1-3    محاسبه ابعاد شکل‌های بستر. 11

1-3-1     رابطه فردسو 1975. 12

1-3-2     رابطه یالین و کاراهان 1979. 13

1-3-3     رابطه یالین و شیرلین 1988. 13

1-3-4     رابطه یالین 1992. 14

1-3-5     رابطه آدامز 1990. 15

1-3-6     رابطه ون‌راین 1984. 15

1-4    لایه مرزی.. 20

1-5    ساختار جریان بر روی شکل‌های بستر. 22

1-6    میانگین‌گیری دوگانه. 24

1-7    اهداف تحقیق.. 25

فصل دوم: مواد و روش‌ها 27

2-1    مقدمه. 27

2-2    منطقه مورد مطالعه. 27

2-3    وسایل مورد استفاده 32

2-3-1     مولینه. 32

2-3-2     دستگاه ADV . 33

2-3-3     دماسنج… 34

2-3-4     کولیس…. 34

2-3-5     دوربین نقشه‌برداری و وسایل مربوطه. 35

2-3-6     طناب، اسپری رنگ و سایر وسایل مورد نیاز. 35

2-4    داده‌های برداشت شده 35

2-4-1     داده‌های نقشه‌برداری… 36

2-4-2     داده‌های سرعت…. 38

2-4-3     داده‌های دانه‌بندی… 40

2-5    پارامترها و روش‌های استفاده شده 41

 

2-5-1     برآورد دبی و دیگر مشخصات مقاطع.. 41

2-5-2     برآورد سرعت متوسط هر پروفیل سرعت…. 43

2-5-3     برآورد اعداد بی‌بعد (فرود، رینولدز و …). 43

2-5-4     تعیین سرعت برشی… 44

2-5-5     تعیین سرعت برشی بحرانی… 49

2-5-6     میانگین‌گیری دوگانه. 50

2-5-7     روابط ون‌راین.. 51

فصل سوم: نتایج و بحث    53

3-1    مقدمه. 53

3-2    بررسی مشخصات هندسی بازه‌ها و مقاطع انتخابی.. 53

3-2-1     نقشه‌ها و پروفیل‌های تراز بستر در امتداد طولی بازه‌ها 54

3-2-2     بررسی مشخصات هیدرولیکی و هندسی مقاطع عرضی بازه‌ها 61

3-2-3     بررسی دانه‌بندی بازه‌های مورد مطالعه. 64

3-2-4     توزیع سرعت در بازه‌های مختلف…. 68

3-3    سرعت برشی.. 70

3-3-1     دامنه اعتبار قانون لگاریتمی… 70

3-3-2     دامنه اعتبار قانون سهمی… 72

3-3-3     محاسبه سرعت برشی به روش‌های مختلف…. 72

3-3-4     مقایسه روش‌های مختلف در تعیین سرعت برشی… 73

3-4    سرعت برشی بحرانی.. 76

3-5    میانگین‌گیری دوگانه. 76

3-6    محاسبه ابعاد شکل‌های بستر. 79

3-6-1     شکل‌های بستر رودخانه بابلرود. 82

3-6-2     شکل‌های بستر رودخانه بهشت‌آباد. 85

3-6-3     شکل‌های بستر رودخانه کاج.. 86

3-7    بررسی روند تغییرات ابعاد شکل بستر در مقابل پارامترهای فیزیکی و هیدرولیکی.. 88

این مطلب را هم بخوانید :

3-8    بررسی داده‌های برداشت شده با استفاده از دستگاه ADV در رودخانه. 92

3-8-1     بررسی پروفیل‌های سرعت…. 92

3-8-2     تحلیل جریان آشفته بر روی شکل بستر رودخانه‌ها 94

فصل چهارم: نتیجه‌گیری کلی و پیشنهادات   97

4-1    خلاصه نتایج.. 97

4-2    پیشنهادات… 100

نه

مراجع  102

فهرست اشکال

 

 

شکل ‏1‑1: 1) رودخانه انشعابی و 2) رودخانه شریانی.. 6

شکل ‏1‑2: نمایی از قسمتی از رودخانه پیچانرود تنگوئیه سیرجان و نحوه محاسبه ضریب سینوسی آن. 7

شکل ‏1‑3: نمایی از برخی شکل‌های بستر[2] 8

شکل ‏1‑4: نمایی از شکل بستر و ابعاد آن. 11

شکل ‏1‑5: نمودار دسته‌بندی شکل‌های بستر ارائه شده توسط ون‌راین[68] 17

شکل ‏1‑6: نمودارهای محاسبه ابعاد شکل توسط ارائه شده توسط ون‌راین[68] 18

شکل ‏1‑7: پروفیل سرعت جریان سیال واقعی و محل لایه مرزی.. 21

شکل ‏1‑8: ساختار لایه مرزی بر روی شکل بستر[15] 22

شکل ‏1‑9: ساختار لایه مرزی بر روی شکل بستر. 23

شکل ‏2‑1: عکس هوایی رودخانه بابلرود و بازه‌های انتخابی تهیه‌ شده توسط نرم‌افزارهای Arc GIS و SAS Planet 29

شکل ‏2‑2: تصویری از بازه‌های رودخانه بابلرود. 30

شکل ‏2‑3: عکس هوایی رودخانه‌های کاج و بهشت آباد و بازه‌های انتخابی تهیه‌ شده توسط نرم‌افزارهای Arc GIS  و SAS Planet 31

شکل ‏2‑4: تصویری از بازه‌های رودخانه‌های کاج و بهشت آباد. 32

شکل ‏2‑5: نحوه استقرار دستگاه ADV در رودخانه. 34

شکل ‏2‑6: نحوه شبکه بندی و برداشت بستر رودخانه. 37

شکل ‏2‑7: نمایی از بازه درونکلا 1 و نقاط برداشت شده بر اساس دو شبکه‌بندی مختلف…. 38

شکل ‏2‑8: برداشت سرعت توسط مولینه و دستگاه ADV.. 39

شکل ‏2‑9: منحنی دانه‌بندی.. 40

شکل ‏2‑10: روش‌های محاسبه دبی مقطع[54] 42

شکل ‏2‑11: نحوه محاسبه شیب به دو روش رگرسیونی (0019/0) و کلی (0013/0) 43

شکل ‏2‑12: عوامل موثر بر تنش برشی و مقاومت بستر. 48

شکل ‏2‑13: نمودار ارائه‌شده توسط شیلدز. 49

شکل ‏3‑1: نقشه توپوگرافی بازه‌های انارستان و درونکلا 1. 55

شکل ‏3‑2: نقشه توپوگرافی بازه‌های درون‌کلا 2 و کلاریکلا.. 56

شکل ‏3‑3: نقشه توپوگرافی بازه‌های کاج و بهشت آباد. 57

شکل ‏3‑4: نیمرخ تغییرات تراز بستر در محور وسط رودخانه بابلرود. 58

ده

شکل ‏3‑5: نیمرخ تغییرات تراز بستر در محور وسط رودخانه‌های کاج و بهشت آباد. 59

شکل ‏3‑6: مقایسه نیمرخ تغییرات بستر در راستای محور مرکزی و خط‌القعر بازه انارستان.. 59

شکل ‏3‑7: تفاوت تعداد خطوط هم‌تراز بستر در دو شبکه‌بندی 5/0*5/0 و 1*2 متر مربع. 61

شکل ‏3‑8: مقاطع عرضی بازه‌های مختلف…. 62

شکل ‏3‑9: تغییرات اندازه و یکنواختی ذرات در طول شکل بستر. 65

شکل ‏3‑10: تغییرات اندازه و یکنواختی ذرات در عرض رودخانه (عدد 0 بیان‌گر ساحل چپ است) 65

شکل ‏3‑11: حرکت ذرات رسوب در بالادست و پایین‌دست شکل بستر زمان بروز جدایی جریان[24] 67

شکل ‏3‑12: پروفیل‌های سرعت در مقطع 1 از بازه درونکلا 2. 68

شکل ‏3‑13: پروفیل‌های سرعت بازه انارستان. 68

شکل ‏3‑14: بررسی اعتبار قانون لگاریتمی و انحراف ناحیه خارجی از این قانون. 70

شکل ‏3‑15: بررسی اعتبار قانون سهمی و انحراف ناحیه خارجی از این قانون. 72

شکل ‏3‑16: مقایسه روش‌های مختلف تعیین سرعت برشی با یکدیگر. 74

شکل ‏3‑17: مقایسه دو روش نمودار شیلدز و سولزبای در تعیین سرعت برشی بحرانی بر روی شکل‌های بستر انتخابی.. 76

شکل ‏3‑18: پروفیل‌های سرعت روی شکل بستر شماره 3 و میانگین‌گیری دوگانه از آن‌ها 77

شکل ‏3‑19: برازش قانون لگاریتمی بر پروفیل حاصل از میانگین‌گیری دوگانه. 78

شکل ‏3‑20: رابطه بین ارتفاع و طول شکل‌های بستر در رودخانه‌های درشت‌دانه بابلرود، بهشت‌آباد و کاج در ایران (نمودار سمت راست) و رودخانه ریزدانه Yellow River در چین (نمودار سمت چپ[24]) 80

شکل ‏3‑21: نیمرخ تغییرات بستر در محور مرکزی بازه درونکلا 1، برداشت شده در دو بازه زمانی اسفند و تیر ماه. 84

شکل ‏3‑22: وجود پوشش گیاهی متراکم در رودخانه بهشت‌آباد. 86

شکل ‏3‑23: تصویر بازه رستم آباد در فصول مختلف: بالا) اردیبهشت 93، پایین) مهر 91. 87

شکل ‏3‑24: پروفیل طولی حاصل از ته‌نشینی ذرات شن ریز و سیلت بعد از جریان‌های سیلابی[24] 88

شکل ‏3‑25: تغییرات ارتفاع شکل بستر در مقابل عمق جریان در رودخانه یانگ تسه (نمودار سمت راست[24]) و در رودخانه‌های بابلرود، بهشت‌آباد و کاج (نمودار سمت چپ) 89

شکل ‏3‑26: تغییرات شیب شکل بستر در مقابل تغییرات شیب بستر و اندازه قطر ذرات بستر. 90

شکل ‏3‑27: تغییرات شیب شکل بستر در مقابل تغییرات عدد فرود و تنش برشی بی‌بعد.. 91

شکل ‏3‑28: تغییرات طول شکل بستر نسبت به عمق جریان در مقابل تغییرات عدد فرود. 92

شکل ‏3‑29: رابطه بین طول ناحیه جدایی جریان و عدد فرود[39] 93

شکل ‏3‑30: پروفیل‌های سرعت اندازه‌گیری شده بر روی شکل بستر. 94

شکل ‏3‑31: نتایج حاصل از آنالیز کوادرانت بر روی شکل بستر رودخانه‌های درشت‌دانه. 95

یازده

فهرست جداول

 

 

جدول ‏1‑1: توصیف شکل‌های بستر برگرفته از انجمن مهندسان عمران ایالات متحده آمریکا 1996. 9

جدول ‏2‑1: مشخصات بازه‌های انتخاب شده رودخانه بابلرود. 28

جدول ‏2‑2: مشخصات بازه‌های انتخاب شده رودخانه‌های کاج و بهشت آباد. 31

جدول ‏3‑1: تراکم و تعداد نقاط نقشه‌برداری شده در هر بازه. 60

جدول ‏3‑2: مشخصات هیدرولیکی مقاطع انتخاب شده در رودخانه بابلرود. 63

جدول ‏3‑3: مقادیر قطرهای مشخصه ذرات و انحراف معیار هندسی مقاطع در رودخانه بابلرود. 64

جدول ‏3‑4: دامنه اعتبار قانون لگاریتمی بر حسب درصد در محور مرکزی بازه‌های انتخاب شده در رودخانه بابلرود. 71

جدول ‏3‑5: محاسبه سرعت برشی در مقاطع رودخانه بابلرود با استفاده از روش‌های مختلف (تمامی مقادیر بر حسب متر بر ثانیه است) 73

جدول ‏3‑6: مقادیر سرعت و سرعت برشی بدست آمده از پروفیل میانگین‌گیری دوگانه برای هر شکل بستر. 78

جدول ‏3‑7: مقادیر ابعاد شکل‌های بستر انتخاب شده در بازه‌های مختلف…. 79

جدول ‏3‑8: ابعاد شکل‌های بستر اندازه‌گیری شده و مقادیر پارامتر انتقالی مربوط به هر شکل بستر. 81

جدول ‏3‑9: مقادیر پارامتر انتقالی و سرعت برشی محاسبه شده با فرض یکسان بودن مکانیزم تشکیل شکل‌های بستر در رودخانه‌های درشت‌دانه و ریزدانه. 83

جدول ‏3‑10: مقادیر پارامتر انتقالی و سرعت برشی محاسبه شده با فرض یکسان بودن مکانیزم تشکیل شکل‌های بستر در رودخانه کاج و رودخانه‌های ریزدانه. 88

دوازده

 

 

 

 

 

چکیده

بستر رودخانه به ندرت دارای سطحی مسطح است و ساختار آن معمولاً به صورت عوارضی با مشخصات هندسی است که به آن ها شکل‌های بستر می‌گویند. اگرچه ابعاد این شکل‌های بستر به عنوان تابع پیچیده‌ای از پارامترهای رسوبی و هیدرولیکی در نظر گرفته می‌شوند، با این حال مطالعات زیادی انجام شده که رابطه‌ای بین ابعاد شکل‌های بستر و مشخصات جریان ارائه می‌کند. از میان روش‌های پیش‌بینی ابعاد شکل‌های بستر، روش ون‌راین به طور گسترده‌ای برای تعیین ارتفاع و طول شکل‌های بستر مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش ون‌راین بر اساس داده‌های آزمایشگاهی و صحرایی با اندازه ذرات بستر بین 19/0 تا 6/3 میلی‌متر ارائه شده است. هدف انجام این مطالعه تعمیم روش ون‌راین در سه رودخانه درشت‌دانه (بابلرود در شمال و بهشت‌آباد و کاج در مرکز ایران) با اندازه ذرات بستر بین 21 تا 38 میلی‌متر است. شش بازه مستقیم با مجموع طول 463 متر، عرض متوسط 23 متر و 22 مقطع عرضی برای اندازه‌گیری پارامترهای هیدرولیکی انتخاب شده. همچنین 128 پروفیل سرعت با استفاده از دستگاه مولینه و 5 پروفیل با دستگاه ADV برداشت شده‌اند. از روش میانگین‌گیری دوگانه نیز برای محاسبه مقداری واحد برای پارامترهای هیدرولیکی هر شکل بستر استفاده شده است. برای تشریح بیشتر تفاوت مطالعه حاضر با مطالعه ون‌راین، از دستگاه ADV و آنالیز کوادرانت نیز برای بازه برداشت شده در رودخانه کاج استفاده شده است. همچنین برای اندازه‌گیری پارامتر انتقالی در روش ون‌راین، از روش مشخصات لایه مرزی برای تعیین تنش برشی استفاده شده. به منظور تعیین ابعاد شکل‌های بستر، 15266 نقطه با تراکم 2/1 نقطه در هر متر مربع از بستر رودخانه با شبکه‌بندی با اندازه‌های 5/0*5/0 متر مربع، 1*1 متر مربع و 2*1 متر مربع نقشه‌بردای شد. ون‌راین برای بستر مسطح مقادیر مثبت و کم پارامتر انتقالی را در نظر گرفته است در حالی که برای سه رودخانه انتخاب شده این پارامتر دارای مقدار منفی است که نشان می‌دهد شکل های بستر در شرایط بیشتر جریان نسبت به شرایط ون‌راین تشکیل شده‌اند. پیش‌بینی پارامترهای جریان با استفاده از روش ون‌راین نشان می‌دهد که برای رودخانه بابلرود، عمق جریان باید در محدوده 2 متر تا 7 متر تغییر کند، اگرچه سواحل این رودخانه این موضوع را تأیید نمی‌کنند. با توجه به داده‌های صحرایی برداشت‌شده از رودخانه بابلرود، تراز بستر این رودخانه در یک بازه زمانی 80 روزه دارای نوسان است که این امر نشان می‌دهد مشخصات هندسی شکل‌های بستر در فصول مختلف سال تشکیل شده‌اند. برای رودخانه بهشت‌آباد، وجود پوشش گیاهی و مکانیزم متفاوت تشکیل شکل‌های بستر باعث می‌شود نتوان از روش ون‌راین در این رودخانه استفاده کرد. استفاده از داده‌های برداشت‌شده از رودخانه‌های بابلرود و بهشت‌آباد برای محاسبه پارامتر انتقالی نشان می‌دهد پیش‌بینی مسطح بودن یا وجود شکل‌های بستر با استفاده از روش ون‌راین امکان‌پذیر نبوده و این روش ابعاد شکل‌های بستر را به درستی پیش‌بینی نمی‌کند که این امر نشان می‌دهد برای تعمیم روش ون‌راین در این دو نوع رودخانه‌های درشت‌دانه مطالعات بیشتری باید انجام شود. هرچند برای رودخانه کاج مکانیزم تشکیل شکل‌های بستر مانند رودخانه‌های شنی است، بنابراین روش رون‌راین می‌تواند به خوبی ابعاد شکل‌های بستر این رودخانه را پیش‌بینی کند.

 

کلمات کلیدی: ADV، شکل‌های بستر، مشخصات لایه مرزی، رودخانه‌های درشت‌دانه، روش میانگین‌گیری دوگانه، آنالیز کوادرانت، روش ون‌راین.

 

1-  فصل اول

فصل اول: مقدمه و بررسی منابع

1-1     مقدمه

نیاز انسان به آب منجر به شکل‌گیری بیشتر تمدن‌های بشری در کنار رودخانه‌ها شده‌است. به دلیل ایجاد این تمدن‌ها در کنار یکی از اصلی‌ترین منابع تأمین آب شیرین جهان، یعنی رودخانه‌ها، حفاظت از ساکنین آن‌ها در مقابل پدیده‌هایی نظیر سیل و خشک‌سالی و همچنین استفاده بهینه از آب رودخانه‌ها برای اهداف گوناگون، از اهمیت بالایی برخوردار است. به این منظور یکی از شاخه‌های علم مهندسی، به نام مهندسی رودخانه ایجاد شد و طی سالیان بعد و به خصوص طی یک قرن اخیر توسعه یافت. از اهداف این علم یافتن راه کارهایی مفید برای به حداقل رساندن تأثیرات منفی رودخانه نظیر فرسایش و سیل، بر مناطق پرجمعیت است[60].

به طور کلی مهندسی رودخانه علمی است که در مورد پدیده‌های حاکم بر رودخانه، همچنین پروژه‌های مختلف بهره‌برداری، حفاظت، اصلاح و تغییر مسیر رودخانه برای استفاده بهتر از آن و اجتناب از خسارت‌های احتمالی وارده از رودخانه بحث می‌کند و مبتنی بر اصول تئوریک و تجربیات بشری است[4].

یکی از پدیده‌هایی که به طور مستقیم یا غیرمستقیم از همان ابتدا تا کنون مورد توجه مهندسین این علم بوده‌است، پدیده‌های فرسایش و رسوب‌گذاری است. این دو پدیده سبب برهم زدن تعادل پایدار رودخانه‌ها شده و به موجب آن سایر عوامل تأثیرگذار و تأثیرپذیر از این پدیده‌ها بوجود می‌آیند، به همین دلیل تحقیقات مختلفی بر روی این پدیده‌ها و انتقال رسوب انجام شده است. از جمله اولین پژوهشگرانی که در این موارد فعالیت کرده‌اند می‌توان به ژیلبرت[1] (1914)، انیشتین[2] (1942)، وانونی[3] (1946)، لیو[4] (1957)، بروکس[5] (1962) و دوبویز[6] (1987) اشاره کرد[36]. این محققین عامل اصلی ایجاد پدیده‌های فرسایش و رسوب‌گذاری را برهم کنش نیروهای وارد بر ذرات بستر می‌دانند. یکی از مهم‌ترین این نیروها، نیروی اصطکاک است که در اثر حرکت سیال بر روی بستر رودخانه در خلاف جهت جریان بوجود می‌آید و به عنوان عامل مقاومت در مقابل جریان مطرح می‌شود. مقاومت در برابر جریان نه تنها ناشی از شکل و اندازه ذرات تشکیل‌دهنده بستر است، بلکه پستی و بلندی‌های بستر رودخانه یعنی شکل‌های بستر[7] نیز تأثیر زیادی روی آن دارد. به عنوان مثال در رودخانه‌های کوهستانی حدود 80% مقاوت جریان ناشی از شکل بستر رودخانه و مابقی مربوط به ذرات بستر است. به همین دلیل تعیین مقاوت جریان ناشی از شکل‌های بستر یکی از مهم‌ترین وظایف مهندسی رودخانه است[22]. با توجه به نقش مهمی که شکل‌های بستر رودخانه‌ها در مقاومت جریان دارند، مطالعه و بررسی روند ایجاد آن‌ها، مشخصات آن‌ها و تأثیر متقابلی که شکل‌های بستر و مشخصات جریان بر روی یکدیگر می‌گذارند، از اهمیت خاصی برخوردار است. به این منظور شاخه‌ای از علم مهندسی رودخانه ایجاد شد که نقش مهمی در پیش‌بینی رفتار رودخانه دارد. این شاخه از علم مهندسی رودخانه، مورفولوژی رودخانه است که به تحقیق و بررسی بر روی ویژگی‌های هندسی، خصوصیات فیزیکی رودخانه نظیر توپوگرافی و برهم کنش آن‌ها با خصوصیات جریان مثل سرعت و مقاومت جریان می‌پردازد[5]. مورفولوژی رودخانه به دلیل وجود تعداد زیاد متغیرهای وابسته و محدوده وسیع تغییرات از پیچیدگی‌های زیادی برخوردار است[32]. با این حال در این شاخه از علم تحقیقات فراوانی انجام شده و مطالعاتی نیز در حال انجام می‌باشد. به عنوان مثال می‌توان به مطالعات میلان[8] (2012)، کبیری و همکاران (2013)، براون و پاسترناک[9] (2014)، فضل‌اللهی و همکاران (2014) و مفتیان و همکاران (2014) اشاره کرد[47، 38، 19، 26 و 48]. شروع این تحقیقات توسط محققینی نظیر سایمونز و ریچاردسون[10] (1963)، چابرت و چاو[11] (1963)، گای[12] و همکاران (1966)، انگلاند و هانسن[13] (1967)، آلام و کندی[14] (1969) و ژولیان و راسلان[15] (1998) بوده که در مورد طبقه‌بندی شکل‌های بستر بر اساس مشخصات آن‌ها و تأثیرشان بر مقاومت جریان است، همچنین نوردین و آلژرت[16] (1972)، شن و چیانگ[17] (1977)، مول[18] و همکاران (1987)، و لای[19] (1998) نیز که ویژگی شکل‌های بستر مثل ارتفاع و طول آن‌ها را مورد بررسی قرار دادند[36]. در میان تحقیقات موجود، اکثر آن‌ها در شرایط آزمایشگاهی بوده‌است که دلیل این امر سختی و هزینه زیاد برداشت اطلاعات از رودخانه‌ها می‌باشد. با این حال محققینی نیز اقدام به انجام مطالعات صحرایی در مورد شکل‌های بستر و ویژگی‌های رودخانه‌های رسوبی بزرگ کرده‌اند که از جمله اولین این محققین می‌توان به تیلور[20] (1971)، شن و همکاران (1978)، پیترز[21] (1978)، کلاسن[22] و همکاران (1988)، راسلان (1991) و ژولیان و وارگادالام[23] (1995) اشاره کرد[36].

1 Gilbert

2 Einstein

3 Vanoni

4 Liu

5 Brooks

6 Duboys