بخشی از مقاله
چکیده
رودخانه ها، زیستگاه اصلی آبزیان هستند و در تولید مثل ماهیان به عنوان مسیر مهاجرت آنها به سوي مناطق تخم ریزي نقشی حیاتی ایفا می کنند. سد هاي انحرافی از جمله سازههاي متقاطع ی هستند که مانع مهاجرت ماهیها به بالادست می گردند. ماهی ها در فصول تخم ریزي، به طور غریزي در خلاف جهت جریان شنا می کنند تا خود را به محلهایی که از تخم تفریخ شده اند، برسانندکه براي این منظور، احداث سازه نردبان ماهی ضروري است. عوامل موثر در شنا کردن ماهیها فقط به میدان سرعت و عمق آب و الگوي جریان محدود نگردیده و میزان آشفتگی جریانهاي متلاطم نیز از جایگاه ویژه اي برخوردار است.
محدوده سرعتهاي ماکزیمم رویهاي میتواند بعنوان یک مانع در سر راه حرکت ماهیها باشد و مسیر حرکت آنها را مسدود نماید. در این مقاله از مدل Flow-3D به منظور شبیه سازي آشفتگی جریان و توزیع سرعت در نردبان ماهی استفاده شد تا بتوان ناحیه هاي آرام و آشفته جریان در استخرهاي راه ماهی را بررسی کرد. نتایج نشان میدهند که ناحیه میانی استخرها و در نزدیک دیواره میانی بالادست، جریان سرعت کمتري دارد و بنابر این منطقه امنی براي استراحت و ادامه حرکت ماهیها در زمان مهاجرت است.
مقدمه
رودخانهها و سازههاي هیدرولیکی آن، زیستگاه اصلی آبزیان است که ماهی ها مهمترین آنها هستند. رودخانه ها، در تولید مثل ماهیان به عنوان مسیر مهاجرت آنها به سوي مناطق تخم ریزي نقشی حیاتی ایفا می کنند. راه ماهی یک سازه هیدرولیکی است که به ماهیهاي در حال مهاجرت کمک می کند تا بر موانع و انسدادهایی که راه آنها را براي حرکت به بالادست سد و تخمریزي می بندد، غلبه کنند. از نظر هیدرولیکی راه ماهیها سازه هاي مستهلک کننده انرژي هستند که از یک کانال شیبدار با سرریزهاي متوالی تشکیل میگردند.
با توجه به اهمیت جایگاه این سازه در حفظ بقاء گونه هاي مختلف ماهیها، بهینه سازي این سازه مورد توجه کارشناسان قرار گرفته است. طراحی راه ماهی مستلزم در نظر گرفتن نکاتی در مورد شرایط هیدرولیکی جریان می باشد. نکاتی که می باید در نظر داشت، جذب ماهی ها به طرف راه ماهی و دیگري حداکثر سرعت جریان در مسیر راه ماهی می باشد.
سازه نردبان ماهی انواع متفاوتی دارد که هر کدام داراي مزایا و معایبی می باشند. در ایران سدهاي انحرافی زیادي در دست اجرا است و متأسفانه در اکثر سدهایی که تاکنون ساخته شده است به این مسئله مهم زیست محیطی توجه نشده است. لذا در سال هاي اخیر دولت به این مسئله نیز توجه داشته و در سدهاي در دست طراحی لزوم قرارگیري راه ماهی را مدنظر قرار داده است.
با توجه به نوپا بودن این سازه در ایران و تنوع زیاد راه ماهیها، لزوم پیشبینی دقیق عملکرد سازه قبل از اجراء ضروري تشخیص داده شد و بر این اساس مطالعه حاضر صورت گرفته است. در این مطالعه سعی شده تا توزیع سرعت و آشفتگی جریان در نردبان ماهی نوع استخر-سرریز شبیه سازي شود تا مسیر هایی که ماهی قادر است از آنها صعود کند، مشخص شود. محدود تحقیقاتی بر روي الگوي جریان در سازه راه ماهی انجام شده که در ادامه به تعدادي از آنها اشاره میشود.
- راجاراتنام و همکاران، - 1987، تحقیقات خود را روي هیدرولیک جریان در راه ماهی ها آغاز کردند. ایشانعمدتاً بر روي راه ماهی از نوع دنیل کار کرده و نتایج بسیار جالبی در طراحی دنیلها بدست آورده اند. - سئا و همکاران، - 2007، با استفاده از مدل عددي، آبهاي کم عمق و شبیه سازي آشفتگی با به کار گیري سه مدل طول اختلاط، k-ε و تنش جبري براي راه ماهی نوع باز شدگی قائم را مدل نمود. نتایج ایشان نشان داد استفاده از مدل آشفتگی k-ε را می توان به عنوان ابزاري براي طراحی عملی استفاده کرد
- محمودي کردستانی و همکاران، - 1377، به بررسی وضعیت جریان در راه ماهی و پروفیل سرعت در هر دنیل پرداختند. نتایج ایشان نشان می دهد که راه ماهی دنیل در یک شرایط یکسان از نظر ابعادي، دبی درحدود دو برابر دبی عبوري از راه ماهی ازنوع بازشدگی قائم را از خود عبور می دهد و راه ماهی از نوع دنیل با تشکیل یک ناحیه کم سرعت در راه ماهی و امکان عبور ضعیف ترین شناگران از انواع مختلف ماهیها، به راه ماهی از نوع بازشدگی قائم برتري دارد.
- معیري و همکاران، - 1387، الگوي جریان در سازه راه ماهی را با استفاده از مدل کامپیوتري Fluent شبیه سازي نمود و نتایج ایشان نشان داد که پروفیل سطح آب در راه ماهی به صورت جریان رویه اي است که با نتایج داده هاي فیزیکی تطابق دارد و همچنین یکی از عواملی که باعث استهلاك انرژي در راه ماهیهاي استخر و سرریز میشود، جریان گردشی موجود در هریک از استخرها است.
تئوري تحقیق
به منظور ارائه مناسب ترین طرح براي نردبان ماهی، علاوه بر شناخت انواع راه ماهی و نحوه طراحی آنها، شناخت انواع ماهی و حداکثر توانی که ماهی میتواند از خود آزاد کند نیز بایستی مدنظر قرار گیرد تا ماهی ها قادر به صعود از راه ماهی طراحی شده باشند. در60 سال گذشته انواع راه ماهی در نقاط مختلف جهان طراحی و اجرا شده است که در حال حاضر می توان به این ترتیب آنها را تقسیم بندي نمود: الف- استخر و سرریز ب- روزنه و سرریز ج- شوت د- بازشدگی قائم ه- دنیل
ماهی با پریدن از روي سرریزها از استخري به استخر دیگر صعود می کند. شناخت انواع ماهی هاي مهاجر، میزان و فصل مهاجرت و اندازه ابعاد ماهی ها، همچنین سرعت شنا کردن آنها و بررسی رفتار آنها از جمله اطلاعات بیولوژیکی لازم براي طراحی هستند. سرعت هاي شنا، حدودي را براي حداکثر سرعت آب در راه ماهی بدست میدهد و به طراح اجازه میدهد که شرایط جریان را به نحوي برقرار کند که ماهی بدون خستگی یا تأخیر زائدي شنا کند. هیدروگرافهاي رودخانه در محل احداث سد مربوط به زمان مهاجرت ماهی در تعیین محدوده دبی هاي جریان ضروري می باشند. رسم منحنی هاي دبی– اشل در سراب و پایاب ضروري می باشند. بنابراین طبقات راه ماهی و ارتفاع دیواره هاي کناري بدست می آید. همچنین منحنی هاي دبی- اشل تغییرات سطح آب در ورودي و خروجی راه ماهی را نشان میدهند.
اطلاعات هیدرولیکی رودخانه از جمله مقاطع عرضی، پروفیلهاي سطح آب، پیچ خوردگی هاي جریان، مسیرهاي جریان - به طور اخص در دبی هاي کم - ، نقاط با سرعت آب بالا و جریانهاي در هم می تواند به تعیین محل ورودي ماهی - ابتداي راه ماهی - که بسیار مهم میباشد کمک بزرگی کند.
رفتار ماهی در انتخاب نوع راه ماهی موثر است. به طوري که مشخص شده است، بعضی از انواع ماهی یک نوع راه ماهی را از میان انواع دیگر ترجیح میدهند. حداکثر سرعت آب روي سرریز نبایستی از سرعت انفجاري عبور ماهی بیشتر باشد. براي طراحی ابعاد راه ماهی و تعیین شیب راه ماهی دو نکته بسیار مهم را بایستی در نظر گرفت. یکی انرژي آب که به هر استخر وارد میشود و دیگري حداکثر انرژي که ماهی در صعود خود میتواند آزاد کند. براي صعود از هر قسمت از یک راه ماهی، ماهی بایستی توانایی آزاد کردن توان کافی براي غلبه کردن بر نیروهاي تشریح شده قبلی را داشته باشد.
حد بالایی براي تولید توان، معمولاً بوسیله سرعت انفجاري ماهی تعریف می شود. که آن سرعتی است که ماهی حداکثر 15 ثانیه میتواند با این سرعت حرکت کندمعمولاً. فقط در یک صعود کوتاه و مشکل از یک مانع از این سرعت استفاده میکند. میانگین سرعت هاي حداکثر روي سرریز یا از میان روزنه یا بازشدگی در طراحی راه ماهی براي ماهی هاي آزاد بالغ 2/5 متر بر ثانیه در نظر گرفته شده است.
این سرعت در یک هد 300 میلیمتري ایجاد می شود و حداکثر افت جایز در هر استخر را تعیین میکند. انتظار می رود ماهی ها در پریدن از روي سرریز از سرعت انفجاري خود استفاده کرده و در درون استخرها از سرعت حرکت مداوم خود استفاده کنند. بنابراین سرعت حرکت مداوم میتواند طراح را در برقراري شرایط هیدرولیکی صحیح در هر استخر راهنمایی کند. براي انواع ماهی هاي آب شیرین سرعت آب در استخرها در یک محدوده 0/15 تا 0/3 متر بر ثانیه پیشنهاد شده است.
با توجه به اینکه سرعتهاي انفجاري و سرعت حرکت مداوم مانند فاکتورهاي بیولوژیکی و زیست محیطی بسته به نوع و اندازه ماهی متغیر است، بنابراین راه ماهی براي عبور ضعیف ترین شناگر از انواع مورد نظر طراحی می شود. اطلاعات بیولوژیکی در همبستگی با مشخصات هیدرولیکی جریان، در تعیین محل ورود ماهی - ابتداي نردبان ماهی - ، تسهیل برآورد ظرفیت لازم راه ماهی وقتی که بالاترین نسبت مهاجرت اتفاق افتد و برقراري حدود عملکرد راه ماهی کمک میکند.
مقاطع عرضی، پروفیل هاي سطح آب، پیچ خوردگی هاي جریان، مسیرهاي جریان - به طور اخص در دبیهاي کم - ، نقاط با سرعت آب بالا و جریانهاي در هم میتواند به تعیین محل ورودي ماهی - ابتداي راه ماهی - که بسیار مهم است، کمک بزرگی کند. طرح کلی و نماي شماتیک راه ماهی از نوع استخر و سرریز و الگوي جریان در آن، در شکلهاي 1 و 2 نشان داده شده است.
شکل :1 نماي شماتیکی از راه ماهی
شکل :2 الگوي جریان در راه ماهی استخر سرریز
مهمترین عامل در انتخاب راه ماهی، رفتار ماهی در برخورد با موانع است. بعنوان مثال بعضی انواع ماهی بندرت از روي موانع می پرند. برقراري شرایط هیدرولیکی صحیح و پایدار در راه ماهی، وقتی که ارتفاع آب در بالادست به طور معنیداري نوسان دارد، یکی دیگر از نکات بسیار مهم در انتخاب راه ماهی است. در راه ماهیهاي استخر- سرریز، دبی در سرریز کنترل می شود. تغییرات سطح آب حتی به اندازه چند سانتی متر کافی است تا جریان آبخانهاي در این نوع راه ماهی ها را به جریان شوت تبدیل سازد. مگر اینکه ارتفاع سرریزها نیز به طور مقتضی میزان شود. چنین شرایط هیدرولیکی ناپایدار میتواند مانع و یا حداقل عبور ماهی را به تعویق اندازد.
نتایج
همانطورکه درشکل 3 نمایان است، هرچه ازکف راه ماهی بالاتر می رویم سرعت بیشتر شده و هرچه به دیوارهها نزدیک میشویم سرعت کمتر می شود و همچنین یکی از عواملی که باعث استهلاك انرژي در راه ماهیهاي استخر و سرریز میشود، جریان گردشی موجود در هریک از استخرها است. بردارهاي سرعت نشان می دهند که قسمت میانی استخر و در نزدیک دیواره میانی بالادست، منطقه امن براي تجمع است و بدین ترتیب از نظر اقتصادي به منظور انتقال هر چه بیشتر ماهی، بهینه است.
شکل :3 نمایش بردارهاي سرعت و آشفتگی جریان در پروفیل عرضی استخر چهارم راه ماهی
بردارهاي سرعت مطابق شکلهاي 4 و 5 نشان می دهند که بیشترین سرعت جریان روي سرریز برابر 3 متر بر ثانیه است و در آخرین استخر که بیشترین سرعت رویه اي را دارد، این سرعت بین 2 تا 3 متر بر ثانیه است. با توجه به این که طبق استاندارد، سرعت روي سرریز براي ماهی هاي آزاد بالغ 2/5 متر بر ثانیه در نظر گرفته شده، پس این سرعت قابل قبول است.
شکل :4 توزیع سرعت در پروفیل طولی نردبان ماهی در یک نماي کلی
شکل :5 الگوي جریان و توزیع سرعت در پروفیل طولی دو استخر متفاوت
اعماق پائین رقوم کمتري از سرعت را نشان می دهد و پروفیل سطح آب مطابق شکل 6 به صورت جریان رویه ایست.
شکل :6 نماي 3 بعدي و جریان رویه اي نردبان ماهی
در این تحقیق از مدل آشفتگی k-ε استفاده شد که آشفتگی جریان در استخرها و نواحی جریان برگشتی و جریانهاي گردابه اي را با دقت خوبی شبیه سازي نمود. در پایان میتوان نتیجه گرفت که راه ماهی استخر- سرریز میتواند به عنوان یکی از بهترین سازههاي هیدرولیکی جهت کمک به مهاجرت ماهی ها جهت تخم ریزي و جلوگیري از تلفات آنها باشد. برتري دیگر راه ماهی استخر و سرریز، اجراي ساده و در نتیجه صرفه جویی اقتصادي زیاد آن می باشد. زیرا در این روش مجري طرح در حین قالب بندي و بتن ریزي و همچنین رعایت فواصل استخرها که توسط طراح تعیین میگردد، با مشکل خاصی روبرو نیست.
سرریز یا دیوارههاي میانی استخرها را نیز میتوان به صورت کشویی یا دریچه اي تعبیه کرد. به این صورت که شیارهایی براي قرار گرفتن دیواره ها ایجاد میشود و سپس دیواره هاي میانی که از جنس فلز، پلاستیک یا چوب با پوشش اپوکسی می باشند، می توانند به راحتی در شیارهاي ایجاد شده قرار گیرند. شستشوي فلوم و پاك کردن آن از مواد رسوبی نیز با بالا کشیدن دیوارهها و انجام عمل فلاشینگ، امکان پذیر است.
