنگ و مادستون آهکی | PeEf | پالئوسن- ائوسن | 158 | زیاد | |
سازند امیران: فلیش(سیلتستون،ماسه‌سنگ، کنگلومرا و آهک) | KPeam | کرتاسه- پالئوسن | 2267 | زیاد | |
سازند گورپی: مارن و شیل | Kgu | کرتاسه | 736 | زیاد | |
سازند کژدمی: آهک فسیل دار تیره | KEpd-gu | کرتاسه بالایی | 1670 | زیاد | |
شیل سنندج، شیست و فیلیت | Kussh | کرتاسه بالایی | 332 | زیاد | |
شیل و چرت رادیولاریتی | Kur | کرتاسه بالایی | 35 | زیاد | |
گروه بنگستان: شیل کژدمی، آهک سروک، شیل و آهک سورگاه و آهک ایلام | Kbgp | کرتاسه | 1839 | کم | |
ماسه‌سنگ و کنگلومرای قرمز | K1c | کرتاسه | 14 | متوسط | |
سازند تیزکوه: آهک اوربیتولین دار ضخیم لایه و توده‌ای | Ktzl | کرتاسه زیرین | 39 | کم | |
آهک و ماسه‌سنگ و مارن ژیپسی | K1m | کرتاسه زیرین | 14 | متوسط | |
آهک اوربیتولین دار ضخیم لایه | Klsol | کرتاسه زیرین | 1858 | متوسط | |
آهک االیتی ضخیم لایه | JKbl | ژوراسیک - کرتاسه | 454 | متوسط | |
ماسه‌سنگ | Jss | ژوراسیک | 68 | متوسط | |
آهک بیستون | TRKubl | تریاس - کرتاسه | 1384 | متوسط | |
رادیولاریت‌های نیریز و کرمان: چرت رادیولاریت و آهک پلاژیک | TRKurl | تریاس - کرتاسه | 1467 | زیاد | |
سازند دورورد: ماسه‌سنگ و شیل قرمز و آهک ماسه‌ای | Pd | پرمین | 19 | زیاد | |
آهک با میان لایه شیل رادیولاریتی و چرت | TRJlr | تریاس - کرتاسه | 110 | متوسط | |
آذرین | گابرو | Ogb | اولیگومیوسن | 120 | زیاد |
سنگ‌های ولکانیکی بازالتی | Ebv | ائوسن میانی | 37 | زیاد | |
سنگ‌های نفوذی (گرانیت و گرانودیوریت) | KPegr-di | کرتاسه - پالئوسن | 407 | زیاد | |
آندزیت ولکانیکی | Kav | کرتاسه بالایی | 34 | زیاد | |
دیایاز | db | کرتاسه بالایی | 167 | زیاد | |
سنگ ولکانیکی بازالتی و آندزیتی | K1a.bv | کرتاسه زیرین | 198 | زیاد | |
گابرو لایه‌ای | gb | ژوراسیک - کرتاسه | 34 | زیاد | |
دیوریت ژوراسیک بالایی | Judi | ژوراسیک بالایی | 10 | زیاد | |
ریولیت و ریوداسیت ولکانیکی | JUdv | ژوراسیک بالایی | 39 | زیاد | |
سرپانتینیت | sr | تریاس - کرتاسه | 52 | زیاد | |
پریدوتیت:هارزبورژیت،دونیت، لرزولیت و وبستریت | pd | تریاس - کرتاسه | 277 | زیاد | |
توف ولکانیکی ریولیتی و ریوداسیتی | Jdvt | ژوراسیک | 30 | زیاد | |
توف ولکانیکی آندزیتی | Javt | ژوراسیک | 315 | زیاد | |
دگرگونی | آهک کریستالی و کالک شیست | JKl | ژوراسیک - کرتاسه | 97 | زیاد |
زون انتقال: فیلیت با میان لایه آهک کریستالی و افق ولکانیکی اسیدی | TRuJm | تریاس - کرتاسه | 1 | زیاد | |
متاولکانیک، فیلیت، اسلیت و متاآهک | TRJvm | تریاس - کرتاسه | 826 | زیاد | |
اسکارن: میکا هورنفلس، کوردیوریت هورنفلس، آندالوزیت، سیلیمانیت هورنفلس | h | ژوراسیک | 506 | زیاد | |
فیلیت همدان: فیلیت، اسلیت و متا سندستون | Jph | ژوراسیک | 2003 | زیاد |
پس از آن روشهای کنترل سیلاب در رودخانه با رویکرد استفاده از سیلاب‌دشت رودخانه برای ایجاد حوضچههای تاخیری برای انحراف سیلاب از طریق کانالهای آب برحسب اطلاعات و نقشههای توپوگرافی موجود (نقشههای با مقیاس 1:2000 و 1:25000) و بازههای شناسایی شده دارای پتانسیل انحراف سیل، مورد تحلیل قرار گرفت. در هر حال گامهای متدولوژی پژوهش حاضر مطابق زیر خلاصه میشوند:
در مرحله اول، اطلاعات جريان رودخانه کرخه، مقاطع عرضی، نقشهها، عکسهاي هوايي، تصاوير ماهوارهای در گستره مورد بررسي جمع‌آوری شد. در مرحله دوم اطلاعات جمع‌آوری شده به‌خصوص آمار ایستگاه‌های هيدرومتري بازه مورد مطالعه از قبيل آبدهي و سیلاب، پردازش عکسهاي هوايي و تصاوير ماهوارهاي، مقاطع عرضی رودخانه و پروفیل طولی آن مورد بررسی و تحلیل مقدماتی قرار گرفت. مرحله سوم به تهیه و ساخت مدل شامل بررسي منابع خطا در مدلسازی، کاليبراسيون صحت سنجي مدل و مقایسه نتایج مدل با تصاویر ماهوارهای موجود در زمانهای سیلابی اختصاص یافت. در مرحله چهارم به اجرای مدل و استخراج نتایج شامل مشخصات هیدرولیکی رودخانه و بازههای بحرانی از جنبه پخش سیلاب به ازاء مقادیر مختلف جریان و باز اجرای مدل برای گزینههای کنترل سیلاب (کانالهای سیلاب‌بر) در بازههای دارای پتانسیل انحراف جریان و استخراج نتایج بر اساس جریان سیلابی مورد نظر پرداخته شد. در بخش پایانی مراحل پژوهش استخراج گزینههای نهایی کنترل سیلاب از جنبه مکان یا مکان‌های انحراف جریان سیلاب و مقادیر هدایت شده آن و ارائه راهکارهاي لازم مد نظر قرار گرفت. بازه تحت تاثیر سیل، رودخانه کرخه سفلی حدفاصل سد تا تالاب هورالعظیم به طول بالغ بر 355 کیلومتر (با احتساب شاخههای فرعی منتهی به تالاب) میباشد، در این گستره شهرهایی همچون شوش، الوان، حمیدیه، سوسنگرد، بستان و رفیع و نیز ده‌ها روستا متاثر از سیلاب کرخه هستند، همین موضوع، اهمیت ایجاد تمهیدات برای مدیریت و کنترل سیلاب را در بازه یاد شده، ایجاب میکند. دادههای هیدرولوژیکی و هندسی مورد نیاز مدلسازی شامل دادههای دبی حداکثر لحظهای سیل، هیدروگرافهای سیلاب، نقشهها و گستره سیلاب فروردین 1398، مقاطع عرضی رودخانه (تعداد 296 مقطع عرضی) و نقشههای توپوگرافی سیلابدشتها و دشتهای مجاور از سازمان آب و برق خوزستان دریافت و در پژوهش حاضر استفاده شد. بحث كاليبراسيون مدل هيدروليكي در مطالعات پيشين گستره مورد مطالعه به‌خوبی دنبال و انجام شده است (مهندسین مشاور سازآب اهواز، 1396). مطالعات اساسي و مهم در اين زمينه توسط سازمان آب و برق خوزستان انجام شد و در قالب اين مطالعات، ضرایب زبري بازه‌هاي مختلف رودخانه کرخه و ساير انشعابات سامانه تعيين شده است. در اين ميان رخداد سيلاب فروردين 1398 تجربه خوبي به شمار ميآيد. ویژگی‌های این سیلاب و دوره بازگشت آن پیش‌ازاین توسط حمادی و ذاکری حسینی (1398) و حمادی و نوذریان (1400) انجام شده است. اضافه ميشود خلاصه ضرايب زبري اعمال شده در مطالعات پيشين رودخانه کرخه و اخير در جدول 2 منعكس شده است. در پژوهش حاضر از نتايج كاليبراسيون مطالعات سازمان آب و برق خوزستان (1398) با اصلاحات جزیی در بخش دشتهای سیلابی استفاده شد. مطابق مطالعات ذکر شده، سيلاب با دورههاي بازگشت مختلف دو تا 1000 ساله خروجي سد مخزنی کرخه بين 650 تا 2500 مترمكعب بر ثانيه تغيير ميكند اما در دوره بازگشت 10000 توان استهلاك سيل توسط مخزن به‌شدت كاهش مييابد. بر همین مبنا و تجارب کارشناسی نگارنده نسبت به تدوین پنج سناریو برای مرز بالادست مدل اقدام شد این سناریوها شامل دبی سیلابی ماندگار 500 ، 1000،1500، 2000 و 2500 متر مکعب بر ثانیه با حجمی معادل 475، 950، 1426، 1901 و 2376 میلیون مترمکعب طی تداوم 11 روز میباشند.
جدول 2. مقادير زبري رودخانه کرخه و انشعابات آن حاصل از کالیبراسیون مدل (مهندسین مشاور سازآب اهواز، 1396)
مطالعات حاضر | مطالعات قبلی | فاصله از بالادست (متر) | شاخه رودخانه |
0.058 | 0.048 | 0 | کرخه |
0.058 | 0.048 | 101717 | کرخه |
0.025 | 0.025 | 101718 | کرخه |
0.025 | 0.025 | 254120 | کرخه |
0.017 | 0.017 | 0 | هوفل |
0.017 | 0.017 | 33590 | هوفل |
0.017 | 0.014 | 0 | سابله |
0.017 | 0.014 | 17288 | سابله |
0.024 | 0.024 | 0 | نيسان |
0.024 | 0.024 | 36053 | نيسان |
0.017 | 0.017 |
| ساير بازه‌ها |
0.10 | - | - | دشتهای سیلابی |
بحث
بررسی وضعیت زمین‌شناسی حوضه آبریز رود کرخه نشان میدهد در بارش‌هایی با شدت بالا و تداوم کم و همچنین در رویداد‌های طوفانی، حوضه آبخیز کرخه پتانسیل بالایی در تولید رواناب (سیلاب) دارد. در حوضه آبريز رودخانه کرخه، سيلابها حاصل تاثیر جبهه هواى اقيانوس اطلس شمالى و مديترانه است و در زمستان و اوایل بهار ريزش میکند. از مشخصه اين ريزشهای جوی، شدت متوسط و تداوم زياد است و نتيجه آن هيدروگراف سيلاب با دامنه زياد مىباشد. در مواقعی که رگبارهاى بهاره با ذوب برف همراه مىشود، سيلابها داراى اوج زياد خواهند بود. به‌طورکلی رودخانههاي حوضه کرخه، سیل‌خیز است و شيب بالاي سرشاخهها در بخشهاي شمالي و غربي حوضه و تغيير شيب ناگهاني در بخشهاي جنوبي مانند دشت اوان و ورودي سد کرخه، باعث شده سیلابهای به وقوع پيوسته بسيار بزرگ باشد. سال آبي 98-1397 برای رودخانه كرخه يك سال پرآب و سيلابي است (در حالت جريان طبيعي رتبه اول به لحاظ حجم و دبي اوج سيلاب را به خود اختصاص ميدهد) و برخلاف وجود سدهاي مخزني بزرگ سيمره و كرخه در سیلاب فروردین ماه سال 1398 با افزايش خروجي سد مخزني كرخه و شکست سیلبندها، جریان به سیلاب‌دشت و گسترههای سیل انتقال و وارد شد. شكل 2 هيدروگراف ورودي و خروجي به سد مخزني كرخه از ابتداي سال آبي 98-1397 يعني از اول مهر ماه 1397 تا آخر تير ماه 1398 به مدت 303 روز را نشان ميدهد. ميزان خروجي در اين دوره زماني به‌طور متوسط 445 متر مكعب بر ثانيه و معادل حجم 7/11 ميليارد متر مكعب ميباشد.
در اين سال آبي از آذر ماه تا ارديبهشت ماه سيلابهاي متعددي وارد سد مخزني كرخه شده و بزرگ‌ترین و آخرين آنها در فروردين ماه 1398 رخ داد. سيل فروردين به‌ناچار منجر به خروجي بيش از دبي ايمن رودخانه در پاييندست از سوم فروردين تا آخر ارديبهشت 1398 شد. طي اين بازه زماني 60 روزه حدود شش ميليارد متر مكعب معادل دبي متوسط 1168 متر مكعب در ثانيه از سد خارج شد. اضافه ميشود كه دبي حداكثر خروجي در روز هفدهم فروردين 1398 و به ميزان 2492 متر مكعب در ثانيه رخ داد. همان‌گونه كه اشاره شد در اين بازه زماني دبي خروجي سد از دبي ايمن رودخانه كرخه در پاييندست بيشتر است و باعث ايجاد خسارت شد.
به‌منظور کاهش خسارات با بررسی سیلابهای بزرگ رودخانه کرخه و با استفاده از مدل ریاضی تدقیق شده، محلهای دارای پتانسیل نگهداشت سیلاب خروجی از رودخانه کرخه شناسایی و جانمایی شد. با توجه به توپوگرافی گستره و تراز جریان خروجی از محلهای فوق، حجم حوضچههای تاخیری مطابق جدول 3 برآورد شد. بر این اساس با توجه به اینکه در همه سیلابهای با دبی بالای 1500مترمکعب بر ثانیه در رودخانه کرخه، جریان سیلابی از گستره شاکریه (بین حمیدیه و سوسنگرد) وارد سیلاب دشت شده و به‌موازات پخش میشود، این گستره به‌عنوان موثرترین (اولویت اول) محل حوضچه تاخیری از نظر حجم ذخیره و مستعد بودن شرایط توپوگرافی تعیین شد (شکل 3).
نتایج جدول فوق نشان میدهد، تعیین مکان‌های دارای پتانسیل برای ذخیره حجم سیلابی در سیلابدشتها، حجم سیلاب رسیده به پایین‌دست رودخانه کرخه را به میزان 33 درصد کاهش میدهند. احداث و نگهداری حوضچههای چندگانه، هزینههای سنگینی به همراه دارد. تملک اراضی کشاورزی و حتی مسکونی به‌منظور تامین وسعت و عمق حوضچههای تاخیری در زمان سیلاب بسیار بالا است. از میان گزینههای مورد بررسی، شاکریه در تمامی سیلابهای بزرگ رودخانه کرخه فعال است و از نظر حجم نگهداشت 50 درصد از کل حجم ذخیره پیشنهادی را تامین میکند. همچنین این حوضچه در نهایت به تالاب هورالعظیم منتهی میشود و علاوه بر اینکه به تامین نیاز زیست‌محیطی تالاب کمک شایان مینماید، مکان مناسبی برای نگهداشت و ذخیره حجم قابل توجه سیلاب نیز میباشد.
خلاصهای از نتایج حداكثر رقوم سطح آب حاصل سامانه كرخه حاصل از شبیه‌سازی مدل هیدرولیک برای سناريوهاي مختلف در جدول 4 منعکس شده است. با تعیین حوضچه نگهداشت شاکریه به‌عنوان گزینه نهایی، لازم است نقاط در معرض خطر پخش سیل در بالادست و پایین‌دست این کانال با احداث و تقویت دایک از پخش سیلاب محافظت شوند. شهرهای حمیدیه، سوسنگرد و بستان همواره در معرض خطر سیلابهای رودخانه کرخه هستند. همان‌گونه که پیش از این بحث شد، گزینه برتر حوضچه نگهداشت در گستره شاکریه قرار دارد. این گستره در پایین‌دست حمیدیه و در امتداد سوسنگرد و بستان قرار دارد. با مجموعه اقدامات مدیریتی شامل احداث دایکهای حفاظتی در بازههای فاقد خاکریز یا دایک و یا تقویت و افزایش ارتفاع دایکهای موجود و تعیین حوضچه تاخیری شاکریه، شهرهای در معرض خطر حفظ و سیلاب به‌طور ایمن به تالاب منتقل میشوند.
کاهش خسارات جانی و مالی سیلاب عبوری از مراکز جمعیتی از مهمترین اهداف مدیریت سیلاب است. حفاظت شهر حمیدیه از سیلابهای رودخانه کرخه که به‌موازات رودخانه توسعه‌یافته است، همواره مورد توجه است. با در نظر گرفتن تجربیات رخ دادهای گذشته سیل در رودخانه و با فرض حوضچه شاکریه به‌عنوان گزینه نگهداشت و تخفیف سیلاب در پایین‌دست رودخانه، لازم است مصون ماندن شهر از خطر سیلاب با احداث و تقویت دایکهای موجود تضمین شود. تراز جریان در شرایط مورد مطالعه (دبی 2500 مترمکعب بر ثانیه) در گستره بیان شده به‌طور متوسط برابر 19 متر از سطح آزاد دریا است. ساحل چپ و راست رودخانه در مقاطعی دارای دایک هستند؛ پیشنهاد میشود با توجه به تراز جریان در این بازه و در نظر گرفتن سطح آزاد آب1 ، تراز دایکهای موجود به میزان 2/1 متر در هر دو سمت افزایش ارتفاع داشته باشد. با خروج جریان از طریق حوضچه شاکریه و حرکت جریان به‌موازات رودخانه به سمت تالاب هورالعظیم و ظرفیت پایین رودخانه هوفل و شاخههای انتهایی کرخه، ضرورت دارد به‌منظور محافظت روستاهای حاشیه رودخانه و جلوگیری از آب‌گرفتگی جاده سوسنگرد- بستان، از شهر سوسنگرد تا بستان به طول 30 کیلومتر دایکهای موجود ترمیم و افزایش ارتفاع داشته باشند و در نواحی فاقد دایک، خاکریز و سیل بند با ارتفاع مناسب ایجاد شد. مطابق شبیه‌سازی تراز جریان در ابتدای هوفل حاضر از 4/14 شروع و به حدود 5/9 متر از سطح آزاد دریا در بستان می‌رسد. پیشنهاد میشود متناسب با شیب رودخانه، دایک مورد نظر به ارتفاع 5/1 متر بالاتر از تراز رودخانه از سوسنگرد تابستان احداث شود.
شكل 2. هيدروگراف جريان روزانه ورودي و خروجي مخزن سد كرخه از مهر ماه 1397 تا تير ماه 1398
جدول 3. مشخصات هندسی حوضچههای تأخیری مستخرجِ از شبیه‌سازی جریان سیلاب
حجم ذخیره- mcm | عمق جریان-m | مساحت- km2 | نام منطقه | شماره حوضه حوضچه |
26.2 | 0.3 | 87.2 | شاوور | I |
36.2 | 1.1 | 32.9 | خسرج | II |
92.0 | 0.8 | 115.0 | الهایی | III |
389.8 | 1.5 | 259.8 | شاکریه | IV |
236.2 | 1.0 | 236.2 | غرب سوسنگرد | V |
780 | 1.1 | 731 | جمع | |
شكل 3. موقعیت مقاطع عرضی، حوضچههای نگهداشت سیلاب و دایکهای حفاظتی. دایکهای پیشنهادی در گستره حمیدیه به طول شش کیلومتر و به‌موازات جاده سوسنگرد تا تالاب هورالعظیم به طول 30 کیلومتر
جدول 4. حداكثر رقوم سطح آب رودخانه كرخه و شاخههاي آن در سناريوهاي مختلف (متر از سطح دريا)
نام مقطع | موقعیت | کیلومتر | سناریوی 1 | سناریوی 2 | سناریوی 3 | سناریوی 4 | سناریوی 5 |
k-1 | پای پل | 7.428 | 107.34 | 108.51 | 109.38 | 110.08 | 110.69 |
k141 | عبدالخان | 114.338 | 32.4 | 34.12 | 35.28 | 36.01 | 36.51 |
k182 | خسرج | 164.844 | 25.61 | 27.31 | 28.12 | 28.6 | 28.93 |
k230 | حمیدیه | 217.880 | 15.78 | 17.68 | 18.61 | 19.23 | 19.67 |
k257 | سوسنگرد | 253.163 | 12.39 | 14.04 | 14.29 | 14.34 | 14.42 |
[1] Freeboard
سپاسگزاری
از سازمان آب و برق خوزستان به دليل همكاري در اختیار قرار دادن داده و اطلاعات و حمایت از پژوهش حاضر قدردانی میشود.
منابع
احمدی شرف، ا. و تجریشی، م.، 1393. جانمایی حوضچههای ذخیره با استفاده از مدل شبیه‌ساز SWMM و تصمیم‌گیری چند معیاره مکانی. نشريه آب و فاضلاب، 25، 6، 94، 57-66. ##امور نظام فنی معاونت برنامهریزی و نظارت راهبردی رئیس‌جمهور.، 1391. دستور العمل و ضوابط تقسیم‌بندی و کدگذاری حوضه‌های آبریز و محدوده‌های مطالعاتی در سطح کشور .شرکت مدیریت منابع ایران. 6. ##بختیاری، م. و جهانتاب، ز .، 1401. مدلسازی مکانی سیلاب با استفاده از الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی و توابع تحلیلیGIS. پژوهشهای اقلیم‌شناسی. 194-177، 49. ##تقیان، م.، 1396. برآورد آبدهی مطمئن در سیستمهای منابع آب با استفاده از بهینه‌سازی خطی. مجله علوم و مهندسی آبياری، مجلهی علمی- پژوهشی، 40 ، 1، 82-73. ##چمن پیرا، غ.، روغنی، م.، ویسکرمی، ا. و پیامنی، ک.، 1394. ارزیابی تأثیر حوضچههای ذخیره آب در کنترل سیلاب حوزه آبخیز داد آباد لرستان، سومین کنفرانس ملی مدیریت و مهندسی سیلاب با رویکرد سیلابهای شهری، تهران، 9. ##حسین زاده، م. و اسماعیلی، ر.، 1397. برآورد فرسایش کناره¬ای رودخانه با استفاده از مدل BSTEM. فصلنامه زمین‌شناسی ایران. 45. 53- 70. ##حسینخانی، ح.، 1392. ارزیابی خطر فرسایش و پتانسیل رسوبدهی حوضه آبریز سد شهریار میانه با استفاده از تکنیک‌های GIS و مدل EPM. فصلنامه زمین‌شناسی ایران. 26. 96- 87. ##حمادي، ك و ذاكري حسيني، ف. 1398. تحلیل وضعيت سیلابهاي تاريخي رودخانه كرخه در استان خوزستان با تأكيد بر واقعه سیل فرودين 1398، کنفرانس ملی "سیلاب 98-97، اگر تکرار شود" اهواز، 9. ##حمادي، ك. و نوذريان، ل.، 1400. ارزيابي سياستهاي بهرهبرداري سد مخزني كرخه توسط يك تابع خسارات نسبي طي سیلاب تاريخي فرودين 1398. هشتمين كنفرانس جامع مديريت و مهندسي سيلاب، تهران، 12. ##رجایی، ف.، 1402. مقایسه روشهای مختلف برآورد سیلاب به‌منظور طراحی ابعاد کانال (مطالعه موردی: شهرک صنعتی علویجه در حوزه آبخیز زاینده‌رود). پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی, 12(1), 260-273. doi: 10.22034/gmpj.2023.377849.1397##رجبی، ع.، یاوری، ع. و سلوکی، ح.، 1398. کاربرد مدل EPM در ارزیابی فرسایش خاک (مطالعه موردی، حوزه شازند). فصلنامه زمین‌شناسی ایران. 50. 98- 89. ##سازمان زمین‌شناسی. نقشههای 1:250000. شیت‌های NI38-7,8,11,12,15, و NI39-5,9,13 و NH38-4 وNH 39-1. ##شرکت مهندسی مشاور مهاب قدس.، 1381. دستورالعمل بهرهبرداري و نگهداري سد كرخه، 142. ##شرکت مهندسی مشاور مهاب قدس.، 1381. مطالعات بهنگام سازي مرحله سوم سد کرخه، 382. ##شرکت مهندسی مشاور مهاب قدس.، 1383. طرح بهینه‌سازی تخصیص منابع آب کرخه، 253. ##شریفی سیستانی، ع. و صنعی،ا .، 1397. ارزیابی استفاده از حوضچههای تاخیری جهت کاهش دبی پیک سیلاب در حوضه آبریز شهری کال سرافرازان. سومین کنفرانس بین‌المللی عمران، معماری و طراحی شهری، تبریز، 11. ##فیض نیا، س.، موسویان، م.، عبدالهیان دهکردی، ز. و ابراهیمی درچه، خ.، 1394. بررسی اثر زمین‌شناسی بر سیل‌خیزی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز جونقان واقع در شهرکرد). مجله منابع طبیعی ایران، مرتع و آبخیزداری، 69، 4، 1395. 10177-1029. ##قبادی، ف.، خداشناس، س. و مساعدی، ا.، 1397. مدیریت سیلاب شهری با احداث حوضچههای ذخیرهای (مطالعه موردی: منطقه 10 شهرداری مشهد). اولین همایش ملی راهبردهای مدیریت منابع آب و چالشهای زیست‌محیطی، ساري، 10. ##کارآموز، م.، احمدي، آ. و نظيف، س.، 1385. چالشها و فرصت‌هاي بکارگيري مدل‌هاي بهرهبرداري بهينه از سيستم‌هاي منابع آب. اولين همايش منطقهاي بهرهبرداري بهينه از منابع آب حوضههاي کارون و زاینده‌رود شهرکرد. دانشگاه شهرکرد، 16. ##محمدپور، م.، بهنیا، ع.، آخوند علی، ع. و تلوری، ع .، 1387. تاثیر سد مخزنی کرخه بر میزان خطرپذیری اراضی پایین‌دست و حریم قانونی رودخانه. مجله علوم و صنایع کشاورزی ویژه آّب و خاک، 22، 1، 96-79. ##معمارزاده، ر.، 1398. مبانی مدیریت سیلاب در رودخانهها و سیلابدشتها. هجدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، تهران، 9. ##مهندسین مشاور ساز آب اهواز، کارفرما سازمان آب و برق خوزستان.، 1396. مطالعات پهنه‌بندی سیلاب رودخانه کرخه از سد کرخه تا تالاب هورالعظیم، 429. ##Abrishamchi, A., Dashti M. and Tajrishy M., 2011. Development of a multi-reservoir flood control optimization model; Application to the Karkheh river basin, Iran. World Environmental and Water Resources Congress, Palm Springs, California, United States. 3048-3056. ##Azarang, F., Telvari, A., Sedghi, H. and Shafai Bajestan, M ., 2015. Large dam effects on flow regime (case study: Karkheh river, downstream of reservoir dam). International Journal Available at www.cibtech.org/sp.ed/jls/ 2015/03/jls.htm. 5 (S3). 1970-1984. ##Barr, T., 2002. Application of tools for hydraulic power plant presentation. 105- Upper Gotvand Hydroelectric Power Project Feasibility Study. Reservoir Operation Flood,14. ##Carvalho Barreto, I.D., Stosic, T., Filho, M.C., Delrieux, C. P., Singh, V. and Stosic, B., 2020. Complexity Analyses of Sao Francisco River Streamflow: Influence of Dams and Reservoirs. American Society of Civil Engineers. J. Hydrol. Eng., 25(10): 05020036 . DOI: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001996. ## Hamidi Machekposhti, K., Sedghi, H., Telvari, A. and Babazade, H., 2016. Determination of Suitable Probability Distribution for Annual Discharges Estimation (Case Study: Karkheh River at Iran) International Journal of Probability and Statistics 2016, 5(3): 73-81. ## Hamidi Machekposhti, K., Sedghi, H., Telvari, A. and Babazade, H., 2017. Flood Analysis in Karkheh River Basin using Stochastic Model. 3, 9, 794-808. ##Labadi, J. W., 2004. Optimal Operation of Multi Reservoir Systems: State-of-the-art Review, Journal of Water Planning and Management. 130(2). 93-111. ##Liu, l., Zhou, l., Li, x., Chen, T. and Ao, T., 2020. Screening and Optimizing the Sensitive Parameters of BTOPMC Model Based on UQ-PyL Software: Case Study of a Flood Event in the Fuji River Basin, Japan. American Society of Civil Engineers. Journal of Hydrologic Engineering. 25, 9 . DOI: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001970. ##McCollum, J. and Beighley, E., 2019. Flood Frequency Hydrology with Limited Data for the Weser River Basin, Germany, American Society of Civil Engineers. Journal of Hydrologic Engineering., 24(3): 05019002. ##Moglen, G. E., Hood, K. and Hromadka, T.V., 2018. Examination of Multiple Predictive Approaches for Estimating Dam Breach Peak Discharges. American Society of Civil Engineers, Journal of Hydrologic Engineering., 24(2): 04018065. ##Mondal, A. and Daniel, D., 2018. Return Levels under Nonstationarity: The Need to Update Infrastructure Design Strategies. American Society of Civil Engineers. DOI: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001738. 43-52. ##Smith, A., Sampson, C. and Bates, P., 2015. Regional flood frequency analysis at the global scale. Water Resources Research. 51 (1): 539–553. https://doi.org/10.1002/2014WR015814. ##Yilmaz, M., Tosunoglu, F. and Kaplan, N.H., 2020. Evaluation of Trends and Dominant Modes in Maximum Flows in Turkey Using Discrete and Additive Wavelet Transforms. American Society of Civil Engineers. Journal of Hydrologic Engineering., 25(11): 05020037 . DOI: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0002000. ##
Flood Flow Simulation Downstream of Karkheh Dam and Providing Guidance and Control Solutions with Regard to Geological Setting of Watershed
Nooroddin Bazgir1, Ali Mohammad Akhondali2,*, Kazem Hamadi3
PhD Student, Department of Hydrology and Water Resources, Faculty of Water and Environment, Shahid Chamran University of Ahvaz
2- Professor, Department of Hydrology and Water Resources, Faculty of Water and Environment, Shahid Chamran University of Ahvaz
3- Ph.D. in Water Resources Management, Director of Basic Water Resources Studies at Khuzestan Water and Power Authority
Abstract:
The Karkheh basin is located in the west of the country with an area over than 50 thousand square kilometers. Despite the presence of upstream reservoir dams, especially the large Karkheh Reservoir Dam, its downstream plains and cities are still not safe from flood hazards. Considering the geological positioning of the Karkheh River basin, during heavy rainfall, over 70% of the basin area has the potential to produce flooding. The aim of the current research is to simulate flood flow using a one- and two-dimensional model and to use flood channels and storage ponds to divert and store part of the flood in a way that reduces downstream damage to an acceptable level. In order to hydraulically model the flow in flood conditions, the MIKE FLOOD model was used. This model has the ability to simulate complex flows in the river and floodplains hydrodynamically. The hydrological and geometric data required for the model were prepared; Also, flood discharges of 500 to 2500 cubic meters per second with a duration of 11 days and a volume equivalent to 475 to 2376 million cubic meters were introduced as the upstream boundary to the model for simulation in 5 scenarios. The results of the study showed that among the options studied, the "Shakariyeh" pond and floodgate are active in all major floods of the Karkheh River and provide 50% of the total proposed storage volume of the entire system in terms of storage volume. Also, this pond ultimately leads to the Hur-e-Azim wetland, which in addition to helping to meet the environmental needs of the wetland, is also a suitable place to store and store a significant volume of floodwater. This area was determined as the most effective (first priority) location for the delay pond in terms of storage volume and susceptibility to topographic conditions.
Keywords: Flood, Karkheh catchment area, Geology, 2D simulation
