تطوير طريقة هيدرولوجية مبسطة لتحديد حجوم أحواض التخزين المطرية ...

تطوير طريقة هيدرولوجية مبسطة لتحديد حجوم أحواض التخزين المطرية

صفحة الموطن : عادل عوض - قسم الهندسة البيئية، كلية الهندسة المدنية، جامعة تشرين، اللاذقية، سورية

عزم الحمود - كلية الهندسة، الجامعة الاميركية، الشارقة، الامارات العربية المتحدة 

المحتويات :

الملخص

المقدمة

استنباط العلاقات التصميمية

مثال تطبيقي

الاستنتاجات

المراجع

الملخص

   يتناول البحث موضوع استخدام نظم التخزين المطرية في أحواض التصريف (الأحواض الصبابة) للمدن (urban watersheds) من أجل حماية هذه المدن أو أجزائها من كوارث الفيضانات المطرية، وبغرض حماية المصادر المائية من الملوثات المساقة مع مياه السيول. لقد تمّ في هذا البحث استنباط العلاقات الهيدرولوجية - الرياضية المبسطة والموثوقة لتحديد حجوم أحواض أو برك التخزين المطرية انطلاقاً من أنماط المنحنيات المطرية الفعلية التي تربط بين ارتفاع الهطول المطري وفترة الهطول وتواتره مطبقين ذلك على دراسة حالة مدينة اللاذقية كمثال عن منطقة عربية ساحلية ودراسة حالة مدينة دمشق كمثال عن منطقة عربية جافة أو شبه جافة وذلك لفيضانات مطرية تواترها (n) كل 2 أو 5 سنوات. كما جرت المقارنة مع الطريقة التقليدية المعتمدة في ألمانيا وبرز بوضوح الفروق الناتجة في حجوم التخزين، هذا إلى جانب بساطة التطبيق ودقة النتائج للطريقة المطورة، وإمكانية تعميمها للتطبيق على مناطق مناخية أخرى تتوفر لها أنماط المنحنيات المطرية أو محطات القياس المطرية.

المقدمة:

   إن سوق مياه السيول في نظام شبكة صرف صحي منفصل أو مختلط يجهد الأقنية نتيجة الجريانات الكبيرة للأمطار شديدة الغزارة التي تحدث لفترات قصيرة وتكون نادرة نسبياً. كما أن تصميم الأقنية لمثل هذه الجريانات المطرية الشاذة تتطلّب مقاطع أو أقطار كبيرة وبالتالي تكاليف عالية [1و2]، لذا فإنه من خلال استخدام أحواض أو برك التخزين المطرية يمكننا تخفيض تكاليف بناء شبكات المجاري العامة، ومن خلال الفعالية العالية لتخزين الجريان المطري نضمن حماية أفضل للمصادر المائية من الملوثات المساقة مع الجريانات المطرية كما تساهم هذه الأحواض في منع تعرية التربة وانجرافها وفي حماية التجمعات السكنية من كوارث الفيضانات المطرية [3]. وتعدّ نظم التخزين المطرية هذه بمختلف أشكالها استراتيجيات للتخفيف من أخطار الفيضانات في الأحواض الصبابة للمدن [4].

   وتبعاً للأهداف المحددة فإن أحواض أو برك التخزين المطرية تصرف مخزونها من المياه بجريان ضيق وثابت في شبكة المجاري أو في المصدر المائي بعد أن نضمن عدم إضرار الجريانات المطرية بالمصدر المائي.

  وكتصور عام فإن الفيضانات الجارفة تتضمن الفيضانات بهطولات مطرية ذات فترات قصيرة لا تتجاوز عادة عدة ساعات (لا تزيد عن 6 ساعات) والتي تحدث نتيجة شدات مطرية استثنائية حاصلة في منطقة الفيضان وتمتد من بداية الجريان وحتى زمن حصول الجريان الأعظمي (peak discharge) ويقل زمن الجريان كلما صغرت مساحة حوض التصريف (catchment area) وتحدث الفيضانات الجارفة أساساً في الأحواض التي تتجمع أو تتراكم الجريانات فيها من العواصف المطرية السابقة مع اللاحقة [5]. 

  في الثمانينات بلغت الخسائر والأضرار الناتجة عن الفيضانات المطرية في الولايات المتحدة الأميركية حوالي مليار دولار سنوياً، وفي معظم البلدان النامية المعرّضة للفيضانات فإن الخسائر الرئيسية ستكون في إزهاق أرواح الناس أو تعرضهم للإصابات والجروح الخطرة [6].

  استناداً إلى الدراسة الإحصائية الاحتمالية للهطولات المطرية المسجلة لمدينة اللاذقية الساحلية للفترة الواقعة ما بين 1966-1997 تمّ التوصل إلى إيجاد أنماط العلاقة بين ارتفاع الهطول المطري h(m) مع فترة الهطول (T) وتواتره (n) الممتد من 0.5 سنة حتى 40 سنة (الجدول رقم 1). كما تمثّل قيم الجدول رقم (2) نتائج دراسة وتحليل الهطولات المطرية المسجلة لمدينة دمشق للفترة الواقعة ما بين 1966-1997 وتعطي أيضاً أنماط العلاقة بين ارتفاع الهطول المطري h(m) وزمن الهطول (T) وتواتره (n) الممتد من 0.5 سنة حتى 40 سنة. لقد اكتفينا في الأمثلة التطبيقية على أخذ تواتر (n) بين 2 سنة وحتى 5 سنوات لأنها هي المعتمدة غالباً في دراسات الأمان والاقتصادية ضد أخطار الفيضانات في المدن [7و8]. 

  انطلاقاً من هذه الأنماط جرى في البحث وضع طريقة تقوم على استنباط العلاقات الهيدرولوجية - الرياضية المباشرة لتصميم أحواض أو برك التخزين المطرية بغرض حماية المدن من أخطار الفيضانات وفي الوقت نفسه حماية المصادر المائية من الملوثات المساقة مع الجريانات المطرية، وذلك بأسلوب مبسّط بدلاً من استخدام العلاقات المعقدة التي تقوم غالباً على نماذج المحاكاة الحاسوبية التي هي ليست دائماً مماثلة للواقع بشكل كاف كما أنها على الغالب ليست مألوفة التطبيق وسهلة الاستعمال بالنسبة للمهندسين البيئيين والهيدرولوجيين.

أما أهداف البحث فقد اتجهت نحو الإجابة على التقاط الأربع التالية:

- ما هي القيم العددية الوسطية للخصوبة، مدة التطور، استمرارية الحياة والتكاثر.

- هل تمتلك الحشرة موضوع الدراسة بنية وراثية مستقرة وثابتة، بعيدة عن الانزياحات الوراثية لقيم مؤشراتها السابقة، وذلك لكون المسؤول عن ظهور هذه الصفات الكمية الظاهرية عدد من الجينات الوراثية.

- ما هي العلاقة الارتباطية الوراثية السائدة بين الصفات السابقة، والتي تعطينا فكرة عن مدى التفاعل الكائن فيما بينها، ضمن البنية الوراثية الخاصة بالسلالة المدروسة.

- ما هي التصورات العلمية والعملية التي يمكن وضعها كبداية مستقبلية لدراسة بيولوجيا هذه الحشرة بشكل أوسع في المختبر والحقل، بهدف رسم استراتيجية التحكم المتكامل في كثافتها العددية.

   استنباط العلاقات التصميميةيمثل المنحني الذي يربط ما بين ارتفاع الهطول المطري ولفترة هطول معينة ولتواتر ما (الشكل رقم 1) بعلاقة أسية من الشكل العام: (1) hN = a.tx

 

ت  حدد قيم العوامل a و x لكل محطة مناخية - مطرية ولكل تواتر مطري من خلال ما يلي:

الشكل رقم 1 - منحني يمثل: الارتفاع المطري - الزمن - التواتر

1.2. تحديد حجوم أحواض التخزين المطرية

حجم التخزين المطري:

أمّا في حال اعتبار زمن الجريان أو زمن التركيز (tf) الذي يؤدي بشكل طبيعي إلى زيادة الجريان من حوض التصريف (الحوض الصباب)، حيث إن الجريان الخارج (Qab) من الحوض يكون مليئاً عندما يصبح الجريان الداخل (Qinfl.) مساوياً تماماً لـ(Qab).

عند نهاية زمن الجريان (tf) (المطرة معتبرة نموذج صندوقي) نصل إلى الجريان الداخل الكامل (المليء) كما نصل إلى الجريان الخارج الكامل (المليء) مباشرة بمجرد البدء بزمن التفريغ أو التشغيل للحوض (tt).

ويمكن أن نكتب ما يلي في حال مطرة صندوقية وجريان ثابت:

 

تحديد الجريانات أو التدفقات التصميمية (Qeffl.)

  في حالة أحواض التخزين، التي لا يتمّ فيها تنظيم جريان التفريغ الخارج منها بحيث يكون ثابتاً، بل يعتمد على منسوب ارتفاع المياه عند المخرج، بحيث يزيد هذا الجريان عند ارتفاع مستوى المياه، فعندها يكون من المفيد إيجاد علاقة ما بين الجريان التصميمي (Qeffl.) والجريان الأعظمي (Qeffl. max). 

  في حالة أحواض ذات جدران رأسية (أحواض مستطيلة مثلاً)، وكان الجريان الخارجي (Qeffl.) صغيراً مقارنة بالجريان الداخلي (Qinfl.) حيث يجري امتلاء حوض التخزين بسرعة ثابتة، فعندها يمكن حساب الجريان الفعلي بالعلاقة التالية الممثلة لفائض مطري:

  تجدر الإشارة هنا إلى أن اعتماد العلاقتين (15) و (16): تكون دوماً على طرف الأمان التصميمي.

3. مثال تطبيقي3.1. المنطقة العربية الساحلية (مثال: اللاذقية)

نفترض المعطيات التالية:

مساحة حوض التصريف المدروس A = 50 هكتار

المساحة الكتيمة (غير النفوذة)Ared. = 25 هكتار

الجريان الأعظمي Qeffl.max = 750 (ل/ثا)

الجريان الإصغري Qeffl.min = 0 (ل/ثا)

زمن الجريان (زمن التركيز) tf = 25 دقيقة

الجريان التصميمي الخارج من الحوض

المعطيات المطرية: التواتر n = 2 سنة (من الجدول رقم 1):

T(h)	1	1.5	2	3	4	6	12
hN(mm)	30.24	34.90	39.96	48.06	55.03	66.34	91.33

المعطيات المطرية: التواتر n = 5 سنوات (من الجدول رقم 1):

T(h)	1	1.5	2	3	4	6	12
hN(mm)	35.90	41.76	47.76	57.96	66.5	80.5	111.85

(المجال الزمني المتوقع للهطول هو ما بين 1 ساعة و 6 ساعة)

أي عند رفع حالة الأمان ضد أخطار الفيضانات لتواترها من n = مرة كل 2 سنة إلى n = مرة كل 5 سنوات زادت حجوم الأحواض اللازمة بمعدل حوالي 40%.

المقارنة مع الطريقة الألمانية لتصميم أحواض التخزين المطرية (بحالة n= 5 سنوات)

باستخدام الطريقة الألمانية لتصميم أحواض التخزين المطرية لحالة مدينة اللاذقية كما هو متّبع عادة من قبل المصممين الهيدرولوجيين، نجد ما يلي: 

حسب المراجع [9و10]، كانت قيمة الشدة المطرية التصميمية لمدينة اللاذقية لمدة 15 دقيقة ولتواتر n = 1 (الجدول 1):

يلاحظ بالمقارنة مع طريقة المؤلف أن الحجم الناتج عن تطبيق الطريقة الألمانية هو أقل وهذا يعود إلى أن الطريقة الألمانية تعتمد على ما يلي: (1) معادلة راينهولد تمثل القيم العليا أو الأعظمية للهطولات المطرية و(2) أن الحساب يتمّ انطلاقاً من قيمة واحدة فقط وهي الشدة المطرية لزمن هطول 15 دقيقة وتواتر n=1 (r15(n=1))، كما أنه باستخدام معادلة راينهولد لتحديد معامل الزمن بغرض تحديد قيم الشدات المطرية (r15) لتواترات أخرى (مثل n = 5 سنوات) فهذا يؤدي إلى الانحراف كثيراً عن الهطولات المطرية الواقعية. 

المنطقة العربية الجافة أو شبه الجافة (مثال: دمشق)

T(h)	1	1.5	2	3	4	6	12
hN(mm)	8.34	9.54	10.92	13.32	15.8	19.43	27.70

(المجال الزمني المتوقع للهطول هو ما بين 1 ساعة و 6 ساعة)

المعطيات المطرية: التواتر n = 5 سنوات (من الجدول رقم 2):

T(h)	1	1.5	2	3	4	6	12
hN(mm)	9.66	10.44	12	14.22	16.83	20.36	28.20

(المجال الزمني المتوقع للهطول هو ما بين 1 ساعة و 6 ساعة)

   يلاحظ أن حجوم أحواض أو برك التخزين المطرية الضرورية لمنطقة دمشق لا تتعدى نسبة 7% إلى 8% من أحواض أو برك التخزين المطرية الضرورية لمنطقة اللاذقية في حال اعتبار تواتر الفيضان المطري المعتمد للتصميم ما بين = n2 سنة و = n 5 سنوات. وهذا الاختلاف الكبير في حجوم أحواض التخزين هو طبيعي ومتوقع، بسبب الاختلافات الكبيرة في طبيعة المعطيات المناخية - المطرية من حيث شدات أو غزارات الهطولات وتواترها وفترات هطولها وأنماط جرياناتها وغير ذلك، ما بين المناطق الجافة والمناطق الساحلية.

الإستنتاجات

   تتميز الطريقة (الهيدرولوجية-المطرية) المطوّرة ببساطتها ودقة نتائجها حيث يمكن للمهندس البيئي أو الهيدرولوجي تصميم أحواض أو برك التخزين المطرية مباشرة انطلاقاً من أنماط المنحنيات المطرية المعروفة أو المحدّدة مسبقاً لأي موقع مدروس بهدف حمايته من أخطار الفيضانات، مما يسمح بتعميم الطريقة هذه وإمكانية تطبيقها على أية منطقة مناخية أينما وجدت بشرط أن تتوفر لها المنحنيات المطرية أو محطة القياس المطرية. كما برز بوضوح تميّز هذه الطريقة عن الطرق التصميمية التقليدية المعتمدة في بعض الدول منها على سبيل المثال ألمانيا، إذ كانت الفروق واضحة في حجوم التخزين وذلك عند قيمة التواتر المطري (n) المختار نفسه.

  كما تبيّن الاختلاف الكبير في حجوم أحواض أو برك التخزين بين المناطق الجافة والساحلية بسبب الاختلافات الكبيرة في طبيعة المعطيات المناخية - المطرية من حيث شدات وغزارات الهطولات المطرية وتواترها وفتراتها وأنماط جرياناتها.

المراجع

ATV (1977). "Richtlinien fuer die hydraulische Berechnung von Regenschmutz-and Mischwasser Kanaelen", Arbeitsblatt A 118, GFA, St. Augustin

ATV (1977). "Richtlinien fuer die Bemessung, die Gestaltung und den Betrieb von Regenrückhaltebecken", Arbeitsblatt A 117, GFA, St. Augustin.

FGS (1971). "Merkblatt fuer bautechnische Massnahmen an Strassen in Wassergewinnungsgebieten", Herausgegeben von der Forschungsgesellschaft fuer das Strassenwesen, Koeln

Behera, K.P. et al. (1999). "Optimization of Regional Storm-Water Management Systems", J. Water Resources Planning and Management, Vol. 125, No. 2, pp. 107-114.

Nemec, J. (1990). "Mitigation of Hazards Related to the Surface Part of the Hydrological Cycle in Egypt", Natural and Industrial Hazards, Planning of Preparedness and Management, UNDRO/UNDP, Seminars, Cairo, 29 Sept.-30 Oct., 1990.

Awad, A. (1999). "A Strategic Study for the Natural Disaster Reduction in Arab World: Preparedness, Confrontation and Prevention", Research Report prepared upon the Request of Naif Arab Academy for Security Sciences (Ex-Arab Center for Safety Studies and Training), Riyadh, Saudi Arabia, 340 pp.

Georgakakos, K.P. (1986). "A Generalized Stochastic Hydrometeorological Model for Flood and Flash Flood Forecasting", J. Water Resources Research, Vol. 22, No. 13, p. 2083.

Bardossy, A. (1994). "Estimation of Extreme Regional Precipitation under Climate Change", In: Engineering Risk in Natural Sources Management, (Eds. Duckstein, L. and Parent, E.), Kluwer Academic Publishers Group, pp. 195-205.

Awad, A. (1986). "Mathematical Probability in Environmental Engineering: Case Studies of Waste Water Networks in Coastal and Semi-arid Regions in Syria", Proceeding of International Conference in Water Resources Needs, Planning in Drought Prone Areas, Khartoum, Dec. 6-12 1986, pp. 679-706.

Awad, A. (2000). "Hydrological - Mathematical Model for Dimensionning Storm Water Detention Basins Employed in Protecting Urban Sewer Networks from Flood Risk", Research Project, Tishreen University, No. 794, 27 Jan. 1998.

Reinhold, F. (1940). "Regenspenden in Deutschland (Grundwerte für die Entw?sserungstechnik, GE 1940)", Archiv für Wasserwirtschaft, Berlin.

الجدول رقم 1. ارتفاع الهطول المطري hN(mm) بالعلاقة مع فترة الهطول T(min) والتواتر n(year) لمدينة اللاذقية [9و10]

الجدول رقم 2. ارتفاع الهطول المطري hN(mm) بالعلاقة مع فترة الهطول T(min) والتواتر n(year) لمدينة دمشق [9و10]