بخشی از مقاله
خلاصه
پوشش گیاهی در حاشیه آبراههها و رودخانهها یک بخش عمده از اکوسیستم را تشکیل میدهد. از نقطه نظر هیدرولیکی، افزایش ضریب زبری ناشی از پوشش گیاهی میتواند خطر سیلاب را افزایش دهد. در این تحقیق توزیع سرعت تحت جریان غیریکنواخت کندشونده در بستر شنی، برای نسبت ظرافت کمتر از 1/5و پوشش گیاهی در دیوارهها مورد بررسی قرار میگیرد. نتایج نشان داد که در مورد پوشش گیاهی در دیواره، حداکثر سرعت تحت جریان کندشونده، برای بستر شنی، زیر سطح آب رخ میدهد.
-1 مقدمه
استفاده بهینه از رودخانهها به لحاظ اهمیتی که این منابع طبیعی در برآورد نیازهای بشری، از دیرباز تاکنون داشتهاند از انگیزههای مهم به وجود آمدن شاخه دیگری از مهندسی آب به نام مهندسی رودخانه بودهاست. مهمترین اثرگیاهان در کانالها، افزایش مقاومت جریان و کاهش ظرفیت انتقال کانال است. بنابراین وجود پوشش گیاهی باعث افزایش خطر سیل و کاهش اثر فرسایش میشود.
پوشش گیاهی در حاشیه آبراههها و رودخانهها یک بخش عمده از اکوسیستم را تشکیل میدهد. از نقطه نظر هیدرولیکی، افزایش ضریب زبری ناشی از پوشش گیاهی میتواند خطر سیلاب را افزایش دهد. توانایی گیاه در پایداری دیوارهی کانال به تراکم پوشش گیاهی، عمق ریشه و تعامل با سایر عوامل محیطی، بستگی دارد.
در سالهای اخیر توجه خاصی به مسئله بهینه سازی حریم رودخانهها و مدیریت حاشیه رودخانه صورت پذیرفته است. حریم رودخانهها اغلب تحت تأثیر پوشش گیاهی میباشند. با وجود اثر قابل توجه پوشش گیاهی در بهبود تثبیت حریم رودخانه وکیفیت آب و پایداری مقطع آن - توجه زیادی به تعامل ساختار جریان- پوشش گیاهی و مواد رسوبی در بستر صورت نپذیرفته است.
در کانالهای عریض جریان دو بعدی است و حداکثر سرعت جریان در سطح آب اتفاق میافتد. به عبارت دیگر فاصله نقطه دارای حداکثر سرعت از بستر، با عمق جریان - - h برابر است - . - h = این امر در حالی است که جریان در کانالهای کم عرض سه بعدی است و حداکثر سرعت جریان زیر سطح آب اتفاق میافتد - . - < h پارامتری به نام میزان فرورفتگی 1 توسط لکشیمینارایانا و همکاران - 1984 - 2 معرفی شد که این پارامتر به عنوان نسبتی از عمق زیر سطح آب که در آن حداکثر سرعت اتفاق میافتد - - ، به کل عمق جریان - h - مطابق رابطه زیر است
کیرنوتو و گراف - 1994 - 1 نشان دادند که در نسبتهای b - - b h <5 - عرض کانال و h عمق جریان است - جریان سه بعدی است و حداکثر سرعت زیر سطح آب رخ میدهد و در نسبتهای h >5 - b - جریان دو بعدی است و حداکثر سرعت در سطح آب اتفاق میافتد. کیرنوتو و گراف - - 1994 و نزو و همکاران - 1986 - 2 عدد را بعنوان مرز جریان دو بعدی و سه بعدی بیان داشتند این در حالی است که کاردوزو و همکاران - 1989 - 3 عدد و لکشمینارایانا و همکاران - 1984 - 4 عدد را بعنوان این مرز بیان کردند
همچنین کیرونوتو و گراف - 1995 - ، افضلیمهر و آنکتیل1999 - 5 و - 2000، سانگ وچیو - 2001 - 6 و یانگ وهمکاران - 2006 - 7 به مطالعه جریانهای آشفته در محیطهای از نظر هیدرولیکی زبر و بسترهای ثابت پرداختند 5 - و 6و 7 و8 و - 9 و سانگ وگراف - 1995 - 8 و افضلیمهر و همکاران - 2007 - به مطالعه جریانهای آشفته در محیطهای از نظر هیدرولیکی زبر و بسترهای با حرکت ضعیف پرداختند
کیرونوتو و گراف - 1995 - آزمایشاتی در زمینه جریانهای آشفته غیریکنواخت در حالت تعادل انجام دادند. آنها با بررسی توزیع سرعت در نیمرخهای مختلف جریان دریافتند که شکل توزیع سرعت در جریانهای تندشونده دارای انحنای بیشتری نسبت به جریانهای کندشونده است. محل تشکیل حداکثر سرعت نیمرخ در جریان تندشونده زیر سطح آب و در جریان کندشونده در سطح آب بود. محل تشکیل حداکثر سرعت در نیمرخ علاوه بر تندشونده یا کندشونده بودن جریان، به نسبت ظرافت - b h - هم بستگی دارد .
گیبسون - 1909 - 9 علت قرارگیری حداکثر سرعت در زیر سطح آب - کاهش سرعت در سطح آب - را در جریانهای سه بعدی و کانالهای باریک را جریان در جهت حرکت آب یا وجود جریانهای ثانویه علاوه بر جریان اولیه بیان نمود. این جریانهای ثانویه با حرکت مارپیچی حول محور موازی با جهت اصلی جریان حرکت میکنند. جریان توسط دو مارپیچ چرخشی معکوس که در تماس با کف و دیوارهها میباشد به سمت مرکز حمل میشود که این امر سبب وقوع حداکثر سرعت در زیر سطح آب میشود .
ناوت و رودی - 1982 - 10 مدلهای متفاوتی برای جریان ثانویه ارائه کردند. این محققین کانالهای جریان را بر اساس نسبت ظرافت به 5 دسته تقسیم کردند:
طبق مدلهای ارائه شده توسط این محققین میتوان دریافت که هرچه نسبت ظرافت کوچکتر باشد، اثر دیوارهها و جریانهای ثانویه به محور مرکزی کانال کشیده شده و علاوه بر نیمرخهای سرعت در نزدیکی جداره، نیمرخ سرعت در محور مرکزی کانال را نیز تحت تأثیر قرار میدهد و منجر به کاهش سرعت، پایین افتادن نقطه حداکثر سرعت جریان و پدیده Dip میشود. اما برای نسبتهای ظرافت بزرگتر وجود و اثر جریانهای ثانویه به دو سمت محور مرکزی کانال و یا نزدیکی دیوارهها محدود میشوند. که این امر باعث میشود که سرعت در محور مرکزی کانال کاهش نیابد.
نزو و رودی - 1986 - 11 به این نتیجه رسیدند که در کانالهای باریک، دیوارهها یک مؤلفه سرعت عرضی قوی در نزدیکی سطح آب از دیواره-دیوارههای کناری به سمت مرکز کانال حرکت کرده و باعث ایجاد سرعت عمودی رو به پایین از سطح آب میشود. در این حالت با ایجاد یک ورتکس قوی در سطح آب مقدار حداکثر سرعت در زیر سطح آب قرار میگیرد - . - 14 یانگ - 2002و - 2005 و یانگ وهمکاران - 2004 - به این نتیجه رسیدند که سرعتهای غیر صفر در راستای قائم در جریانهای یکنواخت و شامل ذرات رسوبی در بستر منجر به قرارگیری حداکثر سرعت در زیر سطح آب میشود
افضلی مهر - 2010 - تحقیقاتی در زمینه جریانهای غیریکنواخت تندشونده و کندشونده بر روی بستر قلوه سنگ انجام داد. او به نتیجه دست یافت که، حداکثر سرعت هم در جریانهای تندشونده و هم در جریانهای کندشونده در سطح آب اتفاق میافتد که این نتیجه با یافتههای کیرونوتو وگراف - 1995 - همخوانی نداشت
افضلی مهر و دی - 2009 - 1 در تحقیقی به بررسی اثر پوشش گیاهی در جدار و شن در کف بر توزیعهای سرعت و تنش برشی در جریان یکنواخت پرداختند. آنها به این نتیجه رسیدند که مقدار Dip در حضور پوشش گیاهی تا 35 درصد عمق جریان نیز میرسد. این در حالی است که کیرنوتو و گراف - 1995 - در تحقیقاتی که بر روی جریان یکنواخت با پوشش شن در بستر انجام دادند این مقدار را کمتر از 4 درصد بیان کردند
-2 مواد و روشها
آزمایشات درکانالی به طول 7 متر، عرض 0/32 متر، ارتفاع 0/35 متر و حداکثر دبی 19 لیتر در ثانیه انجام شد. کانال با مقطع مستطیلی بوده و دیواره و کف آن از جنس پلاکسی گلاس شفاف میباشد. آب از یک منبع اصلی تعبیه شده در زیر کانال، توسط دو عدد پمپ سانتریفیوژ پمپاژ شده و بعد از عبور از شیر فلکهای تنظیم کننده توسط یک سهراهی تجمع یافته و بعد از اینکه طول مناسبی از لوله را طی نمود وارد دبیسنج توربینی شده و از آنجا به مخزن ورودی ابتدای کانال وارد میشود و پس از عبور از صافیهای مشبک وارد کانال میشود. آب پس از عبور از کانال از یک دریچه کشویی که عمق آب درکانال را کنترل میکند گذشته و از آنجا پس از عبور از یک مخزن که در انتهای کانال و با فاصله از زمین است وارد مخزن اصلی تعبیه شده در زیر کانال میشود و به همین ترتیب سیکل ادامه مییابد.
هدف از انجام کارهای آزمایشگاهی شبیه سازی شرایط با حالت موجود در طبیعت است و از آنجایی که اغلب رودخانهها در ایران نیمه کوهستانی با بستر شنی و پوشش گیاهی در میباشند بر همین اساس شن بعنوان پوشش بستر کانال انتخاب گردید. به علت کوچک بودن عرض کانال یک شبکه 30 در 30 سانتیمتر درنظر گرفته و بصورت تصادفی 100 عدد شن انتخاب شد. و با استفاده از کولیس قطر میانه ذرات اندازهگیری گردید.
قطرهای اندازهگیری شده از کوچک به بزرگ مرتب شدند و سپس منحنی فراوانی تجمعی ذرات بستر بر اساس روش ولمن تهیه گردید. قطر میانه ذرات رسوب واقع بر بستر کانال برای این تحقیق 33/7 میلیمتر بود و انحراف معیار هندسی آنها کمتر از 1/3 میباشد. همچنین از پوشش گیاهی برنج با چگالی 300 ساقه در هر متر استفاده شد. این ساقه ها از مزارع برنج جمع آوری و مرتب شدند و چون این ساقه ها بسیار باریک بودند ابتدا ساقه ها را روی ورقه های کارتن پلاست به ابعاد 30 سانتیمتر در 1 متر با استفاده از چسب چسبانده شد.
ساقهها تمام کارتن پلاست را پوشش دادند. یعنی بخاطر جلوگیری از تماس آب با ورقه های کارتن پلاست ساقه هابصورت دو لایه چسبانده شدند. از آنجایی که این امکان وجود داشت که با گذشت زمان چسبها با جریان آب از بین رفته و آب ساقهها را همرا ه جریان حرکت دهد، لذا به منظور محکم کردن ساقهها در جای خود، با استفاده از چرخهای چادردوزی ساقهها روی کارتن پلاست بصورت سه ردیفه دوخته شد.
سپس قطعات کارتن پلاست با چسب آکواریوم به دیواره های فلوم چسبانده شد. شیب بستر کانال با استفاده از ذرات شن، %+2 تنظیم شد. اندازه گیری عمق آب در مقاطع مختلف در کانال توسط یک عمق سنج دیجیتالی با دقت اندازهگیری 0/1 میلیمتر صورت گرفت. عمق سنج بر روی یک پایه ریلی نصب شده که قابلیت حرکت در امتداد کانال را دارا بوده و میتواند در هر سطح موردنظر با فشار کلید مخصوص صفر گردد.
برای اندازهگیری پروفیلهای سرعت، از یک دستگاه سرعت سنج ADV با فرکانس 200 هرتز استفاده شد. مقاطع اندازهگیری در فواصل 5/5، 6 و 6/5 متری از ورودی جریان به کانال در نظر گرفتهشد و در هر مقطع سه پروفیل سرعت در فواصل 3 ، 5و 15 سانتی متری از دیواره کانال برداشت شدند. هر پروفیل سرعت شامل 25 تا 30 نقطه اندازهگیری میباشد که نیمی از این نقاط اندازهگیری مربوط به نقاط نزدیک به کف کانال یعنی در فاصله 0.2 پروفیل سرعت 2 دقیقه در نظر گرفته شد.
