بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از روشهاي کلاسیک جهت اندازه گیري دبی جریان در شبکه هاي آبیاري و زهکشی، ایجاد یک مقطع کنترل و توسعه روابط دبی-اشل بواسطه احداث یک سازه هیدرولیکی در مسیر عبور جریان میباشد. سازه سرریز-دریچه، تیغه ي قائمی است که با وجود یک بازشدگی نسبت به کف کانال، امکان عبور توام جریان از لبه فوقانی آن به صورت سرریز و خروج جریان از بازشدگی پاییندست را فراهم میکند. هدف از تحقیق حاضر تعیین روابط دبی-اشل سازه سرریز-دریچه براي نوع جریان آزاد، نیمهمستغرق، مستغرق و ارائه کردن معیاري براي تشخیص حد استغراق و در نهایت تعیین یک رابطه کلی براي نوع جریان نیمه مستغرق و مستغرق که بدون نیاز به دانستن حد استغراق بتوان براي تخمین دبی استفاده شود. روابط ارائه شده خطاي نسبی تخمین دبی توسط دیگر محقق ها را بسیار کاهش داده است.
کمترین خطاي نسبی تخمین دبی درجریان آزاد مربوط به معادله نگم - - 2002 می باشد که حدود %7/82 می باشد که معادله ارائه شده دراین تحقیق این میزان را به %3/52 کاهش داده است. براي سایر محققان این میزان از % 26 هم تجاوز کرده است. در واقع معادلات ارائه شده هم پیچیدگی روش هاي پیشین را نداشته و از طرفی خطاي بسیار کمی در تخمین دبی دارد. این میزان خطاي نسبی براي جریان نیمه مستغرق و مستغرق به ترتیب %3/13 و % 3/32 بدست آمد. در این تحقیق همچنین معیاري براي تشخیص نوع جریان از نیمه مستغرق به مستغرق تعیین شد، به طوري که اگر عمق پایاب از % 86 عمق بالادست سازه بیشتر شود، نوع جریان از نیمهمستغرق به مستغرق تغییر می کند. دراین تحقیق به منظور واسنجی معادلات از 215 سري داده براي نوع جریان آزاد، 159 سري داده براي نوع جریان نیمه مستغرق و 146 سري داده براي نوع جریان مستغرق استفاده شد.
.1 مقدمه
نصب سازههاي اندازهگیري و بهرهبرداري درست از این سازهها و جمعآوري اطلاعات مربو ط به مصرف آب، علاوه بر اینکه نقش مهمی در پایش شبکههاي آبیاري دارد و قدرت تصمیمگیري منطقی را براي مدیران شبکه افزایش میدهد، باعث رعایت عدالت در توزیع آب و تهیه معیاري جهت اخذ آب بها شده و لذا بطور غیرمستقیم باعث صرفهجویی در مصرف آب و رويآوردن کشاورزان به روشهاي آبیاري بهینه میشود. به منظور اندازه گیري جریان در شبکهها، سازههاي مختلفی میتواند مورد استفاده قرار بگیرند. یکی از روشهاي کلاسیک جهت اندازهگیري دبی جریان در شبکههاي آبیاري و زهکشی، ایجاد یک مقطع کنترل و توسعه روابط دبی-اشل بواسطه احداث یک سازه هیدرولیکی در مسیر عبور جریان میباشد. این سازهها میتوانند مبتنی بر اصول هیدرولیکی جریان عبوري از یک روزنه - مانند دریچههاي کشویی و قطاعی - و یا اصول حاکم بر جریانهاي روگذر - مانند انواع سرریزها با مقاطع هندسی مختلف - ، عمل نمایند.
یک مزیت عمده سرری زها نسبت به سازههاي مبتنی بر عملکرد روزنه، قابلیت بیشتر آنها در تثبیت سطح آب بالادست بهازاي عبور دبیهاي مختلف میباشد. براي نمونه در سرریزهاي لبهتیز مستطیلی، دبی جریان متناسب با توان 3/2 عمق آب بالادست است؛ این در حالیست که در دریچههاي کشویی، دبی جریان با توان 1/2 عمق آب بالادست، متناسب است. این موضوع سبب خواهد شد به ازاي تغییرات مشخص دبی در بالادست هر یک از سازههاي فوق، تغییرات سطح آب در بالادست دریچههاي کشویی نسبت به سرریزها افزایش یابد. بر همین اساس، چنانچه هدف تثبیت سطح آب بالادست بهازاي تغیی رات دبی جریان در محدوده مشخص میباشد تا بدین ترتیب کانالهاي آبگیر جانبی بتوانند دبی معینی را از خود عبور دهند، استفاده از سرریز به عنوان یک سازه کنترل توصیه میگردد.
با این وجود دریچه ها جهت کنترل سطح آب در کانال پایین-دست از قابلیت بیشتري برخوردار هستند. یک نقص عمده در کارایی سرریزها با گذشت زمان، کاهش ارتفاع موثر سرریز در نتیجه نهشته شدن ذرات رسوبی در بالادست سرریز به جهت کاهش میزان سرعت جریان در این ناحیه است. این موضوع علاوه بر تغییر کارایی سرریز، معادلات آبگذري اولیه آن را دستخوش تغییر نموده و میتواند سبب بروز خطا در اندازهگیري دبی جریان گردد. نقص دیگر سرریزهاي معمول، ارتفاع ثابت و عدم امکان مانور موضعی آنها جهت تنظیم سطح آب بالادست میباشد.
سازه سرریز-دریچه، تیغه ي قائمی است که با وجود یک بازشدگی نسبت به کف کانال، امکان عبور توام جریان از لبه فوقانی آن به صورت سرریز و خروج جریان از بازشدگی پاییندست را فراهم میکند. این سازه بواسطه خروج جریان سریع از بازشدگی، میزان رسوبگذاري در بالادست را به حداقل میرساند. علاوه بر آن، بواسطه امکان جابهجایی در ترازهاي مختلف، شرایط کنترل سطح آب در بالادست و پاییندست را فراهم میکند. علاوه بر امکان کنترل سطح آب، وجود این سازه مقطعی کنترل جهت اندازهگیري دبی جریان با دقت شناختهشده فراهم مینماید. این امر مستلزم توسعه روابط دبی- اشل با دقت مناسب است. تخمین دبی عبوري از این سازه با پیچیدگیهایی همراه است. در شرایطی که عمق بالادست به لبه بالادست سازه نرسد، جریان روزنهاي صرفا از محل بازشدگی سازه برقرار است که دبی عبوري از سازه وابسته به شرایط جریان آزاد یا مستغرق از معادلات مربوط به دریچه-هاي کشویی قابل تعیین است. با افزایش سطح آب در بالادست، علاوه بر جریان عبوري از دریچه، جریان از روي سرریز نیز برقرار است.
عوامل موثر بر پیچیدگی تخمین دبی عبوري از این سازه در عین سادگی طرح آن عبارتند از: تاثیر پارامترهاي مختلف مانند بازشدگی دریچه، ارتفاع سازه سرریز دریچه، نسبت تنگ شدگی عرض سازه به عرض کانال بالادست، عمق بالادست، عمق پایاب و انواع شرایط جریان. در حالت کلی وابسته به میزان عمق پایاب، سه وضعیت جریان در سازه سرریز-دریچه قابل درك است. در اعماق پایاب کمتر، دریچه و سرریز هر دو آزاد عمل میکنند - شکل -1الف - . به این وضعیت شرایط جریان آزاد اطلاق میگردد. تحت چنین شرایطی دبی عبوري از هر دو بخش مستقل از عمق پایاب است. با افزایش تدریجی عمق پایاب، لبه پایین دست دریچه مستغرق شده، لکن سرریز همچنان آزاد عمل میکند - شکل -1ب - . این وضعیت شرایط جریان نیمه مستغرق نامیده می-شود. در نهایت هنگامی که سطح عمق پایاب به لبه بالادست سازه برسد، سرریز نیز م ستغرق شده و عمق پایاب موثر بر آبگذري سرریز و دریچه خواهد بود - شکل -1ج - . این وضعیت شرایط جریان مستغرق نامیده میشود.
السعید و همکاران - - 1995 در رابطه با درجه ي سرریز مثلی سازهي سرریز- دریچه تحقیق کرده و به این نتیجه رسیدند که وجود سرریز مثلثی در سازهي مورد نظر موثرتر میباشد. نگم - - 1995 مشخصات جریان عبوري از سازهي سرریز- دریچه را آنالیز کرده و اثر هیدرولیکی و هندسی پارامترهاي موثر را در دبی عبوري از سازه شرح داد. الحمید و همکاران - - 1996 یک معادلهي رگرسیونی براي تخمین دبی از سازهي سرریز-دریچه براي سرریز با مقطع مثلث ی و دریچه با مقطع مستطیلی معرفی کرد. الحمید و همکاران - - 1997 به این نتیجه رسیدند که با بکارگیري سازهي سرریز-دریچه میزان آبشستگی در پاییندست و میزان رسوبگذاري در بالادست سازه به حداقل میرسد. اویوماز - - 1988 آبشستگی پاییندست سرریز-دریچه را براي رسوب غیرچسبنده مطالعه کرد. فررو - - 2000 نخستین بار روش دبی-اشل را براي سرریز- دریچه به کار برد.
انصار - - 2001 نشان داد معادلهي دبی-اشل بدست آمده توسط فررو - - 2000، میتواند براي روزنهي آزاد در مدل سرریزهاي دریچهدار استفاده شود. نگم و همکاران - - 2002 معادلهاي را براي تخمین دبی عبوري از سرریز- دریچه با مقطع سرریز و دریچه مستطیلی همراه با تنگ شدگی براي رژیم جریان آزاد ارائه کرد. آلتان و همکاران - - 2004 پارامترهاي بی بعد معرفی شده توسط نگم - - 2002 را مورد بحث قرار دادند. سامانی و مظاهري - - 2005 جریان عبوري از سازه سرریز- دریچه را تحت شرایط جریان مستغرق و نیمهمستغرق مورد مطالعه قرار دادند. ایشان معادله پیوستگی، معادله انرژي در فاصله قبل و بعد از سازه سرریز- دریچه، معادله مومنتم و معادله مسیر حرکت پرتابی در فاصله پس از سازه تا مقطع پایاب را مورد استفاده قرار داده و روشی جهت تعیین تخمین عمق بالادست سازه در ارتباط با دبی کل ارائه کردهاند.
نتیجه این روش ارائه الگوریتمی جهت تعیین عمق بالادست سازه سرریز-دریچه با اطلاع از دبی کل جریان است. آلتان و کوکپینار - - 2012 دو معادله براي تخمین دبی عبوري از سرریز- دریچه با مقطع سرریز و دریچه مستطیلی همراه با تنگشدگی براي رژیم جریان آزاد ارائه کردند. ملاحظه میگردد سهم عمدهاي از مطالعات پیشین به شرایط جریان آزاد اختصاص داشته و معادلات کمتري جهت تخمین دبی عبوري از سازه سرریز-دریچه در وضعیت جریان مستغرق و نیمه مستغرق ارائه شده که به وفور امکان رخداد در شرایط کاربردي را دارد.
