بخشی از مقاله
خلاصه
برداشت مصالح رودخانهاي از بستر وکنارههاي رودخانهها باعث تغییرات مورفولوژیک رودخانه در بازههاي بالادست و پائیندست آن میشود که این تغییرات موجب تخریب شرایط طبیعی رودخانه و تغییر در شرایط هیدرولیکی و هیدرولوژیکی جریان میشود و مشکلاتی از قبیل فرسایش بستر و کنارهها ، تخریب سازههاي موجود در مسیر رودخانه و . . . را در پی دارد.
در این تحقیق به منظور تعیین مکانهاي مناسب برداشت مصالح رودخانهاي و همچنین بررسی اثر گودالهاي ایجاد شده بر روي بستر رودخانه از مدل یک بعدي HEC-RAS 4.0 استفاده گردید و سناریوهاي مختلفی شامل برداشت از بستر و کناره رودخانه در نظر گرفته شد.هم چنین نتایج اجراي مدل در یک بازه از رودخانه صفارود - استان مازندران - مورد بررسی قرار گرفت .بدین منظور در مقاطع مختلف رودخانه نمونه برداري صورت گرفت و دانه بندي مواد بستر با استفاده از ماکروي GRADISTAT ، صورت گردید .
جهت تحلیل و بررسی مکانهاي مناسب جهت برداشت مصالح رودخانهاي از هیدروگرافهاي 2ساله و 25 ساله استفاده شد . نتایج نشان داد که تاثیر تعمیق در بالادست محل برداشت بیشتر از تاثیر تعریض رودخانه می باشد و هم چنین نشان دهنده رسوبگذاري و تشکیل جزایر رسوبی کوچک دربالادست سازههائی از قبیل پلها و بندهاي انحرافی و فرسایش و کاهش تراز کف بستر رودخانه در پائیندست سازههاي فوق میباشد.
مقدمه
انتخاب محلهاي مناسب جهت برداشت مصالح رودخانهاي از اهمیت خاصی برخوردار است . برداشت مصالح بدون در نظر گرفتن موقعیت آن ممکن است به جابهجائی سریع رودخانه ، تخریب کنارهها و زمینهاي زراعی ، تخریب سازههاي آب از قبیل پلها و . . . و در نتیجه مشکلات اجتماعی و اقتصادي منجر شود .استفاده از شن و ماسه از دیر باز به همراه پیشرفت انسان در عرصه هاي مختلف کاربرد بیشتري یافته است.
شن و ماسه به عنوان مصالح ساختمانی در جاده ها و بزرگ راه ها به عنوان مصالح زیر اساس، اساس و عملیات رو سازي، براي زیر سازي خطوط لوله و در صنایعی نظیر انواع ریخته گري، موزاییک سازي و ... نمونه هایی از عمده موارد مصرف شن و ماسه به شمار میآید که ضرورت استفاده از این منابع را اجتناب ناپذیر می سازد. دو منبع مهم براي تامین این مصالح معادن شن و ماسه و سایر مصالح رودخانه اي می باشند.
نیاز به فراوري کمتر، سهل الوصول بودن و نزدیکی به جاده هاي حمل و نقل و محل مصرف منابع شن و ماسه که نهایتا بالا بردن ارزش اقتصادي ان را رقم می زند؛ از جمله دلایلی است که استفاده روز افزون از این منابع ارزشمند را به دنبال داشته است. از سوي دیگر نهشته هاي رودخانه اي مناسب معمولا نزدیک محل مصرف با جاده هاي دسترسی، قرار دارند که این امر منجر به کاهش قیمت تمام شده مصالح می گردد.
این مزایا، جایگاه ویژه اي به مصالح رودخانه اي داده و به همین دلیل موجب اعمال فشار زیادي بر این منبع طبیعی نسبت به گزینه ي معادن شن و ماسه کوهی می گردد. برداشت شن و ماسه از رودخانه اگرچه منافع سرشاري را براي عده اي محدود - برداشت کنندگان مصالح - فراهم می آورد و پروژه هاي عمرانی از آن بهره مند میگردند، ولی در عین حال اگر در غالب ضوابط فنی و بر طبق دستورالعمل هاي کنترل کننده انجام نگیرد، قطعا موجت آثار منفی در بهم زدن تعادل طبیعی رودخانه، تخریب زمین هاي اطراف، آبزیان و زیستگاههاي پرندگان و جانوران منطقه خواهد شد.از سوي دیگر چنانچه برداشت شن و ماسه تحت اصول فنی مناسب و نیز مدیریت صحیح صورت گیرد نه تنها تبعات منفی آن به حد اقل می رسد بلکه عملکرد رودخانه و پایداري آن نیز افزایش می یابد. مدل HEC-RAS 4.0 از جمله مدلهاي مناسب جهت بررسی پدیده فرسایش و رسوب در رودخانهها به شمار میآید. ضمنا رودخانه صفارود به عنوان مطالعه موردي انتخاب و مورد نقد و بررسی قرار گرفته است.
سابقه مطالعاتی :
میزان بار رسوبی رودخانه تعیین کننده نرخ برداشت است .میزان کل برداشت مصالح نباید با بار کل انتقالی رودخانه برابر شود ، چراکه همواره انتقال مقداري بار رسوبی از بالادست به پائیندست باعث برقراري چرخه معمول جایگزینی و نو شدن منابع شن و ماسه میشود. برداشت شن و ماسه از بستر یک رودخانه باید در حدي باشد که حجم سالانه برداشت شده بخشی از بار بستر سالانه محسوب شود. طبق نظریه پرینس ، برداشت تا حدود 25 تا 30 درصد بار بستر سالانه مانع از افت بستر و تغییرات نامطلوب تراز آب در بالادست و پائیندست میگردد. از طرفی رینوف و همکاران میزان استخراج مصالح رودخانهاي را معادل 1 تا 2 برابر میانگین بلندمدت بار بستر سالیانه عنوان میکنند .
معماري و حبیب نژاد روشن - - 1385 به این نتیجه رسیده اند که برداشت بی رویه شن و ماسه از رودخانه پیامدهاي منفی بر مورفولوژي رودخانه دارد که مهمترین آنها فرسایش و گود افتادگی بستر، ناپایداري و ریزش کناره ها و تغییر راستاي رودخانه می باشد.
روزخش و همکاران - - 1385 در مطالعه اي که بر روي رودخانه کن انجام دادند متوجه شدند ، برداشت بی رویه شن و ماسه از بستر رودخانه ، باعث ریزش سواحل ،ایجاد بهم ریختگی در رسوبات بستر،تغییر سطح مقطع جریان ، تخریب زون هاي حاشیه اي ، از بین رفتن پوشش گیاهی ، تغییر تراوائی موضعی گردیده است
در یک بررسی که محمدي و همکاران - - 1385 بر روي رودخانه گرگانرود انجام دادند ملاحظه کردند در مقطع بعد از محدوده فعالیت معدن شن و ماسه بجز ، حرکت مواد بستري در سرعت کمتري آغاز شده و این امر نشان می دهد که برداشت شن و ماسه و تاثیر آن بر کاهش قطر میانه رسوبات بستر رودخانه شایستگی جریان در حمل رسوبات را افزایش داده است، زیرا سرعت بحرانی لازم براي به حرکت درآوردن رسوبات بستر پائین می آید.
در بررسی دیگري که نور مهناد وهمکاران - - 1386 بر روي رودخانه خشکه رود از سر شاخه هاي کارون علیا انجام دادند به این نتیجه رسیدند که برداشت شن وماسه از بستر و کناره هاي رودخانه خشکه رود سبب بهم خوردگی و فرسایش در پروفیل طولی رودخانه شده است و این تجاوز به طبیعت رودخانه سبب ژرف شدن بستر رودخانه و انتقال پدیده ژرف شدگی به بالادست شده است.
مواد و روشها :
مدل HEC RAS - 4.0 - توسط اداره مهندسی ارتش آمریکا - - USACE توسعه یافته و در آخرین نگارش خود علاوهبر قابلیتهاي قبلی توانایی تحلیل فرآیند رسوب ، فرسایش و کیفیت را نیز دارا میباشد.
این نرمافزار یک مدل یکبعدي براي شبیه سازي جریان و رسوب میباشد و تغییرات پروفیل طولی بستر رودخانه را در اثر رسوبگذاري و فرسایش براي دورههاي طولانی مدت شبیهسازي میکند. هنگام استفاده از این نرمافزار، سري پیوسته جریان به قطعههاي جریان ماندگار بر اساس متغیرهاي دبی و زمان تقسیم میشود. براي هر یک از قطعههاي جریان ماندگار، پروفیل سطح آب محاسبه میگردد و با استفاده از آن سرعت، شیب انرژي عمق و سایر پارامترها در هر یک از مقاطع عرضی به دست میآید. سپس نرخ انتقال رسوب در هر یک از مقاطع محاسبه میگردد.
این نرخ نشان دهنده میزان رسوب انتقالی از هر مقطع در طول زمان است. سپس میزان رسوبگذاري و یا فرسایش در هر یک از مقاطع محاسبه خواهد شد و با استفاده از آن، تغییرات حاصل در مقاطع هندسی براي بازه زمانی مربوطه به دست خواهد آمد. در مرحله بعد، همین روند محاسباتی براي بازه زمانی بعدي تکرار خواهد شد. این مدل توانایی شبیهسازي جریان و رسوب در شبکه رودخانهها را نیز دارد. براي محاسبه نرخ انتقال رسوب، روابط مختلفی در مدل پیش بینی شده است تا کاربر رابطه مناسب براي رودخانه مورد مطالعه را از میان آنها انتخاب کند. این مدل بر اساس معادلات جریان و انتقال رسوب و معادله پیوستگی رسوب در شرایط یکبعدي و فرض جریان شبهغیرماندگار - - Quasi Unsteady توسعه یافته است.
در مدل HEC-RAS 4.0 روندیابی رسوب با استفاده از معادله اکسنر - - Exner صورت میگیرد. معادله بقاي جرم براي رسوب با توجه به معادله اکسنر به صورت زیر میباشد :
: B عرض رودخانه - متر - ، : η ارتفاع کف بستر رودخانه - متر - ، : λp تخلخل لایه فعال : Qs دبی بار رسوبی حمل شده - مترمکعب بر ثانیه - ، : x فاصله - متر - ، : t زمان - ثانیه -
توابع انتقال رسوب براي بار مواد بستر بوسیله کاربر انتخاب می شود . توابع انتقال موجود در برنامه عبارتند از :
تابع انتقال تفالتی - - - 1968 تابع انتقال ایکرز و وایت - - - 1973 تابع انتقال ویلکاك - - 2001 تابع انتقال میر-پیتر-مولر - – - 1948 تابع انتقال انگلند و هانسون - – - 1967 تابع انتقال لارسن-کوپلند - - - 1989/1968 تابع انتقال یانگ - - 1984 / 1973
داده هاي مورد نیاز
به منظور استفاده از این مدل اطلاعات مورد نیاز از رودخانه صفارود - مازندران - در بازهاي به طول 8 کیلومتر که در پلان شماره - - 1 نمایش داده شده است به شرح زیر مورد استفاده قرار گرفت : پلان عمومی رودخانه شامل محل شاخه هاي ورودي، محل پل ها، بندها و ... هیدروگراف جریان ورودي از بالادست - با دوره بازگشت هاي مختلف به خصوص 2 و 25 ساله - منحنی دبی-اشل در مقاطع انتهایی هر بازه، هیدروگراف جریان هاي ورودي از شاخه هاي فرعی، هندسه مقاطع عرضی کانال - توپوگرافی مقطع عرضی رودخانه - ، مقاطع خشک، غیر موثر و بسته مقاطع، ضریب مانینگ در قسمت هاي مختلف هر مقطع، مقطع سنجه رسوب در مقطع بالادست هر بازه، دانه بندي رسوب ورودي از بالادست هر بازه، منحنی سنجه رسوب در شاخه فرعی، دانه بندي رسوب ورودي در هر شاخه فرعی و دانه بندي بستر.
شکل - - 1 پروفیل طولی آبراهه اصلی رودخانه صفارود
در محدودهاي به طول 8 کیلومتر مقطع عرضی برداشت شده است. از طرفی با توجه به اینکه معمولا هیدروگراف با دوره بازگشت 2 ساله براي دبی غالب رودخانه و هیدروگراف با دوره بازگشت 25 ساله براي حریم بستر استفاده می گردد، در بررسی ها، این دو هیدروگراف مهم، به عنوان هیدروگراف هاي کلیدي و تعیین کننده مورد استفاده قرار گرفت.
هم چنین جهت برآورد مقادیر دانهبندي موردنیاز در مدل و ترسیم منحنی دانهبندي مصالح بستر و بار معلق از ماکروي GradiState استفاده گردید و نتایج حاصل از این ماکرو وارد مدل گردید. با توجه به دانهبندي مصالح بستر و با به کارگیري معادلات انتقال رسوب مختلف، مشخص شد که استفاده از معادلات انتقال رسوب یانگ و انگلاند- هانسن ، نتایج فیزیکی مناسب تري را نتیجه میدهند. اما با توجه به اینکه معادله انگلاند-هانسن براي شرایط رژیم بالایی جریان مناسب تشخیص داده شده است
