بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیلی بر روند رسوبگذاري و میزان آورد رسوب رودخانه ها به مخازن سدها بر اساس روش هاي USBR و FAO (مطالعه موردي: سد مخزنی کرخه در شمال غربی خوزستان)
چکیده
رسوبگذاري و فرآیند آن در زمره یکی از عمده ترین عوامل در رفتار رودخانه هاسـت کـه توجـه کارشناسان و محققین را جلب نموده است، لذا برآورد مقدار رسوبات در رودخانه ها و به تبـع آن در پشـت سدهاي برق آبی از اهمیت زیادي برخوردار بوده که به همین منظور در این تحقیق براي تعیین میزان آورد رسوب رودخانه کرخه در بالادست سد مخزنی، آمار دبی جریان و رسوب معلق ایسـتگاه هـاي هیـدرومتري واقع در چهار سرشاخه اصلی شامل گاماسیاب، قره سو، کشکان وسیمره به مدت 29 سال مـورد بررسـی قـرار گرفت. میزان آورد رسوب معلق این 4 سرشاخه با استفاده از رابطه سنجه رسوب معلق به فرم توانی((USBR و نیز روش FAO درحدود 4/7و 7/8 میلیون تن در سال تعیین شده است. با فرض یک نسبت بار بستر به بار معلق مناسب در هریک از ایستگاه ها، میزان کل رسوب انتقالی از روش هاي USBR وFAO به ترتیب حدود 5/6 و9/31 میلیون تن در سال برآورده شده است. مقایسه نتایج این دو روش با میزان رسوبگذاري مخزن سد کرخه حاصل از عملیات هیدروگرافی سال 84 حدود 12 میلیون تن در سال، نشان می دهد که روشFAO مطابقت بهتري با وضعیت دارد. نتایج حاصله همچنین نشان داد که روش مورد استفاده در این پـژوهش مـی تواند به عنوان یک ابزار قوي تحلیلی براي پیش بینی کل رسوبات وارد شده به مخازن سدها و نیز به منظور واسنجی و صحت سنجی مدل هاي ریاضی رسوبی اسـت مـورد اسـتفاده قـرار گرفتـه و در برنامـه ریـزي و مدیریت بهره برداري و نگهداري پایدار از سازه هاي آبی به کار گرفته شود.
کلمات کلیدي: رسوب گذاري، ایستگاه هاي هیدرومتري، روش هاي USBR و FAO، سد مخزنی کرخه
-1 مقدمه
رشد فزاینده جمعیت، توسعه اقتصادي و بهبود وضعیت معیشتی قسمتی از جمعیت جهان پس از جنگ جهانی دوم و در نتیجه افزایش تقاضا براي تأمین نیازهاي مختلـف در بخـش هـاي مختلـف کشـاورزي، صـنعت، شـرب شهري و محیط زیست چالش هاي جدي در مدیریت منابع آبهاي تجدید شونده را ایجاد نموده است.[1] دخالت هاي مستقیم و غیر مستقیم بشر و موجودات زنده وابسته به آن را به عنوان عوامل تأثیرگذار دیگري در این ارتباط می باشد، که تعادل و پایداري این منابع را به چالش کشانده است. فرسایش خاك توسط عوامل فرسـایش پـذیر، انتقال و رسوب آنها در پایاب یا بعبارت دیگر "فرآیند رسوبگذاري" را بعنوان یکی از عوامـل مهـم در مطالعـات، ساخت، بهره برداري و نگهداري مطرح می شود.[2]
برآورد میزان رسوبات وارده به مخازن سدها را می توان یکی از مهمترین عوامل در مطالعات مهندسی آب و رودخانه بشمار آورد که در این میان پایداري و عملکرد سـدهاي بـزرگ خوزسـتان وکشـور ماننـد دز ، کرخـه ، وکارون را با چالش هاي جدي مواجه نموده است. لذا لازمه بهره وري بهینـه از منـابع آب حیـاتی ایـن سـازه هـا، انجام مطالعات نظام مند و جامع در خصوص پدیده رسوبگذاري، روند آن و نیز برآورد میزان رسوبات حمل شده و تبعات آنها است. این مطالعات بمنظور جلوگیري از آسیب پذیري سازه ها از یکسو و افزایش ضـریب پایـداري آنها درجهت تأمین نیازهاي فزاینده بخش هـاي رقـابتی کشـاورزي، صـنعت، شـرب شـهري در کنـار حفاظـت و صیانت از منابع ارزشمند زیست محیطی از موارد دیگر می باشد. لذا در این تحقیق به بررسی و بـرآورد سـهم هـر یک از سرشاخه هاي اصلی رسوبزا در حوضه آبریز رودخانه کرخه در رسوبگذاري سد مخزنی کرخـه بـر اسـاس روش هاي FAO , USBR و مقایسه آن ها با نتایج حاصل از هیدروگرافی مخزن پرداخته شده است.
-2 مواد و روش ها
-1-2 معرفی منطقه مورد مطالعه
حوضه آبریز کرخه در غرب کشور و در مناطق میانی و جنوب غربی رشته کـوههـاي زاگـرس واقـع شـده است. این حوضه آبریز به وسعت 50765 کیلومتر مربع و از نظر جغرافیایی بین سی و یک درجه و چهل و هشت دقیقه تا سی و چهار درجه و پنجاه و هشت دقیقه عرض شمالی چهل و شش درجه و پنجاه و هفت دقیقه تا چهل و نه درجه ده دقیقه طول شرقی واقع شده است. جریان آب رودخانه کرخه همیشه مقداري از مـواد رسـوبی حوضـه کرخه را به پایین دست حمل مینماید. در بالادست سد کرخه 39 ایستگاه هیـدرومتري وجـود دارد کـه در ایـن تحقیق مجموع رسوب معلق انتقالی از 4 سرشاخه اصـلی(زیـر حوضـه) ایـن حوضـه شـامل گاماسـیاب، قـره سـو، کشکان و سیمره بررسی شده است. شکل1 موقعیت سرشاخه هاي اصلی رودخانه کرخه و سـد مخزنـی کرخـه را نشان می دهد.[3]
شکل(:(1 موقعیت سرشاخه هاي اصلی رودخانه کرخه و سد مخزنی کرخه
-2-2 روش انجام کار
محققین و کارشناسان بدلیل اهمیت پدیده رسوب گذاري در سازه هاي آبی و تأثیر آن روي عملکرد شبکه هاي آبیاري و زهکشی در مناطق خشک و نیمه خشک روشهاي متعددي براي برآورد بار رسوبی رودخانه ها ارائه داده اند[4] و .[5] معادلات تجربی انتقال رسوب و رگرسیون آماري از معمولترین روشهاي برآورد میزان رسوبات معلق حمل شده توسط رودخانههاست .[6] از سوي دیگر تعدد معادلات انتقال رسوب، پراکندگی زیاد نتایج، نیاز به اطلاعات زیاد از هندسه، هیدرولیک و رسوب رودخانه ها، عدم تطابق با شرایط واقعی رودخانه و عدم لحاظ کردن تغییرات زمانی شرایط جریان و رسوب از مهمترین محدودیتهاي کاربرد این معادلات است .[7]
در روشهاي رگرسیون آماري،معمولاً مقادیر اندازهگیري شده همزمان دبی جریان و دبی رسوب معلق رودخانه به فرم منحنی توانی (روش (USBR بیان می شوند، که آن را منحنی سنجه رسوبات معلق می نامند. در این منحنی، میزان حمل مواد رسوبی فقط به یک متغیر (دبی جریان) نسبت داده شده است در حالیکه پارامترهاي زیادي از جمله اوضاع طبیعی منطقه و حوضه، پارامترهاي هیدرولیکی جریان، زمان برداشت نمونه رسوب، نوع رسوبات، شدت بارش و شرایط حوضه در هنگام بارش از نظر تغذیه رسوبی در این امر دخیل هستند. به همین دلیل پراکندگی زیادي بین این رابطه و دادههاي اندازهگیري شده رسوبات معلق وجود دارد. به طوریکه ممکن است به ازاء یک دبی جریان ثابت، بار رسوب معلق 10 تا 100 برابر تغییر کند. همچنین به دلیل اینکه تعداد نمونههاي برداشتی در دوران رسوبی محدود می باشند تراکم دادهها در دبی هاي پایین جریان بیشتر بوده و فرم معادله توانی را تحت تاثیر قرار میدهد. این در حالی است که حجم اعظم رسوبات فقط در چند واقعه سیلابی از ایستگاه هیدرومتري منتقل میشوند. به این دلیل کارشناسان روي این نکته اجماع دارند که حجم رسوب برآورد شده از رابطه توانی فوق، اغلب کمتر از میزان واقعی میباشد. در ایستگاه هیدرومتري تلهزنگ در بالادست سد مخزنی دز به طور مثال ، آورد سالانه رسوبات معلق محاسبه شده از رابطه توانی USBR حدود 7/6 میلیون مترمکعب برآورد شده است. در حالیکه نتایج هیدروگرافی اخیر مخزن سد دز نشان میدهد حجم رسوبگذاري سالانه این سد حدود 17 میلیون مترمکعب (یعنی حدود 2 برابر مقدار به دست آمده از رابطه (USBR است .[8] روشهاي متنوعی براي اصلاح رابطه توانی سنجه رسوبات معلق وجود دارد که مهمترین آنها عبارتند از استفاده از چند منحنی توانی براي یک ایستگاه، روش اصلاحی فائو ، استفاده از پارامتر تیرگی یا کدورت جریان به جاي دبی جریان در منحنی سنجه رسوب، کاربرد شبکههاي عصبی مصنوعی روش منطق فازي [9]،[10]و.[11] با توجه به موارد فوق این تحقیق از روش رگرسیون آماري و روش اصلاحی فائو به منظور بررسی میزان آورد رسوب استفاده شده است و لذا به همین منظور رابطه توانی سنجه رسوب در روش رگرسیون یا روش USBR به صورت زیر بیان میشود:
(1) Qs aQbw
که در آن Qs بار رسوب معلق بر حسب تن در روز، Qw دبی جریان بر حسب متر مکعب بر ثانیه و a و b مقادیر ثابت هستند. ضریب a متناسب با عکس دبی متوسط بلندمدت جریان، دماي متوسط هوا و شکل ارتفاعی حوضه است. توان b ارتباط بیشتري با دماي متوسط هوا و شکل حوضه دارد.[12]
به دلیل ماهیت لگاریتمی رابطه رگرسیونی و نیز تراکم زیاد دادههاي اندازهگیري در دبیهاي کم جریان، این منحنی نیاز به اصلاح دارد. یکی از روشهاي اصلاحی، روش فائو است .[9] در این روش، شیب خط رگرسیونی منحنی سنجه رسوب ثابت فرض گردیده اما عرض از مبدأ آن افزایش مییابد تا به نوعی اثر دبیهاي سیلابی لحاظ شود. رابطه زیر به این منظور استفاده میشود:
که در این رابطه Qs و Qw به ترتیب میانگین دبی رسوبی و دبی جریان دادههاي اندازهگیري شــده میباشند. در این تحقیق آمار سالهاي بین 1350- 1351 تا 1378- 1379به لحاظ اینکه داراي آمار نسبتاً کامل و طولانی میباشد، مورد قبول واقع گردید.
مراحلی که در این تحقیق براي برآورد حمل رسوب در سرشاخه هاي اصلی حوضه آبریز طی گردید عبارتند از:
-1 استخراج منحنی سنجه رسوبات معلق ایستگاه هیدرومتري هر یک از سرشاخه هاي اصلی با استفاده از داده هاي اندازه گیري شده دبی جریان و دبی رسوب معلق به کمک روابط توانی USBR و FAO
-2 ترسیم منحنی تداوم جریان با استفاده از دبی هاي جریان در دوره هاي زمانی مناسب -3 کلاسه بندي احتمالات وقوع جریان و محاسبه دبی هاي جریان در حد وسط کلاس احتمالاتی -4 محاسبه دبی جریان متناظر با حد وسط دسته احتمالاتی از منحنی تداوم جریان
-5 محاسبه رسوب معلق حمل شده از ایستگاه با استفاده از دبی جریان به دست آمده از مرحله قبل و به کمک منحنی سنجه رسوب معلق (روابط توانی USBR و (FAO
-6 محاسبه حجم رسوبات معلق درحالت مستغرق برحسب مترمکعب در سال
-7 اضافه نمودن حجم رسوب ناشی از بار بستر به محاسبات فوق
-8 مقایسه نتیجه حاصل در دو حالت USBR و FAO
-3 نتایج و بحث
براي ترسیم منحنی سنجه رسوب براي هر یک از ایستگاهها براي روش هاي مذکور، از آمار متنـاظر Qs و Qw که به ترتیب دبی رسوب بر حسب تن در روز و دبی جریان بر حسب متر مکعب بر ثانیه مـیباشـد اسـتفاده گردید. روابط همبستگی به فرم توانی بین دبی جریان ودبی رسوب معلق محاسبه گردید. نتایج حاصله در جـداول 1و2 ارائه گردیده است. با توجه به این جداول و ضرایب تعیین (R2) به دست آمده ملاحظه میگردد که در اکثر ایستگاهها، رابطه بین دبی جریان و دبی رسوب معلق با دقت خوبی به فرم توانی برازش یافته است.
