بخشی از مقاله
بررسی نقش برداشت شن و ماسه بر افزایش توان حمل رسوب رودخانه
به ترتیب مدیر و استادیار و دانشآموخته گروه مهندسی آبخیزداری دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، مازندران، Email: sadeghi@modares.ac.ir
چکیده
روزانه هزاران تن از انواع مصالح رودخانهای به منظور تأمین نیازهای مختلف از بستر رودخانهها برداشت میشود.
برداشت از منابع رسوب رودخانهای پیامدهای مختلفی از قبیل تخریب شرایط طبیعی و تغییر در شرایط هیدرولیکی و هیدرولوژیکی جریان را به دنبال داشته که اغلب منجر به افزایش انرژی و گلآلودگی جریان، تشدید فرسایش خاک و ایجاد مخاطرات زیست محیطی میشود. تحقیق حاضر به منظور بررسی نقش برداشت معدن شن و ماسه بِجِز واقع در حوزه آبخیز واز در استان مازندران بر افزایش توان حمل رسوب به واسطه تغییر در دانه-
بندی رسوبات و افزایش گلآلودگی انجام گردید. به منظور دستیابی به اهداف مورد بررسی، مواد بستر در دو مقطع قبل و بعد از محدودۀ فعالیت معدن به صورت ترکیبی برداشت شده و دانهبندی آنها با استفاده از الک و نرمافزار ماکروی GRADISTAT صورت پذیرفت. نتایج تحقیق دلالت بر تغییر معنی دار قطر میانه رسوبات بستر از
42/26 به 18/41 میلی متر داشته که نمایانگر تقلیل چشمگیر حد آستانه حرکت ذرات و افزایش شایستگی جریان در حمل رسوب بوده است.
واژگان کلیدی: برداشت شن و ماسه، دانهبندی رسوبات بستر، شایستگی جریان، معدن شن و ماسه بِجِز، حوزۀ آبخیز واز، مازندران
مقدمه
امروزه برداشت شن و ماسه1 و یا به عبارت دیگر مصالح رودخانهای در زندگی بشر و فعالیتهای عمرانی و صنعتی او تاثیر بهسزایی پیدا کرده و روزانه هزاران تن از انواع این مصالح از بستر رودخانهها برداشت میشود. دانهبندی رسوبات بستر نشاندهندۀ کمیت و کیفیت رسوبات از لحاظ قابلیت برداشت شن و ماسه است ضمن اینکه هرگونه تغییر در خصوصیات هندسی و هیدرولیکی مقاطع نیز در نهایت باعث تغییر در دانهبندی و اندازه رسوبات بستر میگردد. در همین راستا تحقیق حاضر درصدد مطالعه تاثیر برداشت شن و ماسه بر اندازه رسوبات بستر و در نتیجه شایستگی جریان در رودخانه واز میباشد. در اثر برداشت بیرویه و غیر اصولی شن و ماسه اکثر رودخانههای استان مازندران دچار افتادگی و ایجاد آبشار شده که این امر آبگیری رودخانهها در فصل زراعی را با مشکل مواجه نموده است، بهطوریکه سالانه میلیاردها ریال برای تثبیت و نگهداری آنها از سوی شرکت آب منطقهای وکشاورزان هزینه میشود .[1] لذا انجام تحقیقاتی که بتوانند به نحوی منجر به تبیین کمیت و کیفیت اصولی برداشت شن و ماسه گردند ضروری میباشد. برای انجام این تحقیق معدن برداشت شن و ماسه بِجِز در رودخانه واز بهدلیل استفاده از روشهای مختلف و انجام فعالیتهای گسترده در جهت افزایش حجم برداشت انتخاب گردید.
پیشینه تحقیق
تحقیق در مورد نحوه تغییرات دانهبندی رسوبات بستر در طول رودخانهها سابقهای نسبتاً طولانی دارد. اما تحقیقات راجع به نقش برداشت شن و ماسه در تغییر دانهبندی رسوبات بستر رودخانهها بسیار محدود میباشد. لاگاس1 و همکاران (1980) با مطالعهای در امریکا تغییرات معنیدار مورفولوژی رودخانه و اندازه ذرات رسوبی در بازهای از پایاب رودخانه میسیسیپی در اثر برداشت شن از این رودخانه را نشان دادند
.[2] هیلی و وو(2002) 2 نشان دادند که یکی از دلایل عمدۀ ایجاد اختلال در روند تغییرات دانهبندی3 رسوبات بستر رودخانهها، برداشت شن و ماسه میباشد .[3] بررسی سوابق همچنین موئد عدم وجود تحقیق مستند در مورد تاثیرات برداشت شن و ماسه بر افزایش شایستگی جریان در حمل رسوب خصوصا در داخل کشور بوده است.
مواد و روشها
حوزۀ آبخیز واز با مساحتی معادل 14102 هکتار واقع در ارتفاعات جنوبی بخش چمستان، از توابع شهرستان نور در استان مازندران قرار گرفته و در دامنه 51 درجه، 55 دقیقه و 15 ثانیه تا 52 درجه، 12 دقیقه و 15 ثانیه طول شرقی و 36 درجه، 12 دقیقه و 30 ثانیه تا 36
درجه، 26 دقیقه و 13 ثانیه عرض شمالی واقع شده است. حوزۀ مذکور با کاهش تدریجی ارتفاع به سمت شمال به مناطق جلگهای دریای خزر متصل میشود .[4] شیب متوسط حوزه 40 %، حداقل و حداکثر ارتفاع حوزه نیز 270 و3350 متر و ارتفاع متوسط آن 1800 متر بالاتر از سطح آبهای آزاد میباشد .[5] شکل (1) موقعیت حوزه آبخیز مورد مطالعه را نشان میدهد.
شکل (1) موقعیت حوزه آبخیز واز، معدن شن و ماسه بجز و نقاط نمونهبرداری رسوب
به منظور ارزیابی اثرات برداشت شن و ماسه بر شایستگی جریان4 رودخانه مراحل مختلفی شامل جمعآوری اطلاعات موجود، تعیین موقعیت معدن شن و ماسه، شناسایی مقاطع نمونهبرداری رسوب بستر، برداشت و آنالیز دانهبندی نمونهها برای تعیین پارامترهای مورد نیاز، بررسی تغییرات و در نهایت محاسبه توان حمل رسوب در شرایط قبل و بعد از معدن به شرح ذیل انجام پذیرفت.
تعیین موقعیت معدن و شناسایی مقاطع نمونهبرداری
پس از انجام بازدیدهای اولیه محدوده فعالیت معدن شن و ماسه بجز در بخش میانی حوزۀ آبخیز واز شناسایی شد. سپس مختصات جغرافیایی محدودۀ معدن با استفاده از سیستم موقعیتیاب جهانی تعیین و روی نقشه منطقه منتقل گردید. شکل (1) موقعیت معدن و نقاط نمونهبرداری را نشان میدهد. مقاطع مورد نظر به گونهای انتخاب شدند که با توجه به هدف، نمایانگر وضعیت هندسی و هیدرولیکی قبل و بعد از معدن برداشت شن و ماسه باشند. مختصات جغرافیایی مقاطع انتخابی در جدول (1) درج شده است.
جدول (1) مختصات جغرافیایی مقاطع انتخابی
نمونه برداری از رسوب بستر و انجام آنالیزهای دانه بندی رسوبات
در برداشت نمونهها در تحقیق حاضر از روش ترکیبی[ 6] 1 استفاده شده است. رسوبات مربوطه در محل نمونهبرداری به عرض تقریباً 1 متر و در طولی برابر با عرض رودخانه و با عمق مناسب با همدیگر ترکیب شده و سپس مقدار مورد نیاز برداشت گردید. برداشت نمونهها از رسوبات ترکیب شده بهنحوی صورت گرفت که وزن بزرگترین ذره رسوبی در داخل نمونه بیش از %5 وزن کل نمونه نباشد .[7] رسوبات برداشت شده با کیسههای پلاستیکی به آزمایشگاه حمل و ابتدا مواد آلی نمونههای مذکور توسط آب اکسیژنه زدوده شد [8] و سپس با استفاده از کوره با دمای 70 درجه سانتیگراد در مدت 2 روز خشک گردید. برای تعیین توزیع اندازه ذرات و بهدست آوردن منحنیها و پارامترهای مستخرج از آن، از کلیه ذرات استفاده شد. به این صورت که ذرات با ابعاد ذرات بزرگتر از 128 میلیمتر به صورت مستقیم در آبراهه اندازهگیری شده و وزن آنها نیز یادداشت و ذرات با قطر کوچکتر از 128 میلیمتر به آزمایشگاه حمل شد. ذرات با قطر متوسط بین
32 و 128 میلیمتر توسط دستگاه گراولومتر2 ساخته شده برای این منظور [9]، تعیین بعد شده و وزن آنها در چهار طبقه قطری 32-45، 45-64، 64-90 و 90-128 میلیمتر اندازهگیری و ثبت گردید. ذرات دارای قطر متوسط کمتر از 32 میلیمتر به روش الک کردن3 در طبقات مختلف تفکیک و وزن شد. برای اندازهگیری ذرات با قطر کمتر از 1 میلیمتر نیز از مجموعه الکهای مورد نیاز با شماره مشهای4
استاندارد (ASTM) استفاده شد. سپس با استفاده از نرمافزار ماکروی گرادیستات [10] منحنی توزیع تجمعی اندازه ذرات5 و قطر میانه6( d50 ) نمونههای مزبور به دست آمد.[11]
محاسبه پارامترهای هیدرولیکی و هندسی مقاطع
پارامترهای هیدرولیکی و هندسی هر دو مقطع شامل ارتفاع داغاب، سطح مقطع جریان، محیط خیسشده، شعاع هیدرولیکی، ضریب زبری، شیب طولی بستر، سرعت جریان و همچنین دبی مربوطه محاسبه گردیدند. پس از تعیین مقاطع، حد بالاترین داغاب مربوط به آخرین سیلاب شناسایی شده و بر اساس آن عرض بالا و پایین مقطع و شیب کنارهها و سپس سطح مقطع و محیط خیسشده و شعاع هیدرولیکی محاسبه گردید. شیب طولی بستر آبراهه در هر کدام از مقاطع نیز ثبت گردید. پس از بهدست آوردن شیب طولی کانال در مقطع و همچنین محاسبه ضریب زبری مؤثر بر جریان سیلابی با استفاده از روش کووان[12] 7 به کمک فرمول مانینگ سرعت جریان سیلابی تعیین و سپس دبی سیلاب ایجاد کننده داغاب مشاهدهای برآورد گردید.
نتیجه گیری
خصوصیات هیدرولیکی و هندسی مقاطع مورد نظر
از آنجایی که خصوصیاتی از قبیل شیب بستر کانال، سطح مقطع1، محیط خیس شده، شعاع هیدرولیکی2 و ضریب زبری3 مستقیماً بر رفتار آب در کانال تأثیر می گذارند. لذا یکسان بودن نسبی این خصوصیات و همچنین دیوارههای مُشرف به رودخانه در یک بازه، مُنجر به تغییرات اندک پارامترهای دانهبندی رسوبات بستر شده و مقدار این تغییرات نیز با طول بازۀ انتخابی رابطه مستقیم دارد. بهعبارت دیگر در یک بازۀ کوتاه که خصوصیات هیدرولیکی و هندسی و همچنین دیوارههای مُشرف به آن از ثبات نسبی برخوردارند، میتوان تغییرات پارامترهای دانهبندی رسوبات بستر را به عامل یا عوامل دیگری نسبت داد .[13] خصوصیات هیدرولیکی و هندسی و همچنین دیوارههای مُشرف به رودخانه در مقاطع انتخابی نسبتاً یکسان بوده و در نتیجه میتوان برداشت شن و ماسه را عامل ایجاد تغییرات معنیدار دانهبندی رسوبات بستر دانست. جدول (2) خصوصیات هیدرولیکی و هندسی مقاطع مورد مطالعه بر اساس بالاترین داغاب مشاهدهای مربوط به آخرین سیلاب رخداده را نشان میدهد.
جدول (2) خصوصیات هیدرولیکی و هندسی مقاطع مورد مطالعه
اشکال (2) و (3) منحنی توزیع تجمعی اندازه ذرات را بهترتیب برای مقطع 1 و 2 نشان میدهند. جدول (3) خصوصیات دانهبندی رسوبات بستر در مقاطع مورد مطالعه را نشان میدهد.
