بخشی از مقاله
خلاصه
از مباحث مهم و تاثیرگذار جریان در کانالهای باز موضوع مقاومت در برابر جریان میباشد. عامل مقاومتی جریان در هیدرولیک کانالهای باز، با اعمال ضریب زبری کانال در نظر گرفته میشود. یکی از عوامل مهم در تعیین این ضریب اثر پوشش گیاهی میباشد که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور از 3 روش جارولا، فتحی مقدم و ولزن جهت محاسبه و تعیین حساسیت ضریب زبری پوشش گیاهی شد.
در تحلیل پارامتریک صورتگرفته، تغییرات ضریب زبری محاسبه و در نمودارهایی که محور قائم همه آنها زبری پوشش گیاهی میباشد، ترسیم میشود. از مقایسه منحنیها در روشهای مذکور میتوان نتیجه گرفت که در روش فتحی مقدم با تغییرات ارتفاع پوشش گیاهی، حساسیت ضریب زبری بیش از همه وابسته به تراکم پوشش گیاهی و پس از آن عمق جریان و از همه کمتر سرعت جریان است و در روش ولزن با تغییرات شیب کانال حساسیت ضریب زبری وابستگی بیشتری به ارتفاع پوشش گیاهی نسبت به سایر عوامل موجود در فرمول دارد.
اما نتیجه مهمتری که از این نمودارها گرفته میشود آن است که در کانالهایی با شیب ملایم زبری به شدت به شیب کانال وابسته است، در حالی که در شیبهای تند زبری از شیب کانال مستقل است. همچنین در برآوردهای ضریب زبری اراضی ارزشمند و با اهمیت که نیازمند در نظر گرفتن ضرایب اطمینان بالاتری میباشند از روش فتحی مقدم استفاده نمود و در اراضی کم اهمیتتر به ترتیب از روش های ولزن و جارولا استفاده نمود.
1. مقدمه
ضریب زبری یکی از پارامترهای مهم جریان در کانالهای طبیعی میباشد که از جنبه های مختلف حائز اهمیت می باشد. از آنجاییکه عمق و دبی جریان و متعاقبا پهنه سیل ناشی از آن وابسته به ضریب زبری رودخانهها میباشند، برآورد دقیق این ضریب میتواند در کاهش خطر سیل و راههای مقابله با آن بسیار ارزشمند واقع گردد. همچنین این ضریب در تعیین حد بستر قانونی رودخانه تاثیرگذار میباشد که تعیین دقیق آن میتواند در بحثهای حقوقی که مسئله مرز میان اراضی ملی و زمینهای شخصی مطرح است، مورد استفاده قرار گیرد.
تعیین دقیق این ضریب همچنین میتواند در تعیین موقعیت نصب تجهیزات هیدرولیکی جهت اندازه گیری عمق و دبی رودخانه به منظور انجام مطالعات هیدرولیکی و هیدرولوژیکی کمک قابل توجهی نماید. این ضریب تابع عوامل مختلفی از جمله شکل کانال، مصالح بستر رودخانه، ناهمواری مسیر، پوشش گیاهی و... میباشد که تعیین اثر عامل پوشش گیاهی به عنوان موضوع مطالعاتی این مقاله در نظر گرفته شده است
پوشش گیاهی را میتوان در کانالهای طبیعی به 2 نوع کلی پوشش گیاهی سخت - درختی - و پوشش گیاهی انعطاف پذیر - غیر درختی - تقسیمبندی کرد که معمولا ضریب زبری پوشش گیاهی سخت مقادیر بیشتری را نسبت به ضریب زبری پوشش گیاهی انعطاف پذیر دارا میباشد.
همچنین این نوع پوشش گیاهی میتوانند در 2 حالت پوشش گیاهی مستغرق و غیرمستغرق قرار گیرند که معمولا در پوشش گیاهی سخت به صورت غیرمستغرق و پوشش گیاهی انعطاف پذیر در حالت مستغرق و غیرمستغرق قرار میگیرند. همانطور که مشخص است، جهت تعیین اثرات ضریب زبری پوشش گیاهی میبایست عوامل متعددی را درنظر گرفت که مهمترین آنها عبارتند از:
-1 عمق جریان، -2 تراکم پوشش گیاهی، -3 ارتفاع پوشش گیاهی و -4 قطر المان پوشش گیاهی، که هر کدام به طور مستقیم بر ضریب زبری ناشی از اثر پوشش گیاهی تاثیرگذار میباشند.
لذا تعیین دقیق ضریب زبری نیازمند اندازهگیری موارد مذکور و همچنین به کارگیری فرمولها و روشهای عددی مناسب میباشد .[2] بدین منظور در این مقاله 3 روش جارولا، فتحی مقدم، ولزن جهت محاسبه دقیق ضریب زبری ناشی از اثر پوشش گیاهی در کانالهای طبیعی مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین، تحلیل پارامتریک بر روی آنها جهت تعیین حساسیت ضریب زبری پوشش گیاهی انجام گرفته است و نیز مقایسه ای بین مقادیر ضریب زبری 3 روش مذکور صورت گرفته است که نتایج ارائه گردیده است.
2. روشهای برآورد ضریب زبری پوشش گیاهی
این روشها به شرح ذیل میباشند:
الف- روش جارولا: جارولا با انجام تحقیقات مختلف به فرمول تجربی ذیل جهت محاسبه ضریب زبری پوشش گیاهی دست یافت که در آن :d قطر المان پوشش گیاهی بر حسب متر، :h عمق آب بر حسب متر، ay و:ax فواصل طولی و عرضی المان پوشش گیاهی بر حسب متر، :f ضریب زبری دارسی وایسباخ، :Cd ضریب drag - مقدار آن را می توان برابر 1/5 در نظر گرفت - .
تراکم پوشش گیاهی بر حسب متر با استفاده از رابطه ذیل با ay وax ارتباط دارد:
بنابرین رابطه جارولا را میتوان به صورت زیر ارائه نمود.
ضریب زبری مانینگ n طبق رابطه ذیل با f در ارتباط است که میتوان مقدار n را از آن بدست آورد که در آن :g شتاب گرانش زمین و : Rh شعاع هیدرولیکی میباشند
ب- روش فتحی مقدم: فتحی مقدم با انجام مطالعات آزمایشگاهی به فرمولهای ذیل جهت محاسبه ضریب زبری پوشش گیاهی در حالت غیر مستغرق دست یافت که در آن :n ضریب مانینگ، :H ارتفاع پوشش گیاهی، :Y عمق آب، :Y/H نسبت استغراق، :A سطح مقطع یک طرف از شاخ و برگ پوشش گیاهی است، :a سطح مقطع لوله به کار گرفته شده در آزمایش فتحی مقدم که با پوشش گیاهی پوشانده شده است، :V سرعت جریان، :ρ چگالی آب، :D تراکم پوشش گیاهی، :A/a سطح مومنتوم جذب شده، :ψE پارامتری برای شاخص پوشش گیاهی که تابع تراکم و ارتفاع پوشش گیاهی میباشند. - مقادیر A/a و ψE توسط فتحی مقدم در جدول 1 ارائه شده است
جدول -1 مقادیر ψE و A/a براساس روش فتحی مقدم
ج- روش ولزن: ولزن ضریب شزی مطابق فرمول ذیل را به عنوان ضریب زبری پوشش گیاهی در حالت مستغرق ارائه داد.
ضریب شزی C طبق رابطه ذیل با ضریب مانینگ n در ارتباط است که مقدار n را میتوان از آن بدست آورد.
که در آن :m تعداد المان پوشش گیاهی در هر متر مربع - تراکم پوشش گیاهی - ، :D قطر المان پوشش گیاهی برحسب متر، :CD ضریب drag - مقدار CD را می توان 1/5 در نظر گرفت - ، : h عمق جریان برحسب متر، ارتفاع پوشش گیاهی برحسب متر، :i شیب گرادیان انرژی و ∶ ƙ ثابت ون کارمنکه برابر 0,42 است
