بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین بخشهای حفاظت و ساماندهی رودخانه فهم چگونگی عملکرد آن با تغییرات جریان میباشد. هندسه هیدرولیکی ابزاری جهت کمیسازی این مفهوم است. دراین تحقیق ضمن معرفی روش تجربی و روش نظری دینگمن، از اطلاعات 54 مقطع عرضی، و حدود 5000 دادهی اندازهگیری شده در رودخانههای فصلی حوضه آبریز قرهقوم، به منظور محاسبه روابط هندسه هیدرولیکی با دو روش مذکور استفاده شده است. نتایج نشان میدهد با افزایش دبی تمایل به افزایش عرض در رودخانههای فصلی بیشتر از افزایش عمق بوده، که این میتواند علت ایجاد مقاطع عریض در اکثر این مقاطع باشد.
مقدمه
تغییرات محیطی ناشی از عوامل طبیعی شامل تغییرات اقلیمی، زمین شناسی، هیدورلوژیکی و هیدرولیکی میباشند درحالیکه تغییرات مصنوعی ناشی از فعالیتهای بشر در محیط طبیعی هستند که از آن جمله میتوان به احداث سد و انحراف آب اشاره کرد. نقطه اشتراک تمام این تغییرات در رابطه با رودخانهها، تغییر مقدار دبی ورودی به رودخانه و مقدار رسوبات انتقالی به پاییندست رودخانه میباشد.اصولا مجاری طبیعی مانند رودخانهها تمایل دارند تا با تغییر هندسه هیدرولیکی خود را با این تغییرات هماهنگ سازند. تغییرات هندسه هیدرولیکی مترادف است با تغییرات در عرض، عمق، سرعت و پروفیل طولی - شیب -
مفهوم هندسه هیدرولیکی در سال 1953 توسط لئوپولد و مدداک معرفی شد. اساس روابط هندسه هیدرولیکی موضعی - در یک مقطع - توابعی مرتبط با متغیرهایی شامل: عرض سطح آب، W، عمق متوسط، Y، و سرعت متوسط،U، نسبت به دبی،Q، در یک مقطع یا بازه خاص از یک رودخانه میباشد. این توابع معمولا به شکل معادلات توانانی به صورت زیر داده میشوند:
در این تحقیق برای استخراج معادلات صریح برای تعیین ضرایب و توانهای هندسه هیدرولیکی موضعی به شکل روابط توانی، برای معادلات هندسه و هیدرولیک - روابط مانینگ و شزی - مقطع عرضی از عبارات تعمیمیافته انجامشده توسط دینگمن - 2006 - استفاده شده است. این روابط نشاندهندهی این است که ضرایب هندسه هیدرولیکی فقط وابسته به توان عمق در معادله هیدرولیکی - p - و ضریبی که بستگی به شکل مقطع عرضی دارد - r - میباشند. ضرایب هندسه هیدرولیکی نیز علاوه بر وابستگیاش به - p - و - r - به توان شیب در معادله هیدرولیکی، و ویژگیهای فیزیکی مقطع شامل: عرض مقطعپر، عمق حداکثر مقطعپر، ضریب اصطکاک و شیب نیز وابستهاند. جدول - 1 - بخشی از مطالعات تجربی در مناطق مختلف را نشان میدهد.
جدول : - 1 - مقادیر توانی تجربی تعیین شده
مواد و روشها
روابط هندسه هیدرولیکی موضعی ابزارهای مفیدی در بسیاری از تحلیلهای هیدرولوژیکی هستند. آنها میتوانند مستقیما در روندیابی سیل ، و با ترکیب با منحنی تداوم جریان برای تعیین منحنی تداوم شاخص منابع آب در تحلیل زیست بومهای رودخانهای [4]، مدیریت کیفیت آب، مطالعات رسوب مخازن، تعیین فراوانی حرکت رسوب ، روابط عرض-دبی برای تخمین دبی با استفاده از سنجش از دور استفاده شود.
با معادلات توانی داده شده در رابطه - 1 - ، و با ترکیب آن با معادله پیوستگی داریم، - 2 - که خواهیم داشت :
فرگوسن - 1986 - مطالعات تجربی هندسه هیدرولیکی موضعی و تلاشهای نظری برای توضیح اینکه چرا ضرایب توانی به سمت مقادیر خاص - با وجود تغییرپذیری زیاد - و مقادیر نسبی - مثلا - میروند را مرور کرد. نتایج او چنین بود که، با یک مقطع با شکل و ویژگی-های اصطکاکی مشخص و ثابت و یک رابطه توانی بین سرعت متوسط با اصطکاک و عمق، روابط هندسه هیدرولیکی موضعی داخل کناره-ها تعیین میشوند. بنابراین او رویکردهای مستند شده به توضیحات متافیزیکی از قبیل فرض تمایل به واریانس حداقل را رد کرد
فرگوسن - 1986 - همچنین نشان داد که روابط W - Q - ، Y - Q - و U - Q - تا زمانی بصورت توانی هستند که روابط W - Y - و U - Y - بصورت توانی باشند، از قبیل روابط متعارفی همچون مانینگ و شزی:
فرگوسن - 1986 - با بکار بستن معادله مانینگ برای یک کانال سهمی شکل، با فرض شکل معمول کانالهای طبیعی، مقادیر توانهای هندسه هیدرولیکی را چنین بدست آورد، P 0 . 31 و E 0. 23' I 0. 46 ، که بسیار نزدیک به مقادیر تجربی ارائه شده بود. همچنین وی یادآور شد که برای تعیین ضرایب معادلات کار زیادی نشده است
فرگوسن - 1986 - نتایج مرورش بر روبط هندسه هیدرولیکی موضعی را چنین اظهار کرد که » محدوده وسیع هندسه هیدرولیکی در مقاطع رودخانهها جای تعجب ندارد
«از این گذشته، اگرچه او روابط هندسه هیدرولیکی تعیین شده توسط معادلات هندسی و قوانین هیدرولیکی خاص را کشف و مقادیر توانی بدست آمده از معادله مانینگ در یک کانال سهموی را تعیین نمود، اما فرمول صریح عمومی جهت تعیین هندسه هیدرولیکی موضعی که وابسته به هندسه مقطع عرضی و فاکتورهای هیدرولیکی باشد ارائه نکرد.دینگمن - 2006 - چنانکه در ادامه خواهیم دید، با استخراج عبارات تحلیلی برای ضرایب و توانهای هندسه هیدرولیکی بصورت تابعی از هندسه مقطع عرضی و روابط هیدرولیکی پاسخ داد
هندسه
روابط استخراج شده در این بخش با این فرض است که هندسه مقطع ثابت باشد، و دبیهای جاری در داخل مقطع باعث تغییرات قابل ملاحظه در شکل مقطع نشوند. این تغییرات در جریانهای قابل فرسایش ممکن است اتفاق بیفتد. این تغییرات با رگرسیون برای تعیین هندسه هیدرولیکی استفاده میشوند. اگرچه تحلیل جزئیات اندازهگیری هیدرولیکی 77 مقطع عرضی در نیوزیلند توسط دینگمن و شارما - 1997 - چنین نتیجه داد که حدود 2⁄3 از دبیهای جاری در داخل کانال در حرکت دادن ذرات کف ناتوانند، بنابراین فرض ثابت بودن مقطع عرضی قابل قبول است.
برای این منظور فرض میکنیم که عرض مقطعپر، :* و عمق ماکزیمم مقطعپر، <*P معلوم بوده مقطع عرضی ما متقارن و شکل مقطع عرضی به صورت زیر تقریب زده شود:
که برابر ارتفاع کف کانال بالای حداقل رقوم ارتفاعی کانال - که فرض میکنیم در وسط کانال اتفاق بیفتد - ، و فاصله افقی از مرکز کانال میباشد
شکل : 1 تعریف متغیرهای استفاده شده برای مدل هندسه مقطع عرضی
کانال مثلثی با کانال پایدارU 1.75 1 ، کانال سهمی شکل، با افزایش شکلها با افزایش مسطحتر شدن کف کانال وتندتر شدن شیب کنارهها مواجه میشوند و برای کانال مستطیلی میباشد - شکل . - 2 مقادیر تحت عنوان کانالهای محدب مشخص میشوند.
