بخشی از مقاله
چکیده
محدودیت منابع آب و تخلیه انواع فاضلابهای صنعتی به آبراههها، سبب توجه بسیاری از پژوهشگران مهندسی رودخانه به نحوهی انتقال و جابهجایی و تغییرات غلظت یک توده از مواد آلاینده در پایین دست محل تزریق توسط جریان می شود. افزایش احتمالی آلودگی آبراههها در اثر فعالیتهای انسانی و صنعتی منجر به تشدید طرح کنترل کیفیت آب ها گردیده است همچنین پیامدهای اجتماعی و اقتصادی ناشی از مصرف مستقیم و غیر مستقیم آب آلوده اهمیت این کنترل را افزایش داده است. گیاهان موجود در سیلابدشت باعث پیچیدگی ساختار جریان در مقاطع مرکب میشود. با این وجود گیاهان میتوانند تاثیر به سزایی در بهبود کیفیت آب به علت توانایی در جذب و رقیق سازی آلایندهها ایجاد کنند. در این تحقیق، به بررسی آزمایشگاهی تاثیر دو چیدمان ردیفی و منقطع درختان روی سیلابدشت و همچنین عمق نسبی بر ضریب انتشار طولی و نحوهی تغییر غلظت در پاییندست آلودگی در یک فلوم با مقطع مرکب مستطیی پرداخته شده است. تغییرات غلظت با تصویربرداری از ابر آلودگی و استفاده از تکنیک پردازش تصویر در نرم افزار متلب بررسی شده است. نتایج نشان میدهد با افزایش عمق نسبی ضریب انتشار طولی افزایش می یابد، به گونهای که ضریب انتشارطولی در اعماق نسبی نسبتاً زیاد نسبت به حالت بدون پوشش گیاهی تا میزان % 86 درصد افزایش مییابد. با حرکت توده ردیاب به پاییندست، مقدار حداکثر غلظت کاهش یافته و ابر آلودگی کشیدهتر می-شود.
کلمات کلیدی: پردازش تصویر، ضریب انتشار طولی، عمق نسبی، گیاهان، رودخانه.
مقدمه
در سالهای اخیر، توجه به دیدگاههای توسعهی پایدار1 و حفاظت و نگهداری از محیطزیست به منظور حفظ و تداوم بقا بر روی کرهی زمین به طور چشمگیری افزایش یافته است. رودخانهها به عنوان یکی از مهمترین ارکان حیات بشر میباشد بنابراین احترام به دیدگاههای توسعهی پایدار مستلزم بهرهبرداری مناسب از طبیعت و اتخاذ راهکارهای پایدار و هماهنگ با طبیعت در مواجه با رودخانهها است. در گذشته مهندسین رودخانه با احداث سازهها در مسیر رودخانه سعی در کنترل و مهار پدیدههای طبیعی داشتهاند اما در اغلب موارد با نتایج ضعیفی برخورد کردهاند، در حال حاضر توسعهی دانش مهندسی رودخانه به سمت راهکارهای هماهنگ با طبیعت سوق داده شده است. کاوه مدنی - 2014 - تحلیل ریشههای اصلی بحران آب ایران را ناشی از عواملی مانند رشد سریع جمعیت و پراکندگی نامناسب آن، کشاورزی ناکارآمد، سوء مدیریت و عطش بیش از حد توسعه و ساختار نامناسب و ناهماهنگ مدیریت آب، ضعف حفاظت از محیطزیست و فقدان نگرش دراز مدت میداند . رشد روز افزون جمعیت، ارتقای سطح زندگی، توسعه شهرنشینی، صنایع و کشاورزی از عواملی هستند که افزایش مصرف آب و تولید روز افزون فاضلاب را باعث شده و موجب آلودگی محیطزیست می شود - زنگنه و همکاران، . - 1376 فائو - 2004 - وابسته به سازمان ملل متحد بیان میکند تا سال 2025، 1/9 میلیارد نفر در کشورها و یا مناطق با کمبود آب مطلق زندگی میکنند و دو سوم از جمعیت جهان تحت شرایط تنش خواهند بود . این تهدیدها برنامهریزی برای جلوگیری از هدررفت آب، کنترل کیفی و حفاظت از این منابع محدود را اجتنابناپذیر میکند. آبهای سطحی بیشتر در معرض خطر آلودگی قرار میگیرند، استعداد این گروه منابع در برابر آلودگی از سوی جوامع بشری و مراکز صنعتی و کشاورزی بیشتر از سایر گروههای منابع آبی میباشد و نتیجهی این آلودگی به مخاطره انداختن اکوسیستم رودخانه و برهم زدن زیستگاه های آبزیان به ویژه در سیلابدشت می شود.
مطالعه و بررسی دقیق نحوهی انتقال و کنترل آلودگی آب با توجه به افزایش تقاضای آب و محدودیت منابع آبی الزامی است همچنین در سیلابدشتها به علت وجود گونههای زیستگاهی و پوشش گیاهی مطالعات این ناحیه حائز اهمیت است. شکل - - 1 مقطع عرضی کانال مرکب نامتقارن در طبیعت را نمایش میدهد.
شکل -1 مقطع عرضی کانال مرکب همراه با پوشش گیاهی در سیلابدشت
شرایط هیدرولیکی خاص جریان در مقاطع مرکب منجر به وقوع انتقال جانبی مومنتوم بین کانال اصلی و سیلابدشتها میشود . همچنین، پژوهش های محققین نشان داده است که جریانهای ثانویه قوی در مرز مشترک کانال اصلی و دشت سیلابی تشکیل میشود. لیو و همکاران - 2013 - با ارائهی مدلی بر گرفته از معادلهی شیونو و نایت - 1991 - در کانال مرکب با پوشش گیاهی به بررسی سرعت متوسط عمقی و تنش برشی بستر پرداختند، نتایج آنها نشان داد که مقدار جریان ثانویه به عمق آب بستگی دارد و همچنین در نظر نگرفتن این اثر به خصوص در حالت عدم حضور پوشش گیاهی موجب خطای بزرگ و غیر قابل اغماض میشود به همین دلیل پدیدهی انتقال آلایندهها در مقاطع مرکب به علت پیچیدگی های ناشی از جریانهای ثانویه و انتقال مومنتم تشکیل شده نسبت به مقاطع ساده مورد توجه پژوهشگران میباشد همچنین حضور پوشش گیاهی در مسیر جریان به دلیل ایجاد انحراف در مسیر این پیچیدگی ها را دو چندان میکند. اثر خطوط جریان برای یک ردیف پوشش گیاهی سیلابدشت توسط شیونو و همکاران - 2009 - و کشاورزی و اصفهانی - 2012 - بررسی شده است به منظور بیان عمق آب در کانال مرکب و همچنین شدت تاثیر جریان بین کانال اصلی و سیلابدشت از پارامتر بدون بعد عمق نسبی استفاده میشود و عبارتست از نسبت عمق آب در پهنهی سیلابی - H-h - به عمق آب در کانال اصلی : - H - فیشر - Fischer, 1979 - مراحل انتقال آلاینده را در سه بخش اصلی تعریف میکند، هنگامی که آلاینده از منبع نقطهای خارج میشود مومنتم اولیه و شناوری عوامل مهم در رقیقسازی آلاینده هستند و سپس جریان ثانویه و آشفتگی جریان باعث پخش و انتشار می شود و در آخرین مرحله زمانی که مواد آلاینده به طورکامل در عرض و عمق انتشار یافت جریان برشی طولی باعث جابهجایی آلاینده و محو کامل تغییرات طولی در مسیر میشود. پس از تزریق ماده آلاینده در جریان، ابر آلودگی با غلظت زیاد تشکیل میشود و با جابه جایی این ابر در جریان به تدریج حجم بیشتری را اشغال میکند و افزایش حجم باعث کاهش غلظت میشود. این کاهش در غلظت را میتوان توسط قوانین فیزیکی انتشار - نوسانات سرعت و مولکولی - و فرارفت1 بیان کرد.
معادله ی جا به جایی B انتشار - 1 - ADE را میتوان به صورت کلی زیر نوشت - رادرفورد، : - 1994
که در این رابطه، c غلظت آلاینده، u،v وw به ترتیب سرعت لحظهای موضعی جریان در راستاهای x، y و z هستند، t زمان پس از شروع تزریق، r ضریب واکنش2و s نماینده ترم چشمه یا چاه3 است.همچنین ضرایب k، t و v به ترتیب ضرایب انتشار طولی، اختلاط عرضی و اختلاط عمقی هستند. فرآیند یک بعدی انتقال یک آلاینده پس از گذشت زمان اولیه برای اختلاط کامل در عرض و عمق را می توان به صورت زیر نوشت:
- - 3 -
در چند دههی اخیر تلاشهای فراوانی توسط محققین برای تخمین 4 LDC در رودخانههای طبیعی انجام گرفته است - فیشر، 1975؛ سئو وچئونگ، 1998و کوسیس و رودریگوئز، . - 1998 حمیدیفر - 1392 - و حمیدیفر و همکاران - 2015 - با تغییر آرایش و تراکم پوشش گیاهی همچنین تغیییر عمق نسبی در کانال مرکب مستطیلی مستقیم به بررسی ساختار جریان و ضریب انتشار طولی و اختلاط عرضی را به سیلابدشت و کانال اصلی پرداختند، نتایج نشان داد که با افزایش عمق نسبی ضریب بدون بعد انتشار طولی کاهش مییابد و با افزایش تراکم گیاهان ضریب انتشار طولی در سیلابدشت کاهش و در کانال اصلی افزایش مییابد و همچنین با حرکت توده ردیاب به پاییندست، مقدار حداکثر غلظت کاهش یافته و ابر آلودگی کشیده تر میشود. همچنین حمیدیفر و همکاران - 1392 - با استفاده از تکنیک پردازش تصویر به بررسی تاثیر پوشش گیاهی مستغرق و غیرمستغرق بر ضریب اختلاط عرضی در کانال مرکب پرداختند. نتایج نشان داد در هر دو حالت پوشش گیاهی مستغرق و غیرمستغرق ضریب اختلاط عرضی در کانال اصلی و سیلابدشت افزایش مییابد.
در مطالعات آزمایشگاهی با صرف وقت و نیروی انسانی کمتر، میتواند شرایط گوناگون جریان را در آن مدل کرده و توزیع آلودگی را در مقاطع مختلف برآورد کند بنابراین مطالعات آزمایشگاهی به عنوان گزینهی مناسب برای بررسی انتشار و توزیع آلودگی به کار میرود. با توجه به تحقیقات اندک انجام شده بر روی فرآیند پخشیدگی و انتقال آلایندهها در مقاطع مرکب، هنوز تاثیر نوع چیدمان پوشش گیاهی سیلابدشت بر انتقال آلاینده ها در مقاطع مرکب بررسی نشده است، بنابراین با توجه به مطالب گفته شده بررسی پدیدهی انتقال و پخش طولی آلاینده ها در مقاطع مرکب مستطیلی تحت تاثیر پوشش گیاهی سیلابدشت به عنوان یک ضرورت باید مورد توجه پژوهشگران قرارگیرد و تحقیق حاضر به عنوان تلاشی برای کسب آگاهی از اندر کنش این عوامل بر روی انتقال آلایندهها می باشد.
مواد و روش ها
آزمایش های تحقیق حاضر در آزمایشگاه تحقیقاتی هیدرولیک بخش مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه شیراز انجام شده است. برای انجام آزمایشها از یک فلوم با مقطع مستطیلی به عرض 0/25 متر و ارتفاع 0/6 متر استفاده شده است. دیواره و کف کانال از جنس شیشه به ضخامت 10 میلیمتر است و به منظور ایجاد مقطع مرکب مستطیلی، از یک پله عمودی از جنس شیشه به ضخامت 10 میلیمتر و ارتفاع50 میلیمتر و عرض 150 میلی متر در داخل کانال نصب شده است در نتیجه مقطع در گروه مقطع مرکب نامتقارن قرار می گیرد. شیب طولی بستر کانال اصلی و سیلابدشت ثابت و مقدار آن برابر 0/001 تنطیم گردید، عرض کانال اصلی برابر 100 میلیمتر و نسبت عرض سیلابدشت به عرض کانال اصلی 1/5 میباشد. شکل - 2 - مقطع طولی فلوم آزمایشگاهی مورد استفاده را نشان میدهد.
