بخشی از مقاله
خلاصه
برای تحلیل هیدرولیکی رودخانهها، ارزیابی مقاومت جریان از مولفههای اصلی مطالعات رودخانهای و ارائه مدلهای ریاضی برای شبیهسازی هیدرولیکی میباشد. در حقیقت مقاومت جریان به عنوان یک عامل اساسی در تجزیه و تحلیل هیدرولیک کانالهای روباز مطرح می باشد . این پژوهش با هدف تخمین ضریب زبری متاثر از عوامل فیزیکی در رودخانه کوهستانی شهرچای آذربایجان غربی انجام شد.
نتایج نشان داد که هر میزان مقدار دبی جریان بیشتر باشد قدرت تخریب کنندگی سواحل و کف بستر جریان بیشتر خواهد شد به عبارت دیگر با افزایش دبی مقدار عدد رینولدز برشی یا مرزی افزایش یافته و سواحل رودخانه نیز تحت تاثیر فرسایش خواهد بود. با افزایش قطر دانه های مواد بستر رودخانه مقدار ضریب زبری اقزایش مییابد که نرخ تغییرات با افزایش دبی افزایش می یابد به منظور ارزیابی مقاومت جریان درآبراههها استهلاک انرژی باید مورد توجه قرار گیرد. کاهش انرژی ناشی از فرم، اندازه و آرایش عناصر ناهمواری بستر، مرفولوژی، شکل مقطع عرضی و شیب طولی میباشد.
مقدمه
در تحلیل شرایط و عوامل هیدرولیکی در رودخانهها - عمق و سرعت جریان و... - ، نیاز به تعیین ضریب زبری هیدرولیکی جریان میباشد. در کلیه مطالعات مهندسی رودخانه و طراحی سازه های متقاطع رودخانه نظیر پل ها، سدهای انحرافی و یا دهانه های آبگیر دانستن عمق و سرعت جریان ضروری و تعیین دقیق ضریب زبری مورد نیاز است.
ضریب زبری هیدرولیکی در شرایط متنوع و پیچیده رودخانه ها متاثر از عوامل مختلفی می باشد. بنابراین تحقیقات گسترده ای بر روی شرایط متنوع جریان در رودخانه ها صورت پذیرفته و روابط متعددی برای برآورد آن ارائه شده است. مقاومت در برابر حرکت جریان آب در مجاری بازتحت تاثیر عوامل مختلفی از جمله جنس مصالح بستر و بدنه، شکل مقطع و میزان نامنظمی آن، پوشش گیاهی، خم های رودخانه، شکل پلان مسیر مجرا و ... قراردارد. این امر در هیدرولیک رودخانه اثرگذاشته وکلیه این عوامل در ضریب زبری خود را نمایان میسازد.
یکی از پرکاربردترین معادلات تحلیل مقاومت جریان رابطه مانینگ می باشد، به طوریکه زبری سطح به وسیله ضریب مانینگ تعیین میشود. تحقیقات نشان میدهد که حساسیت مدلهای پیش بینی کننده مشخصات جریان درمجاری باز نسبت به ضریب مانینگ زیاد بوده و لذا انتخاب صحیح آن در پروژه های مهندسی رودخانه از اهمیت بسزایی برخورداراست .
پژوهش عباسی و همکاران[2] نشان داد علاوه بر دانه بندی مصالح بستر، رفتار هیدرولیکی جریان نیز در محاسبه ضریب زبری مؤثر است. به همین منظور با انجام آنالیز ابعادی، مشخص شد عدد فرود جریان می تواند به عنوان پارامتر بیانگر این رفتار در نظر گرفته شود.
علاوه بر عدد فرود، شعاع هیدرولیکی و قطر متوسط ذرات بستر نیز در تخمین ضریب زبری مؤثرند. بررسی بیشتر در این مورد نشان داد، ضریب زبری جریان نسبت عکس با عدد فرود دارد. در نهایت رابطه ای ارائه شد که قادر است با دقتی مناسب - R2=0.993 - ضریب زبری را تخمین بزند.
ابراهیمی طی پژوهشی برای تخمین صحیح ضریب زبری با استفاده از پوشش گیاهی مصنوعی در بستر کانال آزمایشگاهی در یک فلوم به طول 14 متر، عرض و ارتفاع 0/6 متر و شیب کف متغیر و در شرایط کنترل شده روش جدیدی را ارائه نمود.
در این بررسی، با متغیرهای شیب، دبی، نوع و تراکم پوشش گیاهی ضریب زبری، از رابطه مانینگ اندازهگیری و با روابط محاسباتی ارزیابی شد. نتایج نشان داد که ضریب زبری ثابت نبوده، بلکه با افزایش تراکم پوشش گیاهی زبری کانال و سرعت برشی جریان افزوده شده و با افزایش سرعت و عمق جریان این ضریب کاهش مییابد تخمین سطح آب بوسیله مدل ریاضی با ضریب زبری متغیر نزدیک به شرایط واقعی رودخانه است و تخمین مدل ریاضی با ضریب زبری ثابت کمتر از مقدار واقعی میباشد. با توجه به محاسبات آماری انجام شده مدل با ضریب زبری متغیر با دقت بالایی مقادیر ارتفاع سطح آب رودخانه را در واسنجی و صحت سنجی شبیه سازی میکند.
آرمان [4] به این نتیجه رسید که به علت شیب زیاد بازه انتخابی، افزایش ارتفاع سیل درآن تاثیر زیادی درگسترش پهنه سیل ندارد و توانایی نرم افزارHEC-RAS جهت تعیین حدود خوب ارزیابی شده بود.
افتخاری [5] در مطالعه ای با عنوان ارزیابی پهنه بندی سیل با تغییرات ضریب زبری - مطالعه موردی: رودخانه اترک - به این نتیجه رسید که با افزایش ضریب زبری،گستره پهنه سیل افزایش مییابد و برعکس. کالیبره کردن ضریب زبری مهمترین تاثیر را بر روی پیش بینی سیل و ویژگیهای جریان دارد و نرم افزارHEC-RAS بیشترین حساسیت را به ضریب زبری دارد.
نتایج حاصل از پژوهش آذره و همکاران در بررسی رابطه مانینگ و روابط تجربی مختلف برای 6 مقطع از رودخانه بابل نشان داد که ضریب زبری ناشی از ذره بیشتر از 60 درصد از ضریب زبری کل جریان را به خود اختصاص می دهد و شکل های بستر اثر کمتری بر ضریب زبری دارند.
آدام به این نتیجه رسید که استفاده از نرم افزار HEC-RAS می تواند مقادیر عددی مناسبی را جهت مطالعه رژیم و سایر ویژگیهای هیدرولیکی جریان رودخانه را دراختیار محققین قرار دهد.
افضلی مهر و انکتیل مقاومت جریان را در رودخانههای با بستر سنگریزه بررسی کردند. آنها ابتدا میانگین نسبی خطا را برای معادلات نیمه لگاریتمی و توانی مختلف محاسبه و به این نتیجه رسیدند که معادلات موجود مقاومت جریان را دقیق تخمین نمیزنند. زیرا این معادلات فقط براساس استغراق نسبی مقاومت جریان را تعیین میکنند. لذا با استفاده از تحلیل ابعادی پارامترهای بی بعد موثر را بر مقاومت جریان تعیین و با استفاده از 280 مجموعه دادهی رودخانههای سنگریزهای درکانادا، ایرلندشمالی، آمریکا، نیوزلند، بریتانیا و ایتالیا، معادلهای که تابع عدد فرود و معادله شیلدز می باشد را ارائه کردند.
پاپنبرگرو همکاران تاثیر پارامتر زبری درنرم افزار HEC-RAS با استفاده از مشاهدات سطح پایین دست و طغیان آب در رودخانه موراوا*، شباهت ضریب زبری موجود درکانال و سیلاب دشتها را مقایسه و به این نتیجه رسید که ضریب زبری در سیلاب دشتها بر روی ارتفاع آب تاثیر گذار میباشد.
شفاعی بجستان و بهرامی یاراحمدی به مطالعه آزمایشگاهی اثر رسوبات درشت دانه کف کانال بر ضریب مقاومت جریان پرداخته و به این نتیجه رسیدند که روابط موجود مقدار مقاومت جریان را در رودخانه های با بستر شنی که شیب بستر و اندازه ذرات بسترشان از رودخانه های کوهستانی کمتر و پارامتر استغراق نسبی آنها از رودخانههای کوهستانی بیشتر است دقیق برآورد نمیکنند. لذا با انجام آزمایشاتی, روابطی استخراج گردید که نشان دادند علاوه بر پارامتر استغراق نسبی پارامترهای دیگری مانند عدد فرود و ضریب شکل مقطع دربرآورد هرچه دقیق تر مقاومت جریان تاثیر بسزایی دارند.
سوابق تحقیق نشان میدهد در مطالعات انجام شده برای تخمین ضریب زبری ناشی از مصالح بستر رودخانه هنوز رابطه مشخصی که بتوان بصورت عملی در هر طراحی و برنامهریزی مهندسی رودخانههای کوهستانی از آن استفاده نمود ارائه نشده است؛ لذا دراین پژوهش سعی بر این است که عوامل موثر از جمله دانه بندی مصالح بستربر ضریب زبری مورد بررسی قرار گرفته تا بتوان یک رابطه ساده و با دقت بالا برای استفاده مهندسین رودخانه در رودخانههای کوهستانی ارائه نمود.
مواد و روشها
در این تحقیق رودخانه شهرچایی که از غرب دریاچه ارومیه در آذربایجان غربی وارد آن میشود مورد مطالعه و ارزیابی قرار گرفت. مشخصات موفولوژیکی ونمایی این رودخانه بهشرح شکل 1 و جدول 1 است:
شکل -1 نمایی از رودخانه شهرچایی جدول -1 مشخصات مورفولوژیکی رودخانه شهرچای
