بخشی از مقاله
چکیده
هندسه روخانههای آبرفتی، از متغیرها و عوامل متعددی تأثیرپذیر است که نمی‌توان نقش و اثر هر یک را مستقل از سایر متغیرها دانست. از جمله عوامل اثرگذار بر هندسه رودخانه ، تغییرات مقاومت کناره ناشی از تغ ییرات کاربری اراضی و پوشش گیاهی آن می‌باشد. جهت ارزیابی و رفتارشناسی رودخانه‌ها با هدف تع یین هندسه پایدار آنها، روشها و مدل‌های مختلفی توسعه یافته است که از جمله میتوان به مدل‌های تحلیلی اشاره نمود. در این تحقیق، با توجه به اهمیت آنالیز پایداری کناره در پیشبینی صحیح عرض کانال آبرفتی در مدل‌های رژیم منطقی و ارتباط مستقیم کاربری سواحل رودخانه‌های آبرفتی با پایداری کناره ، از یک مدل تحلیلی مبتنی برپایداری کناره جهت بررسی تغییرات کاربری اراضی بر روی هندسه پایدار رودخانه و کمی نمودن آن در قالب پارامترهای مقاومت کناره، استفاده شده است.
واژههای کلیدی : مدل تحلیلی، آنالیز پایداری، مقاومت کناره، رودخانه آبرفتی.
مقدمه
مطالعات آزمایشگاهی و بررسی های صحرایی بسیاری جهت فهم ارتباط بین متغیرهای اثرگذار بر روی هندسه رودخانه صورت گرفته است که اغلب روش های استفاده شده جهت مشخص نمودن این ارتباط تجربی و مفهومی می باشد تا تحلیلی .[1] روشهای تحلیلی بدلیل آن که مبتنی بر فیزیک حرکت دو فازه آب و رسوب و درقالب روابط ریاضی هیدرودینامیکی و رسوبی در حالت رژیم می باشند لذا میتوان آنها را در شرایط متنوعتری بکار برد .[2]این روشها با استفاده از معادلات شناخته شده نظیر روابط انتقال رسوب، مقاومت جریان ، پیوستگی و پایداری کناره از یک سو و نیز معادلات مبتنی بر اصول بهینه‌سازی از سوی دیگر بین مجهولات مسئله یک رابطه منطقی برقرار میکند . محدودیت آن لزوم وجود معادلات مناسب برای بیان فرایندهای حاکم بر مسئله است.[3]
گریفیتس و کارسون [4]، ولنتین و همکاران [5] و شیلدز و همکاران [6]معتقدند عرض کانال مشاهداتی از مقدار پیش بینی شده با مدل رژیم منطقی که در آن بهینه سازی بدون مقیدسازی به مقاومت کناره صورت گرفته است، بیشتر است. ایتن و م یلار - - 2004 اهمیت مقید سازی مدل رژیم منطقی با مقاومت کناره را نشان دادند . آنها جهت دستیابی به حل بهینه از معیار حداکثر انتقال رسوب - MTC - در مدل رژیم منطقی استفاده نمودند ونشان دادند مدل رژیم منطقی که صراحتاً مقاومت کناره را در نظر می گیرد، عرض کانال آبرفتی را در مقایسه با مدلی که به مقاومت کناره مقید نشده است، دقیقتر پیشبینی میکند. [7]
در خصوص اهمیت کنترل عرض و پایداری کانال در رودخانه های شنی توسط پوشش گیاهی کناره تحقیقات زیادی انجام گرفته : تغییر شکل کانال از شریانی به مئاندری و بالعکس به ترتیب به دنبال افزایش و کاهش پوشش کنارهها 8]،9 و[10، کاهش عرض کانال با افزایش تراکم پوشش گیاهی 11] و [12، افزایش عرض کانال به دنبال از بین رفتن پوشش گیاهی .[13] غالب تحقیقات صورت گرفته در خصوص اهمیت و نقش پایداری کناره در کنترل عرض و هندسه پایدار رودخانه، به صورت آماری و تجربی بوده و بررسی های کمی، در این خصوص کمتر صورت گرفته است. این موضوع دلا یل متعددی دارد که از جمله آن، پیچیدگی‌های کمی نمودن اثرات پوشش گیاهی و تغییرات در حساسیت کانال آبرفتی به تغییر و اختلال در پوشش گیاهی ساحلی می باشد .[14]
کلرهالس 4 - 1967 - درجه آزادی برای کانال های آبرفتی مستقیم در واکنش به فرسایش و رسوبگذاری قائل شدند بنابراین با 3 معادله و 4 مجهول، بیش از یک جواب خواه یم داشت. تلاش بی شماری برای بدست آوردن یک راه حل معین برای هندسه ه یدرولیکی رودخانه های آبرفتی صورت گرفته و برخی از محققین پیشنهاد درج معادله بهینه سازی در روند مدلسازی نمودند که این روش ها از معیار بیشینه سازی یا کمینه سازی یک پارامتر کلیدی از قبیل قدرت جریان، نرخ مصرف انرژی یاغلظت رسوب استفاده می کنند که تئوریهای حدی نیز نامیده میشوند[15] کرمی - - 1385 با در نظر گرفتن پوشش گیاهی و کمی سازی تأثیر آن روی پایداری مقطع رودخانه های شنی، تغ ییرات پارامترهای هندسیهیدرولیکی مقطع از قبیل عمق، عرض و شیب مورد بررسی قرار داده که اثر پوشش گیاهی به وسیله ارتباط آن با پایداری خاک کناره - زاویه ایستایی خاک - مورد بررسی قرار داده است. [1]
در خصوص تأثیر تغییر کاربری اراضی بر روی عوامل کنترل کننده مورفولوژی رودخانه تحقیقات گوناگونی صورت گرفته که اغلب تأث یرتغییرات وسیع کاربری اراضی شامل عملیات استخراج معدن، قطع درختان، کشاورزی، شهرسازی و یاترکیبی از کاربر یهای مختلف بر تغییرات در آب و رسوب ورودی بررسی شده است.ویلکوک و کلارک - 2000 - ، تأثیر تغییر کاربری اراضی از کشاورزی گسترده و وسیع به جنگل، شهر و استفاده صنعتی بر روی هندسه و وضعیت رودخانه را مورد مطالعه قراردادند . وسیع بودن منطقه مورد کشاورزی، افزایش در مقدار رسوب و آب تأم ین شده در رودخانه های منطقه را به همراه داشته که با تغییر کاربری به صورت جنگل، شهر و استفاده صنعتی مقاد یر رسوب و آب کاهش یافته و تأثیر معناداری بر روی مورفولوژی رودخانه در منطقه داشته است.[16]پیش بینی تغییرات مورفولوژی کانال آبرفتی در پاسخ به تغییرات کاربری اراضی و تغییرات داخلی رودخانه بخش مهمی از مد رییت رودخانه را در بر می گیرد .[17] در این تحقیق پاسخ مورفولوژیک رودخانه به تغییرات کاربری حاشیه رودخانه به صورت کمی و با توسعه مدل تحلیلی رژیم، مورد بررسی قرار گرفته که در این راستا از از تئوری های بهینه سازی به عنوان حد نهایی الگوی تکامل رودخانه در روند تطب یق با شرایط تحمیل شده جدید استفاده می شود.
مواد و روشها
تئوری:
در این ﲢلیل هندسه کانال به عنوان تابعی از دبی آب، دبی رسوب و خصوصیات رسوبات - توزیع دانهبندی، چگاﱄ، زاویه اصطکاک و... - شبیهسازی شده است. بنابراین کانال در راستای رسیدن به تعادل دینامیکی، شیب، عرض، عمق و زبری خود را به ﳓوی تنظیم میکند که با دبی جریان و خصوصیات بار رسوب ورودی بار دیگر در شرای رژﱘ قرار گﲑد. مقطع عرضی کانال به صورت یک مقطع ذوزنقهای با کناره های فوقانی قائم مطابق شکل 1 فرض شده است:این مدل کاربردهای متعددی شامل ارزیابی اثرات بالقوه ناشی از برهم خوردگی و اختلال در پوشش گیاهی تغییرات کاربری اراضی و تغییرات اقلیم و ... دارد .[1] معادلات مورد استفاده برای توسعه هندسه کانال عبارت اند از :گسیختگی کناره ، پیوستگی جریان، سرعت جریان، تنش برشی متوسط کناره و بستر، پایداری کناره و انتقال رسوب. این در حالی است که در این تحلیل هشت متغیر وابسته اصلی وجود دارد که عبارتاند از :محیط بستر - Pbed - ، عمق کانال - Y0 - ، شیب کانال - S - ، تنش برشی متوسط بستر bed - - ، سرعت متوسط جریان - V - ، کناره فوقانی عمودی - H - ، تنش برشی متوسط کناره - bank - و زاویه کناره - - . پس در برابر هشت متغیر موجود، تنها هفت معادله وجود دارد. بنابراین برای حل مجهولات، نیاز به یک معادله اضافه احساس می‌شود که در این جا از فرضیه بهین‌سازی حداکثر انتقال رسوب - MCT - به عنوان یک معادله اضافه استفاده شده است .معادلات مورد استفاده در مدل در ادامه تشریح می شوند:
پیوستگی جریان
رابطه پیوستگی جریان درشرایط پایدار با توجه به هندسه مقطع فرضی به صورت زیر می‌باشد:
که در آن H - m - ارتفاع کناره فوقانی، D - m - عمق کانال، Pb - m - عرض بستر، زاویه شیب کناره، Q - m3/s - دبی جریان و V - m/s - سرعت جریان می‌باشد.
ارزیابی تنش برشی بستر و کناره ها
جهت محاسبه تنش برشی مرزی از روش فلینتام و کارلینگ[18] در این مدل استفاده شد. روابط ارائه شده در این روش مربوط به کانال‌هایبا زبری یکنواخت بستر و کنارهها میشوند. بر این اساس درصد نیروی برشی قابل تحمل به وسیله کناره‌های کانال با زبری یکنواخت بستر و کناره به این صورت ارائه می‌شود:
در رابطه - 3 - تنش برشی بستر و کناره ها را میتوان از روابط زیر بدست آورد:
