بخشی از مقاله
تأثیر تراکم پوشش گیاهی شاخه اي بر سرعت برشی جریان رودخانه اي
خلاصه
وجود انواع پوششهاي گیاهی در بستر و کناره رودخانه ها باعث اضافه شدن زبري مسیر جریان، هدر رفـت انـرژي آب، کنـدي جریـان و بالا آمدن سطح آب و جاري شدن آب به پهن دشتها میشود. تحلیل صحیح وضعیت جریان براي انجـام پـروژههـاي سـاماندهی در ایـن گونه بازهها نیاز به تخمین و یا برآورد مناسبی از ضریب زبري پوشش گیاهی دارد .این ضریب تابعی از سرعت ، عمق ، نوع ، تراکم پوشش گیاهی و ... می باشد . بنا بر این فرض ثابت بودن این ضریب در بازه هاي مختلف صحیح نمی باشد . در این مقاله اثرات هیـدرولیکی سـه نوع تراکم پوشش گیاهی شاخه اي مصنوعی ( پلاستیکی) و مستغرق بر تغییر سرعت برشی جریـان بـصورت آزمایـشگاهی بررسـی شـده است بدین منظور یک مجموعه آزمایش هیدرولیکی ( شامل 60 مورد آزمایش) در مرکز تحقیقات حفاظت خـاك و آبخیـز داري بـر روي یک فلوم آزمایشگاهی با پنج شیب کف ( از 0/01 تا0/002 )، چهار دبی جریان (از 10 تا 40 لیتر در ثانیه) و سـه نـوع تـراکم (آرایـش )پوشش گیاهی ( 100، 50 و 28درصد) انجام شد . با تجریه و تجلیل دادههاي بدست آمده و رسم منحنی هـا رابطـه بـین ضـریب زبـري مانینگ (n) و نسبت سرعت متوسط جریان به سرعت برشی V/V*) )ونسبت رینولدز برشی((Re*به(( V/V* بررسی شده است . نتایج نشان میدهد که در همه حالات افزایش V/V* موجب کاهش ضریب زبري کانال وافزایش رینولدز برشی می شود کـه ایـن موضـوع در تراکم %100 بیشتر از سایر حالات است. از طرفی این تحقیق روشی جدید براي انجام آزمایش هاي هیدرولیکی با اسـتفاده از پوشـش هاي گیاهی مصنوعی در مجاري رو باز ارائه می دهد.
واژههاي کلیدي : سرعت برشی ، ضریب زبري مانینگ،
مقدمه:
با عبور جریان آب از رودخانهها در مناطق داراي پوشش گیاهی جریان آب تحت تأثیر مقاومت پوششهاي گیـاهی قرارگرفتـه، سـرعت جریان کاهش و درنتیجه عمق جریان افزایش مییابد و خطر سیل گرفتگی سیلاب دشت فراهم میشود . پوشـش گیـاهی در بـستر و حاشـیه رودخانه موجب افزایش زبري مسیر جریان ، کاهش میانگین سرعت جریان ، کاهش انرژي آب و تغییر توزیع سرعت لایهاي (پروفیـل سـرعت جریان) در مقطع عرضی رودخانه میشود. براي محاسبه دبی، سرعت و عمق جریان در کانالهاي طبیعی و نیز برآورد سیل و رسوب ارزیـابی مقاومت جریان مهم و ضروري است یکی از عواملی که مقاومت جریان، با آن بیان میشـود ضـریب زبـري مانینـگ اسـت کـه ایـن ضـریب در رودخانههاي مختلف بر حسب شرایط محیطی تعیین میشود. در رودخانههاي پوشیده از گیاه ضریب زبري، میزان رسـوبگذاري و مرفولـوژي و مسیر متأثر از سرعت جریان ، شعاع هیدرولیکی ، نوع ، تراکم و ارتفاع گیاه می باشد. انتخاب و بکار گیـري یـک رابطـه مناسـب بـراي تعیـین مقاومت جریان در رودخانه مورد مطالعه نیازمند شناخت روابط مختلف ، تجربه کارشناسی کافی و توجه ویژه به وضعیت هیدرولیکی و رسوبی رودخانه دارد . از مشهور ترین روابط مقاومت جریان در کانالهـاي بـاز کـه ارتبـاط بـین سـرعت متوسـط جریـان و پارامترهـاي هندسـی – هیدرولیکی و مقاومتی آبراهه را بیان می نمایند می توان به روابط شزي (1775) ، دارسی وایسباخ (1875-1857) و مانینـگ (1890) اشـاره
نمود. مهمترین مسئله در بکارگیري این روابط شیوه محاسبه و برآورد صحیح ضرایب این روابط ( به ترتیب ضـریب زبـري شـزي ( (C ضـریب زبري مانینگ (n) و فاکتور دارسی – وایسباخ ( (f ) می باشد . که این موضوع مورد توجه مهندسین هیدرولیک قـرار گرفتـه اسـت . در ادامـه بررسی اجمالی مرور منابع صورت می پذیرد. مهدي قدیم خانی (1383) بررسی آزمایشگاهی تغییرات ضریب زبري در رودخانه هاي جنگلـی را مورد بررسی قرار داد. تجزیه و تحلیل انجام گرفته در آزمایشگاه نشان می دهد که آرایـش ضـربدريتقریبـاً %130 برابـر آرایـش شـطرنجی ضریب زبري را افزایش می دهد. و در آرایش ضـربدري ، تـراکم %120 (6 3) ، تـراکم , % 91 (8 4) تـراکم %67 (10 5) و تـراکم هـاي آرایش شطرنجی، تراکم , % 73 ( 6 6) تراکم %45 (8 8) و تراکم %30 (10 10) ضریب زبري را افزایش میدهند. شـریفی و فتحـی مقـدم
(1385) تخمین پارامترهاي زبري براي پوششهاي گیاهی بلند در بستر رودخانهها را مورد بررسی قرار دادند . نتایج نشان می دهد که کـف و ارتفاع زبري((Z0,d براي پوشش مورد آزمایش به ترتیب 9 و 1/9 متر حاصل گردید و سرعت برشی متوسط (U0) برابـر 1/25 متـر بـر ثانیـه بدست آمد. اولین تحقیقات براي بدست آوردن رابطه اي بین زبري هیدرولیکی جریان با عمق و سرعت جریان, و همچنین نوع و ارتفاع پوشش گیاهی در سال 1936 در آزمایشگاه سازمان حفاظت خاك ایالت کارولیناي جنـوبی واقـع در شـهر اسـپارتانبورگ ایـالات متحـده شـروع شـد (Cook and Campbell 1939) حاصل این آزمایشات ارائه یک سري ضرائب زبري کوتر و مانینگ در کانالهاي کشت شده با عـرض 1/2
0/3 – متر و شیب کناره متفاوت بود. پس از آن در سالهاي 1940 تا 1943 تحقیقات مشابهی توسط اداره حفاظت خـاك و مرکـز تحقیقـات کشاورزي ایالت اکلاهما در شهر استیل واتر ایالات متحده انجام گردید. نتایج حاصل از آزمایشات روي کانالهاي کشت شده با جدارهاي فلـزي عمودي بهصورت یک سري گراف جهت نشان دادن رابطه بین مقاومت هیدرولیکی جریان (زبري جداره کانالها) و دبی عبوري در واحد عرض بر حسب فوت مکعب بر ثانیه بود . (Cox 1942; Palmer 1945 ) در سال 1949 خلاصه فعالیتهاي سازمانهاي فـوق بـراي بدسـت آوردن ضرائب زبري گیاهی بهصورت یک سري گراف جهت نشان دادن رابطه ضریب زبري مانینگ (n) و حاصل ضریب سرعت متوسط جریان (V) و شعاع هیدرولیکی کانال (R) براي هشت نوع گیاه مختلف ارائه شـد . چـاو ( (Chow, 1954 و بـارنز ( (Barnes, 1967 بترتیـب جـداول توصیفی و اشکال تصویري جهت تخمین ضریب زبري مانینگ پوششهاي مختلف در رودخانهها و مجاري طبیعی بر مبناي تجارب سیلابهاي اتفاق افتاده در رودخانه هاي ایالات متحده ارائه نمودند. فتحی مقدم و کاونی (Fathi-Moghadam & Kouwon, 1997) دو گونه سرو و صنوبر زنده را با لحاظ کردن انعطاف شاخ و برگ درخت در فلومی به طول 13 متر و عرض 0/6 متر و عمقهاي مختلف جهت محاسبه ضـریب کششی و روابط مقاومت براي گونه درختان مورد بررسی قرار دادند و رابطهاي را براي محاسبه نیروي کشش گیاه در برابر جریان ارائه کردنـــد نتایج آزمون نیروي کششی در مقابل سرعت نشان داد که تاثیر نیروي کششی در اعماق بالاتر از 60 میلی متر قابل ملاحظه میباشد و افـزایش عمق باعث افزایش سطح جذب ممنتم و افزایش نیروي کششی می شود. نیروي کششی با سرعت بصورت خطی افزایش مییابد و تاثیر درخـت صنوبر در افزایش نیروي کششیتقریباً دو برابر درخت سرو است . نتایج آزمون ضریب زبري مانینگ در مقابل اسـتغراق نـسبی (y/h) نـشان داد که با افزایش استغراق نسبی در سرعت ثابت ضریب زبري افزایش می یابد . با افزایش سرعت در استغراق نسبی ثابت ضریب زبـري کـاهش می یابد. در سرعت و استغراق نسبی ثابت مقدار ضریب زبري ناشی از درخت صنوبرتقریباً یک تا 1/5 برابر مقدار آن در درخت سرو می باشد.
کاون و فتحی مقدم (Kouwen and Fathi–Moghadam 2000) ضریب اصطکاکی را براي درختان کاج مانند کنـار رودخانـه بـا فرض افزایش خطی مساحت شاخ و برگ با ارتفاع و بر اساس آنالیز بی بعد پارامترهاي مـوثر مـورد بررسـی قـرار دادنـد. یوکویامـا و همکـاران (Yokoyama 2003) براي محاسبه ضریب مانینگ در رودخانههاي جنگلی در شرایط مختلف استغراق روابطی را ارائه دادند که ضریب زبري کل تابعی از ضریب زبري بستر, ارتفاع تند و کل درخت, ضریب کششی درختان و تاج درخت , قطر تنه درخت , تعداد درخت در واحد سـطح,
عمق جریان و مساحت افقی تاج درخت میباشد.
با مروري بر سوابق تحقیق موارد زیر قابل ارائه میباشد . عوامل موثر در تخمین صحیح ضریب زبري عبارتند از زبري بستر کانال (جنس کانال) , نامنظمی سطح مقطع و آرایش پوشش گیاهی (نوع و میزان تراکم آن), شکل مسیر (مـستقیم یـا مـارپیچی) وجـود موانـع در مـسیر جریان , گذشت زمان و تغییر فصول که ضریب زبري مانینگ کلیه عوامل موثر در مقاومت بستر کانال در مقابل جریان را در خود مستتر دارد و این ضریب داراي یک مقدار ثابت نبوده بلکه با تغییر عمق و سرعت جریان و نوع پوشش تغییر میکند. تفاوت زیادي در بـرآورد ضـریب زبـري وضعیت استغراق پوششهاي گیاهی به دلیل تفاوت پروفیل، سرعت آب و مقدار انـرژي از دسـت رفتـه وجـود دارد. پروفیـل سـرعت آب درون پوشش گیاهی به استثناء لایه نازکی در مجاورت بسترتقریباً داراي توزیع یکنواخت است در صورتیکه پروفیل سرعت در خارج پوشش گیاهی تابع اصل لگاریتمی توزیع سرعت آب است. به همین دلیل مدلسازي و تخمین ضرائب زبري پوششهاي گیاهی براي حـالات مـستغرق و نیمـه مستغرق متفاوت است و پروفیل سرعت آب درون پوشش گیاهی تابعی از شکل, نحوه استقرار و قابلیت ارتجاع شاخ و برگ می باشد . از سـوي دیگر پوشش گیاهی باعث کاهش تنش برش موضعی جریان در بستر رودخانه شده و شرایط مناسبی را براي ته نـشین شـدن مـواد معلـق آب فراهم و موجب تجمع رسوبات در لابلاي المانهاي زبري میگردند. تغییر عمق جریان در شرایط استغراق کامـل پوشـش گیـاهی , درصـدهاي استغراق متفاوت, انواع پوششهاي گیاهی علفی, بوتهاي و شاخهاي در پراکنشهاي مختلف , تغییر شـیب بـستر و ... همـه از عوامـل مهـم در ضریب پروفیل سرعت جریان و ضریب زبري میباشند. در کنار مطالعات زیادي که تاکنون براي تخمین ضرایب زبري پوششهاي گیاهی انجـام شده است مرور منابع نشان میدهد که تاکنون روش و رابطهاي مشخص که بتوان بهصورت عملی در هر پروژهاي از آن استفاده نمود ارائه نشده است. در حال حاضر تخمین ضرایب زبري پوششهاي گیاهی براي استفاده در اکثر مدلها و پروژهها بر مبناي اطلاعات ارائـه شـده در جـدول چاو (Chow, 1959) و اشکال تصویر بارنز (Barnes, 1967) میباشد. استفاده از این جداول و اشکال نیاز بـه تجربـه کـافی در تفکیـک و
شناخت رودخانه و پوشش گیاهی دارد. براین اساس برآورد دقیق و آزمایشگاهی ضریب زبري در هر بازه رودخانهاي بـراي دقـت در محاسـبات پروژه هاي ساماندهی و اجرایی در رودخانه ها توصیه می شود.
مواد و روشها :
براي شبیهسازي پوشش گیاهی در بستر رودخانه در آزمایشگاه ،هیدرولیک و در یک فلوم به عرض و ارتفاع 60 سـانتی متـر و طـول 14
متر در بستر فلوم به طول 5 متر از شن با قطر متوسط 9 میلی متر استفاده شد. پوشش گیـاهی شـاخه اي از نـوع مـصنوعی بـا ارتفـاع 7 - 8
سانتیمتر و با آرایش پوششهاي 100، 50 و 28 درصد در کف کانال در فواصل مشخص در بستر شنی نصب و آرایش گردید . آزمـایشهـا در سه نوع آرایش مختلف با چهار دبی 10)، 20 ، 30 و 40 لیتر در ثانیه ) و پنج شیب 2) ، 4 ،6 ،8 و 10 در هزار ) انجام شد . در تمامی حـالات پوشش گیاهی چمنی مستغرق بود . عمق جریان در ده مقطع و سرعت جریان بوسیله بوسیله میکرو مولینه در سه مقطع ( در اعماق مختلف از عمق آب ) اندازه گیري شد . در هر آزمایش بعد از نصب و آرایش پوشش گیاهی در کف فلوم جریان مورد نظر به طور تدریجی به داخـل فلـوم هدایت شده و عمق و دبی جریان توسط شیرهاي بالادست تنظیم میگردید . پس از تثبیت جریان، پروفیل سـطح آب، عمـق و سـرعت انـدازه گیري میشد . اندازه گیري و تنظیم دبی فلوم توسط سرریز مثلثی لبه تیز پایین دست انجام میگر فت . در این آزمایش 60 مجموعـه از داده-
هاي آزمایشگاهی که خلاصهاي از آن در جدول 1 آورده شده مورد استفاده قرار گرفت .
