پروژه رشته محیط زیست درمورد وقوع سیلاب و آثار مخرب آن – قسمت سوم

 

-4-1- انواع فرمولهای بار بستر:

این فرمولها به سه طبقه تقسیم می شوند:

الف- فرمولهای دبی جریان كه در آنها بار بستر تابعی از دبی جریان است. نظیر:
Schoklitsch (1934) و (1935) Cusey و ( 1940) Hay wcod و فرمول.

ب- فرمولهای نیروی برشی كه بار بستر تابعی از پارامتر (To-Tc) می باشد نظیر: فرمول
(1915) Straub و (1935) Shields و (1947) Kalinske (1946) Peter and muller – meyer .

نکته مهم : برای استفاده از متن کامل تحقیق یا مقاله می توانید فایل ارجینال آن را از پایین صفحه   کنید. سایت ما حاوی تعداد بسیار زیادی مقاله و تحقیق دانشگاهی در رشته های مختلف است که می توانید آن ها را به رایگان   کنید

ج- فرمولهای زبری نسبی كه در این روابط پارامتر موثر در انتقال بار بستر نسبت یعنی نسبت قطر ذرات به عمق جریان است كه روابط (1957) Laursen ، (1959) Rottner از آن جمله اند. فرمول مهمی نظیر (1950) Einstein نیز در تقسیم بندی فوق قرار دارند. در اینجا به مشروح فرمول Moller   Peterand -Meyer كه بیشتر مورد توجه قرار گرفته است اشاره می شود:

– فرمول بار بستر مایرپیتر و مولر                                      Meyer -Peter And Moller

این فرمول به صورت زیر ارائه شده است:              

(2-8)
(3-9)                                                                      

كه در روابط فوق:

g : شتاب ثقل

: ضریب اصطحكام دارسی ویزپاخ برای زبری ذرات ماسه ای بستر

rb : شعاع هیدرولیكی

v : سرعت متوسط جریان

: وزن مخصوص رسوبات

: وزن مخصوص سیال

qs : دبی بار بستر

dm : قطر متوسط ذرات بستر

همانطور كه مشاهده می شود پارامتر تنش برشی موجود است كه در دو ضریب و ضرب شده است. و در طرف دوم معامله ترم اول تنش برشی بحرانی است.

در اصل تاثیر فرم بستر را در نظر می گیرد كه تنش برشی موثر بر ذرات رسوب در اثر وجود فرم بستر نظیر Dunne یا Ripple كاهش می یابد. مقدار   با استفاده از فرمول (3-9) بدست می آید و معمولآً عددی بین 5/0 تا 1 می باشد در صورتی كه فرم بستر وجود نداشته باشد این مقدار برابر 1 است. درهمین ارتباط برای بدست آوردن از دیاگرام مودی دو نسبت بدون بعد عدد رینالدز و ضریب اصطكاك نسبی بدست می آید. نیز تاثیر آن بخش از دبی كل رودخانه را كه باعث حمل مواد بستر می گردد در نظر می گیرد. این مقدار توسط (1960) USBR برای شكلهای مختلف كانال از جمله مستطیلی و ذوزنقه ای به صورت زیر ارائه شده است و در رودخانه های عریض این نسبت برابر 1 فرض می گردد.

برای كانالهای مستطیلی:

(3-10)                                                                  

برای كانالهای ذوزنقه ای :

(3-11)                                                         

و مقدار nb برای كانالهای مذكور از روابط ذیل :

برای كانال مستطیلی:

(3-12)                                                         
برای كانال ذوزنقه ای :

                                                         
كه در روابط فوق:

n : ضریب زبری مانینگ برای كل

Nb : ضریب زبری بستر

Nw : ضریب زبری بدنه می باشند.

همچنین برای تعیین dm به این طریق عمل می شود كه، اگر خاك یكنواخت باشد این مقدار میانگین هندسی بین بزرگترین و كوچكترین عدد است. و ا گر خاك یكنواخت نباشد در منحنی دانه بندی مواد بستر برای هر قسمت یك متوسط هندسی Dsi بدست آورده كه اب توجه به اینكه آن قسمت چه درصدی از كل ذرات (pi) را به خود اختصاص می دهد. dm از ارتباط زیر بدست می آید:

(3-14)                                                                             
لازم به ذكر است كه روابط (3-8) و (3-9) در هر سیستم ابعادی قابل استفاده هستند.

فرمول مایر پیتر و مولر بر اساس اطلاعات بدست آمده از آزمایشات در فلومهای با عرضهای 15 سانتیمتر تا 2 متر و با شیب های متغیر از 00004/0 تا 02/0 و عمق جریان از 1 تا 120 سانتیمتر می باشد و اندازه های میانگین قطر موثر ذرات dm بكار رفته از 4/0 تا 30 میلیمتر بوده است. از مزایای این روش در نظر گرفتن تاثیر فرم بستر می باشد. این ارتباط با توجه به شرایط آزمایش برای جریانهای با مقدار بار رسوب معلق كم یا جریانهای فاقد بار معلق پیشنهاد شده و برای جریانهای با بار معلق زیاد متعبر نمی باشد.

این فرمول از جمله فرمولهایی بود كه جزء فرمولهای نیروی برشی قرار می گیرد. یك فرمول نیز از انواع فرمولهای دبی جریان ذیلاً به اختصار آورده شده است.

– ارتباط شوكلیج   (1934) Schaklitsch :

در حقیقت دبی بار بستر در این ارتباط به عنوان تابعی از پارامتر (q-qci ) می باشد. qci اصطلاحاً دبی بحرانی نام دارد و آن دبی است كه تحت آن، مواد بستر در آستانه حركت (Incipient Motion) قرار دارند. این فرمول بر اساس اطلعات آزمایشگاهی بدست آمده و برای رودخانه شنی با بار معلق كم مناسب است. مقدار بار بستر در سیستم متریك از ارتباط زیر بدست می آید.

(3-15)                                                         
و qci مقدار جریانی كه باعث حركت ذرات می شود:

(3-16)                                                                   
مطالعات انجام شده در این روش بر روی خاكهای غیر یكنواخت بوده و این روش D50 به عنوان قطر مشخصه ذرات قبول ندارد. در این روش پس از ترسیم منحنی دانه بندی مواد بستر با توجه به تغییرات منحنی به چند قسمت تقسیم شده كه هر قسمت درصدی از ذرات را دارا می باشد(Pi) و برای هر دامنه قطر موثری (Dsi ) از طریق متوسط هندسی             بدست می آید.

كه در آن q بار معلق برحسب (1B/Sec/ft)

q : دبی

a : ارتفاع نسبت به بستر رودخانه                      (ft)

c : غلظت مواد معلق برحسب وزن

w : سرعت سقوط شده            (ft/sec)
U* : سرعت برشی ذره            (ft/sec)

d : عمق آب (ft)

PL : تابعی است از و می باشد كه n ضریب زبری مانینگ و مقدار PL از گراف بدست
می آید.

3-4-3- فرمولهای محاسبه باركل (دبی رسوبی كل)

همانگونه كه قبلاً ذكر گردید. روشهای برآورد دبی بار رسوبی كل شامل روشهای میكروسكوپی و ماكروسكوپی می باشند. از جمله روشهای میكروسكوپی روش انیشتن (Einstein’s Method ) است. در حقیقت این روش شامل محاسبه بار بستر و بار معلق برای هر قسمت از منحنی دانه بندی است كه با جمع این دو بار، بار كل به دست می آید.

ارتباط (3-26) را در نظر گرفته و بار كل را برای هر محدوده از قطر ذرات از ارتباط زیر می توان بدست آورد.

(3-33)                                                         
كه در آن it درصدی از بار كل در محدوده ای از منحنی دانه بندی ذرات رسوب است و میزان كل رسوب حمل شده در واحد عرض به صورت بدست می آید و بار كل در تمام Q از ارتباط زیر محاسبه می شود.

(3-34)                                                                             

كه B برابر عرض كانال می باشد.

از میان روشهای ماكروسكوپی نیز چند روش به شرح ذیل ارائه می گردد.

– روش لارسون                     (Laursen’s Method ):

لارسون پارامترهای مهم ذیل را در مطالعه و تعیین بار كل در نظر گرفت. نسبتهای  ( U* سرعت برشی Wo سرعت سقوط ذرات d قطر ذره و D عمق جریان ) غلظت بار كل C برحسب درصد وزنی و نسبت تلاش برشی موجود به تلاش برشی بحرانی برای اندازه رسوب مورد نظر و بخصوص آنالیز عالمانه و مبتنی بر درك مستقیم و باعث ارائه تابع ذیل گردید:

(3-35)                                        * q=Qt       

در این ارتباط تلاش برشی موثر O. برحسب 1b/ft از ارتباط حاصل می شود. این ارتباط از تركیب دو معادله مانینگ و استریكلر بدست آمده است.  تلاش برشی بحرانی نیز از دیافراگم شیلدز نتیجه می شود. بنابراین پس از تعیین و ضرب در دببی واحد عرض كل دبی رسوب حمل شده مشخص می گردد.

* – فرمول كریم و كندی                   (Karim and Kennedy’s equation):

كریم و كندی با استفاده از آنالیز رگرسیون (Regression analysis) اطلاعات بدست آمده از فلومهای آزمایشگاهی و رودخانه های طبیعی سعی كردند معادله ای را برای تعیین غلظت متوسط رسوب بدست دهند. همچنین با بهره گیری از همان روش معادله ساده ای را برای محاسبه دبی بار رسوبی كل به صورت زیر ارائه كردند.

(3-36)

كه در این ارتباط
                                 

كریم و كندی این معامله را برای پیش بینی بار رسوبی تعداد زیادی از فلومها و رودخانه ها كنترل كرده و این پیش بینی ها عموماً از دقت خوبی برخوردار بوده اند شكلهای دیگری از معامله كه با موفقیت در بسیاری از مدلهای ریاضی كف كنی و بالا آمدن بستر بكار رفته است به صورت زیر
می باشد. جین و پارك (Jain & Park ) در دو مطالعه جداگانه و دو مدل ریاضی برای پیش بینی پروفیل بستر رودخانه با تاكید بر برا رسوبی و تخمین كف كنی بستر رودخانه از شكلهای دیگری از معامله (1981) karim بهره یافته اند.

  • معامله كریم در پیش بینی بار رسوبی كل در مدل ریاضی برآورد تغییرات بستر (بالا آمدن بستر) ناشی از افزایش بار رسوبی بكار رفته به صورت زیر:

(3-37)                             

كه در آن:

در معادلات فوق متغیرهای بكار رفته عبارتند از:

qs : دبی بار رسوبی.

u : سرعت جریان.

D: قطر متوسط.

S : و.زن مخصوص مواد بستر و مساوی 65/2.

U* : سرعت برشی.                                                                

U*C : سرعت برشی بحرانی برای لحظه شروع حركت (آستانه حركت       

R* : عدد رینالدز مرزی                                                                     

مقادیر (R* ) f با استفاده از دیاگرام شیلدز بدست می آید و دامنه تغییرات آن 0.032-0.032 می باشد برای R*=4-50 ( ماسه خیلی ریز تا ماسه درشت) بعضاً یك مقدار ثابت 0.035 برای (R* ) f در مطالعات در نظر گرفته می شود 0.035 = (R* ) f ، لازم به ذكر است كه در روابط فوق دبی با رسوبی به شیب خط انرژی Sf بستگی دارد.

  • معامله كریم در حالت بی بعد در مدل ریاضی تخمین كف كنی بستر به شكل زیر بكار رفته است. C* در ارتباط زیر نسبت q*=q/qo , qs*/q* كه در آن qo دبی ارتباط برای حالت جریان ماندگار یكنواخت (شرایط اولیه) است و qs*=qs/qso.

كه در آن Sf شیب خط انرژی از ارتباط زیر بدست می آید:

در معادلات فوق YO عمق اولیه D ، قطر متوسط مواد بستر ، R*,D*=D/YO عدد رینالدز مرزی S=2.65 و f(R*)=0.035 در نظر گرفته می شود.

علاوه بر فرمولها، روشهایی نیز برای تخمین دبی بار رسوبی از نمونه های بار معلق و دبی اندازه گیری شده و استفاده از روابط توانی با شكل كلی وجود دارد. نمای ns برای جریان های با بستر ماسه ای بین 2 و 3 قرار دارد. این روابط فقط برای رودخانه و ایستگاه اندازه گیری كه اطلاعات بدست آمده منجر به تعیین B و ns شده است معتبر می باشند. و مقادیر مذكور از رودخانه ای به رودخانه دیگر متفاوت است. مقدار ns ذكر شده برای حالتی است كه qs دبی وزنی رسوب باشد. در حالتی كه q دبی جریان و qs دبی بار رسوبی هر دو حجمی باشند، معمولاً مقدار ns تقریباً برابر 5 است.

همچنین برخی رواب، دبی بار رسوبی را تابعی از سرعت دانسته و ارتباط ای به شكل كل            ( برای واحد عرض) ارائه كرده اند. مقادیر ثابت a و B بطور نمونه در مطالعات Chadhry و Murty به ترتیب برابر و 5 بدست آمده است.

3-6-1- پیش بینی پروفیل بستر در شرایط جریان شبه پایدار:

در این حالت بعلت فرض جریان شبه پایدار معادله حاكم بر حركت جریان معادله انرژی می باشد كه شكل كلی آن به صورت (3-42) ارائه می شود. این معادله از طریق گام استاندارد (Standard Step Method ) حل شده و پروفیل سطح آب را به دست می دهد. با مشخص شدن پروفیل سطح اب برای دبی مورد نظر، پارامترهای مهم هیدرولیكی مورد نیاز برای محاسبه ظرفیت حمل رسوب در مقاطع مختلف تعیین می گردند. سپس معادله پیوستگی رسوب با استفاده از روشهای تحلیلی یا عددی حل شده و تغییرات بستر بدست می آید. مدلهای عددی متعددی بر این اساس پایه ریزی شده اند كه معروفترین آنه مدل HEC-6 است. همچنین مدل ارائه شده توسط توماس (Thomas ) و پراسون (Prasuhn) در سال (1976) برای پیش بینی فرسایش و رسوبگذاری از آن جمله اند. در این مدلها معادله پیوستگی با استفاده از روش تقاضاهای محدود صریح حل می گردد. معادله انرژی در حالت كلی به صورت زیر است:

كه در آن:

Ws : تراز سطح آبی.

Q: دبی جریان.

A : سطح جریان.

: ضریب توزیع سرعت در كه معمولاً برابر یك فرض می شود.

HL : افت انرژی بین دو K-1 و K می باشد.

3-7- مروری بر مطالعات انجام شده:

تلاشهای فراوانی جهت دستیابی به روشهای تخمین مطمئن كف كنی و بالا آمدن بستر صورت گرفته است. این روشها بطور كلی عبراتند از:

  • مطالعات تجربی و آزمایشی.
  • روشها و راه حلهای تحلیلی معادلات حاكم.
  • شبیه سازی عددی.

برخی مطالعات تجربی ارائه شده به منظور مطالعه تغییرات كوتاه و بلند مدت بستر بطور خلاصه ذیلاً آمده است:

(1954 ) Lane and borland ، آبشستگی (Scour) بستر رودخانه را در اثناء وقوع سیل مطالعه كردند.

(1960) Brush, Wolman ، تغییرات زمانی تراز بستر، ناشی از جابه جایی نقاظ تغییر شیب ناگهانی بستر كانال (Migration of knick point ) را اندازه گیری كردند.

(1951) Newten ، اطلاعات آزمایشگاهی را برای كف كنی بستر به دلیل كاهش بار رسوبی بدست آورد.ك (1980) Soni et al ، بالا امدن بستر ناشی از افزایش بار رسوبی را مطالعه كردند.و

(1981) Begin et al ، كف كنی ناشی از پایین افتادن سطح مبنا را در كانالهای آبرفتی، بطور تجربی و آزمایشی مطالعه نمودند.

(1969) Suryanorayana ، اطلاعات تجربی را در باره كف كنی بستر در مجاری آبرفتی در پایین دست سدها بدست آورد.

روشها و راه حلهای تحلیلی نیز همانگونه كه قابلاً ذكر گردید با ساده كردن معاملات حاكم برای تشریح پدیده پیچیده كف كنی و بالا آمدن بستر ارائه گردیده است. بطور مثال (1980( Soni et al یك مدل آنتشار خطی را برای پیش بینی پروفیلهای ناپیدار بستر ناشی از زیادی بار رسوب بكار بردند، (1981 ) jain متذكر شد كه در شرایط مرزی در نظر گرفته شده توسط Soni et al خطایی وجود دارد. ولی با استفاده از شرایط مرزی مناسبتری یك راه حل تحلیلی ارائه داد و نتایج محاسبات خود را با اطلاعات تجربی مقایسه نمود كه رضایت بخش بود.

(1981) Begin et al ، از یك مدل انتشار برای محاسبه و پیش بینی پروفیلهای طولی ایجاد شده ناشی از پایین افتادن سطح مبنا استفاده كرد.

(1983a,b) Gill، معادله انتشار خطی را برای برآورد كف كنی و بالا آمدن بستر با استفاده از سری فوریه (Fourier Series ) و روشهای تابع خطا (Error function method) حل نمود.

(1984) Jain و Jaramillo ، یك معادله غیر خطی سهمی و دیفرانسیل جزیی را ارائه نموده و آنرا با روش باقیمانده تفاضلها (Residuls) حل كرد و نتایج محاسبات خود را با داده های تجربی كه توسط

(1951) Newten بدست آمده بود. همچنین با اطلاعات تجربی (1980) Soni et al مقایسه كردند.

(1987) Gill(1987), Zhang, Kohawita نیز راه حلهای غیر خطی برای پیش بینی كف كنی و بالا آمدن بستر ارائه كردند كه با اطلاعات تجربی مقایسه شده و نتایج بهتری نسبت به راه حلهای خطی بدست داد.

بطور كلی متذكر می گردد كه مدلهای خطی در شرایبط جریانهای شبه پایدار (Quasi Steady) نتایج بهتری نسبت به مدلهای غیر خطی سهمی بدست می دهد. اما بایستی توجه كرد كه این فرض برای تخمین تغییرات تراز بستر در اثناء وقوع سیل یا در شرایط جریانهای غیر ماندگار معتبر نمی باشد. چون محاسبات پروفیل سطح آب بر اساس شیب كف است. بنابراین معادلات كامل جریان غیر ماندگار و معادله پیوستگی رسوب عموماً بوسیله تكنیك های عددی حل می شوند.

(1986) Holly ، Cange et al (1980),Dawdy , Vanion (1966) كارهای زیادی در این زمینه انجام داده و اقدام به شبیه سازی عددی كانالهای آبرفتی نمودند.

(1986) Lu, Shen ، مدلهای عددی متعددی را برای پیش بینی كف كنی و بالا آمدن بستر تهیه نموده و نتایج حاصل از این مدلها را با اطلاعات بدست آمده به وسیله (1969)Suryanarayana مقایسه كردند. (1986) Park, Jain روش Preissmann را در مدل غیر ماندگار كوپل نشده خود برای تحلیل بالا آمدن بستر ناشی از جائیكه تغییر شیب بسیار زیاد بوده، ناگزیر از انجام عملیات سعی و خطا بوده اند.

برای دیدن قسمت های دیگر این تحقیق لطفا” از منوی جستجوی سایت که در قسمت بالا قرار دارد استفاده کنید. یا از منوی سایت، فایل های دسته بندی رشته مورد نظر خود را ببینید.

لینک متن کامل

Leave a comment