بخشی از مقاله
خلاصه
ماهیهای به منظور دستیابی به منابع غنی غذایی و همچنین بر اساس غریزه، جهت تخمریزی به زادگاه خود مهاجرت می نمایند. ساخت سازه های متقاطع با رودخانه که منجر به قطع راه تردد ماهی ها به بالادست شود می تواند ضربات مخربی بر اکوسیستم وارد نماید. مدیریت و حفظ اکوسیستم رودخانه، ضرورت احداث سازه ی راه ماهی را جهت برقراری راه ارتباطی بین پایین دست و بالادست آن دوچندان نموده است. راه ماهی دنیل از یک کانال مستطیلی مجهز به قاب های شیبدار می باشد که این قاب ها نقش دیواره های آرام کننده جریان را بازی می نماید. در این تحقیق با استفاده از شبیه سازی عددی به بررسی الگوی جریان عبوری از یک سازه راه ماهی دنیل مجهز به 16 قاب و با شیب طولی 20 درصد پرداخته شده است. نتایج نشان داد که به واسطه وجود جریان های چرخشی در اعماق نسبی z/yo کوچکتر از 0/6 ، یک نیروی پیش ران بر کالبد ماهی القا شده و شرایط صعود را برای آنها تسهیل می نماید.
همچنین شناخت کافی از چگونگی توزیع سرعت عرضی و عمقی جهت تشخیص یک دالان امن در راه ماهی ضروری است. بررسی ها نشان داد که به واسطه عدم تقارن توزیع عرضی سرعت ممکن است شرایطی در مسیر عبوری ماهی بوجود آید که شرایط برخورد ماهی را به دیواره های آرام کننده جریان فراهم آورده و منجر به زخمی شدن آن شود. همچنین اعمال یک نیروی القایی لیفت بر کالبد ماهی از طرف پروفیل عمقی سرعت ممکن است شرایط خروج ماهی را از دالان پیشران و ورود آن به نواحی پر سرعت فراهم آورد. نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد که نرم افزار Flow 3D به عنوان یک ابزار ارزشمند قادر است تا الگوی جریان در این دسته از سازه ها را به نحو مطلوبی شبیه سازی نماید.
کلمات کلیدی: راه ماهی، دنیل، قاب، آشفتگی، مدل Flow-3D
1. مقدمه
اکوسیستم آبهای شیرین به واسطه وجود طیف گستردهای از موجودات زنده، که هریک از روابط و ضوابط زیست محیطی پیچیدهای برخوردارند مورد سکونت قرار گرفته است. با توجه به آنکه اکوسیستم های آب شیرین درمعرض بیشترین خطر نابودی درسراسر جهان قرار دارد لذا مدیریت آن نیازمند درک جامعی از روابط زیست محیطی می باشد. با توجه به این پیچیدگی استفاده از دستگاه های اندازه گیری موجود برای ثبت دقیق اندازه گیری میدانی از جنبه بیولوژیکی همیشه امکان پذیر نیست درنتیجه تاثیر بسیاری از متغییرهای فیزیکی هنوز ناشناخته مانده است. ماهیان ممکن است در اثر تغییرات زیست محیطی و یا بطور غریزی برای تخم ریزی به بالادست مهاجرت نمایند.
در این میان آبشارهای طبیعی و سدهای انحرافی از موانعی هستند که ممکن است از مهاجرت ماهیها به بالادست جریان جلوگیری کرده و یا مهاجرت آنها را به تاخیر بیاندازند. [1] یکی دیگر از مشکلاتی که سدهای انحرافی برای ماهیها ایجاد می کنند زیر آب بردن محلهای مناسب تخم ریزی ماهیان میباشد که به منظور رفع این مشکل از سازهای به نام راهماهی استفاده گردیده است .[2] سازه راهماهی را میتوان در دسته سازههای هیدرولیکی و محیط زیستی قرار داد. زیرا این سازه علاوه بر لزوم برخورداری از خصوصیات هیدرولیکی، می بایست از تناسب لازم با پارامترهای بیولوژیکی مورد نیاز ماهیان جهت صعود به بالادست رودخانه به منظور تامین مواد غذایی از یکسو و محل مناسبی جهت تخم ریزی را از سوی دیگر تامین نمایند.
به همین جهت باید با خصوصیات هیدرولیکی جریان و شرایط بهینه بیولوژیکی ماهیان آشنا بود تا بتوان بهترین سازه راه ماهی را با توجه به قیدهای ذکر شده مورد طراحی و استفاده قرار داد.[3] سازهی راهماهی بعنوان سازهی مستهلک کنندهی انرژی در زمینهی هیدرولیکی شاخص بوده و همچنین با توجه به کاربرد بیولوژیکی آن در انتقال ماهیان به بالادست بعنوان یک شاخص بیولوژیکی مورد ارزیابی قرار میگیرد .[4]ماهیان ممکن است در اثر تغییرات زیست محیطی و یا بطور غریزی برای تخم ریزی به بالادست مهاجرت نمایند احداث سدهای انحرافی در مسیر رودخانهها، مانع از حرکت ماهیها به بالا دست شده و منجر به عدم برقراری تعادل در شرایط زیست محیطی اکوسیستم میگردد.
به منظور رفع این نقیصه از سازه ی راه ماهی استفاده میشود. این سازه از تنوع های زیادی برخوردار است. سازه ی راه ماهی با دیواره آرام کننده با چیدمان های مختلفی مورد استفاده قرار گرفته است. در این میان سازه ی راه ماهی دنیل استاندارد یکی از پرکاربردترین این دسته از سازه ها می باشد که مورد استفاده ی زیادی به خصوص در کشور کانادا قرار گرفته است. در صورتی که از این سازه ها جهت تسهیل تردد آبزیان به بالادست سازه های متقاطع استفاده نگردد عملا مهاجرت ماهیها به بالا دست غیرممکن شده و منجر به عدم تخمریزی و کاهش انواع گونه های ماهی خواهد شد. این امر به مرور زمان موجبات انقراض گونهای از ماهی را سبب می شود.
لذا طراحی و احداث راه ماهی از نقطهنظر زیست محیطی بسیار با اهمیت میباشد. طراحی راه ماهی مستلزم در نظر گرفتن نکاتی در مورد شرایط هیدرولیکی جریان میباشد. در این میان می توان به عکس العمل میزان حداکثر سرعت، حداقل عمق و حداکثر میزان آشفتگی نام برد. استفاده از ابزار دقیق جهت شناسایی مسائل پیرامون آشفتگی با توجه به ماهیت این خصوصیت هیدرودینامیکی بعضا با محدودیت هایی روبرو می باشد. برای این منظور بهره گیری از شبیه سازی عددی می تواند راه گشای مفیدی برای این امر باشد. به منظور مدیریت وحفاظت از محیط زیست لازم است تا از عکس العملهای هیدرودینامیکی آبزیان درمعرض این تغییرات قرار می گیرند شناخت جامع و کاملی در دسترس باشد.
راه ماهی دنیل از یک کانال مستقیم مستطیلی شیب دار تشکیل گردیده که درون آن قاب هایی قرار گرفته اند. نحوه قرارگیری قاب ها باعث اتلاف انرژی جریان شدهو جریان نسبتاً مناسبی را برای عبور ماهی در یک مسیر مستقیم و پیوسته فراهم می سازد.جریان در راه ماهی دنیل مرکب از دو بخش متقابل است. جریان اصلی در بخش مرکزی کانال و یک سری جریان های منظم جانبی که هر کدام از اینها همسو با مسیر تعیین شده توسط پره ها عمل می کنند. تعامل بین جریان های اصلی و جانبی، روند اصلی انتقال جرم و شتاب را فراهم و علاوه بر یک تلاطم قابل ملاحظه، کاهش انرژی چشمگیری را بوجود می آورد.
با نگاهی ویژه می شود چنین برداشت کرد که؛ وجود سرریزها و پره ها به عنوان عناصر بسیار بزرگ زبری، راه ماهی ها را فلوم های بسیار زبری معرفی می نمایند که ایجاد ضریب زبری در آنها - از لحاظ تئوری و عوامل اصطکاک - امکان پذیر و وجود دارد و تمام افت های موضعی-اصطکاکی را در بر می گیرند. ساختار راه ماهی ها به گونه ایست که سرریزهای مجاور در آنها به صورت زنجیره ای عمل می کنند. وجود قابها باعث گردیده، جریان موجود در راه ماهی دنیل در هر سرریز به سرعت در حال تغییر باشد، به عبارتی دیگر جریان آب در حوضچه های راه ماهی تحت تأثیر جریان موجود بر روی حوضچه ها و سرریزهای مجاور قرار می گیرد. همچنین می توان با بررسی ضریب مقاومت ایجاد شده درک بهتری از این ساختار و خواص هیدرولیکی آنها بدست آورد.[5]
از راه ماهی مدل دنیل بعنوان یکی از مدل های کارآمد مستهلک کننده انرژی یاد می شود. هنگامی که دبی در حد پایینی باشد جریان در راه ماهی حالت غوطه وری داشته، که با بالاتر رفتن عمق آب جریان نیز به حالت روگذری میل می کند. اگر چه در حالت روگذری اصطکاک جریان بالاتر بوده و خود جریان پایدارتر به نظر می رسد؛ اما با این وجود افزایش عمق باعث نمی شود که سرعت متوسط جریان به میزان زیادی تغییر کند.از نقطه نظر بیولوژیکی راه ماهی ها سازه هایی هستند که به ماهی این توانایی را می دهند که به مهاجرت ادامه داده و با موفقیت از موانع عبور نمایند. از نظر هیدرولیکی، راه ماهی ها سازه اتلاف انرژی هستند. جریان در داخل راه ماهی ها باید واضح، مشخص و هدایت گر ماهیان بوده و بیش از حد برای گونه های مورد نظر سخت و پیچیده نباشد.[6]
راجاراتنام و کاتاپودیس - 1983 - تحقیقات مشترکی را بر روی هیدرولیک جریان در راه ماهی آغاز کرده و عمده فعالیت خود را روی راه ماهی نوع دنیل قرار دادند و نتیجه کار آنها رسیدن به معیارهای جالبی برای طراحی بهینه راه ماهی نوع دنیل برای دبی و شیب های مختلف بستر بوده است. مدل فیزیکی سازه راه ماهی مورد پژوهش در دانشگاه آلبرتا کانادا ساخته شد و در سازه آن از یک دبی سنج مغناطیسی برای اندازه گیری دبی و یک جریان سنج مینیاتوری برای اندازه گیری سرعت در اعماق مختلف استفاده شد. نتایج کار راجاراتنام و کاتاپودیس - 1983 - منجر به معرفی شش تیپ از انواع راه ماهی دنیل گردید. با توجه به آنکه نتایج این مقاله با تیپ 2 مطالعات این محققین مطابقت دارد لذا نتایج حاصل از تحقیقات آنان در قالب روابط - 1 - و - 2 - بشرح زیر گزارش می شود:
در این روابط Q* دبی مشخصه که از رابطه - 3 - تعیین خواهد شد، : y o عمق جریان بر روی پره های راه ماهی، : b o عرض داخلی قاب راه ماهی و : U* سرعت مشخصه می باشد که از رابطه - 4 - تعیین می شود:در این روابط Q دبی جریان، So شیب کف راه ماهی با افق و um حداکثر سرعت جریان می باشد که با استفاده از پروفیل سرعت تعیین خواهد شد.[7] مشخصات هیدرولیکی و هندسی مورد بحث در شکل - 1 - نمایش داده شده اند.راجاراتنام و همکاران - 1986 - 1 تحقیقات گسترده ای را بار دیگر بر روی سازه راه ماهی از نوع دنیل انجام دادند با این تفاوت که سازه راه ماهی دنیل دو طبقه را در آزمایشگاه مورد بررسی قرار دادند و علاوه بر حاصل شدن یک منحنی دبی- اشل برای طراحی راه ماهی دنیل دو طبقه به این نتیجه رسیدند که عامل اصلی در طراحی سازه راه ماهی از لحاظ هیدرولیکی توانایی اتلاف انرژی سازه راه ماهی بوده و با توجه به این هدف راه ماهی ها به سه دسته راهماهیهای استخر و سرریز ، شکاف قائم و دنیل تقسیم بندی کردهاند. [8]
عوامل موثر در شنا کردن ماهی ها فقط به میدان سرعت و عمق آب محدود نگردیده، بلکه میزان آشفتگی حاصل از اصطکاک جریان های داخلی نیز از جایگاه ویژه ای برخوردار است. آشفتگی اضافی می تواند بعنوان یک عامل بازدارنده در حرکت ماهی ها محسوب شده و مسیر صعود آنها را صعب العبور نماید. عملکرد شنای ماهی به سه دسته مجزا - شنای پایدار، شنای مداوم و شنای انفجاری- تقسیم بندی شده است. سرعت پایدار سرعتی است که ماهی می تواند بطور مستمر و نامحدود شنای خود را برای مدت طولانی بیش از 200 دقیقه بدون خستگی عضلانی حفظ کند. در سرعت مداوم ماهی می تواند به مدت 20 ثانیه تا 200 دقیقه با حفظ خستگی به شنای خود ادامه دهد و عملکرد شنای انفجاری، بالاترین سرعتی است که ماهی می تواند فقط برای دوره های زمانی کوتاه - کمتر از 20 ثانیه - از آن استفاده کند.[9]
انتظار میرود ماهیها هنگام پریدن و گذشتن از روی سرریزها از سرعت انفجاری خود بهره گرفته و در درون استخرها از سرعت حرکت مداوم خود برای شنا کردن استفاده کنند. با توجه به اینکه سرعت های انفجاری و سرعت حرکت مداوم مانند سایر فاکتورهای زیست محیطی بسته به نوع و اندازه ماهی متغیر میباشد، بنابراین راه ماهی برای عبور ضعیفترین شناگر از انواع مورد نظر طراحی میشود. شناخت انواع ماهیهای مهاجر، میزان و فصل مهاجرت، اندازه وابعاد ماهیها، همچنین سرعت شنا کردن و بررسی رفتار آنها از جمله اطلاعات بیولوژیکی لازم برای طراحی است. سرعتهای شنا، حدودی را برای حداکثر سرعت آب در راه ماهی مشخص می کند و به طراح اجازه میدهد که شرایط جریان را به نحوی برقرار کند که ماهی بدون خستگی یا تأخیر طولانی در مسیری امن شنا کند. مطالعه رفتار ماهی ها در انتخاب نوع راه ماهی موثر است. به طوری که مشخص شده است، بعضی از انواع ماهی ها یک نوع راه ماهی را از میان انواع دیگر ترجیح میدهند.
مواد و روش ها
برای مدل کردن راه ماهی دنیل، نخست از نرم افزار Autocad برای ساخت نمایه ی صلب بهره گیری شده است و در ادامه رفتار و تراکنش داده ها نسبت به مدل فیزیکی به کمک نرم افزار Flow3D که نرم افزاری چند جانبه و سازگار با شرایط پیچیده ی جریان در مدل سازی بصورت دو بعدی و سه بعدی است ، شبیه سازی شده است. هندسه ی نمایه ی صلب شامل اجزای زیر است: یک فلوم با سطح شیب دار تحت شیب حدودا 20 درصد، 16 عدد قاب تحت زاویه 45 درجه نسبت به کف رمپ در مجرایی به عرض 1 متر، اختلاف ارتفاع دو سر رمپ 1,57 متر و طول رمپ 7,35 متر با مقیاس : 1 5 مدل گردید.
شرایط اولیه ی این مدل نیز بر پایه ی سیال آب زلال با دمای 20 درجه سانتیگراد انتخاب شده است. برای مشبندی مدل، تلاش شد تا تعداد مش بهینه از نظر دقت بالا و کاهش زمان هر آزمایش، تعیین گردد. با توجه به تاثیر عملکرد مدل های آشفتگی بر نتایج حاصله و نیز سازگاری مدل آشفتگی k-، از این مدل برای شبیهسازی جریانهای متلاطم استفاده شده است. در شکل - - 2 نمایی از هندسه نمایه ی صلب نمایش داده شده است.
