بخشی از مقاله
چکیده
رودخانههای کوهستانی، با داشتن شیبی تند، خصوصیات زبری بستر بالا، ناشی از وجود سنگ بستر و مصالح درشت دانه، پوشش گیاهی بستر و حاشیهای و همچنین جابجایی مکانی شدید و سریع درمورفولوژی سطح بستر میباشند. نقش پوشش گیاهی در حفاظت و تثبیت دیواره و ساحل رودخانه بهعنوان یک گزینه اقتصادی و زیست محیطی شناخته شده و از طرف دیگر قدرت آبگذری رودخانه را به دلیل افزایش زبری کاهش داده، باعث بالا آمدن سطح آب میشود.
این تحقیق با هدف تخمین مقاومت جریان و ضریب زبری متاثر از پوشش گیاهی در حاشیه سه بازه انتخابی از رودخانه شهر چای آذربایجان غربی با و بدون پوشش گیاهی در حاشیه رودخانه انجام شد. نتایج نشان داد وجود درختان حاشیهای با افزایش نیروهای فشاری و اصطکاکی بر روی درختان حاشیه و همچنین افزایش عمق هیدرولیکی ولی کمتر از عمق بحرانی، باعث میشود که بر عدد فرود تاثیرگذار باشد.
رابطه برآورد ضریب زبری برای دو حالت با درختان و بدون درختان حاشیهای دارای ضرایب متفاوت است و امکان پیش بینی مقدار ضریب زبری را در یک رودخانه کوهستانی با شرایط ذکر شده را فراهم میآورد. بعلت تفاوت خصوصیات بستر، تاثیردرختان حاشیهای بصورت قطعی قابل مقایسه با هم نمیباشند ولی با این وجود مقایسه روابط بدست آمده برای دو حالت با درختان حاشیه و بدون آن نشان داد که وجود درختان حاشیهای موجب افزایش عمق جریان و افزایش ضریب زبری میشود.
مقدمه
درختان حاشیه رودخانه و مصالح بستر نقش موثری بر تغییر ضریب زبری در دبی حداقل و حداکثر دارد. بیشترین تاثیر درختان حاشیه رودخانه در دبی حداکثر وکمترین تاثیر را در دبی متوسط رودخانههای مورد مطالعه دارد. برای تعیین عوامل هیدرولیکی نظیر عمق و سرعت جریان، 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 دهانههای آبگیر که دانستن عمق و سرعت جریان ضروری است، تعیین دقیق ضریب زبری مورد نیاز خواهد بود. یکی از پرکاربردی ترین معادلات تحلیل مقاومت جریان رابطه مانینگ می باشد . 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 ازاهمیت بسزایی برخوردار است .
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 گردید.
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.
از پارامترهای فیزیکی موثر در مقاومت در برابر حرکت جریان آب در مجاری باز علاوه بر ضریب زبری، میتوان به انتقال رسوب، راندمان تله اندازی رسوب پوشش گیاهی، شیب رودخانه، مواد تشکیل دهنده بستر رودخانه و راندمان تله اندازی رسوبات و اثر متقابل پوشش و جریان آب در تلهاندازی در جریان های رودخانهای، جذب ممنتم و انرژی آب توسط پوشش گیاهی میتوان اشاره کرد .
بازسازی رودخانه و کانالهای خاکی به بررسی تاثیر پوشش گیاهی، بوته و درخت بر عملکرد هیدرولیکی آبراهه بستگی دارد. از نقطه نظر هیدرولیکی، پوشش گیاهی باعث افزایش مقاومت در برابر جریان و کاهش میزان انتقال جریان میگردد. در کانالهای طبیعی، پوشش گیاهی از طریق ایجاد آشفتگی در اطراف ساقه ها و برگهای گیاه موجب افت انرژی میشود و در مقابل حرکت آب مقاومت ایجاد میکند.
در تحقیقی دیگر توانایی دو مدل ریاضی مختلف برای پیشبینی جریان یک بعدی کاملا توسعه یافته در یک کانال باز را در حضور پوشش گیاهی غیرقابل انعطاف همراه با با برگ در حالت مستغرق یا غیر مستغرق بررسی شد. محققین نتایج مدلها را با داده های آزمایشگاهی بدست امده از سیلندرهای ساده، نمونههای گیاهی پلاستیکی با گیاهان واقعی مقایسه نمودند که بر اساس آن برای سرعت و تنش شدت، گرانروی لایه مرزی* برشی توربولانس، توافق خوبی بین نتایج مدل و داده های آزمایشگاهی مشاهده گردید. از طرف دیگر در مقایسه توزیع تلاطم در جهت جریان و اکثر مواردی که مربوط به انرژی جنبشی توربولانس بود مطابقتی بین مقادیر محاسبه شده و اندازه گیری شده مشاهده نشد .
نتایج اندازه گیریهای جریان آشفته را در یک کانال باز با پوشش گیاهی و بوسیله LDA و **PIV به این نتیجه رسید که شدت جریانهای ثانویه و انرژی توربولانس با افزایش عدد فرود افزایش مییابد. جریان آشفته در نزدیک سطح آب بوسیله جریانهای ثانویه در جهت افقی انتقال پیدا میکند. کاون و فتحی مقدم - - 2000 ضریب اصطکاک درختان کاج، درکنار رودخانه با فرض افزایش خطی مساحت شاخ و برگ و با ارتفاع و بر اساس آنالیز بی بعد، پارامترهای موثر را مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه رسیدند که مقادیر ضریب زبری مانینگ تخمین زده شده با استفاده از مدل با مقادیر مشاهداتی مطابقت بالایی دارد .
در پژوهشی برای محاسبه ضریب مانینگ در رودخانههای جنگلی در شرایط مختلف استغراق روابطی را ارائه داده شد که ضریب زبری کل تابعی از ضریب زبری جنس بستر ارتفاع تنه وکل درخت، ضریب سایه اندازی درختان و تاج درخت، قطر تنه درخت، تعداد درخت در واحد سطح، عمق جریان و مساحت افقی تاج - سایه اندازی - درخت میباشد
اثر شیب و عمق جریان را روی پارامتر زبری در پوشش گیاهی بلند و شرایط غیرمستغرق بررسی و روابطی بین سرعت و شیب کف بررسی و نشان داده شد افزایش پارامتر زبری با عمق جریان در شرایط مستغرق افزایش یافته و اثر تغییر عمق جریان روی این ضریب بیشتر از تغییر شیب و دبی میباشد. جارویلا - 2005 - ، مقاومت هیدرولیکی پوشش گیاهی با برگهای نازک و قابل انعطاف مستغرق را با مدلسازی در آزمایشگاه مورد بررسی قرار داد. نتایج آزمایش موید تغییر عدد رینولدز، رفتارهیدرولیکی گیاه، نسبت طول گیاه و عمق جریان میباشد. ترسیم و توزیع پروفیل سرعت در هفت مقطع از فلوم نشان داد توزیع سرعت براساس قانون مقاومت جریان، فاکتور مقاومت دارسی و عدد رینولدز می باشد
نقش پوشش گیاهی در حفاظت و تثبیت دیواره و ساحل رودخانه و دریاها توسط محققان مختلف در بیشتر نقاط جهان مطالعه شده و در تمامی مطالعات آن را بعنوان یک گزینه اقتصادی و زیست محیطی شناختهاند ولی تاکنون در ایران بررسیهای معدودی در این مورد انجام گرفته است. در سالهای اخیر به علت وقوع سیل پروژه های بازسازی رودخانه ها و آبراهه ها اهمیت زیادی پیدا کرده است. لذا این تحقیق با هدف تخمین ضریب زبری متاثر از پوشش گیاهی در حاشیه رودخانههای کوهستانی در سه بازه انتخابی از رودخانه شهر چای آذربایجانغربی با شیبهای دو، چهار و هشت در هزار، با و بدون پوشش گیاهی انجام شد.
مواد و روشها
دراین تحقیق رودخانه شهر چایی که از طرف غرب وارد دریاچه ارومیه میشود مورد مطالعه و ارزیابی قرار گرفت که دارای شیب 0/002 و یا بیشتر است. مشخصات موفولوژیکی این رودخانه به شرح جدول 1 است:
جدول -1 مشخصات مورفولوژیکی رودخانه شهرچای
شهرچایی
با توجه به اینکهً بازههای کوهستانی از سرشاخه های انشعاب تا اولین ایستگاه هیدرومتری در طبیعت تعریف شده است، لذا فقط دادههایی که در اولین ایستگاه هیدرومتری نزدیک به سرشاخهها موسوم به میرآباد قرار گرفته مورد استناد و استفاده شد. به این ترتیب از سه بازه با شیب های 0/002 و 0/004 و 0/008 رودخانه مورد مطالعه به طول 540 متر انتخاب شد
