بخشی از مقاله
خلاصه
فرسایش بستر و جدار رودخانه باعث تغییر خصوصیات رودخانه و غیریکنواختی جریان می شود. از سویی حضور پوشش گیاهی در دیواره ها باعث کندی جریان می شود. در این تحقیق برهمکنش جریان غیریکنواخت و پوشش گیاهی، و تأثیر تغییرات شیب طی آزمایشاتی در فلومی شیشه ای با ساقه های برنج در جدار و ذرات شن در کف بررسی شد. نتایج نشان داد که تغییر شیب در نیمرخ های سرعت محور مرکزی اثری نداشته ولی با نزدیک شدن به جدار تفاوتهایی مشاهده شد. نیمرخ های تنش محور مرکزی حداکثر مقدار خود را در نزدیکی بستر اختیار کرده، و این مقدار حداکثر با افزایش شیب کاهش نامحسوسی داشت.
کلمات کلیدی: جریان تندشونده متعادل، توزیع سرعت، قانون جهانی سرعت، توزیع تنش برشی
.1 مقدمه
بسیاری از تمدن های بزرگ دنیا در حاشیه رودخانه ها شکل گرفته اند. در طول تاریخ انسان همواره از رودخانه ها به منظور حفظ بقای خویش بهره برده است، اما بارها طغیان رودخانه ها و یا خشکسالی های چندین ساله زندگی بشر را به خطر انداخته است. در طول سالیان اخیر سیل های بزرگی رخ داده است. لایروبی کردن رودخانه و تغییر دادن مسیر طبیعی آن و حذف پیچان رودها 1، سبب تغییر رفتار رودخانه ها و بنابراین افزایش پتانسیل سیل در بسیاری از موقعیت ها شده است. فرسایش مواد رسوبی بستر و جدار رودخانه ها و انتقال این مواد در طول رودخانه باعث تغییر در شیب، مقطع عرضی و عمق رودخانه ها در نقاط مختلف می شود. در این بین آشفتگی جریان و حضور جریان های غیریکنواخت آب نیز مطالعه رفتار رودخانه ها را پیچیده-تر می سازد. در اغلب رودخانه ها انتقال رسوب با تشکیل شکل های بستر همراه است. وجود ناهمواری های بستر رودخانه موجب غیریکنواختی جریان و ایجاد جریان های تندشونده و کندشونده در مقاطع خاصی می شود. در این شرایط محاسبات مربوط به جریان آشفته و ساختار آن متفاوت از بسترهای صاف می باشد. مهندشی رودخانه یکی از شاخه های علم هیدرولیک است که همواره نظر بسیاری از کارشناسان را به خود جلب کرده است. یکی از پیشرفت های مهم و رایج در مهندشی رودخانه بهینه سازی رودخانه هاست جریان ها در کاربردهای عملی آشفته هستند. جریان متلاطم جریانی است که در آن یک نوسان نامنظم - اختلاط یا حرکت گردابی - به جریان اصلی اضافه می شود. جریان های موجود در سازه های هیدرولیکی ساخته دست بشر نظیر سریزها، کانال های انتقال آب و شبکه های آبیاری نمونه هایی از جریان آشفته هستند. بنابراین مطالعه ساختار جریان آشفته در کانال های باز امری غیرقابل اجتناب در روند مطالعات مربوط به مهندسی رودخانه است.
دشت های سیلابی آبراهه های طبیعی توسط پوشش گیاهی پوشیده شده که این پوشش های گیاهی در دیواره های کانال بیشتر از بستر می باشند. از دیدگاه زیست محیطی می توان به اثر پوشش گیاهی بر عوامل مورفولوژیکی وکیفیت آب اشاره کرد، لیکن ازنظر هیدرولیکی میزان کندی جریان ناشی از وجود پوشش گیاهی عاملی مهم در طراحی سیلاب دشت ها بوده که بایستی مورد توجه قرار گیرد. با توجه به چنین شرایطی درک اثر پوشش گیاهی بر شرایط جریان در پروژه ها رودخانه از اهمیت به سزایی برخوردار است.
در جریان های غیر یکنواخت پارامترهای هیدرولیکی و در رأس آنها عمق جریان در طول مسیر تغییر می کند، در نتیجه نیمرخ های سرعت جریان و خصوصیات جریان آشفته در مقاطع عرضی مختلف در طول جریان با یکدیگر تفاوت دارند. برای تحقیق در این جریان ها اندازه گیری ها باید در هر مقطع از جریان به صورت جداگانه انجام شود؛ ولی در صورتی که جریان متعادل باشد این مشکل قابل حل است. در اکثر رودخانه ها و انهار طبیعی جریان آب می تواند متعادل فرض شود بنابراین رابطه ای منحصر به فرد بین پارامترها و نیمرخ های جریان در مقاطع مختلف وجود دارد. در این صورت در جریان متعادل با اندازه گیری خصوصیات جریان تنها در یک مقطع عرضی می توان به خصوصیات جریان در سایر مقاطع پی برد.یکی از راه های تشخیص متعادل بودن جریان پارامتر است که باید در طول جریان ثابت بماند.همچنین برای کمی سازی جریان غیریکنواخت به کار می رود. این پارامتر که شیب طولی فشار را مشخص می کند را پارامتر تعادل نامیده و به صورت زیر تعریف می شود.
پارامترتعادل سه نوع تقسیم بندی به به شکل زیر صورت می گیرد - سانگ و چیو : - 2001
2. بررسی منابع
از آنجا که جریان آب در رودخانه ها و انهار طبیعی غیریکنواخت است، لذا درک صحیح از خصوصیات جریان در این محیط ها مهم می-باشد. جریان غیریکنواخت می تواند دائمی یا غیردائمی باشد ولی با توجه به آنکه در جریان آشفته در یک نقطه از حوزه جریان، نوسانات سرعت نسبت به زمان حول یک مقدار متوسط وجود دارد، لذا جریان غیردائمی می باشد. هرچند معمولاً از نقطه نظر تحلیلی به جریان آشفته از دید ماکروسکوپیک نگریسته می شود. در حال حاضر اطلاعات زیادی در مورد ساختار جریان آشفته در جریان های غیریکنواخت در کانال های باز موجود نیست. از جمله محققینی که در این زمینه کار کرده اند می توان به کیرونوتو و گراف - 1995 - 1، افضلی مهر و آنکتیل1999 - 2، - 2000، سانگ و چیو - 2001 - 3، یانگ و همکاران - 2006 - 4، افضلی مهر و همکاران - 2007 - و افضلی مهر - 2010 - اشاره کرد1]، 2، 3، 4، 5، 6، .[7
کیرونوتو و گراف - 1995 - در تحقیق خود نشان دادند که محل تشکیل حداکثر سرعت در جریان تندشونده در زیر سطح آب قرار داشت، هرچند از دیدگاه این محققین محل تشکیل حداکثر سرعت تنها وابسته به تندشونده یا کندشونده بودن جریان نبوده و به نسبت ظرافت - نسبت عرض کانال به عمق جریان، b/h - نیز وابسته است. این محققین اظهار داشتند که قانون لگاریتمی توزیع سرعت در ناحیه داخلی نیمرخ های سرعت برقرار بوده و ضخامت این ناحیه با افزایش گرادیان فشار کاهش می یابد. این محققین با مقایسه توزیع های بی بعد تنش رینولدز نشان دادند که در جریان تندشونده مقدار تنش رینولدز کوچکتر از جریان یکنواخت است. همچنین حداکثر مقدار تنش رینولدز در جریان تندشونده نزدیک به بستر بوده و به طور تدریجی به سمت سطح آب به شکل مقعر کاهش می یابد.
نتایج تحقیقات افضلی مهر - 2010 - نشان داد که حداکثر سرعت چه در جریان های تندشونده و چه در جریان های کندشونده در سطح آب اتفاق می افتد. همچنین این محقق نشان داد که قانون لگاریتمی سرعت در تمامی نیمرخ ها معتبر است. نتایج تحقیق این محقق نشان داد که با تغییر شیب در جریان کندشونده تمامی توزیع ها شکل محدب داشته ولی برای جریان تندشونده روند مشابهی برای شیب های بستر متفاوت دیده نمی شود.
سواحل و دشت های سیلابی آبراهه های طبیعی توسط پوشش گیاهی پوشیده شده است. این پوشش های گیاهی که شامل دامنه ای از علف ها، بوته ها، درختچه ها و درختان می باشند در دیواره های کانال بیشتر از بستر می باشند. ریشه گیاهان موجب به هم چسبیدن دانه های خاک گشته و از این رو موجب پایداری دیواره کانال می گردد. همچنین وجود گیاهان باعث ایجاد آشفتگی در جریان آب شده که در نتیجه مقداری از انرژی آب تلف گشته، لذا جریان کند شده و ظرفیت کانال کاهش می یابد. هر چند از دیدگاه زیست محیطی می توان به اثر پوشش گیاهی بر عوامل مورفولوژیکی، کیفیت آب و زیبایی آبراهه ها اشاره کرد، لیکن ازنظر هیدرولیکی میزان کندی جریان ناشی از وجود پوشش گیاهی یک عامل مهم در طراحی سیلاب دشت ها و مدیریت حریم آبراهه های طبیعی می باشد که بایستی مورد توجه مهندسین هیدرولیک قرار گیرد.
یکی از اولین و شناخته شده ترین تحقیقات در زمینه مقاومت هیدرولیکی کانال های با پوشش گیاهی توسط ری و پالمر - 1949 - 1 انجام شده است.[8]
سامانی و کوون - 2002 - 2 بیان کردند که پوشش گیاهی یک روش مؤثر و اقتصادی در کنترل فرسایش می باشد و سپس به بررسی رابطه بین خصوصیات پوشش گیاهی و شدت فرسایش در کانال های علفی پرداختند. آنها نشان دادند که می توان از مقدار تغییر شکل گیاه در اثر عبور جریان برای تخمین شدت فرسایش استفاده نمود.[9]
.3 مواد و روش ها
آزمایشات این تحقیق در فلومی به طول 8 متر ، عرض 40 و ارتفاع 60 سانتی متر با دیواره ها و کف از جنس شیشه صورت گرفت. مخزن بزرگ و دو قسمتی فلوم با ذخیره حجم آب کافی، نیاز به پمپاژ آب از مکانی دیگر را برطرف می ساخت.لذا این فلوم با آب درون مخزن و قسمت اصلی اش به صورت یک سیستم بسته چرخش آب عمل می نمود.
انرژی لازم برای حرکت آب در فلوم به وسیله یک پمپ سانتریفیوژ تأمین می شد. با تنظیم جریان الکتریکی ورودی به پمپ از طریف جعبه برق دیجیتال و خواندن دبی از روی دبی سنج الکتریکی واقع بر روی لوله رانش پمپ تنظیم دبی جریان ورودی به داخل فلوم ممکن خواهد شد. حداکثر دبی قابل استفاده در این فلوم50 لیتر در ثانیه بود.
آب پس از پمپ شدن از مخزن فلوم به درون لوله رانش و گذشتن از دبی سنج الکتریکی واقع بر روی آن وارد قسمت ورودی کانال شده و پس از آرام شدن جریان توسط شبکه لانه زنبوری موجود وارد قسمت اصلی فلوم می شود.با گذر از قسمت اصلی فلوم به طول 8 متر، آب وارد مخزن رو قسمتی می شود که حدفاصل این دو فسمت نیز یک دریچه کشویی متحرک قرار گرفته است که با تنظیم ارتفاع آن به مقدار دلخواه عمق آب در قسمت های مختلف فلوم قابل کنترل و تغییر است.در بالای هر دو دیواره شیشه ای فلوم یک لوله فلزی قرار گرفته است که تجهیزات اندازه گیری عمق و سرعت جریان آب بر روی پایه های متحرک روی این دو میله ریل مانند در طول فلوم جابه جا می شوند. برای اندازه گیری عمق از یک دستگاه عمق سنج متحرک3 و برای اندازه گیری سرعن نقطه ای از دستگاه سرعت سنج صوتی استفاده شد.
ذرات رسوب مورد استفاده در این تحقیق ذرات شن با قطر میانه 20 میلیمتر است.شیب انتخابی نیز در محدوده 1 تا 2 درصد بود. به منظور ایجاد شیب های دلخواه اختلاف ارتفاع ابتدا و انتهای بستر رسوبی در طول 8 متر فلوم محاسبه شد. سپس با استفاده از یک ریسمان بنایی و بستن آن به دو مانع با ارتفاع دلخواه در ابتدا و انتهای فلوم شیب مورد نظر نسبت به کف افقی فلوم ایجاد شد. به منظور شبیه سازی پوشش گیاهی در جدار کانال از ساقه های برنج استفاده شد که در دیواره کانال چسبانده شدند. به منظور برداشت داده ها مقاطع اندازه گیری باید به گونه ای انتخاب گردد که در آن جریان توسعه یافته بوده و نیمرخ سرعت شکل ثابت خود را پیدا کرده باشد.این ناحیه نبایستی تحت تأثیر افت سطح آب ناشی از نزدیک شدن به دریچه انتهایی قرار بگیرد.
کلیه اندازه گیری های دستگاه سرعت سنج صوتی در حجم نمونه برداری که استوانه ای به قطر 4 میلیمتر ، ارتفاع 6 میلیمتر و حجم 0/08 سانتیمترمکعب است و در فاصله 5 سانتیمتری از فرستنده دستگاه قرار دارد انجام می شود.
در این تحقیق سعی شد تا در هر نیمرخ سرعت حداقل 10 نقطه در 20 درصد عمق نزدیک به بستر - لایه داخلی - و 10 نقطه در 80 درصد عمق نزدیک به سطح - لایه خارجی - اندازه گیری شوند. زمان نمونه برداری در هر نقطه متجاوز از 4 دقیقه در نظر گرفته شد. پس از برداشت داده ها نیاز به جداسازی داده های نادرست و مخدوش حاصل از شرایط آزمایش و نواقص ذاتی دستگاه ADV بود. نرم افزارWin ADV به وسیله یکی از مهندسین هیدرولیک آزمایشگاه منابع آب دفتر احیاء اراضی ایالت متحده آمریکا توسعه پیدا کرده و از سال 1996 تا به امروز در اختیار عموم قرار گرفته است. این برنامه قابلیت تحلیل و پردازش داده های اندازه گیری شده دستگاه های ADV ساخت دو شرکت Nortek و Sontek را دارا بوده و ابزاری توانمند جهت غربال کردن و پردازش داده ها در اختیار قرار می دهد.
