بخشی از مقاله
خلاصه
تعیین دبی کل در کانال های پیچان با مقطع مرکب به دلیل ساختار پیچیده هیدرولیک جریان در خم ها با مشکلاتی همراه می باشد ، که می توان به شکل هندسی متفاوت رودخانه های مئاندر اشاره نمود که در حال تغییر بوده و نمی توان آنها را ثابت در نظر گرفت. در این مقاله دقت چند روش تجربی یک بعدی جهت تعیین دبی مورد ارزیابی قرار گرفته است که به این منظور از نتایج داده های آزمایشگاهی مربوط به چهار کانال پیچانرود مرکب استفاده شده است و×دقت×روشهای×اروین×و×الیس×،×جیمز×و×وارک×و×گرین×هیل×وسلین×در×این× کانالها×بررسی×شده×است؟
-1 مقدمه
به دلیل اهمیت سیستم رودخانهها در بسیاری از جنبههای اجتماعی زندگی بشر، این سیستم از اهمیت خاصی برخوردار است. تامین آب شرب و کشاورزی، زیبایی ظاهری، کاهش خطرات و خسارات سیل، ایجاد محیطهای متنوع اکولوژیکی برای انواع گیاهان و جانوران، زهکشی اراضی، ایجاد محیطهای تفریحی و گردشگری، تامین مصالح شن و ماسه برای پروژههای عمرانی و امکان کشتیرانی از جمله مهمترین مزایا و مشخصات منحصر بفرد رودخانهها میباشد. به همین دلیل بسیاری از جنبههای هیدرولیکی، رسوبی، زیست محیطی و نظایر آن رودخانهها مورد مطالعه قرار گرفته است.
یکی از مهمترین موضوعات مورد توجه محققین مختلف، موضوع سیلاب بوده است. ضرورت مهار سیلاب و کاهش خطرات آن بر کسی پوشیده نیست. خسارات ناشی از سیل و طغیان رودخانهها در کشور، همه ساله بخش قابل توجهی از اعتبارات مربوط به حوادث و بلایای طبیعی را به خود اختصاص میدهد. علاوه بر این دامنه وسیعی از مسایل اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی نیز تحت تاثیر این پدیده قرار میگیرند.
برای کنترل و مهار سیلاب، اقدامات سازهای و غیرسازهای متفاوتی از جمله بهرهبرداری مناسب از سدهای مخزنی، احداث سدهای تاخیری، استفاده از مقاطع مرکب، احداث خاکریزهای طولی، انحراف سیل به دشتهای اطراف رودخانه و مدیریت دشتهای سیلابی مورد استفاده قرار میگیرد. اولین قدم در طراحی و مدیریت بهینه روشهای کنترل سیلاب، شناسایی درست و مناسب رفتار رودخانه در هنگام وقوع سیل است.
طبق تعریف محققین هیدرولوژی، سیل زمانی به وقوع میپیوندد که تراز سطح آب از مقطع اصلی رودخانه فراتر رفته و وارد دشتهای سیلابی شود. این وضعیت اغلب در بازههای پایین-دست رودخانه که تمرکز جمعیت و سازههای مهندسی در رودخانه - پل، ایستگاه پمپاژ، آبگیر، حفاظت سواحل - و نیز فعالیتهای کشاورزی بیشتر است، دارای احتمال فراوانی بیشتری است. در این بازه از رودخانه، شیب طولی رودخانه بسیار کم بوده و سرعت موج سیل کاهش مییابد. همچنین به دلیل شیب کم رودخانه و نیز بافت ماسهای مصالح کف و سواحل رودخانه، پیچانرودها و قوسهای رودخانه زیاد شده و مقاومت جریان را به صورت قابل ملاحظهای افزایش میدهند. در این بازه از رودخانه، سرریز شدن مجرای اصلی رودخانه و ورود آب به دشتهای سیلابی بسیار معمول بوده و سیلگیر شدن اراضی اطراف رودخانه امری طبیعی است.
اگرچه سیلابی شدن رودخانه دارای مزایای زیادی است - رسوبگذاری رسوبات ریزدانه معلق جریان سیل شده و افزایش حاصلخیزی خاک، احیاء اکوسیستم رودخانه و دشتهای سیلابی و نیز تجمع انواع پرندگان، ذخیره سیل در دشتها و در نتیحه کاهش تراز سطح آب در بازههای پاییندست رودخانه و کاهش خسارات ناشی از سیل و نظایر آن - . اما به دلیل اینکه دشتهای سیلابی معمولاً کانون فعالیتهای کشاورزی و تفریحی میباشد، ورود آب به این دشتها ممکن است با خسارات زیادی همراه بوده و ایمنی این فعالیتها و ساکنین دشتها را مورد تهدید قرار دهد. به این دلیل در سالهای اخیر توجه محققین به مطالعه جنبههای مختلف جریان سیل در مقاطع مرکب معطوف شده است.
رودخانه ها و به ویژه در بازه های میانی - منطقه دشت - و انتهاییمعمولاً دارای مسیر پیچان رود بوده و به ندرت رودخانه ای وجود دارد که در طول قابل توجهی از مسیر خود، مستقیم باشد. یکی از اصلیترین دادههای مورد نیاز اغلب طرح های مهندسی رودخانه، رابطه دبی- اشل است که به ویژه در شرایط سیل، کاربردهای زیادی از جمله در طراحی حوضچه های آرامش سدهای مخزنی و بندهای انحرافی، حفاظت سواحل، کنترل سیلاب، طراحی آبگیرهای جانبی، طراحی پل ها و نظایر آن دارد.
همچنین غالباً این رابطه به عنوان شرط مرزی پایین دست رودخانه ها برای اجرای مدل های ریاضی روندیابی سیل و تعیین پروفیل سطح آب رودخانه ها مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین رابطه فوق دارای اهمیت زیادی بوده و برای طراحی و اجرای صحیح اغلب طرح های مهندسی رودخانه، تعیین دقیق این رابطه در رودخانه ضروری است. استخراج این رابطه برای رودخانه های مستقیم با استفاده از داده های اندازه گیری در ایستگاه های هیدرومتری، قابل انجام می باشد اما برای رودخانه های پیچان رود این کار به دلیل عدم احداث ایستگاه هیدرومتری، مشکل و پیچیده است. در شرایط سیلاب که ممکن است آب مجرای اصلی رودخانه را پر کرده و وارد دشت های سیلابی شود، استخراج رابطه دبی- اشل بسیار مشکل تر می شود. دقت روابط مهم تعیین دبی جریان در این مقاطع - شامل روابط اروین و الیس - 1987 - ، جیمز و وارک - 1992 - و گرینهیل و سلین - - 1993 - در این مقاله مورد ارزیابی قرار گرفته است .
-2 مواد و روشها
-1-2 روش اروین و الیس - 1987 -
این روشاحتمالاً اولین روش یک بُعدی مهم برای تعیین دبی کل مقاطع مرکب پیچانرود و استخراج رابطه دبی-اشل بوده و بر اساس محاسبه ضریب اتلاف انرژی در هر مقطع جزئی از یک کانال مرکب پیچانرود پیشنهاد شده است. در این روش مشابه روشهای تجزیه مقطع مرکب مستقیم، مقطع مرکب پیچانرود به سه ناحیه مجزا تقسیم شده و دبی جریان به صورت جداگانه در هر ناحیه محاسبه میشود. سپس دبیهای جزئی با یکدیگر جمع شده تا دبی کل جریان بدست آید.
نحوه تقسیم مقطع به 3 ناحیه متفاوت در این روش در شکل2، نشان داده شده است. ناحیه اول،مقطع پُر یا لبریز کانال اصلی - آستانه سرریز جریان به دشتهای سیلابی - است که در آن عمق جریان معادل عمق لبریز درنظر گرفته می شود. ناحیه دوم، بخشی از دشت سیلاب است که درون نوار یا کمربند پیچانرود قرار دارد. ناحیه سوم نیز بخشی از دشت سیلاب است که در خارج از نوار پیچانرود و در دو سمت آن قرار دارد.
در این روش، سعی شده است پدیدههای پیچیده جریان در مقاطع مرکب پیچانرود با فرضیاتی ساده به فرم یک بُعدی و به کمک پارامترهای بدون بُعد هندسی و هیدرولیکی کانال مرکب مرتبط شود. در هر ناحیه عوامل اتلاف انرژی به صورت تجربی و بر اساس فرضیات زیر درنظر گرفته شده است. در ناحیه اول، عواملی از قبیل اصطکاک در مرزهای خیس شده کانال، تنش عرضی ایجاد شده و نیز اصطکاک داخلی سیال ناشی از جریانهای ثانویه در قوس رودخانه، تنش تلاطمی ایجاد شده در مرز تماس افقی بین نواحی اول و دوم ناشی از اختلاف سرعت جریان در مقطع پُر کانال اصلی و دشتهای سیلابی، و اثر مقاومتی ناشی فرم بستر در رودخانههای آبرفتی درنظر گرفته شده است.
در ناحیه دوم، عواملی از قبیل اصطکاک در مرزهای خیس شده کانال، افت انرژی ناشی از بازشدگی جریان - افت گشادشدگی - در حین سرریز شدن آب به نوار پیچانرود ناحیه دوم، و افت انرژی ناشی از جمع-شدگی - افت تنگشدگی - جریان در حین برگشت آب از نوار پیچانرود به مقطع اصلی در نظر گرفته شده است. در ناحیه سوم فقط اصطکاک سیال در مرزهای خیس شده کانال در نظر گرفته میشود. اروین و الیس برای ارزیابی روش خود، آزمایشهای انجام شده توسط توبس و سوکی - 1967 - ، سازمان مهندسین ارتش امریکا - 1956 - و موسسه ویکسبورگ - 1956 - را مورد استفاده قرار داده و نتایج رابطه دبی-اشل محاسباتی را با دادههای آزمایشگاهی مقایسه نمودند.
