بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اهمیت شبیهسازی عددی انتقال رسوب و هزینه بالای مدلهای آزمایشگاهی، استفاده از مدلهای عددی توسعه بیشتری یافته است. انتقال رسوب از پدیدههای مهم مرتبط با رودخانه میباشد که معادلات عددی مختلفی بر پایه مشاهدات تجربی و آزمایشگاهی در این مورد ارائه شده است.
در این پژوهش با استفاده از مدل MIKE3FM به تخمین مقدار بار رسوبی وارده به بازه مطالعاتی رودخانه بستانک پرداخته شد. این رودخانه با توجه به عکس های هوایی و تصاویر ماهواره ای در بازه زمانی سال 1355 تاکنون، بارها مسیر خود را تغییر داده است.
رودخانه بستانک بدلیل شیب بسیار کم، احداث سازه های طولی و عرضی، سرعت کم جریان، دخالت های انسانی و فرسایش، تغییرات عمدهای را در طول زمان تجربه نموده است. در این مطالعه پارامترهای مهم هیدرولیکی جریان در رودخانه از قبیل عمق، سرعت، شعاع هیدرولیکی و ... تعیین گردیده است. در ادامه از بین توابع موجود در برنامه، تابع انگلند و هانسن که بیشترین تطبیق را با شرایط حاکم در رودخانه بستانک داشت، انتخاب و به بررسی تغییر فرم بستر رودخانه مربوط به چندین سال متوالی پرداخته شد و نهایتا بهترین تابع در رودخانه بستانک پیشنهاد شده است.
مقایسه بین نتایج مدل و رسوبات جمع شده در بازه مطالعاتی رودخانه مذکور، حاکی از نتایج قابل قبول مدل سه بعدی MIKEFM در پیشبینی مقدار بار انتقال رسوب است. نتایج مطالعاتی رودخانه بستانک نشان داد که ذرات رسوبی فرسایش یافته در فاصلههای کوتاهی از شروع سیلابها و تا پیمایش مسافتهای طولانیتری در مسیر جریان تهنشین شدهاند.
همچنین حرکت رسوبات بهصورت بار معلق یا بستر، بستگی بهخصوصیات مواد رسوبی، شرایط جریان و خصوصیات رودخانه در طول مسیر داشته و در جاهایی که رودخانه با شیب تند تحت شرایط سرعت بالا بوده است، ذرات شنی را هم بهصورت معلق حرکت داده، در حالیکه در جاهایی که رودخانه دارای شیب ملایم و سرعت کم بوده است، تنها ذرات بسیار ریزدانه و لای را بهصورت معلق جابجا نموده است.
1. مقدمه
موفولوژی رودخانه ها تحت تاثیر هشت متغیر مهم عرض، عمق، طول، دبی، شیب، زبری بستر، بار رسوب و نوع ذرات رسوب می باشد. تغییر در هر یک از متغیرها یک سری از موازنه های موجود را به هم زده و سبب ایجاد تغییر در دیگر متغیرها می گردد که سرانجام موجب تغییر در مسیر رودخانه می شود. علاوه بر موارد یاد شده مداخلات بشر - کانالیزه کردن مسیر رودخانه، احیا جنگل، بهره برداری از رسوبات رودخانه ها، ساخت سدها - نیز در تغییر مسیر رودخانه ها نقش دارند.
تغییر مسیر رودخانه ها از گذشته تا کنون تاثیرات شگرف اقتصادی، اجتماعی و سیاسی بر زندگی بشر گذاشته است، بطوری که سبب شکل گیری و یا نابودی بسیاری از سکونت گاه های مجاور خود گردیده است. پیش بینی تغییرات کلی و حتی جزئی روند تغییرات رودخانه ها از مهم ترین مباحث مربوط به ژئومورفولوژی رودخانه ای می باشد. شناسایی و پیش بینی تغییرات مسیر رودخانه ها در آینده میتواند در ارائه طرح های ساماندهی رودخانه مفید واقع گردد.
معمولا در طرح های ساماندهی ابعاد عملیات اجرائی بر اساس معیارهای پایداری در سازهها ارائه میگردد و کمتر شرایط رودخانه در حالت قبل از بروز تغییرات مورد توجه قرار می گیرد. پیش بینی تغییرات و جابجایی های رودخانه های آبرفتی از جمله زمینه های تحقیقاتی است که امروزه در بسیاری از محافل دنیا مطرح میباشد. وجود عوامل متغیر فراوان در سیستم پویای رودخانههای آبرفتی، ذهن محققان زیادی را به خود مشغول داشته است
مسئله رسوب گذاری در مسیر طبیعی رودخانه ها یکی از مهمترین چالشهای موجود بشمار می رود. آب بردگی یا فرسایش از یک سو باعث از دست رفتن میلیون ها تن از خاک گرانبهای زراعتی شده و از سوی دیگر در پل ها و دیگر سازه های آبی مشکلات پایداری شیب بوجود می آورد و از طرفی رسوب گذاری و انباشت مواد معلق رودخانه ها در سازه های ذخیره کننده آب همانند مخازن سدهای انحرافی و ذخیره ای باعث تقلیل عمر مفید اینگونه تأسیسات شده و مشکلاتی را در عملکرد صحیح تأسیسات خروجی بوجود می آورد
رودخانهها سیستم های پیچیده و کاملا پویایی هستند که موقعیت، شکل و دیگر مشخصه های مورفولوژیکی آنها به طور پیوسته در طی زمان در حال تغییر می باشد. شناخت وضعیت جریان و تحلیل پارامترهای هیدرولیکی رود خانه در شرایط مختلف و بویژه سیلابی، مبنای آنالیز رفتار رودخانه و تصمیم گیری در خصوص اقدامات مهندسی و تاثیرگذار بر رودخانه میباشد. با استفاده از نتایج مطالعات هیدرولیک رودخانه می توان به ارزیابی های مناسبی از وضعیت رودخانه دست یافت و اطلاعات مفیدی جهت ارزیابی سازه های متقاطع موجود با رودخانه به دست آورد. همچنین طرح سازماندهی یا بازسازی یا احداث سازه های جدید بر روی رودخانه و شرایط پایداری یا ناپایداری بازه های رودخانه قابل بررسی می باشد.
در ایران سالانه بین 175 تا 250 میلیون متر مکعب از حجم مفید مخازن سدها در اثر رسوبگذاری از دست می رود، نرخ سالانه کاهش حجم مخازن ایران بصورت سرجمع بین 0/5 تا 0/75 متغیر بوده و متاسفانه این نرخ با گذشت زمان رو به افزایش است. این موضوع بدین معنی است که هر ساله به لحاظ رسوبگذاری مخازن سدها یک تا دو سد مخزنی با اندازه متوسط از دست می رود. این امر موجب می گردد تا شانس مکان یابی مناسب ساختگاه سد سال به سال کاهش یابد. شایان ذکر است که سدی که مخزن آن از رسوب انباشته شده است به راحتی قابل متروکه کردن و جایگزین کردن نیست چون چنین سدی یک تهدید جدی برای پایین دست خواهد بود
انتقال رسوب یکی از پدیدههای مهم مرتبط با رودخانه میباشد که معادلات عددی مختلفی بر پایه مشاهدات تجربی و آزمایشگاهی در این مورد ارائه شده است. به فرسایش بستر و کناره آبراههها در پائین دست سازههای هیدرولیکی به دلیل شدت جریان زیاد و یا در اثر بوجود آمدن جریانهای متلاطم موضعی آبشستگی اطلاق میگردد - فیضنیا، . - 1387 عموماً پدیده آبشستگی هر جا که افزایش گرادیان سرعت روی دهد بوقوع میپیوندد.
افزایش گرادیان سرعت میتواند ناشی از کاهش سطح مقطع جریان - چه در صورت تنگ شدگی مقطع و چه در حالت بالا آمدن کف در جریانهای زیر بحرانی - و یا وجود موانع مانند پایههای پل، سازههای انحراف آب، خاکریزهای تقریب پل و ... میباشد
پینتو و همکاران - 2006 - ضعف و محدودیت های چهار فرمول ایکرز و وایت ، انگلاند و هانسن ، فان- راین و کریم و کندی برای بار کل و فرمول فان -راین برای بار بستر را مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج این تحقیق نشان می دهد که مهمترین ویژگیهای فیزیکی که کنترل کننده برآورد بار رسوبی هستند شامل سرعت جریان و متوسط اندازه دانهها است و فرمول فان-راین در این تحقیق به عنوان بهترین فرمول در استفاده از معادلات انتقال رسوب پیشنهاد گردیده است - پینتو، . - 2006 مارتین - 2003 - با مقایسه قابلیت تخمین فرمول میر- پیتر و مولر و فرمول اصلی بگنولد و سری اصلاح شده بگنولد که توسط مارتین و چرچ .
در این مطالعه با انتخاب رودخانه بستانک در ایران به عنوان بازه هدف، به بررسی شرایط حوضه آبریز، هیدرولیک و شرایط فیزیکی آبراهه، تخمین مقدار بار رسوبی و شبیهسازی انتقال رسوب وارده به بازه مطالعاتی رودخانه پرداخته شده است و نهایتا پدیده انتقال رسوب و تغییرات بستر رودخانه به کمک نرمافزار MIKE3FM مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به عکس های هوایی و تصاویر ماهواره ای رودخانه بستانک در بازه زمانی سال 1355 تاکنون، این رودخانه بارها مسیر خود را تغییر داده است.
2. مدلسازی در نرم افزار MIKE3FM
نرم افزار MIKE 3 توانایی مدلسازی پدیده های حاکم بر هیدرودینامیک جریان در کانالها و سواحل دریا را به صورت سه بعدی داراست. در این نرم افزار میتوان اثر نیروی کوریولیس، نیروی باد، اصطکاک بستر و ویسکوزیته را در محاسبات اعمال نمود. در مدول نرمافزار MIKE3FM نحوه فرسایش، انتقال رسوب و رسوبگذاری تحت تأثیر جریان در اثر عواملی مثل امواج و جریان خالص - pure current - قابل بررسی میباشد که در آن ابتدا نیاز به اجرای مدول هیدرودینامیکی برای ناحیه مورد بررسی و محاسبه شرایط جریان آن میباشد. همانطور که ذکر شد انتقال رسوب در سه سبکل انتقال تعریف میشود: -1 بار بستر -2 بار معلق و -3 حالت آب زلال.
دانشمندان زیادی با توجه به تحقیقات خود به انجام آزمایشات و ارائه مدلهای مختلف انتقال پرداختهاند. این معادلات برای شرایط یکسان مقادیر رسوب انتقالی را با اختلاف زیادی تخمین میزنند که میتواند ناشی از تجربی بودن و پیچیدگی پدیده انتقال رسوب باشد. در ادامه به شرح چند رابطه مهم انتقال رسوب که توسط دانشمندان مختلف ارائه شده، اشاره میشود. با توجه به اینکه روش مناسب و جامعی برای انتخاب معادله انتقال رسوب بهینه وجود ندارد، ولی از نتایج تحقیقات مختلف میتوان دریافت که به طور کلی نرخ انتقال رسوب و غلظت بار کل توابعی از توان واحد جریان است.
روابط ارائه شده برای انتقال رسوب در دو گروه کلی انتقال بار بستر و بار معلق تقسیم بندی میشوند. به عنوان مثال روابط انگلند- هنسن هر دو گروه بار بستر و بار معلق را شامل میشوند - راهنمای استفاده از نرمافزار مایک، . - 2011 برخی از معادلات انتقال رسوب مورد استفاده در این نرمافزار در جدول زیر آورده شدهاند که در ادامه به بررسی آنها پرداخته میشود.
شکل.1 الگوی حل مدولهای انتقال رسوب
جدول.1 تعدادی از معادلات انتقال رسوب بر اساس نوع بار رسوبی
3. رابطه انتقال رسوب ون- راین
ونراین در سال 1984 یک تئوری جامع برای نرخ انتقال رسوب در رودخانه بر پایه نظریات هم فیزیک پایه و مشاهدات عملی پیشنهاد کرد. فرمول سازی برای خورها گسترش یافت و البته توسط ون راین خلاصه تر شد. رسوب کف و معلق به طور جداگانه محاسبه شده اند و با در نظر گرفتن تئوری بگنولد - 1966 - داده های او برای محاسبه کف و پذیرفته شد، رسوب معلق بوسیله نتیجه گیری در عامل غلظت عمودی و پروفیل سرعت مشخص گردیده است. البته نمودار غلظت در سه سطح محاسبه شده اند. همچنین تفاوت لگاریتمی با تابع نیرو بستگی به خصوصیات ترکیبی در هر لایه دارد. ون راین جهت محاسبه دبی رسوب بستر آبراهه ها و رودخانه ها رابطه زیر را ارائه کرد که بار بستر بر اساس نرخ انتقال رسوب در واحد عرض، برای اندازه ذرات در بازه 0/2-2 میلیمتر بیان نمود. با معلوم بودن خصوصیات آب و رسوب، سرعت جریان U، عمق جریان d و عرض B ، بار بستر و T می باشند.
4. فرمول میر- پیتر و مولر
فرمول میر- پیتر و مولر جهت محاسبه بار بستر با مواد درشت دانه یا شنی استفاده شده و به صورت زیر میباشد
