بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله اثر پوشش گیاهی به وسیله ارتباط آن با پایداری خاک کناره بررسی شده است. استفاده از روش بیولوژیکی بصورت استقرار پوشش گیاهی روشی مناسب برای مبارزه با فرسایش می باشد. فرسایش کناری رودخانه ای از اشکال فرسایش آبی میباشد و از اثرات نامطلوب آن می توان به افزایش گل آلودگی آبها، تخریب اراضی حاشیه رودخانه ها، مشکلات ناشی از رسوبات حاصل از آن در پایین دست اشاره نمود.
از طرفی میتوان فرسایش کناری رودخانه ای را با استفاده از روشهای بیولوژیکی و مکانیکی با شناسایی نقاط حساس کاهش داد. در این تحقیق مقعطی از روخانه حنا به طول 10 کیلومتر به منظور بررسی تاثیر استقرار پوشش گیاهی بر فرسایش کناری رودخانه ای مورد مطالعه قرار گرفت. بدین منظور گونه درختی بید و یک گونه علفی - گراس - انتخاب و به بررسی تاثیر ریشه ها بر پایداری کناره ها پرداخته شد.
نتایج نشان داد که ریشه درخت بید قدرت خاک را تا 3 تا 8 کیلو پاسکال و ریشه گراس ها به طور مشارکتی قدرت خاک را تا 6 تا 18 کلیو پاسکال افزایش می دهد. همچنین اثرات مکانیکی پوشش درختی فاکتور FS را از 32 تا 49 درصد و اثرات مکانیکی گراس ها فاکتور FS را از 10 تا 15 درصد - با توجه به شرایط منطقه - افزایش می دهد. هدف از انجام این تحقیق تعیین اثر ریشه های درختی و علفی بر فرسایش کنار رودخانه ای می باشد.
مقدمه:
پوشش های گیاهی در حاشیه و صفحات پهن رودخانه ها باعث کاهش سرعت جریان می شوند. از نظر هیدرولیکی میزان کندی جریان ناشی از پوشش گیاهی در کانال های طبیعی یک عامل مهم در طراحی سیلاب دشت و مدیریت حریم رودخانه و کانال های طبیعی است. همچنین از دیدگاه زیست محیطی می توان به اثر پوشش گیاهی در عوامل مورفولوژیکی، کیفیت آب و زیبائی یک حوضه آبریز اشاره کرد. نقش پوشش گیاهی در حفاظت و تثبیت دیواره و سواحل رودخانه بطور گسترده ای توسط محققان در اقصی نقاط جهان مطالعه شده و همگی آنرا بعنوان یک گزینه اقتصادی و زیست محیطی شناخته اند.
این روش قدرت و قابلیت تجدید حیات و بازسازی بصورت طبیعی را دارد ولی تاکنون در ایران بررسی های معدودی در این مورد انجام گرفته است. چاو - 1945 - و بارنر - 1967 - به ترتیب جداول توصیفی و نیز اشکالی برای تخمین ضریب زبری مانینگ با توجه به پوشش های مختلف در رودخانه ها و مجاری طبیعی بر مبنای تجارب سیلاب های اتفاق افتاده در رودخانه های ایالت متحده ارئه نمودند.
چیو و تان - 1992 - تاثیر بوته های کاشته شده در کف فلوم را بر ضریب اصطکاک در شرایط تراکم کم و زیاد مورد بررسی قرار داده و نمودارهایی ارئه دادند. نتیجه نشان داد که ساقه های گیاه که جریان از میان آن می گذرد بیشترین نیروی کششی را تحمل کرده و توربولانس بیشتری تولید می کند و با افزایش تراکم، ضریب زبری نیز افزایش می یابد. کراستو و صالح - 2010 - اثرات پوشش گیاهی دشت سیلابی را بر روی شکل پلان رودخانه به صورت عددی مورد بررسی قرار داده و دریافتند که گیاهان مختلف شکل پلان متفاوتی ارائه می دهند و در دشت های سیلابی لخت ، رودخانه همیشه به سمت پلان لخت گسترش میابد.
کوپلند - 2000 - ضریب مقاوت جریان ناشی از بوته ها و درختچه های کوتاه را برای شرایط مستغرق و غیر مستغرق با در نظر گرفتن انعطاف گیاه ارائه نمود. جارولا - 2000 - مقاوت جریان ناشی از ترکیبات مختلف پوشش های گیاهی طبیعی درخت بید ، علف و بوته زنبق را در شرایط مستغرق و غیر مستغرق در فلوم آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار داد .
کرمی - 2007 - با محاسبه تحلیلی از پایداری هندسی از هیدرولیک رودخانه ها دریافت که پایداری اثر پوشش گیاهی روی هندسه کانالهای آبرفتی با افزایش زاویه اصطکاک داخلی در نظر گرفته می شود. لوپی و همکاران - 2008 - اثرات درختان منفرد را در مقیاس تک جریان بر پایداری کناره رودخانه مورد بررسی قرار داده و دریافتند که میزان تاثیرات مکانیکی درختان به علت کاهش اهمیت درخت نسبت به افزایش نیروی تنش برشی به دلیل نقش ریشه ها افزایش می یابد.
سیمون و کولیسون - 2002 - به بررسی تاثیرات مکانیکی و هیدرولوژیکی سه تیپ گیاه بر پایداری کنار رودخانه پرداختند و دریافتند که ریشه درختان قدرت خاک را تا 8-2 kPa افزایش داده در حالیکه ریشه گراس به طور مشارکتی kPa 18-6 افزایش می دهد.
سامانی و کورن - - 2002 بیان کردند که پوشش گیاهی یک روش موثر و اقتصادی در کنترل فرسایش می باشد و سپس به بررسی رابطه بین خصوصیات پوشش گیاهی و شدت فرسایش در کانال های علفی پرداختند. آنها نشان دادند که می توان از تغییر شکل گیاه در اثر عبور جریان برای تخمین شدت فرسایش استفاده نمود.
ابراهیمی و همکاران - 1386 - به بررسی آزمایشگاهی اثر تغییر تراکم پوشش گیاهی بر ضریب زبری مانینگ دررودخانه ها پرداخته اند. این آزمایشات - 60 مورد آزمایش - بر روی یک فلوم آزمایشگاهی با 5 شیب کف - از 0/01 تا , - 0/002 چهار دبی - از 10 تا 40 لیتر در ثانیه - و سه تراکم پوشش گیاهی 100 - ،50 و 28 درصد - انجام شد. نتایج نشان داد با افزایش شیب کف و دبی جریان ضریب زبری مانینگ افزایش می یابد و متوسط ضریب زبری در پوشش های با تراکم 100،50 و 28 به ترتیب 0/069 ،0/087 و 0/057 می باشد.
کرمی و مجدزاده طباطبایی - 1388 - مدلی را توسعه دادند که اثر پوشش گیاهی را در تعیین هندسه پایدار رودخانه های شنی تحلیل می کند آنها به کمک مدل تاثیر پایداری کناره ها را بر هندسه هیدرولیکی رودخانه به صورت کمی مورد بررسی قرار دادند. سپس مدل موردنظر روی داده های 62 رودخانه شنی از کشور انگلستان بررسی و مدل را مورد واسنجی قرار دادند.
نتایج به دست آمده علاوه بر اینکه تاثیر پایداری کناره در تعیین خصوصیات هندسی مقطع کانال را نشان می دهند، کارایی مدل ارایه شده را نیز ثابت می کنند. در این تحقیق با توجه به نتایج آزمایشگاهی دانشگاه آکسفورد آمریکا در مورد خصوصیات برخی از گونه های گیاهی به بررسی رابطه بین ریشه و خاک و تاثیر آن بر پایداری کناره های رودخانه حنا پرداخته شده است.
مواد و روش ها:
معرفی منطقه: حنا یکی از شهرهای استان اصفهان در مرکز ایران است. حوضه آبخیز رودخانه حنا محدود به طول جغرافیایی 51 30 تا 52 1 طول شرقی و 31 تا 31 22/5 عرض شمالی واقع شده و جزء زیرحوضههای خلیج فارس و دریای عمان میباشد. سد حنا در 30 کیلومتری شهرستان سمیرم قرار دارد. سد حنا بر در سال 1375روی رودخانه ای به همین نام از سرشاخه های رودخانه کارون احداث گردیده که به منظور مشروب کردن اراضی دشت حنا و توسعه اراضی قابل کشت جمعا بمیزان 5000 هکتار احداث گردیده است شکل . - 1 -
شکل -1 نمای کلی از رودخانه و سد حنا
پس از بازدید از منظقه پوشش گیاهی موجود در محدوده مورد مطالعه تعیین شد. شاخص ترین این گیاهان گونه بید سیاه - Salix nigra - و گراس - Panicum virgatum - می باشد. سپس نتایج حاصل از آزمایشگاهای انجام شده بر روی این دو گونه در دانشگاه آکسفورد آمریکا - با توجه به اینکه منطقه مورد مطالعه در شهرستان سمیرم از نظر زمین شناسی و اقلیم تا حدودی مشابه رودخانه حوزه - Goodwin به منطقه مورد مطالعه تعمیم داده شد و نتایج آن مورد بررسی قرار گرفت. این آزمایش بر روی گیاهان کناره رودخانه در حوزه گودوین واقع در شمال رودخانه می سی سی پی انجام شده است. برای اندازه گیری نیروی برشی از لایه های مختلف در کناره رودخانه در عمق های مختلف از دستگاه تست برشی BST استفاده شده است، این دستگاه می تواند مستقیما چسبندگی و زاویه اصطکاک را در محدوده فشار منفذی ایجاد شده اندازه گیری کند.
برای اندازه گیری نیروی کشش در ریشه ها از تکنیک توسعه یافته آبرنتی و رادرفورد - 2001 - استفاده شده است. ضخامت ریشه ها با استفاده از پرگار اندازه گیری ضخامت استفاده شده است. برای به دست آوردن ساختار ریشه و توزیع آن گودال هایی حفر شده و قطر ریشه، گرایش و توزیع آنها اندازه گیری شده است. حجم درخت با استفاده از روش دوریس - 1974 - تخمین زده می شود
در این رابطه V حجم چوب بر حسب مترمکعب، dl قطر تنه در پایه بر حسب متر ، d2 قطر تنه در بالا بر حسب متر و L طول تنه بر حسب متر می باشد. هیدرولوژی کناره ها با استفاده از کشش سنج کنترل شده که فشار منافذ آب را - مثبت و منفی - هر 10 دقیقه ثبت می کند، استفاده شده - کشش سنج در عمق های 30، 100، 200، 270، و 432 سانتی متر نصب شده است - .
همچنین سطح جریان رودخانهدر هر 10 دقیقه با استفاده از دو ترانسفورماتور فشاری غوطه ور در آب اندازه گیری شده است. مدل عددی پایداری کناره ها:
در ارزیابی و تعیین اثرات پوشش گیاهی بر پایداری کناره رودخانه، داده های هیدرولوژیکی و مکانیکی در مدل عددی پایداری کناره ها مورد استفاده قرار گرفت . مدل پایداری کناره ARS ، توسعه یافته مدل گوه تخریبی است که توسط Simon et al. - 1999 , 2000 - توسعه یافت. این مدل یک موازنه محدود است که از معادله تخریب Mohr-Coulomb برای بخش اشباع گوه و از معادله Fredlund et al. - 1978 - برای بخش غیر اشباع گوه استفاده شده است. به علاوه فشار مثبت و منفی ، مدل ترکیب لایه های خاک ، تغییر در واحد وزن خاک بر مبنای رطوبت لایه ها با کاربری تعریف پذیر با توجه به خصوصیات ژئوتکنیکی به آن اضافه شده است.
در این رابطه عامل موثر چسبندگی از لایه i ام بر حسب کیلو پاسکال، طول مقطع - پلان - تخریب که با لایه i ام ترکیب شده بر حسب متر، نیروی تولید شده توسط ماتریکس کشش بر روی بخش غیر اشباع از سطح شکست بر حسب کیلو نیوتن بر متر، w وزن i مین لایه بر حسب کیلو نیوتن، U نیروی بالا برنده هیدرواستاتیک بر روی بخش اشباع از سطح شکست بر حسب کیلو نیوتن بر متر ، P نیروی محدود شده هیدرواستاتیک به علت لایه آب خارجی بر حسب کیلو نیوتن بر متر ، زاویه پلان تخریب - درجه از افق - و زاویه کناره - درجه از افق - می باشد.
