بخشی از مقاله
چکیده
مطالعه و شبیه سازی هیدرولیک جریان و رسوب در قوس ها به روش های مختلف از دیر باز مورد توجه مهندسان هیدرولیک و مهندسی رودخانه بوده است.الگوی جریان در قوس کانال ها بسیار پیچیده است، به گونه ای که مکانیک جریان در قوس خصوصیات مشخصی دارد که در رودخانه های مستقیم دیده نمی شود. نیرو های موثر بر جریان در یک قوس ، نیروی گریز از مرکز ناشی از عدم یکنواختی پروفیل قائم سرعت و ترکیب آن با انحنای جریان، تنش های برشی و گرادیان شعاعی فشار ایجاد شده به وسیله شیب جانبی سطح آب می باشند. تاثیر همزمان این نیروها جریانی را به نام جریان حلزونی2 بوجود می آورد. بطور ایده آل آبگیری از رودخانه بایستی در خارج از قوس صورت گیرد یعنی به فاصله کمی در پایین دست جایی که حداکثر انحناء قوس وجود دارد در نظر گرفت.
در این مقاله صحت سنجی مدل شارک به منظور شبیه سازی عددی تعیین مناسب ترین محل آبگیری در قوس رودخانه دز واقع در محل آبگیر ایستگاه پمپاژ شماره دو واحد کشت و صنعت امام خمینی - ره - با استفاده از اطلاعات برداشت شده از سه مرحله مختلف نمونه برداری از رودخانه و در ماههای مختلف سال پرداخته شده و در نهایت مناسب ترین محل بدست آمده از مدل با محل آبگیر واقعی مقایسه گردید. در نهایت خروجی نرم افزار شارک بیان کننده این موضوع بود که محل آبگیر واحد کشت و صنعت امام خمینی مناسب نبوده و می بایست در موقع اجرا به فاصله 440 متر بالادست از محل آبگیر کنونی انتقال می یافت.
مقدمه
یکی از مسائل مطرح در بهره برداری از شبکه های آبیاری و زهکشی که بصورت مستقیم از رودخانه آب برداشت میکنند بررسی رسوب وارد شده به شبکه می باشد که یا در کانالها ته نشین شده و از ظرفیت انتقال آب می کاهد ویا وارد آبگیرهای ثانویه میشود و با رسیدن به مزارع موجب کاهش محصول میگردد، به همین خاطر هدف اصلی این تحقیق تعیین مناسب ترین محل استقراء آبگیر در قوس رودخانه ها با استفاده از مدل شبیه سازی شارک که یکی از مهمترین آیتمها در نگهداری و بهره برداری از شبکه های پایین دست آبگیرها می باشد.
تحقیقات گذشته
هوانگ و همکاران در سال 2006 الگوریتمی را بصورت دو بعدی به منظور محاسبه ترم پخشیدگی در معادله انتقال رسوبات معلق ارائه دادند که به شکل قابل ملاحظه ای توانایی های مدل دو بعدی را در شبیه سازی جریان های ثانویه در قوسها افزایش میدهد. وانگ و سوی نیز در سال 2010 با استفاده از تئوری جریان دوفازی به شبیه سازی نحوه رفتار تکه های یخ در قوس کانالها پرداختند. منصوری و همکاران در سال 1385 به بررسی تکامل بستر در طی زمان در قوس 180 درجه ی رودخانه با مدل SSIIM پرداختند.
قبادیان و همکاران درسال 1389 از مدل عددی سه بعدی SSIIM برای شبیه سازی دو قوس 180 درجه یکنواخت - پهنای 0.6 متر - و واگرا - پهنای 0.6 به - 0.75 استفاده شد. خصوصیات جریان از جمله پروفیل های طولی، قائم و عرضی سرعت، خطوط جریان، جریانهای اصلی و ثانویه، شیب طولی و تنش برشی بستر در دو قوس مورد مقایسه قرار گرفت. صحت سنجی مدل عددی با داده های اندازه گیری شده در قوس 180 درجه ی یکنواخت نشان داد که مدل به خوبی میدان جریان در قوس یکنواخت را شبیه سازی میکند.
مواد و روشها
برای بررسی و ارزیابی میزان انتقال رسوب در آبگیر سبیلی رودخانه دز به دلیل پیچیدگی فرآیند رسوبگذاری از مدل کامپیوتری شارک که توسط موسسه تحقیقات HR والینگ فورد انگلستان در سال 2002 ارائه شده است، استفاده گردید. این نرم افزار به صورت ابزاری سودمند جهت محاسبه بار انتقال رسوب و پارامترهای لازم جهت نیل به اهداف این تحقیق می باشد.
در این خصوص آمار و اطلاعات میدانی و بایگانی شده در خصوص پارامترهای هیدرولیکی، میزان آب مصرفی و همچنین اطلاعات آب و رسوب رودخانه دز از ایستگاه هیدرومتری دزفول - به جهت نزدیکی به محل طرح و و وجود داشتن اطلاعات رسوب دز - جمع آوری گردید و سپس این اطلاعات جهت محاسبه انتقال رسوب به نرم افزار داده شد. پس از انجام دستورالعمل های منوها، خروجی های مدل به صورت نمودار و کمیت های عددی دریافت و سرانجام نتایج حاصل از مدل، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
نمونه برداریها در سه مرحله زمانی مختلف در رودخانه دز و حوضچه ترسیب ایستگاه پمپاژ شماره دو واحد کشت و صنعت امام خمینی - ره - صورت گرفت. مرحله اول در تاریخ هفدهم اسفند ماه سال یکهزارو سیصد و هشتادو چهار، مرحله دوم در تاریخ سوم اردیبهشت ماه سال یکهزارو سیصد و هشتادو پنج و مرحله سوم در تاریخ سی و یکم اردیبهشت ماه همان سال صورت گرفت.
انجام نمونهبرداری در تاریخهای فوق بدلیل بررسی میزان انتقال رسوبات صورت گرفته است. نقاط نمونه برداری مراحل اول و دوم هر کدام شامل شش نقطه به فواصل مختلف در حوضچه و رودخانه دز بوده است. سه نقطه نمونه برداری در داخل حوضچه و سه نقطه دیگر در داخل رودخانه دز درست در محل ورودی حوضچه، که در بر گیرنده عرض رودخانه است صورت پذیرفت. سه نقطه داخل حوضچه شامل نقطه ابتدا، وسط و انتها میباشد. نقاط نمونه برداری در مقطع عرضی رودخانه دز شامل نقطه وسط و نقاط یک سوم ساحل راست و چپ است.
جهت اندازهگیری پارامترهای بار مواد کف در وسط رودخانه نمونه برداری پارامترهای مورد نظر در هر کدام از مراحل توسط نمونه بردار از نوع تیغه لایروب چنگکی1 انجام گرفت. جهت اندازه گیری پارامترهای بار معلق در هر سه مرحله نمونه برداری از نمونه بردار تجمعی عمق مدل - DH-48 - ، استفاده گردیده است. در این تحقیق در هر سه مرحله نمونه برداری از نمونه بردار هلی اسمیت که توسط سازمان نقشه برداری زمین شناسی آمریکا ساخته شده است استفاده گردید.
جهت محاسبه شیب سطح آب رودخانه بدین صورت عمل شد که ابتدا در مقطع بالا دست رودخانه و در وسط مقطع عرضی رقوم سطح آب توسط دوربین نقشه برداری قرائت گردید و در فاصلهای مشخص از مقطع بالا دست، مقطع دیگری در نظر گرفته شد و رقوم سطح آب در وسط این مقطع قرائت شد، با داشتن اختلاف رقوم قرائت شده در این دو مقطع و فاصله آنها از یکدیگر، شیب سطح آب محاسبه گردید.
تعیین دانه بندی ذرات درشت با استفاده از روش الک یکی از متداولترین و ساده ترین روشهاست و از قدمت نسبتا زیادی برخوردار است که در این تحقیق از این روش استفاده گردید. جهت تعیین دانه بندی ذرات سیلت رودخانه و ورودی به حوضچه از دستگاه دانه بندی ذرات 1 آزمایشگاه هیدرولیک گروه آبیاری دانشگاه شهیدچمران اهواز استفاده گردید.
جهت تعیین غلظت بار معلق در رودخانه ابتدا با نمونه بردار DH-48 به طریقه انتگراسیون عمقی نمونه گیری انجام شد، سپس بطری هر نمونه را با زدن برچسب و وارد کردن اطلاعاتی نظیر ساعت نمونه برداری، تاریخ نمونه برداری و ... به آزمایشگاه منتقل شد. پس از آن با بهم زدن کامل بطری، نمونه ها درون ظروف شیشه ای 50 سی سی ریخته شدند. - لازم به تذکر است که هر سانتریفیوژ ظرفیت 6 نمونه گیر شیشه ای را دارد.
بعد از آن دستگاه سانتریفیوژ به مدت چند دقیقه و با دورمشخصی قرار داده شد. پس از اتمام اینکار نمونه ها در کف ظروف مخصوص ته نشین شدند، بطوریکه آب زلال و شفاف بالا مانده و رسوبات در کف ته نشین شدند. بعد از اینکه آب زلال ریخته شد، رسوبات به مدت 24 ساعت در گرمخانه الکتریکی قرار داده شدند. پس از خشک شدن وزن رسوبات خشک شده بدست آمد. دمای آب رودخانه دز در هر مرحله جهت وارد کردن در نرم افزار نیز بر حسب درجه سانتیگراد برداشت شد.
اجرای مدل
داده های ورودی مورد نیاز به مدل ریاضی دو بعدی شبیه سازی شده شارک شامل مشخصات هیدرولیکی رودخانه اعم از عرض، دبی، شیب سطح آب، ضریب زبری مانینگ، سرعت آب و دانه بندی بار معلق، بار بستر، و بار مواد کف در رودخانه، سرعت ته نشینی ذرات سیلت، غلظتهای ماسه و سیلت درون رودخانه، شعاع قوس و طول قوس رودخانه از ابتدای قوس تا محل اجرای آبگیر می باشند.
در ابتدا وارد منوی کانالهای درحال رژیم مدل شده و در قسمت سطح مقطع نامنظم 2 داده هایی همچون مقطع عرضی برداشت شده رودخانه، شیب سطح آب رودخانه - برداشت شده توسط دوربین نقشه برداری در هر مرحله نمونه برداری - ، دبی رودخانه - بدست آمده از منحنی دبی-اشل - و یک مقدار تقریبی برای ضریب زبری مانینگ را وارد نموده و مدل مذکور را اجرا می نماییم.
پس از اجرا نمودن یکی از خروجی های این قسمت رقوم سطح آب می باشد که با مقایسه آن با رقوم برداشت شده در محل توسط دوربین نقشه برداری و اعمال نمودن ضریب زبری مانینگ دیگری مدل را مجددا اجرا نموده تا این دو مقدار برابر همدیگر گردند، در واقع با این کار مدل را کالیبره نموده و آماده اجرا نمودن قسمتهای بعدی نرم افزار می باشد.
سپس وارد زیر منوی پیش بینی ماسه های انتقالی3 از منوی طراحی کانالهای درحال رژیم شده و با وارد کردن اطلاعات مربوط به دانه بندی بار رسوب و بازخوانی اطلاعات مشخصات هیدرولیکی رودخانه از اجرا نمودن مرحله قبل غلظت ماسه های انتقالی در رودخانه را می توان به روش انگلوند هانسن پیش بینی نمود.
این روش - 1967 - ، نشان میدهد که ظرفیت حمل رسوبات کانال، با افزایش دبی و شیب کانال افزایش می یابد و با افزایش قطر رسوبات کاهش مییابد.
سرعت ته نشینی ذرات ریز در رودخانه4 روش دیتریچ - 1982 - 5یکی از روشهایی است که برای محاسبه سرعت ته نشینی ذرات سیلت استفاده میگردد. که دیتریچ از این روش بصورت قابل قبولی جهت محاسبه سرعت ته نشینی ذرات طبیعی بین 14 تا 67 میکرون استفاده نمود. معادله آن در زیر ارائه گردیده است.
