دانلود مقاله بررسی و مقایسه مدلهای رسوبی و انتخاب یک مدل ریاضی برای رودخانه

بخشی از مقاله

چكيده :
سيستان پهنداشت آرميده در بستري خشك سالهاست كه از بركت رودخانه هيرمند وهامونهاي موجود كه از كوههاي هندوكش در افغانستان سرچشمه مي گيرند سير آب مي شود .
در اين پايان نامه با مطالعه به روي رسوبات اين رودخانه كه سبب بالا آمدن كف رودخانه وكاهش حق آبه ايران شده است ، سعي گرديده تا با بررسي فرمولها ومدلهاي مختلف رسوب وانتخاب وكار به روي يك مدل خاص(Hec-6) تغييرات بستر رودخانه را پيش بيني كنيم تا در نتيجه بتوان در اثر وجود اطلاعات بستر راهكارهاي علمي تري برا ي كنترل اين رسوبات ارئه دهند.

در اين پايان نامه ابتدا بررسي تئوريك رسوب وبرخي اصطلاحات مربوط به اين علم پرداخته شده است و سپس با تعريفي از منطقه واطلاعات موجود درمنطقه و نيز اطلاعات به دست آمده ،‌رودخانه سيستان ومنطقه مورد نظر بطور اجمالي شناسانده شده است . در دنباله مدلها وفرمولهاي مختلف رسوب را مورد بررسي قرار داده ومدل (Hec-6) به عنوان مدل قابل استفاده انتخاب شده است . سپس با اجراي اين مدل يك بعدي ماندگار(با استفاده از مقاطع سا ل1370 وپيش بيني اين مقاطع براي 8 سال بعد و مقايسه آنها با مقاطع سال 1378 فرمول توفالتي بعنوان فرمولي كه نزديك ترين جواب را با نقشه هاي سال 1378 داشت انتخاب گرديد .

(1-1)-مقدمه :
هنگاميكه سنگ اصلي تحت تأثير هوازدگي متلاشي شد مواد توسط آب يا باد حمل مي شوند و رسوبات را بوجود مي آورند.
(2-1)-انواع رسوبات:
1- آبرفتي:
مواد معدني كه به وسيله رودخانه حمل مي شوند و ته نشين مي گردند.
2- لِس:
روسوباتي كه توسط باد جابجا مي شوند.
3- رسوبات يخچالها:

رسوباتي كه توسط يخچالها حمل مي شوند.
در اين مبحث درباره آب جاري و رسوبات بحث مي كنيم. به همين منظور برخي از متداولترين اصطلاحات بكار رفته در اين علم معرفي مي شود.
1- جرم مخصوص: (Den stiy)
عبارتست از جرم در واحد حجم
2- وزن مخصوص: (Specific weight)
عبارتست از وزن در واحد حجم

بين دو اصطلاح فوق رابطه زير برقرار است.
- (1-1)
: وزن مخصوص
: جرم مخصوص
: شتاب ثقل
وزن مخصوص دانه هاي رسوب ته نشين شده به ميزان تحكيم توده رسوب بستگي دارد كه با گذشت زمان افزايش مي يابد.

3- چگالي: (Specific gravity)
عبارتست از نسبت وزن مخصوص ماده مورد نظر به وزن مخصوص آب در دماي Cْ4 (متوسط چگالي رسوب 2.65s مي باشد.)
4- تخلخل:
تخلخل در تبديل حجم دانه هاي رسوب به حجم كل توده رسوب و برعكس كاربرد دارد و آن عبارتست از نسبت حجم منافذ به حجم كل توده رسوب.
(2-1)-
p : تخلخل

Vv: حجم منافذ
Vt: حجم كل توده سرب كه در بر گيرنده حجم منافذ نيز مي باشد.
Vs: حجم دانه هاي رسوب

5- اندازه ذرات رسوب
اين خصوصيت مهمترين و اصلي ترين خصوصيت رسوب مي باشد كه مورد بررسي قرار مي گيرد به همين دليل براي تعريف آن از اصطلاحات زير استفاده مي شود.
الف: قطر كره معادل (Nominal diameter)
قطر كره اي است كه حجم آن برابر حجم ذره مورد نظر مي باشد. اين قطر تصويري در مورد اندازه فيزيكي ذره بدست مي دهد.
ب: قطر عبوري از الك (Sieve diameter)
كوچكترين اندازه چشمه الكي است كه ذره كروي مورد نظر از آن عبور مي كند. در بيشتر موارد از يكسري الك با اندازه هاي مختلف جهت تعيين قطر ذرات رسوب بزرگتر از 0625/0 ميليمتر استفاده مي شود.

ج: قطر سقوط (fall diameter):
عبارتست از قطر كره معادلي كه داراي چگالي 65/2 بوده و در آب استاندارد cْ24 سرعت سقوطي معادل با سرعت سقوط ذره داشته باشد.
د: قطر رسوبي (sediment diameter):
قطر كره اي است كه داراي چگالي نسبي و سرعت ته نشيني نهايي برابر با ذره مورد نظر در مايع رسوبي مشابه و تحت همان شرايط باشد.
و: اندازه سه محوري:

در اين روش اندازه ذره بر اساس سه محور عمود بر هم يك ذره صورت مي گيرد. اين قظر با توجه بر اينكه رفتار هيدرو ديناميكي ذرات را در آب مد نظر قرار مي دهد داراي دقت زيادي است ولي به دليل مشكل اندازه گيري آن معمولاً انجام نمي شود.
6-لزجت:عبارتست ازدرجه مقاومت سيال در مقابل جريان يافتن در اثر يک نيروي اعمال شده
7-رابطه مانينگ:يکي هز روابط استفاده شده در جريانات ماندگاراست

8- زاويه قرار (Angle of repose) (O):
عبارتست از زاويه شيبي كه توده مصالح ريخته شده در آب در آستانه حركت به خود مي گيرند كه تابعي است از اندازه و شكل ذرات رسوبي
9- كرويت ذره (Sphericiti)
عبارت است از نسبت مساحت كره هم حجم ذره به سطح جانبي واقعي ذره مورد نظر

10- گرد شدگي ((Roundness
نسبت شعاع كوچكترين دايره گوشه ها به شعاع دايره محاط بر كل تصوير ذره يا شعاع ظاهري ذره
11- فاكتور شكل
عبارتست از نسبت كوچكترين محور ذره به جذر حاصل ضرب متوسط و بزرگ ذره به اين رابطه براي بررسي اثر شكل بر سرعت سقوط ذره مناسب است.
(3-1)-

12- نسبت پهني:
اين سرعت نيز داراي مبنايي مانند فاكتور شكل مي باشد و با رابطه زير به دست مي آيد.
نسبت پهني = (4-1)-

13- سرعت سقوط: (fall velocity)
به متوسط ته نشيني يك ذره در حجم نامحدود از آب خالص گفته مي شوداين پارامتر به طور مستقيم وضعيت حاكم ما بين جريان و دانه هاي رسوب در خلال جابجا شدن رسوب توسط آب (اعم از حركت آهسته دانه ها، انتقال و يا ته نشيني) است.
سرعت سقوط ذرات به عوامل زير بسته است:
1- اندازه
2- شكل
3- ميزان زبري سطوح
4- چگالي
5- مزجت سيال
و مقدار آنرا مي توان از تعادل نيروي وزن غوطه ور ذره و نيروي رانش تعيين كرد.
14-تنش برشي:هنگاميکه اب درکانال جريان مي يابدنيرويي در جهت حرکت اب بر سطح بستر کانال اثر مي کند اين نيرو به عنوان تنش برشي شناخته مي شود.
15- فرم بستر

انواع فرم بستر:
1- رپيل
2- دون
3- حالت انتقالي
(4-1)-انواع رژيم جريان:
1- رژيم جريان پائيني با فرم بستر

2- انتقالي
3-بالايي
خصوصيات رژيم جريان پائيني:
1- بار موا د بستر كم
2- مواد رسوبي در نزديكيهاي بستر و يا روي پشت رپيلها يا دونها حركت كرده، حركت پلكاني است.
3- مقاومت در مقابل رژيم جريان زياد مي باشد و افزايش مقاومت مربوط به زبري بستر است.
4- پروفيل سطح آب با پروفيل بستر همسوئي ندارد.
خصوصيات رژيم جريان بالايي:
2- مقاومت در جريان كم
3- پروفيل سطح آب با پروفيل بستر همسويي دارد.
4- هرچند مواد رسوبي به سمت پائين دست حركت مي كنند ولي خود موج بستر به طرف بالا دست حركت مي كند.

خصوصيات رژيم انتقالي:
1- زماني بوجود مي آيد كه دونها شسته شده و سطح بستر صاف باشد.
2- زبري بستر كم است.
3- رژيم جريان پيوسته نيست و رابطه دبي – اشل پيوسته نيست.

(1-5)-فرم بستر
فرم بستر در اثر حركت بوجود مي آيد كه خود تأثير مستقيمي بر روي زبري و در نتيجه مقاومت در مقابل جريان دارد.
انواع فرم بستر:
1- ريپل:

فرمهاي بستري هستند با طول موج كم (كمتر از cm30 ) و ارتفاع كوتاه (كمتر از mm3)
2- دون:
3- از ريپلها بزرگتر هستند، معمولاً هنگاميكه سرعت حركت زياد است و ميزان حمل رسوبات بالاست بوجود مي آيد. در اين حالت پروفيل سطح آب و بستر رودخانه همسو نيستند.

3- خير آب معكوس:
در اين فرم بستر پروفيل سطح آب و بستر همسو هستند. همچنين وابسته به سرعت و عدد فرويد هستند و داراي دو شكل سينوسي و مثلثي مي باشند.
4- سرسره و استخر:
رودخانه داراي شيب زياد است و حمل رسوبات نيز زياد مي باشد، جريان در ابتدا فوق بجراني و در پائين دست فوق بحراني يا زير بحراني مي باشد.
(6-1)-رژيم جريان:
فرم بستر به صورت دون يا ريپل مي باشد. بار مواد بستر كم مي باشد و مواد در رسوبي نزديك بستر حركت مي كند
(7-1)-پيش بيني فرم بستر:
1- سايمون و ريچاردسون:

اين روش بستر را بر اساس قدرت رود ( ) و قطر متوسط ذرات بدست مي دهد.
اين روش براي رودخانه هاي ماسه اي قابليت كاربرد دارد.
2- عطاء ا…:
اين روش فرم بستر را بر اساس عدد بدون بعد F و مي دهد.
3- روش فان راين:

حركت بار بستر توسط دو پارامتر بدون بعد D* و T مشخص مي شود.
(5-1)-
(6-1)-
u*c : سرعت برشي بحراني
به دست آوردن برخي از پارامترهاي هيدروليكي
ضريب ثابت مانينگ (ضريب مقاوم جريان)

(8-1)-معادله مانينگ -(7-1)
در اين معادله n يك عدد ثابت بي بعد نيست و داراي بعد مي باشد. مقدار n به عوامل زير بسته است.
1- زبري سطحي
2- رويش گياهي

3- نامنظمي كانال يا رودخانه
4- تراز آب، آب شستگي و ته نشيني مسير كانال
براي بدست آوردن آن از تصاوير ارائه شده توسط سازمان زمين شناسي ايالات متحده استفاده كرد.
همچنين براي ب دست آوردن Ks ثابت استريكلر از رابطه زير استفاده مي شود.

Ks= (8-1)-
جدول (1-1)

ثابت استريکلربراي مصالح مختلف بنايي[5 ]
K (mm) مصالح
1-5.0 چدن نو
5.1-1 چدن تقريباً فرسوده
8.0-1 ملات سيمان، صاف شده

2-1 ملات سيمان، زبر
5.2-1 تخته هاي چوبي زبر
15-8 مصالح بنايي زبر

همچنين رابطه بين Ks و n به قرار زير است.
= K s -(9-1)
مقدار n با ضريب مانينگ در كانالهاي خاكي بدون پوشش گياهي عموماً از رابطه استريكلر تعيين مي شود و در مجاري با پوشش گياهي از را بطه felkel محاسبه مي شود.
(10-1)-
U: سرعت
Rh: شعاع هيدروليكي
(11-1)-
hp: نشان دهنده طول ساقه
M : متوسط چگالي مقدار گياهان در متر مربع
فرمول فوق براي بستري كه شيبهاي آن پوشيده از گياه باشد استفاده مي شود و براي جريان بدون پوشش ضريب مقاومت از رابطه استريكلر بدست مي آيد. و تأثير پوشش گياهي با توجه به شناخت نسبت محيط خيس شده غير پوششي در طول كل مسير در نظر گرفته مي شود.
(12-1)-

Kst: ضريب استريكلر
: شيب خط انرژي در كل طول
Rh: شعاع هيدروليكي
A: سطح مقطع جريان
P: محيط خيس شده
D: قسمت محيط خيس شده غير پوششي
همچنين در روشهاي محاسباتي در حالتي كه بين قسمتهاي پوششي و غير پوششي اختلاف سطح وجود داشته باشد ضريب زبري مورد استفاده توسط رابطه زير جانشين مي شود.
(13-1)-
(14-1)-
Kst2: ضريب استريكلر بدون توجه به پوشش
Api= dpi hi m(15-1)-
(16-1)-
Rh: شعاع هيدروليكي cw=1~1.5
Dpi: قطر متوسط تنه درخت
H: تعداد تنه هاي روي طول L و يا عرض b
L: طول استاندارد مقطع انتخابي پوششي
B: عرض كمربند رويش
Axaz: فواصل بين محور درختان در طول حركت آب ax و در طول عمود بر آن az
A: سطح جريان با قسمت چوبي بدون كم كردن سطوحي كه به وسيله آنها اشغال شده است.
محاسبه زبري بستر جريان رودخانه سيستان در حالت حفاظت سواحل با پوشش گياهي بر اساس فرمول DVWK
b= 18cm
L= 3
Ax,az =1.5m
Rh= 5m
A= 600m2
V= 2.5m
hi=28
n= 0.0352
Kst: 29

dpi= 0.1m
Api=0.1×28×24=67.2
LA= 3×600=1800
Cw= 1.25


ضريب مانينگ براي يك ساحل جريان رودخانه در حالت پوشش گياهي

(17-1)-
رابطه پادولوفسكي

Kst=12.3
= neضريب زبري معادل كل بستر

جدول 2
با زه بندي رودخانه سيستان از نظر پوشش [7]
بازه طول (km) وضعيت پوشش گياهي
I ناحيه سه شاخه هيرمند تا سه كهك 2 فاقد پوشش
II سد كهك تا سد زهك 14 نسبتاً فاقد پوشش
III سد زهك تا سد سيستان 19 داراي پوشش گياهي نمي باشد
IV سد سيستان تا سه شاخه اديمي 12 ناحيه سيل گير پوشش دارد
Va , Vb سه شاخه اديمي و افضل آباد 12 تقريباً بدون پوشش

جدول 3
ضريب زبري تعيين شده از بررسي هاي صحرايي[7]
35 048/0 035/0
12 055/0 035/0 Iv
12 070/0 035/0 VA , VB

تأثير مياندوره ها بر n ناچيز است.

(1-2)-مقدمه :
در مورد آستانه حركت همه دانشمندان منظور ثابتي را استنباط نمي كنند.
بعضي شروع حركت يك يا دو ذره را كه با چشم ديده مي شود و بعضي شروع حركت ذره را برابر مقدار جرياني دانسته اند كه مقدار حركت مواد رسوبي در پائين دست كانال صفر باشد. برخي هم وجود لحظه اي را به عنوان آستانه حركت قبول ندارند.
(2-2)- رابطه موجود براي استانه حركت
1- دياگرام شيلدز:
شيلدز تحليل ابعادي را براي تعيين بعضي پارامترهاي بي بعد بكار برد و نمودار مشهورش را براي آستانه حركت ارائه كرد، اين نمودار كه از دو قسمت پارامتر شيلرز بحراني و عدد رينولدز مرزي *Re تشكيل شده در شكل 1ازضميمه1 ارائه شده است.
(1-2)-
(2-2)-
* =Reعدد رينولدزمرزي
* U = سرعت برشي
Ds= قطر متوسط ذرات
U= لزجت سينماتيك
= شيلدز بحراني
= تنش برشي بحراني
= وزن مخصوص رسوب
= وزن مخصوص آب
در دياگرام شيلدز اگر نقطه تلاقي c و Re* بالاي منحني قرار بگيرند ذرات بهتر حركت مي كنند و چنانچه اين محل تلاقي در زير اين خط منحني باشد نشانگر اين است كه ذرات حركتي ندارند و خود اين خط منحني نشانگر آستانه حركت است. از طرفي در رودخانه هاي طبيعي معمولاً عدد رينولدزمرزي به حدي مي باشد كه شرايط بستر زبر را بوجود مي آورد و در نتيجه مطابق دياگرام تحت اين شرايط عدد رينولدز مرزي عدد ثابتي است كه اين عدد ثابت توسط شيلدز 0.056 بيان شد. در اين حالت Re<400 ، و همچنين نيروي لزوجت جهت تأثير چنداني ندارد.
(3-2)-
2- دياگرام گسلر:
گسلر منحني شيلدز را بصورت شكل 2از ضميمه1 اصلاح كرد و اين اصلاح بخصوص براي جريان كاملاً درهم و بستر زبر صورت گرفت، بطوريكه عدد ثابت براي Re*>400 برابر 0.047 بدست آمد، مير، پيترومولر نيز اين تحقيقات را تأئيد كردند.
Re*>400(4-2)-
3- شوليتس و هيل:
اين دو دانشمند منحني ارائه شده توسط گلسر را بجاي سه قسمت به چهار قسمت تقسيم كرده و براي هر قسمت يك رابطه رياضي بصورت زير ارائه كردند.
(5-2)-
(6-2)-
(7-2)-
(8-2)-

4- روش تجربي لين:
بر اساس مشاهدات تنش برشي بحراني براي آب زلال كمتر از مخلوط آب و رسوب ذره مي باشد همچنين لين بر اساس مطالعات خود شكل 4ازضميمه 1 را به دست آورد و نيز براي كانالهاي آبياري با بستر شن و ماسه رابطه زير را ارائه كرد.
(9-2)-
D75= بر حسب mm
:بر حسب پوند پرفوت مربع
چگالي ذرات 2.6 فرض شده است
لين همچنين اولين كسي بود كه نيروهاي وارد بر ذره در بدنه كانال را مورد تجزيه و تحليل قرارداد. وي براي ساده كردن مسأله فرضهايي به شرح زير ارائه كرد.
1- x = 0 ( حركت يكنواخت آب به طوري كه سطح آب موازي باشد.
2-fl را در جمع نيروها منظور نكرد.
3-ذره در شروع حركت مي لغزد.
و در نهايت معادله لين به صورت زير ارائه شد: (براي بدنه كانال )
(10-2)-
: تنش برش بحراني براي يك ذره در روي بذر
:تنش برش بحراني براي يك ذره در روي بستر كانال
: زاوبه ايسنائي
: زاويه شيب بدنه
5- روش بحراني سرعت
در اين روابط از سرعت جريان بجاي تنش برشي استفاده شده است. اين روابط عمدتاً بر اساس تجزيه و تحليل آناليز ابعادي و استفاده از داده هاي تجربي بيان شده است.
(11-2)-
: سرعت جريان در نزديكي هاي بستر:
:جرم مخصوص رسوب
: جرم مخصوص سيال
:اندازه متوسط ذرات
: ضريب ثابت كه براي بدست آوردن آن از روشهاي زير استفاده مي كنيم.
6- رابطه Berry:
بري براي ذره در بستر كانال رابطه زير را به دست آورد.
(12-2)-
: بر حسب اينچ
: بر حسب فوت در ثانيه
در اين آزمايشات چگالي ذرات 2.65 مي باشد.
7- ابطه Mavis و LAushy
: بر حسب ميلي متر
(13-2)-
: بر حسب ft/s
رابطه Garde و Raju
(14-2)-
8- روش استراب:
از تركيب روابط شيلدز ، مانينگ و استريكلر رابطه زير به دست آمد.
(15-2)-
9- روش نيل:
(16-2)-
10- روش بوگاردي:
(17-2)-
11- روش ماينورد:
(18-2)-
اين رابطه براي ذرات سنگي واقع در بستر كانال نوشته شده است.
12- روش بروكنز:
در آناليز لين فرض شده كه خطوط جريان موازي افق مي باشد ولي چنانچه خطوط جريان افقي نبوده و با آن زاويه را بسازند. رابطه زير توسط بروكنز نوشته شد:

(19-2)-
: زاويه خطوط جريان با افق
13- روش اگيازاروف:
اين روش بر خلاف روش شيلدز براي رودخانه اي با مصالح غير يكنواخت كاربرد دارد. بدين منظور :
1- ابتدا منحني دانه بندي را به چند قسمت تقسيم (چند دامنه) مي كنيم.
2- براي هر دامنه اندازه اي را كه معرف آن دامنه باشد تعيين مي كنيم (Di)
3- اندازه ميانه مصالح را بدست مي آوريم (Dm)
(20-2)-
بدين منظور ابتدا منحني دانه بندي را به چند قسنت تقسيم كرده و از رابطه زير Dm را محاسبه مي كنيم.
Dm: اندازه ميانه ذرات
Di: اندازه متوسط هر قسمت
Pi: درصد ورزني مصالح در هر قسمت
4- از دياگرام شيلدز، پارامتر شيلدز بحراني مربوط به Dm به به دست مي آوريم.
5- پارامتر شيلدز بحراني مربوط به هر يك از اندازه هاي Di
را از رابطه زير بدست مي آوريم.
(21-2)-
: پارامتر شيلدز بحراني براي اندازه ميانه مصالح (Dm)
: پارامتر شيلدز بحراني براي هر اندازه Di در مخلوط

14- ورش وانگ:
اين روش نيز مانند روش اگيازاروف براي رودخانه اي با مصالح غير يكنواخت نوشته شده است. و به همان طريق بدست مي آيد بجز دو قسمت آخر كه بجاي فرمول اگيازاروف از روابط وانگ كه به صورت زير مي باشد استفاده مي كنيم:
if (22-2)-
if (23-2)-
پارامترهاي فوق با پارامترهاي روش اگيازاروف يكسان مي باشد.
15- روش ميچاليك: در اين روش نيز بجاي رابطه اگيازاروف از رابطه زير استفاده مي شود:
(24-2)-
17- روش استيونس:
در اين روش با اين استدلال كه چون ذره وافع در بذر كانال در لحظه آستانه حركت، حول محور حركت تمايل به چرخيدن و نه لرزش دارد، روشي را ارائه كردند كه تأثير كليه نيروهاي وارد به ذره و همچنين حالتي كه سطح آب نيز افقي نباشد منظور گرديده است.
18- تئوري وايت:
در اين تئوري تنها نيرويي كه باعث غلطيدن مي شود نيروي رانش و نيروي مقاوم در مقابل حركت نيروي وزن اشباع ذره مي باشد. در اين حالت يك ذره هنگاهي تعادل خود را از دست مي دهد كه از زاويه بيشتر چرخيده باشد.
وايت بر اساس مشاهدات خود رابطه زير را ارائه كرد
(25-2)-
براي جريانات و رقه اي
(26-2)-
19- روش كالينسكي:
در اين روش نكته مهم اين است كه در نزديكي ذره، تنش برشي متناسب است با مجذور سرعت در نزديكي ذره يعني
بنابر اين ممكن است يك ذره شروع به حركت كند، هر چند كه از نظر متوسط تنش برشي موجود كمتر از تنش يحراني مي باشد، كالينسكي رابطه زير را براي تنش بحراني پيشنهاد كرد:
(27-2)-
20- تحقيقات فورتير و اسكوبي:
اين مطالعات به منظور تعيين پيشينه مقدار مجاز سرعت متوسط در آبراهه هاي مختلف انجام شد 21-روش گاورز:
گاورز بر طبق نمودار شيلدز نمودار اصلاح شده اي را در سال 1987 ارائه كرد كه در شكل 3ازضميمه1 آمده است.
22- روش اليور:
به منظور محاسبه اندازه سنگ مورد نظر براي محافظت بدنه پائين دست سدهاي خاكي در هنگاميكه ممكن است آب از روي سد عبور كند، لازم است تا شرايط آستانه حركت در كانال يا شيب تند معلوم شود. بدين منظور و براي آستانه حركت در بستر كانالهايي كه شيب تند دارند از روابط زير استفاده مي شود.
(28-2)-
: دبي جريان در واحد عرض در شرايط آستانه حركت
K: ضريبي است كه مقدار آن درروش اليور از فرمول زير به دست مي ايد به دست مي آيد.
k=cosa(tanb-tana) -(29-2)
S: شيب كانال
C: ضريبي است كه مقدار آن از آزمايشگاه بدست مي آيد اليور با انجام آزمايشات متفاوت به روي مصالح شن و قلوه، رودخانه اي با اندازه 63/0 تا 01/1 اينچ و مصالح شكسته به اندازه 5/0 تا 3/2 اينچ و بكار بردن شيب كانال از 1 (عمودي) بر 5 (افقي) تا 1 (عمودي) به 5/12 (افقي) رابطه زير را ارائه كرد.

براي مصالح شكسته
(30-2)-
(31-2)-
q:
D50: inch
23- روش استيونس و همكاران براي مطالعه آستانه حركت در بستر با شيب تند:
بدين منظور مي توان از رابطه مربوطه براي محاسبه دبي بحراني در كانالهايي با شيب تند استفاده كرد مشروط بر اينكه C از رابطه زير بدست آيد.
(32-2)-
np: نسبت تخلخل و مصالح بستر
k: از رابطه زير بدست مي آيد
(33-2)-
24- روش شفايي:
در اين رابطه K از رابطه زير بدست مي آيد (رابطه اولريچ) و مقدار 423/0= C اختيار مي شود كه در نتيجه جواب به حاصل داده هاي آزمايشگاهي است و همكاران نزديك است. همچنين اين رابطه به صورت زير بيان مي شود.
(34-2)-

25- تحقيقات هلستروم:
با توجه به مشكل بودن اندازه گيري سرعت در آب در كف كانال هلسترم مطالعات خويش را بر پايه سرعت متوسط جريان قرارداد و سپس براي كانالهايي با عمق آب حداقل m1 شكل 5ازضميمه1 را ارائه كرد. اين شكل رابطه بين اندازه ذرات و سرعت متوسط جريان را براي سر وضعيت فرسايش، انتقال رسوب و رسد بگذاري نمايش مي دهد.
در يك عمق بخصوص مي توان رابطه مابين سرعت مجاز و قطره ذره را از شكل تعيين كرد و چنانچه لازم باشد در عمقهاي ديگر نيز مي توان ضريب تصحيحي را با مساوي در نظر گرفتن تنشهاي بحراني درد و عمق مختلف بدست آورد. بدين منظور ضريب تصحيح k از رابطه زير بدست مي آيد.
(35-2) -
26- روش وانوني:
نتايج تحقيقات مختلف در مورد رابطه بين سرعت بحراني و ميانگين اندازه ذرات توسط وانوني به منظور طراحي كانالهايي با جداره هاي پايدار در شكل 6از ضميمه 1 ارائه شده است.
27- روش مير- پيتر و مولر:
اين رابطه جهت تعيين ميزان بار بستر ارائه شده كه مي توان اندازه ذرات رسوبي را كه در آستانه حركت رسوب جابجا مي شوند به صورت زير ارائه كرد.
(36-2)-
S: شيب طولي آبراهه
D: متوسط عمق جريان
K1: عدد ثابت ( در سيستم انگليسي 0.19 و در سيستم متريك 0.058)
N: ضريب زبري مانينگ در كف آبراهه
D90: اندازه ذره اي از مصالح بستر كه 90% وزني دانه هاي بستر از آن بندازه كوچكتر باشند.
D: اندازه ذرات رسوبي در لايه محافظ

28- روش U.S.B.R:
در اين روش براي طراحي كانالهاي پايدار رابطه اي بين تنش برشي بحراني و متوسط قطر دانه هاي رسوب پيشنهاد شد كه در شكل7 ازضميمه 1 ارائه شده است.
(2-3)- محاسبات اندازه حركت براي رودخانه سيستان
شروع حركت وقتي صورت مي گيرد كه سرعت برشي از سرعت برشي بحراني بيشتر مي شود.
جدول زير داده هاي اوليه مربوطه را نشان مي دهد.
جدول 1 : داده هاي اوليه مربوط به رودخانه سيستان[7]
دبي
عمق m تنش برشي بستر
سرعت برشي بستر cm/s سرعت متوسط cm/s
63 2/1 030/0 40/5 4/63
173 2/2 055/0 30/7 3/93
379 5/3 088/0 30/9 4/124
600 59/4 115/0 6/10 6/146

با استفاده از دياگرام گسلروسايرروشهاي موجود حداكثر قطر ذرات، رسوبات قابل حركت در بستر كانال سيل بر محاسبه شده است و در جدول 2 ارائه شده است.

جدول 2
آبگذر m3/s شيلدز
گسلر ليو بوگاردي ايگيازارو ف هيل ين و بوگاردي دانشگاه بوداپست
63 9/3 5/6 9/3 8/2 6/3 3/5 4
173 7 12 1/7 2/5 8/5 5/12 1/9
379 5/11 2/19 4/11 2/8 8/8 6/23 8/16
600 7/14 1/25 8/14 8/10 6/11 0/34 8/23

نيل گنچاروف اشترآب رونتر لين
1 5/1 5/0 ¼ 01/0
½ 3/3 2/1 7/8 5/1
6/3 1/6 4/2 2/15 5
5/5 6/8 4/3 21 2/6

با استفاده از فرمول Liu براي شرايط آستانه حركت بصورت:
(37-2)- 45.7 Da =تنش بحراني
قطر ذرات قابل كنده شدن محاسبه مي شود.
به ازاء آبگذرm3/s 63 تنش برشي بر اساس جدول 1 به دست آمده و با استفاده از فرمول فوق Da محاسبه مي شود.
0.03=45.7 Da Da=6.5
از تئوري هاي ديگري هم استفاده شده كه نتايج حاصله در جدول آمده است.

ارقام به دست آمده از تئوري گنچاروف در ستون مربوطه ارائه شده است.
رابطه گنچاروف:
(38-2)-
D: قطر رسوب mm
D: عمق جريان m
Uac: سرعت متوسط
رابطه اشتراب:
Uac=75.97 . (39-2)-
رابطه رونتر:
Uac=115.575 -(40-2)
همانگونه كه از جدول استنباط مي شود نتايج حاصل از روشهاي مختلف پراكندگي زيادي دارند و اين امر طبيعي است. زيرا هيچيك از اين شرايط جامع و كامل نيست و هر كدام تحت شرايط خاصي صادق هستند. ولي مي توان يك نتيجه مهم را استنباط كرد كه فرسايش در جريانات بالا رخ مي دهد و اندازه هاي محاسبه شده از اندازه رسوبات موجود بزرگتر هستند.

تئوري هلستروم
طبق اين تئوري اندازه ذرات طبق جدول زير آمده است.
تئوري هلستروم جدول3
آبگذر
سرعت متوسط
قطر رسوبات بدون حركت حركت بصورت بار بستر فرسايش
63 63/0 > 10 4 تا 10 > 4
173 93/0 16> 7 تا 16 > 7
379 24/1 28 > 13 تا 28 > 13
600 47/1 60 > 22 تا 60 > 22

(1-3)-1منحني دانه بندي:
مصالح رودخانه اي داراي اندازه هاي متفاوتي هستند. براي مشخص كردن اندازه اين ذرات آنها را از تعدادي الك كه روي هم قرا رگرفته اند عبور مي دهيم و سپس با داشتن وزن كل خاك و وزن ميزان باقي مانده بر روي هر الك مي توان منحني دانه بندي را كه روي يك كاغذ نيمه لگاريتمي رسم مي شود بدست آورد بدين ترتيب كه محور x مشخصه اندازه ذرات و محور y ها معرف درصد ريزتر يا عبوري از هر الك مي باشد. با توجه به منحني فوق مي توان پارامترهاي زير را محاسبه كرد:
1- ضريب يكنواختي: (cu)
(1-3)
خاك يكنواخت if cu < 4
خاك غير يكنواخت cu > 4 if
منظور از خاك غير يكنواخت خاكي است كه از مخلوط ذرات با اندازه هاي متفاوت تشكيل شده باشد.
2- اندازه متوسط ذرات:
عبارتست از اندازة ذره اي كه بر 50% وزني مصالح از آن كوچكتر هستند.
3- اندازه ميانه ذرات: اگر منحني دراز بندي را به چند قسمت تقسيم كنيم:
(2-3)-
: درصد وزني مصالح در هر قسمت
: اندازه متوسط هر قسمت
4- اندازه متوسط هندسي
(3-3)-
D16 و D84 : اندازه ذره اي كه به ترتيب 16 و 84 درصد وزني و صالح از آن كوچكتر است.
5- انحراف معيار هندسي
(3-4)-
از مي توان به عنوان شاخصي براي يكنواختي يا غير يكنواختي ذرات نيز استفاده كرد. چنانچه اگر
مصالح سبز يكنواخت است
رسوبات غير يكنواخت است
: انحراف معيار هندسي
اگر مصالح رودخانه اي داراي تئوابع نرمال باشد در اينصورت :
(5-3)-
(6-3)-
(7-3)-
(8-3)-
عبارتند از اندازه ذره اي كه به ترتيب 10، 16، 50، 60، 84، 90 درصد (وزني) ذرات كوچكتر از آن اندازه باشد.
دانه بندي رسوبات معلق و رسوبات بستر رودخانه سيستان متفاوت هستند. رسوبات بستر از همان نوعي است كه بستر رودخانه را تشكيل مي دهد و در حقيقت در آن تناسبي بين بستر رودخانه و رسوبات بار بستر وجود ندارد و مرتباً تبادلي بين اين دو صورت مي گيرد و مي توان با نمونه برداري از بستر رودخانه منحني دانه بندي بار بستر را اندازه گرفت.
از بستر رودخانه سيستان در جلوي دهانه آبگير نمونه برداري شده و دانه بندي آن در شكل 1ازضميمه 2 نشان داده شده است. بايد توجه نمود كه اين دانه بندي در تمام طول رودخانه يكسان نيست و به سمت پاياب مرتباً كوچكتر مي شود به نحوي كه مي توان رابطه زير را براي آن در نظر گرفت.
(9-3)-
: يك قطر معروف در ابتداي رود به سيستان
D: مقدار همان قطر در فاصله L از ابتداي رود سيستان
L : مسافت
: ضريبي كه با استفاده از مشخصات دانه بندي مصالح بستر رودخانه در پائين دست تعيين مي گردد.
(10-3)-
بر اساس اين مشخصات اصلي رسوبات بار بستر عبارتند از

جدول 1[9]
ابتداي رود سيستان بالا دست سد زهك
محدوده اندازه (mm) 1 تا 06/0 84/0 تا 06/0
قطر متوسط 17/5 14/0
قطر 50% 16/0 13/0
قطر 135% 13/0 12/0
قطر 90% 24/0 20/0

در جدول 2از ضميمه 2 توزيع قطر ذرات بستر دربازه هاي مختلف آمده است.
در مورد رسوبات معلق هم آزمايشات دانه بندي انجام نشده است اما با توجه به اينكه رسوباتي كه در مخازن چاه نيمه ته نشين شده رسوبات ريز دانه بار معلق رودخانه سيستان هستند مي توان با اين فرضيه دانه بندي رسوبات معلق را نيز به دست آورد.
بطوريكه از دانه بندي رسوبات كف مخازن چاه نيمه اسنباط مي شود ميانگين قطر ذرات به غير از چند مورد استثنائي زير ميكرون هستند. البته رسوبات نمونه برداري شده از مدخل دهانه كانال ورودي داراي اندازه بزرگتري هستند كه گمان مي رود مربوط به بار بستر نيز باشند. همچنين نمونه برداري ها نشان داد كه قطر رسوبات موجود در مخازن شماره 2 و 3 و قسمت اعظم مخزن شماره يك در حد ماسه بادي مي باشد كه قبلاً از طريق باد و در اثر فرسايش تپه هاي شني ايجاد شده و يا در واقع ذراتي هستند كه قبل از بهره برداري از مخازن در اين محل انباشته شده و بخصوص در درياچه هاي 2 و 3 هنوز توسط رسوبات ريزتر حمل شده بوسيله آب پوشانده نشده اند. آبهاي حاوي بار رسوبات معلق كانال ورودي علي الخصوص در برخورد با توده آب صاف محزن شماره يك و از بين رفتن سرعت جريان، ذرات معلق خود را در همين قسمت مخزن برجاي مي گذارند.
شكل 2ازضميمه2 نشان دهنده منحني دانه بندي رسوبات معلق مي باشد.

(2-3)-روشهاي محاسبه ميزان رسوب
(1-2-3)-تعاريف:
بار بستر:
به رسوباتي كه روي بستر كانال در حركت هستند بار بستر گويند
دبي بار بستر:
مقدار حجم بار بستر عبوري از يك سطح مقطع مشخص در واحدزمان و به آن قسمتي از دبي كل رسوب كه مشتمل بر ذراتي است كه در كف رودخانه يافت مي شود دبي مواد بستر گوئيم. دبي مواد بستر معادل با ظرفيت حمل رسوب رودخانه است.
بار مواد خيلي ريز با آبرفتي:
قسمتي از دبي كل رسوب كه ريزتر از مواد كف بستر هستند و در آب معلقند.
بار رسوب:
رسوباتي كه توسط جريان در حركتند.
دبي رسوب:
مقدار حجم كل رسوباتي كه از واحد سطح در واخد زمان عبور مي كنند.
رسوبا ت حمل شده در سال:
كل رسوب خارج شده از حوضه آبريز در سال.
دبي كل رسوب:
به مجموع بار معلق و بار بستر گويند.
(2-2-3)-روشهاي تعيين بار بستر:
1- معادله دوبولي
اين معادله فرض مي كندكه رسوبات بستر به صورت لايه اي بر روي هم حركت مي كنند كه در اين حالت لايه رويي داراي بيشترين سرعت مي باشد.
رابطه دوبولي به صورت زير است:
(11-3)-
(12-3)-

: ضريب فرمول دوبولي بر حسب
: بار بستر
: سرعت لايه دوم
: ضخامت هر لايه
: تنش بررسي بحراني برحسب
: اندازه متوسط ذرات بر حسب mm
2-رابطه کيسي:
اين روش بر مبناي داده هاي آزمايشگاهي استوار است.
کيسي دو رابطه زير را اراده كرد:
1- بستر ماسه اي يكنواخت:
(13-3)-
(14-3)-
: اندازه ميانه ذرات رسوبي بر حسب mm
3-رابطه شيلدز: شيلدز رابطه بدون بعدي به صورت زير را ارائه كرد كه مي توان از آن در هر سيستمي استفاده كرد.
(15-3)-
: اندازه متوسط ذرات
: تنش برشي بستر
: شيب خط انرژي
: تنش برشي بحراني كه از دياگرام شيلدز به دست مي آيد
: دبي جريان در واحد عرض كانال
: بار بستر كه به صورت حجمي محاسبه مي شود.
اين رابطه بر اساس داده هاي آزمايشگاهي به دست مي آمد.
4-رابطه مير – پيتر:
(16-3)-
: بر حسب فوت
: بر حسب
5-معادله شوكليچ:
در اين روش بجاي استفاده از تنش برشي بحراني از دبي استفاده شده است. دبي بحراني دبي است كه تحت آن مواد بستر در آستانه حركت قرار مي گيرند، اين فرمول بيشتر براي رودخانه هاي شني كاربرد دارد.
شوكليچ روابط زير را ارائه كرد.
الف:در سيستم انگليسي:
(17-3)-
:‌اندازه ذرات رسوبي بر حسب فوت
: درصدي از ذرات رسوبي به اندازه
: دبي جريان در واحد عرض رودخانه بر حسب
: بار بستر بر حسب
: از فرمول زير به دست مي آيد:
(18-3)-
اگر بخواهيم بار بستر را براي رودخانه اي به عرض B بر حسب تن در روز حساب كنيم از رابطه زير استفاده مي كنيم.
(19-3)-
ب:در سيستم متريك
(20-3)-
: بر حسب
: بر حسب
: بر حسب
:
5-فرم تكميل يافته مير – پيتر و مولر:
اين روش بر اساس مطالعات آزمايشگاهي بدست آمده و در رودخانه هايي استفاده مي شود كه بار بستر دارند و بار معلق آنها ناچيز است.
اين رابطه به صورت زير است.
(21-3)-
: نرخ انتقال بار بستر در واحد زمان، در واحد عرض آبراهه، دبي وزني رسوب (ton/sec/m)
: اندازه ميانه ذرات
: درصدي از ذرات كه داراي اندازه مي باشند.
: در اين رابطه بخشي از شيب خط انرژي كل مي باشد كه بر اثر مقاومت دانه ها در برابر جريان به وجود مي آيد و در حركت بار بستر مؤثر است و از رابطه زير به دست مي آيد:

R : شعاع هيدروليكي (m)
S : شيب خط انرژي
: جرم مخصوص آب
: به ترتيب وزن مخصوص رسوب و آب
براي بدست آوردن از دياگرام مودي استفاده مي شود.
رابطه مير – پيتر و مولر ارائه شده توسط bvBr:
(22-3)-
: نرخ انتقال بار بستر
: دبي جريان آبكه حمل و نقل مواد بستر را تعيين مي كند.
: دبي كل جريان
: عمق متوسط
: شيب خط انرژي
: توسط VSBR به صورت زير معرفي شده است.
الف:براي كانال هاي مستطيل شكل
(23-3)-
كه در آ‌ن (24-3)-(
ب:براي كانال هاي ذوزنقه اي
(24-3)-
كه در آن
(25-3)-
در اين روابط
: ضريب زبري كل مقطع
: ضريب زبري بستر
: ضريب زبري بدنه رودخانه
: شيب بدنه كانال
6-روش كالينسكي:
كالينسكي با بدست آوردن رابطه زير شكلي رسم کرد كه با توجه به آن مقادير ، ، و مي توان مقدار را بدست آورد.
(26-3)-
: از رابطه به دست مي آيد.
: متوسط اندازه ذرات
: سرعت برشي
: دبي رسوب (بار بستر) در واحد عرض آبراهه
شكل 3ازضميمه2 نشان دهنده معادله بار بستر كالينسكي مي باشد.
7-روش چانگ، سايمونز و ريچاردسون:
اين دانشمنمدان در سال 1967 معادله بار بستر را به صورت زير ارائه كردند:
(27-3)-
: ضريب ثابت
: زاويه ايستايي دانه هاي رسوبي غوطه ور
: ضريبي است كه بر اساس نتايج آزمايشگاهي به دست مي آيد و آنرا مي توان از شكل 4ازضميمه2 به دست آورد.
بكار رفته در شكل 4ازضميمه2 كمي بزرگتر از دانه هاي بستر است.
8-رابطه دونات:
دونات در سال 1929 با فرض يكسان بودن ضريب شزي در عمقهاي نرمال و بحراني رايطه زير را ارائه كرد:
(28-3)-
: ضريب زبري شنزي
: وزن مخصوص آب
: به ترتيب سرعت متوسط و سرعت بحراني در آستانه حركت
:ضريب ثابتي است که از شکلهاي ارائه شده توسط دونات بدست مي ايد