بخشی از مقاله
خلاصه
تعیین مناسب مقدار پارامتر ضریب زبري مانینگ، نقش موثري در محاسبات مربوط به پروفیل سطح آب و برآورد صحیح سرعت و دبی جریان ایفا میکند. عموماً به دلیل تغییر شرایط رودخانه، دانهبندي ذرات بستر در طول رودخانه داراي تغییرات محسوسی میباشد. لذا شناسایی دقیق عوامل کنترل کننده و همینطور تغییرات مکانی و زمانی ضریب زبري در مسیر رودخانه، بر دقت تخمین این پارامتر و طبعاً صحت و اطمینان از اقدامات مدیریتی و روشهاي کنترلی مقولههاي مرتبط با جریان رودخانهاي خواهد افزود. تا کنون محققین زیادي روي ضریب زبري رودخانهها کار کردهاند و روابطی را نیز ارائه نمودهاند. از آنجا که روابط ارائه شده عمدتاً بر اساس اطلاعات آزمایشگاهی بوده و یا براي رودخانههاي خاصی توسعه یافته است، در محدوده مشخصات همان رودخانهها کاربرد دارد.
در این تحقیق سعی برآن است که با توجه به اندازهگیريهاي صحرایی دبی و سرعت جریان و تعیین شرایط هندسی و هیدرولیکی رودخانه و تلفیق دادههاي آماري دبی و خصوصیات ژئومتري در محدوده بازه منتخبی از رودخانه فریزي در استان خراسان رضوي، ضریب مانینگ تعیین شود و ضمن شناسایی عوامل موثر، تغییرات آن در طول بازههاي مورد نظر بررسی گردد.نهایتا روابط ریاضی و هیدرولیکی مطابق با شرایط منطقهاي موجود، براي برآورد ضریب زبري در این رودخانه ارائه و روابط موجود نیز واسنجی میگردد و با استفاده از مقادیر اندازهگیري شده روابط مناسب براي برآورد ضریب زبري معرفی گردد. بر این اساس، نهایتًا عملکرد مناسب رابطه تجربی Bray بر پایه D90 بیشترین تطابق را با شرایط منطقه مورد مطالعه داشته است. همچنین، عملکرد مناسب یک معادله پیشنهادي از نوع هیپربولیک جهت تخمین ضریب زبري بر اساس عمق هیدرولیکی جریان مورد تایید قرار گرفت.
کلمات کلیدي: ضریب زبري مانینگ، رودخانه فریزي، دبی سیل، سرعت جریان، تابع هیپربولیک
.1 مقدمه
بخش اعظم مطالعات هیدرولوژي در زمینههاي ریختشناسی و رفتار شناسی رودخانه بر پایه نتایج اصل از اندازهگیري مستقیم آب استوار است. بسیاري از روابطی که در طراحی سیستمهاي آبی بکار برده میشود از دادههاي تجربی و اندازهگیريهاي صحرایی به دست آمده است. تکمیل و یا تصحیح این روابط نیز به چنین دادههایی بستگی دارد. از جمله اندازهگیريهایی که تحت عنوان آبسنجی صورت گرفته است و در تحلیل هیدرولیکی و هیدرولوژیکی از نتایج آنها استفاده میشود شامل اندازهگیري سطح آب، عمق، سرعت آب و دبی میباشد. یکی از مهمترین مشکلات مطرح در هیدرولیک رودخانهها، تخمین سرعت متوسط جریان در آبراهههاي کوهستانی فاقد ایستگاه اندازهگیري است.
براي اندازهگیري سرعت آب روشهاي مختلفی وجود دارد. از طرفی یکی از روش هاي معمول براي برآورد دبی سیلابی و به ویژه دبی حداکثر لحظهاي، روشهاي هیدرولیکی مبتنی بر مشخصات هیدرولیکی مقاطع اندازهگیري میباشد. در این روشها، پارامتر ضریب زبري مانینگ نقشی اساسی در برآورد میزان دبی رودخانه دارا میباشد. انتخاب روش به شرایط محلی رودخانه، دقت مورد نیاز در اندازهگیري و شرایط و امکانات موجود در منطقه مورد مطالعه بستگی دارد. در بین روابط تجربی رابطه مانینگ کاربرد بیشتري دارد. دقت مدلسازيها و پیشبینیهاي صورت گرفته با استفاده از این رابطه مبتنی بر دقت هر چه بیشتر تخمین ضریب مانینگ - n - با توجه به شرایط منطقه مورد مطالعه میباشد.
نظر به اهمیت این ضریب که تعیین مقدار مناسب آن براي محاسبات پروفیل سطح آب نقش موثري در برآورد صحیح سرعت و دبی جریان ایفا میکند، در این تحقیق سعی برآن است که با توجه به برداشت و تلفیق دادههاي آماري دبی و خصوصیات ژئومتري در محدوده بازههاي منتخبی از رودخانه فریزي در استان خراسان، ضریب مانینگ اندازهگیري شود و ضمن شناسایی عوامل موثر، تغییرات آن در طول بازه هاي مورد نظر بررسی گردد. نهایتا روابط ریاضی و هیدرولیکی مطابق با شرایط منطقهاي موجود، براي برآورد ضریب زبري در رودخانه هاي منتخب استان ارائه و روابط موجود نیز واسنجی میگردد.
عمده مطالعات انجام شده در زمینه ضریب زبري به صورت آزمایشگاهی و یا شبیه سازي فیزیکی صورت گرفته است. نیک محضري و افضلی مهر - 1381 - در خصوص تعیین زبري مانینگ - n - در رودخانهها با روابط تجربی با استفاده از روش Grid-by-Number در رودخانه نازلو کار کرده اند و نتیجه گرفته اند که در بازه مورد مطالعه از بین روابط مختلف تجربی، روابط ارائه شده توسط - 1979 - Bray و - 1970 - Limerison جواب بهتري داده اند. حیدري ارجلو و همکاران - 1386 - از روش هاي مختلف تعیین ضریب زبري مانینگ در رودخانهها براي بررسی موردي در رودخانه شاوور - شهرستان شوش دانیال استفاده نموده اند. در این تحقیق روابط تجربی محققین مختلف براي تخمین مقدار ضریب زبري مانینگ در مورد آن آزمایش شد.
نتایج بدست آمده از فرمولها با مقدار ضریب زبري که از طریق مدل ریاضی Hec-Ras حاصل میشود، مقایسه گردیده و در نهایت در خصوص دقت هر یک از معادلات با توجه به رژیم حاکم بر جریان بحث و نتیجه گیري صورت گرفته است. کیلانهاي و همکاران - 1384 - روشی براي اصلاح ضریب زبري مانینگ با کاربرد روشهاي عددي ارائه میکنند. در این تحقیق یافتن ضریب زبري مانینگ با ترکیب روش بهینهیابی با استفاده از گرادیان عددي و همینطور روش محاسبات جریان متغیر تدریجی و با استفاده از اطلاعات موجود رودخانه ها صورت گرفته است. نهایتا مدل نهایی روي دو رودخانه، یکی رودخانه اي با مقطع فرضی ذوزنقه و دیگري رودخانه کوچک Wulka کنترل و تایید گردیده است. محمودي و همکاران - 1386 -
اقدام به مدلسازي ضریب زبري مانینگ در بازهاي از رودخانه کارده نمودند. در همین راستا در این تحقیق با هدف مدلسازي ضریب زبري مانینگ، در بازهاي در رودخانه ي کارده و بالادست سد کارده انجام پذیرفت. پس از بررسی بیش از 26 عامل توسط آنالیز تحلیل عاملی، عوامل تأثیرگذار ضریب زبري در منطقه مشخص گردید و اقدام به تهیه مدل شد. از بین مدلهاي تهیه شده 4 مدل مقادیر قابل قبولی را ارائه نمودند که در نهایت پس از بررسی خطاي تخمین و خطاي تبیین مدل ها، مدلهاي لگاریتمی و نمایی در مقایسه با مدلهاي نیمه لگاریتمی برا ي منطقه مورد مطالعه پیشنهاد شد. بعلاوه با توجه به بررسی عاملی انجام گرفته، از میان عوامل مورد بررسی D35، D85 و D90 براي مدلسازي با ضریب زبري اندازهگیري شده داراي ارتباط ارزیابی شدهاند که با روشهاي کولگان، مییر- پیتر- مولر، بري، هو و هانگ، اوگارت و مادرید و حبیبی در مقایسه با روشهاي دیگر مورد بررسی تطابق بیشتري دارد.
حبیبی و همکاران - 1385 - در یک بررسی آزمایشگاهی ضریب مقاومت جریان در آبراهههاي با شیب تند و بستر درشتدانه را تحلیل نمودند. بدین منظور یک مجموعه آزمایش هیدرولیکی بر روي یک فلوم آزمایشگاهی با شیب تند و بستر متشکل از مصالح طبیعی درشت دانه انجام شد. دادههاي به دست آمده با استفاده از قانون معادلات نیمه لگاریتمی مقاومت جریان، که در آن مقاومت معادل نسبت سرعت متوسط به سرعت برشی است، و با توجه ویژه به اثر عامل استغراق نسبی، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و رابطهاي مناسب براي تخمین عامل مقاومت جریان در آبراهههاي با شیب تند پیشنهاد شده است. در پایان میزان دقت رابطه پیشنهادي، با استفاده از دادههاي حاصل از 16 ایستگاه از رودخانههاي کشور انگلیس ارزیابی شده است.
براتی و اسلامی - 1374 - براي تعیین ضریب زبري بستر رودخانه کارون از روشهاي مختلفی استفاده نمودند و نهایتا براي بخشهاي کوهستانی استفاده از دادههاي دبی ثبت شده و براي قسمتهاي واقع در دشت روش اندازه گیري مستقیم را توصیه نمودند. بیات و بازرگان - 1382 - براي تعیین ضریب زبري مصالح سنگریزه به روش تحلیلی به این نتیجه رسیدند که این ضریب در حالت آرام، انتقالی و آشفته متفاوت خواهد بود بدین صورت که در حالت متلاطم ضریب زبري به مشخصات فیزیکی سنگدانهها و شعاع هیدرولیکی مقطع عرضی بستگی دارد حال آنکه در شرایط آرام پارامتر نیروي گرانروي نیز به این موارد اضافه میگردد. وسانتا لال - 1996 - براي کالیبراسیون مقدار زبري کف رودخانه نیاگارا از روش Gauss-Newton استفاده کرد.
همچنین او با آنالیز حساسیت نتایج نسبت به 27 پارامتر ورودي ژئومتري نتیجه گرفت که میتوان این پارامترها را در 7 دسته خلاصه نمود. جوردانو و فررو - 1992 - اقدام به تخمین و ارائه معادلهاي تجربی براي مقاومت جریان در رودخانههاي با بستر شنی نمودند. نتیجه این پژوهش ارائه معادلهاي تجربی با استفاده از پارامترهاي D90 و D84 بوده است. کومیتی و همکاران - 2007 - با بررسی 10 رودخانه، نهایتا رودخانه ریوکاردون1 را در ایتالیا براي بررسی ارتباط سرعت جریان آب و مقاومت بستر رودخانههاي با شیب تند انتخاب نمودند. پژوهشگران در پایان این تحقیق با استفاده از دبی جریان و شیب کف کانال رابطهاي براي تخمین زبري کف کانال بوسیله سرعت جریان ارائه نمودند. رایس و همکاران - 1998 - ضریب زبري مانینگ را براي پوششهاي سنگریزه روي شیب هاي تند در آزمایشگاه مورد بررسی قرار داده و رابطهاي بین ضریب زبري مانینگ و شیب کانال و قطر متوسط ذرات مصالح بستر را ارائه کردهاند.
هسل و همکاران - 2003 - روي برآورد ضریب زبري مانینگ براي شیب هاي تند کار کرده و روابطی خطی بین ضریب زبري مانیگ با شیب و شعاع هیدرولیکی را ارائه کردهاند. حبیبی - 2006 - بررسی جامعی را روي روشهاي تعیین ضریب زبري در رودخانههاي پرشیب انجام دادهاست. در این تحقیق ضمن مرور روش هاي مختلف، بر اساس دو سري اطلاعات اندازه گیري شده توسط محققین قبلی، ضریب زبري مورد بررسی قرار گرفته است. با بررسی هاي صورت گرفته، پارامتر D84 به عنوان پارامتر مشخصه مصالح بستر در استخراج روابط مورد استفاده قرار گرفته است. لوپز و بارراگان - 2008 - روي زبري معادل در رودخانههاي با بستر شنی کار کرده و روابطی را براي محاسبه زبري معادل بر حسب D35، D85 و D90 ارائه کردهاند. از آنجا که روابط ارائه شده عمدتا بر اساس اطلاعات آزمایشگاهی بوده و یا براي رودخانههاي خاصی توسعه یافته که در محدوده مشخصات همان رودخانهها کاربرد دارند، ولی براي هر رودخانهاي نیاز به واسنجی روابط ارائه شده توسط سایر محققین و یا توسعه روابط جدید جدید می باشد.
.2 مواد و روشها
همانگونه که اشاره گردید، عوامل مختلفی در تعیین ضریب زبري رودخانهها نقش دارد و تعیین عوامل موثر در ضریب زبري با توجه به شرایط هیدرولیکی و مورفولوژیکی براي بازهاي از رودخانه فریزي در استان خراسان مسئله اساسی این تحقیق است. بعلاوه با توجه به اطلاعات حاصل از جمعآوري پیمایش صحرایی منطقه مورد مطالعه، امکان واسنجی روابط موجود نیز وجود دارد. رودخانههاي فریزي در حوزه کشف رود قرار دارد و از سرشاخههاي شمالی کشف رود میباشند. مساحت حوزه بالادست ایستگاه هیدرومتري در این حوزه 203 کیلومتر مربع میباشد.از آنجا که مطالعات صحرایی جهت جمعآوري اطلاعات مورد نیاز براي بررسی مشخصات هیدرولیکی رودخانه و همینطور دستیابی به معیاري جهت کنترل صحت و دقت انطباق روابط پیشنهادي محاسباتی ضریب زبري با شرایط طبیعی رودخانهها ضروري است، نیازمند جمعآوري اطلاعاتی نظیر هندسه هیدرولیکی رودخانه، مشخصات مقاطع عرضی، خصوصیات فیزیکی مواد تشکیل دهنده کف و دیوارههاي کانال و مشخصات دبی و سرعت جریان میباشیم.
وجود آمار طولانی مدت در ایستگاه اندازهگیري جریان را میتواند در انتخاب محدودههاي مورد نظر براي اندازهگیري دبی مورد استفاده قرار داد. اساس انتخاب بازههاي مورد مطالعه بر پایه وجود ایستگاه اندازه گیري دبی، مستقیم بودن حتی الامکان بازهها، ثبات تقریبی جریان، یکنواختی تقریبی مقطع جریان و عدم تغییر آن در محدوده هر دو مقطع متوالی در طول بازه میباشد. ضمنا طول رودخانهها بر اساس توصیه اداره آبادانی امریکا - 1977 - حداقل 60 تا 70 متر و ترجیحا 10 برابر عرض آنها پیشنهاد گردیده است؛ به شرطی که افت سطح آب کمتر از 15 سانتیمتر نباشد.بعلاوه باید حداقل سه مقطع عرضی در طول هر بازه انتخاب گردد - باترست 1986 و فرنچ . - 1986
فاصله مقاطع برداشت مشخصات جریان براي انجام مطالعات مربوط به ضریب زبري از 20 متر - علیزاده، - 1384 تا 50 و گاها 100 متر - مهدوي، - 1381 و همینطور پنج برابر عرض مقطع جریان توصیه شده است. همچنین در این محدوده باید جریان آب آزاد باشد و تحت تاثیر موضعی در بالادست یا پایین دست قرار نگیرد. بر این اساس بازهاي از رودخانه مورد مطالعه به طول 60 متر انتخاب گردید و برداشت مشخصات مقاطع و شرایط جریان در 4 مقطع عرضی مختلف - شکل - 2 و در سه مرحله - هفته سوم اسفند سال 1388، هفته دوم فروردین 1389و هفته آخر فروردین - 1389 صورت پذیرفت. شکل3 نیز بخشی از بازههاي مورد مطالعه و مراحل اندازهگیري سرعت و پروفیل سطح آب را ارائه میکند.
