بخشی از مقاله
چکیده
حمل رسوب از جمله ویژگیهای رودخانهها در شرایط طبیعی میباشد. در این مطالعه، رابطهای مناسب بهمنظور برآورد رسوبات معلق ایستگاه سفیدچاه واقع در حوزه رودخانه نکارود استخراج میگردد. برای این امر از اطلاعات دبی و غلظت نمونههای برداشت شده در ایستگاه هیدرومتری سفیدچاه بهصورت روزانه در طول یک دوره طولانیمدت 42 ساله استفاده شده و منحنی سنجه به روشهای مختلف رسم و مورد بررسی قرار گرفته است. پس از تعیین معادلات رسوب به روشهای مختلف، با مقایسه پارامترهای آماری ریشه میانگین مربعات خطا، ضریب تبیین، انحراف استاندارد عمومی و نسبت اختلاف، روش حد وسط بهعنوان گزینه برتر انتخاب میشود.
مقدمه
مواد رسوبی حمل شده در رودخانه به تبعیت از تغییر مشخصههای هندسی رودخانه و خصوصیات جریان فرصت ترسیب یافته و این فرآیند به-صورت پدیده رسوبگذاری در بازههای مختلف رودخانه خودنمایی میکند. از نقطه نظر مکانیسم انتقال، بار رسوبی به دو دسته بار معلق و بار کف تقسیم میگردد. آن گروه از ذرات درشت رسوبی که به صورتهای لغزیدن، غلتیدن و انجام پرشهای کوتاه در نزدیکی بستر آبراهه حرکت کرده و دائما در تماس با بستر میباشند، بار بستر را تشکیل میدهند. درحالیکه بارمعلق شامل ذرات کوچکتری میشود که در بدنه اصلی جریان درحال تعلیق میباشند و با سرعتی تقریباً معادل سرعت جریان حرکت میکنند.
درطول سالیان متمادی شمار زیادی از روابط برای محاسبه میزان بار رسوبات رودخانه پیشنهاد گردیده است. متأسفانه تعداد روابط تجربی ارائه شده، اصلاح آنها و ارائه ضرائب جدید واسنجی معادلات نشان میدهد هنوز روش تحلیلی یا تجربی مناسبی که براساس آن به تخمین درستی از میزان رسوبات حمل شده توسط جریان دست یافت، ارائه نشده است .[1] با توجه به اینکه دبی رسوب تابعی از دبی جریان در رودخانه است، جهت تعیین دبی رسوب معلق از روشهای تجربی که بر پایه رابطه رگرسیونی بین غلظت رسوب معلق و دبی لحظهای میباشد، استفاده میشود. به این منظور، از دادههای غلظت رسوب معلق و دبی لحظهای متناظر که به طور تصادفی و در بعضی از روزهای سال اندازهگیری شدهاند، استفاده میگردد و منحنی سنجه رسوب رودخانه تعیین میگردد.
کاربرد منحنیهای سنجه رسوب یکی از معمولترین روشهای برآورد بار رسوب معلق رودخانههاست .[2] کالوندی و همکاران، به آنالیز 7 روش منحنی سنجه از جمله همبستگی سالیانه، USBR، متوسط دستهها، FAO-USBR، متوسط دستهها- FAO، -USBR فرگوسن و متوسط دسته-ها-فرگوسن در ایستگاه هریرود- پل خاتون و کشفرود- پل خاتون مرتبط با سد دوستی پرداختند و نشان دادند که روش متوسط دستهها-FAO و روش متوسط دستهها-فرگوسن دارای بهترین عملکرد میباشند .
[3] اسدی و همکاران نشان دادند که منحنی سنجه حد وسط بهعنوان گزینه بهتر بهمنظور برآورد بار رسوبات معلق در ایستگاههای هیدرومتری شیرگاه و کیاکلا در مسیر اصلی رودخانه تالار، میباشد .[4] زنگانه و همکاران، روش حد وسط را مناسبترین روش برای دبی انتقال رسوبات معلق ایستگاه ارازکوسه در حوزه گرگانرود معرفی کردند .[5] عمادی و همکاران رابطهای به دو روش سالانه و ماهانه جهت برآورد رسوب ورودی به مخزن سد سفیدرود تعیین کردند و به این نتیجه رسیدند که روابط ماهانه برآورد دقیقتری از رسوب ورودی به مخزن ارائه میدهد .
[6] دهقانی و همکاران، به مقایسه تخمین بار معلق به دو روش منحنی سنجه رسوب و شبکه عصبی مصنوعی پرداختند و به این نتیجه رسیدند که شبکه عصبی با دقت بسیار مناسب و با اطمینان بیشتر نسبت به روش منحنی سنجه با و بدون دستهبندی دادهها مورد استفاده قرار میگیرد .[7] کیاء و همکاران از روشهای مختلف به ارزیابی مدلهای مختلف منحنی سنجه در برآورد بار رسوب معلق در ایستگاه قران طالار واقع در رودخانه بابلرود براساس کلاسهبندی دبی و تفکیک زمانی دادهها پرداختند و مدل حد وسط را بهعنوان بهترین مدل انتخاب کردند .[8] در این پژوهش با روشهای خطی، چند خطی، حد وسط دستهها، پرآب و کمآب، دبی کلاسه، دوره مشابه هیدرولوژیکی، فصلی و ماهانه، بار رسوب معلق محاسبه و بهترین روش برگزیده میشود.
مواد و روشها
معرفی حوزه و ایستگاه مورد بررسی
مساحت کل حوزه آبریز رودخانه نکا 2017/32 کیلومتر مربع و محیط آن بیش از 450 کیلومتر میباشد. حداکثر ارتفاع سرچشمه 3836 متر، ارتفاع ریزشگاه آن -24 متر، طول رودخانه اصلی 190/5 کیلومتر و شیب متوسط رودخانه 1 درصد میباشد. حوزه آبریز رودخانه نکا واقع در انتهای شرق استان مازندران، حدوداً بین 53 درجه و 17 دقیقه تا 54 درجه و 44 دقیقه طول شرقی، و 36 درجه و 28 دقیقه تا 36 درجه و 42 دقیقه عرض شمالی واقع شده است.
این رودخانه از ارتفاعات شاهکوه بالا واقع در جنوب غربی استان گلستان سرچشمه گرفته، با طی مسافتی حدود 160 کیلومتر وارد دشت میشود و در این مسیر نزدیک به 15 شاخه فرعی به آن اضافه میگردد. بر روی رودخانه نکا 6 ایستگاه هیدرومتری فعال واقع است که عبارتند از : ایستگاه سفیدچاه، گلورد، پایین زرندین، آبلو، کارخانه سلیمان و نوذر آباد. ایستگاه سفیدچاه بر روی رودخانه نکا، حوزهای به مساحت 1036/92 کیلومتر مربع را داراست.
شکل - 1 - نقشه موقعیت منطقه مورد مطالعه در حوزه آبریز نکارود
در تحقیق حاضر نیز به روش USBR با دستهبندی خطی، چند خطی، حد وسط دستهها، پرآب و کمآب، دبی کلاسه، دوره مشابه هیدرولوژیکی، فصلی و ماهانه اقدام به برآورد رسوب در ایستگاه سفید چاه واقع در حوزه نکارود شده است. در این پژوهش، از آمار دبی متوسط جریان و غلظت متوسط رسوب اندازهگیری شده بهصورت روزانه در طول یک دوره طولانیمدت 42 ساله، از سال آبی 1348 تا 1389 استفاده گردید. پس از تعیین معادلات رسوب به روشهای مختلف، با مقایسه پارامترهای آماری ریشه میانگین مربعات خطا - - RMSE ، ضریب تبیین - R2 - ، انحراف استاندارد عمومی - GSD - و نسبت اختلاف - r - ، مناسبترین روش برآورد انتخاب شد و مقادیر دبی رسوب روزانه در طی دوره آماری تعیین گردید. پس از آن، رسوب متوسط سالانه برای کل دوره آماری، استخراج شد
معرفی روشهای مورد استفاده
-1 منحنی سنجه یک خطی یا روش اداره عمران اراضی ایالات متحده : 1 - USBR - در این روش پس از تعیین غلظت نمونههای رسوب، با اطلاع از مقدار آبدهی رودخانه در زمان برداشت نمونه، یک رابطه ریاضی - معمولاً غیرخطی - بین بار رسوبی معلق رودخانه و آبدهی آن برقرار میگردد. در عمل، با توجه به دادههای دبی آب و دبی رسوب متناظر با آن، هر دو سری داده به صفحه مختصات لگاریتمی منتقل شده و خط بهترین برازش بر مبنای روش حداقل مربعات2 از میان آنها عبور داده میشود و رابطهای بهصورت رابطه زیر که به منحنی سنجه رسوب معروف است، بین دو متغیر برقرار میگردد. در مختصات لگاریتمی مقدار ضریب a فاصله قائم محل تقاطع خط بهترین برازش با محور قائم تا مبدأ مختصات و مقدار نمای b برابر با شیب خط بهترین برازش است. در این رابطه Qs میزان رسوب برحسب تن در روز و Qw دبی جریان برحسب متر مکعب برثانیه و a و b مقادیر ثابت هستند.
- 2 منحنی سنجه رسوب چند خطی: بر اساس توصیه U.S.B.R بر مبنای دستهبندی گذر حجمی رودخانهها و چنانچه وضعیت پخشیدگی داده-ها اقتضا کند بهجای یک خط رگرسیون میتوان دو یا چند خط از میان دادههای اندازه گیری شده عبور داد که خط بهترین برازش نیز بر مبنای روش حداقل مربعات میباشد، یعنی از دو رابطه رگرسیونی یا بیشتر، برای محاسبه بار معلق دراز مدت با توجه به چگونگی کاربردهای مختلف گذر حجمی استفاده میشود. خطوط برازش داده شده بایستی از ضریب همبستگی قابل قبولی برخوردار باشند.
-3 روش حد وسط دستهها: در این روش، برای هر Qw یا برای گذر حجمی متوسط هر دسته، بار معلق متوسط اندازهگیری شده همان دسته را برآورد میکنند. به این ترتیب که دبیهایی را که در آنها نمونهگیری غلظت انجام شده مد نظر قرار داده و آنها را براساس حجم جریان - از کوچک به بزرگ - مرتب میکنند، سپس این دادهها به دستههایی - حدود 10 دسته یا بیشتر - تقسیم میشوند. در مرحله بعد دبی متوسط هر دسته - دبی میانه - را در نظر گرفته و غلظت متوسط دسته را بهدست میآورند. در مرحله بعد، بین این دو سری داده غلظت و جریان رابطه رگرسیون توانی برقرار میشود که دارای ضریب همبستگی بالایی است .[9]
-4 روش دوره پرآب و کمآب: جهت برآورد بار معلق به این روش، ابتدا میانگین دبی سالانه را محاسبه نموده و با مقایسه میانگین دبی ماهانه با آن، ماههایی که میانگین دبی آنها بیشتر از میانگین سالانه یا مساوی آن باشد، بهعنوان دوره پرآب و ماههایی که میانگین دبی آنها کمتر از میانگین سالانه باشد، بهعنوان دوره کمآب شناخته شده و آنگاه برای این دو دوره منحنی سنجه استخراج میشود.
-5 روش دبی کلاسه: در روش دبی کلاسه ابتدا دبی سالانه محاسبه و دادهها به سه قسمت تقسیم شده که دسته اول دبیهای کمتر از دبی میانگین - A - ، در دسته دوم دبیهای بیشتر از میانگین و کمتر از دو برابر میانگین - B - ، و در دسته سوم دبیهای بیشتر از دو برابر میانگین - C - قرار میگیرند. درنهایت، اقدام به ترسیم منحنی سنجه برای هر دسته میشود.
-6 روش دوره مشابه هیدرولوژیکی: در این روش، بر اساس تشابه تغییرات هیدرولوژیکی در ماههای سال، هر سال آبی به سه دوره تقسیم می-شود. بر این اساس ماههای خرداد، تیر، مرداد و شهریور در یک دوره، ماههای مهر، آبان، آذر ، دی و بهمن در یک دوره و درنهایت ماههای اسفند، فروردین و اردیبهشت در یک دوره جای گرفته و برای هر دوره منحنی سنجه آنها استخراج میشود.
-7 روش فصلی: در روش فصلی، دادههای متناظر دبی جریان و دبی رسوب با توجه به تاریخ نمونهبرداری به چهار سری بهاره، تابستانه، پاییزه و زمستانه تقسیمبندی میشود و سپس منحنی سنجه آنها استخراج میگردد.
-8 روش ماهانه: این روش مشابه روش قبل است، با این تفاوت که دادهها به 12 سری ماهانه تقسیم میشوند.
معیار کلی ارزیابی مدلها
برای ارزیابی مدلهای بهدست آمده از 8 روش فوق، از شاخص ریشه میانگین مربعات خطا3، ضریب تبیین، انحراف استاندارد عمومی و نسبت اختلاف که معادلات آن بهصورت زیر است، استفاده شد.
