بخشی از مقاله
خلاصه
مسئله تخمین دبی و سرعت جریان در کانال ها به دلیل ماهیت سه بعدی جریان، به خصوص در کانال های مرکب و رودخانه ها موضوع بسیار پیچیده ای است که در دهه های اخیر کارهای پژوهشی زیادی روی آن انجام یافته است.
به دلیل ناپیوستگی موجود در شعاع هیدرولیکی مقطع، روش های یک بعدی ساده برای برآورد دبی مانند معادله مقاومت مانینگ، قادر به پیش بینی صحیح دبی جریان در کانال های مرکب نمی باشند. رویکرد اساسی که برای حل این مشکل ارائه شده، به روش کانال تقسیم شده DCM موسوم است، که این روش نیز به دلیل درنظر نگرفتن اثر اندرکنش بین جریان در کانال اصلی و سطوح سیلابی - تأثیر انتقال ممنتوم - ، خود نتایج معتبری ارائه نمی دهد.
از این پس رویکردها حول اصلاح معادلات DCM گسترش یافته اند. رویکردهای مختلف یک بعدی و دو بعدی برای اعمال اثر اندرکنش به کارگرفته شده که هریک دارای مزایا و معایبی هستند. دراین بین روش موسوم به شیانو-نایت، SKM، که در سال 1991 ارائه شد، توانست موفقیت بیشتری کسب کند.
بر این اساس یک بسته نرم افزاری CES معرفی گردید که قادر به مدل سازی انواع کانال های مرکب و رودخانه های مستقیم و پیچان رود - مئاندر - و همچنین کانال هایی است که محور کانال اصلی آنها بر محور بستر سیلابی منطبق نیست. این نرم افزار با نام تجاری CES- AES v2.0 نتیجه تحقیقات محققان مؤسسه تحقیقاتی HR-Wallingford انگلستان با همکاری آژانس جهانی محیط زیست تهیه شده و جدیدترین نسخه آن در سال 2009 عرضه شده است.
این نرم افزار همچنین میزان نامعینی موجود در روابط دبی-اشل و پدیده برگشت آب را محاسبه می کند. در این مقاله به بررسی نمودار دبی -اشل حاصل از این نرم افزار و مقایسه آن با داده های آزمایشگاهی FCF و سایر داده های در دسترس می پردازیمنتایج. حاصل نشان می دهد انطباق نسبتاً خوبی بین داده های آزمایشگاهی و نرم افزار وجود دارد که حاکی از توانایی آن نرم افزار می باشد.
1. مقدمه
یکی از مهمترین وظایف مهندسین رودخانه، برآورد دقیق دبی جریان برای عمق های مختلف، و به عبارتی یافتن رابطه ای برای بدست آوردن عمق جریان در دبی های مختلف می باشد، که به آن نمودار دبی-اشل گفته می شود. در مورد کانال های با مقطع ساده، روش های ساده رایج مانند معادلات شزی، مانینگ و یا دارسی-ویسباخ می توانند برآورد دقیق مناسبی را ارائه دهند. اما در مورد کانال های با مقطع مرکب و رودخانه های دارای سطوح سیلابی موضوع متفاوت است.
در این نوع از مقاطع، با پر شدن کانال اصلی و ورود جریان به ناحیه بسترهای سیلابی، به دلیل افزایش چشمگیر یکباره محیط مرطوب، و در نتیجه کاهش شدید شعاع هیدرولیکی، نتایج این روش های ساده دیگر قابل اعتماد نمی باشد. شکل 1 نمونه ای از تغییرات شدید پارامترهای هندسی و هیدرولیکی در یک رودخانه را نشان می دهد.
یک رویکرد هیدرولیکی برای حل این مشکل، تقسیم سطح مقطع مرکب کانال مرکب به تعدادی زیر مقطع های ساده و محاسبه دبی برای هریک از این زیر مقطع ها با استفاده از معادلات مقاومت استاندارد مانند معادله مانینگ، و درنهایت جمع این دبی ها برای بدست آوردن دبی کل مقطع می باشد. این روش به روش کانال تقسیم شده DCM مشهور است که اولین بار در سال 1933 توسط Lotter و دیگران مورد مطالعه قرار گرفت. البته این روش نیز به دلیل نامنظم بودن مقدار زبری موثر، ، در عمق کانال - شکل - 2، خود دشواری هایی در پی داشته است.
در مقایسه با روش کانال ساده SCM که برای جریان فرا رودخانه ای مقدار دبی را کمتر از مقدار واقعی آن تخمین می زد، این بار روش DCM مقدار دبی را بیشتر از مقدار واقعی آن نشان می داد. علت اصلی این تخمین دست بالا در روش DCM نادیده گرفتن اندرکنش بین جریان موجود در کانال اصلی با جریان در بسترهای سیلابی بود. به دلیل اختلاف عمق جریان در کانال اصلی و بستر سیلابی، طبیعی است که سرعت جریان در این دو بخش دارای اختلاف چشمگیری باشد؛ همین موضوع سبب ایجاد گرادیان سرعت قابل ملاحظه بین این دو ناحیه شده و در نتیجه انتقال اندازه حرکت بالایی بین کانال اصلی و بستر سیلابی مورد انتظار خواهد بود. بنا بر این نظر محققان برای حل این مشکل معطوف به بحث اندرکنش جریان و انتقال مومنتوم بین این دو ناحیه از جریان در کانال های مرکب گردید که مدل بسیار ارزنده ای برای رودخانه های طبیعی است. به این منظور محققان بسیاری برآن شدند تا با درنظر گرفتن فرضیاتی، اثر اندرکنش جریان را در محاسبات DCM لحاظ کنند. این امر منجر به پدید آمدن پنج رویکرد متفاوت گردید:
شکل :1 تغییرات پارامترهای هیدرولیکی با تراز، رودخانه Severn در محل پل - Knight et al, 1989 - Montford
شکل :2 تغییرات ضریب مقاومت n مانینگ برای جریان فرا رودخانه ای در رودخانه Severn، در محل پل - Ackers, 1993 - Montford
اولین رویکرد بر اساس اصلاح محیط های مرطوب زیر مقطع ها کار می کند، به طوری که طول سطح مشترک عمودی کانال اصلی با بستر سیلابی را در محاسبه P برای بستر سیلابی در نظر نمی گیرد، ولی این طول را در محاسبه P برای کانال اصلی لحاظ می کند
در این تحقیق قصد داریم اثر تاخیری جریان در زیر مقطع کانال اصلی را داشته باشیم و آن را در زیر مقطع بستر سیلابی بالا ببریم. اگر چه چون طول خط جداسازی در عمق های کم بستر سیلابی کوتاه است، وقتی اثر اندرکنش بالاست، این رویکرد به ناچار شکست می خورد. البته با بررسی انواع ، اکنون تشخیص داده شده بهتر است دبی ها در هر زیر مقطع با روش مناسبی تعدیل شود؛ به عنوان یک گام مجزا در رویکرد محاسبات، رویکرد دوم که روش پیوستگی COHM نامیده میشود توسط اکرز ارائه شده است.
رویکرد سوم بر اساس تعیین تنش های برشی ظاهری - ASS - یا نیروهای برشی ظاهری - ASF - بر روی خطوط جداسازی زیر مقطع ها می باشد. این روش نیازمند داشتن اطلاعات از تنش های رینولدز میانگین عمقی و بخش های گردابی است که در سال 2003 توسط نایت، Knight، مورد بحث واقع شد. این نیروهای دورویه سپس می توانند در یک تحلیل یک بعدی برای بدست آوردن نیروی برشی مؤثر، یا مقاومت برای هر زیر مقطع و در نتیجه ظرفیت انتقال صحیح زیر مقطع لحاظ شوند. این امر می تواند تقسیم صحیح جریان در یک سطح مقطع را بدست دهد. بسیاری از محققان تلاش کردند تا معادلات تجربی مناسبی را برای کمیت های ASS یا ASF روی خطوط تقسیم خاص گسترش دهند. بیشتر این معادلات شامل نسبت عمق بستر سیلابی به عمق کانال اصلی به عنوان یک متغیر اصلی، و همچنین عرض و زبری نسبی بستر سیلابی به عنوان متغیر های کمکی هستند.
اگرچه بسیاری از معادلات ممکن است به خوبی با اطلاعات آزمایشگاهی خاصی تناسب داشته باشند، ولی به طور کامل و عمومی قابل اعمال نیستند. رویکرد چهارم، که از حالت کلی رویکرد سوم پیروی می کند، خطوط تقسیم بین زیر مقطع ها را در امتداد خطوط با تنش برشی صفر تعریف می کند. اگرچه منحنی نشان داده شده در شکل 3 دلالت بر این دارد که طبیعت سه بعدی سرعت جریان در یک رودخانه واقعی تشخیص موقعیت این خطوط تقسیم را برای همه انواع شکل کانال ها، عمق جریان و زبری دشوار می کند، و علاوه بر این از بررسی های سه بعدی آشفتگی بهخوبی می دانیم که خطوط قائم روی منحنی های میزان الزاماً همان خطوط با تنش صفر نیستند.
شکل .3 معرفی طبیعت سه بعدی سرعت جریان در یک مقطع عرضی از رودخانه واقعی
رویکرد پنجم از ترکیب روش های کانال تقسیم شده با استفاده از خطوط واصل عمودی و افقی با یک ضریب وزنی بدست آمده است. در این رویکرد یک پارامتر وزنی منفرد به سرعت های جزء پیش بینی شده توسط روش تقسیمات افقی و عمودی اعمال شده تا یک سرعت میانگین که به سرعت مشاهده شده در هر دو مقطع کانال اصلی و بستر سیلابی نزدیکتر است، بدست آید.
مقادیر این ضریب وزنی از 0.5 برای کانال با زبری یکنواخت تا 0.2 برای کانال هایی که بستر سیلابی شان زبرتر از کانال اصلی است، تغییر می کند. به طور کلی، به کار گیری این رویکردها موجب پیدایش و گسترش روش های متفاوتی در هیدرولیک کانال های مرکب و رودخانه ها گردیده است. از مهمترین این روش ها می توان به روش های COHM، SKM و EDM اشاره کرد که در زیر بیان این روش ها می پردازیم.
.2 روش های محاسبه نمودار دبی-اشل
.1-2 روش تجربی Ackers؛ - COHM -
روش COH اکنون به عنوان یکی از رویکرد های یک بعدی برای محاسبه جریان فرا رودخانه ای و مسائل مربوط به آن اعم از آثار شکل مقطع و زبری ناهمگن شناخته شده است. پارامتر COH به عنوان نسبت انتقال اصلی که با در نظر گرفتن کانال به عنوان یک کانال واحد، نسبت به مقدار محاسبه شده به روش جمع زدن ظرفیت های اصلی نواحی مجزا می باشد. بنابراین داریم:
برخی مقادیر COH در شکل - 10 - برای یک محدوده متغیر از کانال های رودخانه ای نشان داده شده که دلالت می کند بر این که در بیشتر حالات، COH دارای مقداری کمتر از 0.5 دارد. جایی که COH خیلی کمتر از یک باشد، ضرایب تعدیل دبی به منظور اصلاح دبی های منفرد در هر زیر مقطع مورد نیاز می باشد. مطالعات آزمایشگاهی از جریان فرا رودخانه ای در FCF پیشنهاد می کند که ضرایب تعدیل دبی DISADF در حداقل چهار ناحیه متمایز از عمق مورد نیاز است. اسناد آزمایشگاهی نشان می دهد که:
این نتیجه بیان می کند وقتی که برای یک عمق، جریان فرارودخانه ای رخ دهد دبی واقعی همواره کمتر از مقدار پایه حاصل از جمع دبی در نواحی مختلف می باشد، اما بیشتر از مقداری است که براساس فرض کانال واحد بدست می آید
