چکیده:

  فرایند انتقال رسوب یک پدیده کاملا پیچیده، متغیر و غیر خطی می باشد. بطوریکه رفتاررودخانه درظرفیت انتقال رسوب به ازای یک دبی معین درزمان های مختلف متفاوت می باشد. بنابراین به علت پیچیده بودن مکانیزم انتقال رسوب وتعدد عوامل موثر بر آن، برآورد و پیش بینی ظرفیت حمل رسوبات و تعیین هیدروگراف رسوب همراه با عدم قطعیت می باشد. با شناسایی عوامل موثر بر انتقال رسوب و میزان تاثیر آنها و با سنجش دقیقتر عوامل موثر، می توان عدم قطعیت در برآورد رسوب را کاهش داد. از جمله روشهای برآورد عدم قطعیت یک متغیر خروجی، آنالیز حساسیت آن نسبت به متغیر های ورودی می باشد. در این تحقیق ابتدا هیدرولیک سیلاب و رسوب در رودخانه کارون بازه ملاثانی تا فارسیات با استفاده از مدل ریاضی شبیه سازی شد. سپس آنالیز حساسیت دبی رسوب کل عبوری از ایستگاه هیدرومتری اهواز نسبت به متغیر های ورودی و پارامتر های مدل مورد نظر انجام گردید. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت نشان می دهد که دبی رسوب کل به ترتیب نسبت به تغییرات تنش بحرانی شیلدز، ضریب زبری مانینگ، دمای آب و روش سرعت سقوط ذرات معلق رسوب حساسیت دارد. به طوری که با افزایش 30% در تنش بحرانی شیلدز، میانگین دبی رسوب کل 23.68% کاهش می یابد و با کاهش 30% در تنش بحرانی شیلدز، میانگین دبی رسوب کل 40.82 درصد افزایش می یابد. همچنین با افزایش 30% در ضریب زبری مانینگ، میانگین دبی رسوب کل  25.18%   کاهش و با کاهش 30% در ضریب زبری مانینگ ، میانگین دبی رسوب کل %38.1 افزایش می یابد. با افزایش 30% در دمای آب، میانگین دبی رسوب کل  18.93%  کاهش می یابد و با کاهش 30% در دمای آب، میانگین دبی رسوب کل %25.63 افزایش می یابد. علاوه بر این اگر ذرات معلق رسوب با روشهای Toffaleti ، Van rijn و Ruby سقوط نمایند، میانگین دبی رسوب کل عبوری به ترتیب 0.2%، 0.8% و 2.1% نسبت به روش سرعت سقوط حاصل از کالیبراسیون مدل ( روش Report12) افزایش می یابد. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت دبی رسوب کل عبوری در مقطع اهواز نسبت به تغییرات دانه بندی مواد بستر  نشان می دهد که با افزایش و کاهش دانه بندی بستر در تلورانس تعیین شده میانگین و مجموع دبی رسوب کل عبوری  هیچ تغییری نخواهد کرد. با توجه به نتایج حاصل از آنالیز حساسیت، میزان عدم قطعیت در میانگین دبی رسوب کل عبوری در مقطع ایستگاه هیدرومتری اهواز به علت عدم قطعیت در متغیرهای ورودی و پارامترهای مدل ،  برابر با 66% می باشد.

مقدمه:

امروزه اهمیت آب بر هیچ کسی پوشیده نیست. اکثر تمدن های گذشته در نزدیکی منابع آب بنا نهاده شده اند. گذشت زمان بر جمعیت جهان افزوده و این امر باعث شده است تا بر اهمیت و ارزش آب اضافه گردد. یکی از مهمترین منابع آبی که در دسترس بشر بوده و هست رودخانه ها هستند.

به همین دلیل انسان در طول تاریخ سرمایه گذاری های زیادی را در جهت کنترل و بهره برداری از آب رودخانه ها نموده است. احداث سدها وبندهای مختلف در مسیر رودخانه ها از جمله این سرمایه گذاری ها بوده است. از آنجا که بستر رودخانه ها معمولا از مصالح آبرفتی تشکیل شده اند، دائمأ در حال فرسایش و دگر گونی هستند. این امر باعث میشود تا ذرات خاک که اصطلاحأ به آنها ذرات رسوبی گفته میشود، از بستر و جداره ها جدا شده و بصورت رسوبات معلق و یا رسوبات بستر به حرکت در آیند.

به طور کلی شناخت، تجزیه و تحلیل و پیش بینی میزان تغییرات مشخصات ژئومتری مربوط به رودخانه ها از پیچیده ترین و در عین حال مهمترین مباحث هیدرولیک رسوب و مهندسی رودخانه می باشد. در حال حاضر با پیشرفت کامپیوتر این امکان به وجود آمده که تئوریهای مربوط به هیدرولیک و رسوب به صورت مدل های ریاضی در آمده و سپس به کمک برنامه های کامپیوتری حل گردند.

خسارت وارده توسط فرسایش سواحل و ته نشینی رسوبات رودخانه ای به طبیعت ، کشاورزی و سازه های آبی ساخته شده بر روی رودخانه ها و یا در کنار آن بسیار گسترده و وسیع و زیان آور می باشد. برای جلوگیری و یا به حداقل رساندن خسارت وارده ، باید سه فرایند فرسایش، انتقال و ته نشینی مواد رسوبی را مورد مطالعه قرار داد. این فرایندها دارای پیچیدگی خاصی میباشند ، زیرا عوامل مؤثر در به وجود آوردن این فرایندها بسیار زیاد می باشند. در فرایند فرسایش ذرات خاک توسط ضربه قطره های باران و یا توسط نیروهای بوجود آمده در اثر حرکت آب، از بستر خود جدا می شوند. سپس ذرات جدا شده در آستانه حرکت قرار می گیرند و در صورتی که نیروهای وارد شده از سوی آب بیشتر از نیروهای مقاوم باشند، ذره همراه با جریان آب منتقل می شود. شرایط شروع آستانه حرکت ذرات و میزان انتقال آنها، به خصوصیات مواد رسوبی چون اندازه، شکل و چگالی ذره و همچنین به خصوصیات جریان ، نظیر سرعت ، عمق و نیز به خصوصیات شکل رودخانه نظیر شعاع هیدرولیکی، شیب و غیره بستگی دارد. چنانچه در مسیر انتقال به هر دلیلی نیروهای وارد شده از طرف آب کاهش یابد، ذرات رسوبی ته نشین خواهد شد. هر یک از فرایندهای سه گانه فرسایش، انتقال و رسوبگذاری می توانند مشکلاتی را به وجود آورند. بطور مثال فرسایش باعث از بین رفتن زمینهای کشاورزی، تخریب سازه های کنار رودخانه ها، تخریب پلها و سایر بناهای مجاور رودخانه و همچنین موجب عمیق تر شدن بستر رودخانه ها می شود (شکل 1-1).

فصل اول: کلیات تحقیق

1-1- پدیده انتقال رسوبات رودخانه ای

تمام رسوباتی که بوسیله آب حمل می گردند و نیز تمام رسوبات موجود در دشتها در اثر پدیده هوازدگی سنگها و صخره ها بوجود آمده اند. هوازدگی عملی است که طی آن سنگهای سخت شکسته و فرسوده می شوند. اندازه ، ترکیب معدنی،چگالی و فاکتورهای دیگری چون بافت رسوبات، به طبیعت سنگ اصلی بستگی دارد. وقتی که سنگ اصلی متلاشی گردید، مواد به وسیله رودخانه ها از نقطه ای به نقطه دیگر حمل و انباشته می گردد. میزان مواد حمل شده بستگی به اندازه ذرات، دبی جریان، شیب کف و خصوصیات حوضه آبریز دارد. وقتی که دبی جریان و یا شیب رودخانه کم شود، رودخانه قادر به حمل موادی که قبلأ برداشته است نمی باشد و در نتیجه مواد اضافه ته نشین و در بستر رودخانه انباشته و باعث ایجاد تغییراتی در بستر رود مانند تشکیل و ایجاد مناطق سیل گیر، دلتا، جزایر و … می شوند.

رسوبات رودخانه ای به دو صورت منتقل می شوند. در حالتی که این مواد درون جریان آب غوطه ور هستند و همراه با آب در حرکت می باشند که به آنها مواد رسوبی معلق گفته می شود. میزان مواد رسوبی معلق را که در واحد زمان از یک مقطع رودخانه عبور کند، بار معلق[1]  می نامند. از طرفی مواد رسوبی ممکن است در نزدیکیهای بستر به یکی از صور لغزش، غلتیدن و پرش حرکت نمایند که به آنها بار بستر[2] می گویند. نوع حرکت به صورت بار معلق یا بار بستر، بستگی به خصوصیات مواد رسوبی،شرایط جریان و خصوصیات رودخانه دارد. در رودخانه های با شیب تند تحت شرایط سرعت بالا، ذرات شنی هم ممکن است به صورت معلق حرکت کنند، در حالی که با رودخانه های با شیب ملایم و سرعت کم همانند بازه تحقیق اخیر، تنها ذرات بسیار ریز دانه و لای بصورت معلق متحرک اند. از مسائلی که ذرات رسوبی در حین انتقال می توانند بوجود آورند، می توان خسارات وارده به توربینها، پمپها، پایه های پل، پوشش کانالها و غیره را نام برد.

یکی از پدیده های مهم در رودخانه ها به ویژه مناطق خشک و نیمه خشک نظیر ایران وقوع سیلابهای غیره مترقبه است. موج سیل دارای نیروی زیادی بوده و بوسیله جابجایی حجم قابل توجهی از آب و رسوب، عوارض و پیامدهای گوناگونی را باعث می شود، بر اساس نظریه هندرسون[3]  ، انتقال رسوب بستر[4]  با توان دوم دبی تغییر می نماید . طبق این نظریه افزایش دبی به ده برابر متوسط سالیانه که امری عادی در رودخانه های کشور تلقی می شود، موجب افزایش دبی رسوب به میزان صد برابر خواهد شد. از این رو بخش قابل توجهی از آورد رسوب سالیانه رودخانه ها و به تبع آن تغییرات تراز بستر و جابجایی های عرضی و طولی و بطور کلی دگرگونی های مرفولوژیکی به ویژه در مناطقی چون ایران به معدود سیلابهای مهمی مرتبط می گردد که عمومأ هر چند سال یک بار اتفاق می افتد.

رسوبات عمومأ بصورت چسبنده و غیره چسبنده طبقه بندی می شوند. رسوبات غیره چسبنده شامل ذراتی مجزا و منفصل می باشد که خواص دینامیکی و جنبشی آنها مستقیمأ به نیروهای خارجی که بر روی ذرات اثر می کند بستگی داشته و خصوصیات فیزیکی ذرات به موقعیت آنها در ارتباط با ذرات دیگر بستگی دارد. از سوی دیگر در مصالح چسبنده پیوندهای شیمیایی و الکتریکی بین ذرات،عامل تعیین کننده خواهند بود.

عمده ترین فعالیت های مهندسی رسوب اغلب بر روی ذرات غیره چسبنده متمرکز می باشد و در مواد چسبنده باید ذکر شود، زمانی که مواد چسبنده به وسیله جریان حمل می شوند، رفتاری همچون مصالح غیر چسبنده داشته و مکانیزم حمل رسوبات در این مصالح مانند رسوبات غیره چسبنده می باشد.

با افزایش مقدار جریان (در نتیجه افزایش سرعت جریان ) ذرات بستر شروع به حرکت خواهند کرد. لحظه ای را که ذرات شروع به حرکت می کنند اصطلاحأ آستانه حرکت[5]  می نامند. برای بدست آوردن روابط هیدرولیکی در زمان شروع حرکت ذره واقع در بستر روشهای تنش برشی و سرعت بحرانی ارائه گردیده است.

اصول مهندسی مربوط به فرایندهای رسوبی وابستگی شدیدی به خواص فیزیکی ذرات رسوب و ارتباط متقابل بین ذرات و آب دارند. در این فرایند ذرات خاک توسط نیروهای بوجود آمده در اثر حرکت آب از بستر خود جدا شده و سپس ذرات جدا شده در آستانه حرکت قرار می گیرند. چنانچه نیروهای وارد شده توسط آب بیشتر از نیروهای مقاوم از سوی بستر باشند و یا به عبارتی دیگر چنانچه تنش برشی بستر بیش از تنش برشی بحرانی گردد، ذرات از بستر خود جدا شده و همراه با جریان آب منتقل می شوند. تنش برشی فوق به گونه ای است که وقتی آب در رودخانه جریان می یابد نیرویی در جهت حرکت آب بر سطح بستر رودخانه اثر می نماید، این نیرو بطور ساده نیروی کشش آب در محیط مرطوب است و به عنوان تنش برشی[6] شناخته می شود.

بدلیل اهمیت موضوع و نقش اساسی فعل و انفعالات بستر در عملکرد و رفتار هیدرولیک رودخانه ها، صاحب نظران در امور مهندسی رودخانه، تا اوایل دهه 1970  بر الگوی بستر صلب توجه داشتند، که پس از آن به توسعه مدل هایی همت گماشته اند که در آن مؤلفه اصلی به حرکت مواد رسوبی موجود در بستر اختصاص داده شده است. این مدل ها اصولأ به مدل بستر متحرک معروف بوده و امروزه از جایگاه و اهمیت زیادی در عرصه های گوناگون مهندسی بر خوردار می باشند. در این خصوص انواع مدل های یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی را می توان بر شمرد. هر چند مدل های دو بعدی و سه بعدی دارای اهمیت اند، لیکن در بسیاری از کارهای مهندسی ، مدلهای یک بعدی از جایگاه ویژه ای برخوردار می باشند.

مدلهای ریاضی موجود قادرند برای طول قابل توجهی از مسیر رودخانه ها فعل و انفعالات بستر را تحت تاثیر جریانهای رودخانه ای از جمله سیلابها،شبیه سازی و پیش بینی نمایند. از سری مدل های یک بعدی متداول در این خصوص می توان مدل ریاضی[7] از گروه مهندسین ارتش آمریکا را نام برد که در مباحث بعدی بصورت مفصل ارزیابی خواهد گردید.

2-1- شناخت مکانیزم انتقال رسوبات

رسوبات موجود در رودخانه ها مشکلات زیادی از قبیل رسوب گذاری در بستر رودخانه ها و در نتیجه ایجاد جزایر رسوب گذاری در محل ورود رودخانه به دریا و پیامد آن تشکیل دلتا، رسوب گذاری در مخازن سدها و در نتیجه کاهش ظرفیت آن و مشکلات غیر مستقیم دیگری را بوجود می آورند. برای مقابله با مشکلات ایجاد شده اولاً باید طبیعت و مکانیزم حرکت رسوب شناخته شود , ثانیاً عوامل مؤثر در فرسایش شناسایی گردد و ثالثاً مقدار و میزان رسوبی حمل شده را بتوان دقیقاً تعیین و محاسبه کرد تا بتوان در طراحی سازه های آبی مورد استفاده قرار داد.

بطور کلی معادلات حاکم بر حرکت و انتقال رسوب و همچنین فرسایش در بستر رودخانه ها بسیار پیچیده بوده و غالباً توسط روشهای نیمه تجربی وتجربی مورد ارزیابی قرار می گیرند. در طول سالیان متمادی شمار زیادی رابطه و معادله برای محاسبه میزان بار رسوبات رودخانه پیشنهاد گردیده است. متأسفانه نتایج حاصل از یک رابطه با رابطه دیگر در یک ایستگاه از رودخانه اختلاف فاحشی با هم دارند و انتخاب یکی از روابط برای آن ایستگاه بسیار مشکل می باشد.