بخشی از مقاله
چکیده - یکی از مهمترین مباحث در مهندسی رودخانه، تخمین ضریب مقاومت جریان است. روش های زیادی برای تخمین این ضریب توسط محققین مختلف ارائه شده است که عمدتاً روش های مشاهده ای مبتنی بر بازدیدهای میدانی بوده و تخمین ضریب زبری در نهایت با نظر کارشناسی و سلیقه ای می باشد. با توسعه و پیشرفت رایانه ها، می توان تخمین ضریب زبری رودخانه را به رایانه ها و نرم افزارهای مدلسازی سپرد.
در این مطالعه که بر روی رودخانه کارده واقع در 45 کیلومتری شمال مشهد صورت گرفته است، بازه ای به طول 2743 متر به عنوان نماینده کل رودخانه انتخاب گردید. سپس با اندازه گیری سرعت جریان توسط مولینه در ابتدا و انتهای بازه و نیز نقطه ای میانی به فاصله 73/5 متر از ابتدای بازه، مدلسازی جریان با ضرایب زبری مختلف توسط نرم افزار MIKE11 صورت گرفت. سپس نمودار تغییرات سرعت در نقطه میانی در مقابل ضریب زبری، بدست آمد و براساس سرعت متوسط اندازه گیری شده در نقطه میانی ضریب زبری معادل این سرعت ازروی نمودار استخراج گردید. ضریب مانینگ برای مقطع میانی 0/058 بدست آمد.
-1 مقدمه
برای تعیین عوامل هیدرولیکی نظیر عمق و سرعت جریان، نیاز به تعیین ضریب زبری هیدرولیکی جریان می باشد . در کلیه مطالعات مهندسی رودخانه و طراحی سازه های متقاطع رودخانه نظیر پل ها، سدهای انحرافی و یا دهانه های آبگیر که دانستن عمق و سرعت جریان ضروری است، تعیین دقیق ضریب زبری مورد نیاز خواهد بود .ضریب زبری هیدرولیکی در شرایط متنوع و پیچیده رودخانه ها متاثر از عوامل مختلفی می باشد، بنابراین تحقیقات گسترده ای بر روی شرایط متنوع جریان در رودخانه ها صورت پذیرفته و طیف گسترده ای از روابط ارائه شده است .به همین علت، شناخت کامل کارشناسان مطالعات مهندسی رودخانه از عوامل موثر و شرایط متنوع رودخانه ها، مقدم بر تعیین ضریب زبری رودخانه ها می باشد و تسلط این کارشناسان به انواع روابط تعیین ضریب زبری در شرایط متنوع رودخانه ها نیز ضروری است.[1]
در مدل هیدرودینامیک نرم افزار MIKE11، ضریب زبری مانینگ تاثیرگذارترین پارامتر بر نتایج مدل و فرآیند کالیبراسیون می باشد.[2] روش های زیادی برای تخمین این ضریب زبری مانینگ ارائه شده است که عمدتاً برای شرایط خاص هر رودخانه کاربرد دارد.[1] یکی از راه های عمده جهت تخمین ضریب زبری روش های مشاهده ای مبتنی بر بازدیدهای میدانی می باشد که دو نوع معروف آن، روش SCS و روش کاون است. در هر یک از این روش ها براساس شرایط مختلف رودخانه از قبیل جنس مصالح، پوشش گیاهی، شکل رودخانه، وجود موانع و عوامل متعدد شناخته شده و یا شناخته نشده دیگر و براساس جداول استاندارد آن روش، عددی به عنوان ضریب زبری رودخانه تخمین زده می شود.
روش دیگر تعیین ضریب زبری مانینگ براساس مطالعه پیشین است. در مطالعه ای بر روی رودخانه کارده .[3] مجموعه ای از اطلاعات هیدرولیکی و هندسی رودخانه با بستر شنی گردآوری گردید. نتایج مطالعات نشان داد، علاوه بر دانه بندی مصالح بستر، رفتار هیدرولیکی جریان نیز در محاسبه ضریب زبری موثر است. در این خصوص مشخص شد ضریب زبری دارای نسبت عکس با عدد فرود است. در نهایت رابطه - 1 - ارئه گردید که قادر است با دقت مناسبی ضریب زبری را تخمین بزند. که در آن،Fr عدد فرود، R شعاع هیدرولیکی و D50 قطر متوسط ذرات بستر می باشد. براساس آنالیز حساسیتی که انجام گردید، مشخص شد عدد فرود دارای بیشترین تاثیر در برآورد ضریب زبری می باشد .[3]
-2 مواد و روشها
-1-2 معادلات حاکم
در این مطالعه جهت تخمین ضریب زبری از شبیه سازی جریان در محیط نرم افزار MIKE11 استفاده شده است این بسته نرم افزاری توسط انستیتو هیدورلیک دانمارک - Danish Hydraulic Institute - DHI - تهیه شده است و قادر به شبیه سازی یک بعدی جریان، انتقال رسوبات و کیفیت آب به صورت غیردائمی در رودخانه ها، مصب ها و شبکه های آبیاری می باشد. این برنامه از روش اختلاف محدود - - Finite Difference برای حل یک بعدی معادلات جریان، انتقال رسوب و کیفیت آب استفاده می کند.
مدل هیدرودینامیکی در واقع عنصر زیر بنائی تمام سیستم مذکور است و پایه ای برای سایر مدل های موجود در برنامه نظیر پخش و انتشار، کیفیت آب و حمل رسوبات می باشد.[4] معادله یک بعدی انتقال و پخش که نرم افزار MIKE11 جهت مدلسازی استفاده می کند معادله - 4 - است که از ترکیب معادلات - - 2 و - 3 - بدست می آید. معادله - 2 - نیز از ترکیب معادله پیوستگی - 5 - و معادله اندازه حرکت - 6 - که همان معادلات سنتونانت هستند بدست می آید که در آن:
S غلظت آلودگی - cfu/100ml - ، A سطح مقطع جریان و K ضریب زوال - day-1 - ، Q دبی جریان،ST منبع افزایش دهنده یا کاهش دهنده، DL ضریب پخشیدگی طولی وSL غلظت ورودی یا خروجی جانبی ماده آلوده کننده میباشد. و نیز t و x به ترتیب متغیرهای زمان و مکان، g شتاب گرانشی، Sf شیب اصطکاکی و h=y+Zb که در آن h تراز سطح آب اندازه گیری شده از سطح مبنای افقی، y عمق جریان و Zb تراز کف کانال بالای سطح مبنای افقی میباشند فرضیات اصلی استفاده شده در بدست آوردن معادلات سنتونانت عبارتاند از:
-1 توزیع فشار هیدرواستاتیک است و از شتاب قائم ذرات آب صرف نظر میشود.
- 2 سرعت به صورت یکنواخت در مقطع کانال توزیع شده است.
-3 متوسط شیب کف کانال کوچک است و بنابراین عمق جریان اندازه گیری شده به صورت قائم برابر با عمق جریان اندازه گیری شده عمود بر کف کانال در نظر گرفته میشود. -4 از معادله مانینگ به عنوان معادله مقاومت جریان استفاده می شود. -5 جریان به صورت همگن و غیر قابل تراکم در نظر گرفته می شود.
-2-2 روش حل معادلات
یکی از روشهایی که در حل عددی معادلهی انتقال-پخش مورد استفاده قرار میگیرد، الگوی Abbot- Ionescu می باشد. در این روش الگوی معادله پخش - انتقال مطابق شکل - 1 - می باشد. بنابراین ابتدا معادله پخش - انتقال که به شکل روابط - 2 - و - 4 - می باشد، با استفاده از روابط پاره سازی - 7 - تا - 10 - به شکل سه معادله کلی - 11 - ، - - 12 و - 13 - تبدیل شده که شکل ماتریسی این معادلات مطابق رابطه - 14 - خواهد بود.
