دانلود فایل تحقیق : دانلود پروژه رشته محیط زیست در مورد سيل و خسارات ناشي از آن – قسمت سوم

روشهاي ماكروسكوپي، براين منبا استوارند كه، پروسه تعليق به گونه كلي يك سطح پيش رفته از كشش در امتداد بستر می باشد. بنابراين ميزان كل رسوب حمل شده مقدمتاً بايستي به پارامتر برشي مربوط گردد و در اين ارتباط بين بار بستر و بار معلق فرقي وجود ندارد. روابط پيشنهادي در اين دسته روشها و فرضيات مبني بر تجربه و آزمايش مي باشند.

لازم به ذكر می باشد كه روشهايي كه به قطر ذرات توجه كرده اند بر دو قسم هستند، برخي قطر ذرات يا D50 را به عنوان نماينده ذرات رسوب در نظر مي گيرند و بعضي ديگر از روشها، منحني دانه بندي مواد رسوبي را در نظر گرفته و آنرا به چند قسمت تقسيم مي نمايند و از هر قسمت با متوسط گيري، يك قطر سپس ميانگين وزني بار رسوبي حمل شده را بدست مي آورند. قطر موثر ذرات dm را نيز مي توان با بهره گیری از ارتباط يافت كه Pi درصد وزن قسمتهاي منحني دانه بندي و dsi نيز متوسط هندسي دو قطر آغاز و انتهايي قسمت مربوطه مي باشد.

3-4-1- انواع فرمولهاي بار بستر:

اين فرمولها به سه طبقه تقسيم مي شوند:

الف- فرمولهاي دبي جريان كه در آنها بار بستر تابعي از دبي جريان می باشد. نظير:
Schoklitsch (1934) و (1935) Cusey و ( 1940) Hay wcod و فرمول.

ب- فرمولهاي نيروي برشي كه بار بستر تابعي از پارامتر (To-Tc) مي باشد نظير: فرمول
(1915) Straub و (1935) Shields و (1947) Kalinske (1946) Peter and muller – meyer .

ج- فرمولهاي زبري نسبي كه در اين روابط پارامتر موثر در انتقال بار بستر نسبت يعني نسبت قطر ذرات به عمق جريان می باشد كه روابط (1957) Laursen ، (1959) Rottner از آن جمله اند. فرمول مهمي نظير (1950) Einstein نيز در تقسيم بندي فوق قرار دارند. در اينجا به مشروح فرمول Moller   Peterand -Meyer كه بيشتر مورد توجه قرار گرفته می باشد تصریح مي گردد:

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

اين فرمول به صورت زير ارائه شده می باشد:              

برای دانلود فایل ورد متن کامل اینجا کلیک کنید

(2-8)
(3-9)                                                                      

كه در روابط فوق:

g : شتاب ثقل

: ضريب اصطحكام دارسي ويزپاخ براي زبري ذرات ماسه اي بستر

rb : شعاع هيدروليكي

v : سرعت متوسط جريان

: وزن مخصوص رسوبات

: وزن مخصوص سيال

qs : دبي بار بستر

dm : قطر متوسط ذرات بستر

همانطور كه نظاره مي گردد پارامتر تنش برشي موجود می باشد كه در دو ضريب و ضرب شده می باشد. و در طرف دوم معامله ترم اول تنش برشي بحراني می باشد.

در اصل تاثير فرم بستر را در نظر مي گيرد كه تنش برشي موثر بر ذرات رسوب در اثر وجود فرم بستر نظير Dunne يا Ripple كاهش مي يابد. مقدار   با بهره گیری از فرمول (3-9) بدست مي آيد و معمولآً عددي بين 5/0 تا 1 مي باشد در صورتي كه فرم بستر وجود نداشته باشد اين مقدار برابر 1 می باشد. درهمين ارتباط براي بدست آوردن از دياگرام مودي دو نسبت بدون بعد عدد رينالدز و ضريب اصطكاك نسبي بدست مي آيد. نيز تاثير آن بخش از دبي كل رودخانه را كه باعث حمل مواد بستر مي گردد در نظر مي گيرد. اين مقدار توسط (1960) USBR براي شكلهاي مختلف كانال مانند مستطيلي و ذوزنقه اي به صورت زير ارائه شده می باشد و در رودخانه هاي عريض اين نسبت برابر 1 فرض مي گردد.

براي كانالهاي مستطيلي:

(3-10)                                                                  

براي كانالهاي ذوزنقه اي :

(3-11)                                                         

و مقدار nb براي كانالهاي مذكور از روابط ذيل :

براي كانال مستطيلي:

(3-12)                                                         
براي كانال ذوزنقه اي :

شما می توانید مطالب مشابه این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید                     

                                                         
كه در روابط فوق:

n : ضريب زبري مانينگ براي كل مقطع

Nb : ضريب زبري بستر

Nw : ضريب زبري بدنه مي باشند.

همچنين براي تعيين dm به اين طريق اقدام مي گردد كه، اگر خاك يكنواخت باشد اين مقدار ميانگين هندسي بين بزرگترين و كوچكترين عدد می باشد. و ا گر خاك يكنواخت نباشد در منحني دانه بندي مواد بستر براي هر قسمت يك متوسط هندسي Dsi بدست آورده كه اب در نظر داشتن اينكه آن قسمت چه درصدي از كل ذرات (pi) را به خود اختصاص مي دهد. dm از ارتباط زير بدست مي آيد:

(3-14)                                                                             
لازم به ذكر می باشد كه روابط (3-8) و (3-9) در هر سيستم ابعادي قابل بهره گیری هستند.

فرمول ماير پيتر و مولر بر اساس اطلاعات بدست آمده از آزمايشات در فلومهاي با عرضهاي 15 سانتيمتر تا 2 متر و با شيب هاي متغير از 00004/0 تا 02/0 و عمق جريان از 1 تا 120 سانتيمتر مي باشد و اندازه هاي ميانگين قطر موثر ذرات dm بكار رفته از 4/0 تا 30 ميليمتر بوده می باشد. از مزاياي اين روش در نظر گرفتن تاثير فرم بستر مي باشد. اين ارتباط با در نظر داشتن شرايط آزمايش براي جريانهاي با مقدار بار رسوب معلق كم يا جريانهاي فاقد بار معلق پيشنهاد شده و براي جريانهاي با بار معلق زياد متعبر نمي باشد.

اين فرمول مانند فرمولهايي بود كه جزء فرمولهاي نيروي برشي قرار مي گيرد. يك فرمول نيز از انواع فرمولهاي دبي جريان ذيلاً به اختصار آورده شده می باشد.

– ارتباط شوكليج   (1934) Schaklitsch :

در حقيقت دبي بار بستر در اين ارتباط به عنوان تابعي از پارامتر (q-qci ) مي باشد. qci اصطلاحاً دبي بحراني نام دارد و آن دبي می باشد كه تحت آن، مواد بستر در آستانه حركت (Incipient Motion) قرار دارند. اين فرمول بر اساس اطلعات آزمايشگاهي بدست آمده و براي رودخانه شني با بار معلق كم مناسب می باشد. مقدار بار بستر در سيستم متريك از ارتباط زير بدست مي آيد.

(3-15)                                                         
و qci مقدار جرياني كه باعث حركت ذرات مي گردد:

(3-16)                                                                   
مطالعات انجام شده در اين روش بر روي خاكهاي غير يكنواخت بوده و اين روش D50 به عنوان قطر مشخصه ذرات قبول ندارد. در اين روش پس از ترسيم منحني دانه بندي مواد بستر با در نظر داشتن تغييرات منحني به چند قسمت تقسيم شده كه هر قسمت درصدي از ذرات را دارا مي باشد(Pi) و براي هر دامنه قطر موثري (Dsi ) از طريق متوسط هندسي             بدست مي آيد.

كه در آن q بار معلق برحسب (1B/Sec/ft)

q : دبي

a : ارتفاع نسبت به بستر رودخانه                      (ft)

c : غلظت مواد معلق برحسب وزن

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

d : عمق آب (ft)

PL : تابعي می باشد از و مي باشد كه n ضريب زبري مانينگ و مقدار PL از گراف بدست
مي آيد.

3-4-3- فرمولهاي محاسبه باركل (دبي رسوبي كل)

همانگونه كه قبلاً ذكر گرديد. روشهاي برآورد دبي بار رسوبي كل شامل روشهاي ميكروسكوپي و ماكروسكوپي مي باشند. مانند روشهاي ميكروسكوپي روش انيشتن (Einstein’s Method ) می باشد. در حقيقت اين روش شامل محاسبه بار بستر و بار معلق براي هر قسمت از منحني دانه بندي می باشد كه با جمع اين دو بار، بار كل به دست مي آيد.

ارتباط (3-26) را در نظر گرفته و بار كل را براي هر محدوده از قطر ذرات از ارتباط زير مي توان بدست آورد.

(3-33)                                                         
كه در آن it درصدي از بار كل در محدوده اي از منحني دانه بندي ذرات رسوب می باشد و ميزان كل رسوب حمل شده در واحد عرض به صورت بدست مي آيد و بار كل در تمام مقطع Q از ارتباط زير محاسبه مي گردد.

(3-34)                                                                             

كه B برابر عرض كانال مي باشد.

از ميان روشهاي ماكروسكوپي نيز چند روش به توضیح ذيل ارائه مي گردد.

– روش لارسون                     (Laursen’s Method ):

لارسون پارامترهاي مهم ذيل را در مطالعه و تعيين بار كل در نظر گرفت. نسبتهاي  ( U* سرعت برشي Wo سرعت سقوط ذرات d قطر ذره و D عمق جريان ) غلظت بار كل C برحسب درصد وزني و نسبت کوشش برشي موجود به کوشش برشي بحراني براي اندازه رسوب مورد نظر و بخصوص آناليز عالمانه و مبتني بر درك مستقيم و باعث ارائه تابع ذيل گرديد:

(3-35)                                        * q=Qt       

در اين ارتباط کوشش برشي موثر O. برحسب 1b/ft از ارتباط حاصل مي گردد. اين ارتباط از تركيب دو معادله مانينگ و استريكلر بدست آمده می باشد.  کوشش برشي بحراني نيز از ديافراگم شيلدز نتيجه مي گردد. بنابراين پس از تعيين و ضرب در دببي واحد عرض كل دبي رسوب حمل شده مشخص مي گردد.

* – فرمول كريم و كندي                   (Karim and Kennedy’s equation):

كريم و كندي با بهره گیری از آناليز رگرسيون (Regression analysis) اطلاعات بدست آمده از فلومهاي آزمايشگاهي و رودخانه هاي طبيعي سعي كردند معادله اي را براي تعيين غلظت متوسط رسوب بدست دهند. همچنين با بهره گيري از همان روش معادله ساده اي را براي محاسبه دبي بار رسوبي كل به صورت زير ارائه كردند.

(3-36)

كه در اين ارتباط                             
                                 

كريم و كندي اين معامله را براي پيش بيني بار رسوبي تعداد زيادي از فلومها و رودخانه ها كنترل كرده و اين پيش بيني ها عموماً از دقت خوبي برخوردار بوده اند شكلهاي ديگري از معامله كه با موفقيت در بسياري از مدلهاي رياضي كف كني و بالا آمدن بستر بكار رفته می باشد به صورت زير
مي باشد. جين و پارك (Jain & Park ) در دو مطالعه جداگانه و دو مدل رياضي براي پيش بيني پروفيل بستر رودخانه با تاكيد بر برا رسوبي و تخمين كف كني بستر رودخانه از شكلهاي ديگري از معامله (1981) karim بهره يافته اند.

  • معامله كريم در پيش بيني بار رسوبي كل در مدل رياضي برآورد تغييرات بستر (بالا آمدن بستر) ناشي از افزايش بار رسوبي بكار رفته به صورت زير:

(3-37)                             

كه در آن:

در معادلات فوق متغيرهاي بكار رفته عبارتند از:

qs : دبي بار رسوبي.

u : سرعت جريان.

D: قطر متوسط.

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

U* : سرعت برشي.                                                                

U*C : سرعت برشي بحراني براي لحظه شروع حركت (آستانه حركت       

R* : عدد رينالدز مرزي                                                                     

مقادير (R* ) f با بهره گیری از دياگرام شيلدز بدست مي آيد و دامنه تغييرات آن 0.032-0.032 مي باشد براي R*=4-50 ( ماسه خيلي ريز تا ماسه درشت) بعضاً يك مقدار ثابت 0.035 براي (R* ) f در مطالعات در نظر گرفته مي گردد 0.035 = (R* ) f ، لازم به ذكر می باشد كه در روابط فوق دبي با رسوبي به شيب خط انرژي Sf بستگي دارد.

  • معامله كريم در حالت بي بعد در مدل رياضي تخمين كف كني بستر به شكل زير بكار رفته می باشد. C* در ارتباط زير نسبت q*=q/qo , qs*/q* كه در آن qo دبي ارتباط براي حالت جريان ماندگار يكنواخت (شرايط اوليه) می باشد و qs*=qs/qso.

كه در آن Sf شيب خط انرژي از ارتباط زير بدست مي آيد:

در معادلات فوق YO عمق اوليه D ، قطر متوسط مواد بستر ، R*,D*=D/YO عدد رينالدز مرزي S=2.65 و f(R*)=0.035 در نظر گرفته مي گردد.

علاوه بر فرمولها، روشهايي نيز براي تخمين دبي بار رسوبي از نمونه هاي بار معلق و دبي اندازه گيري شده و بهره گیری از روابط تواني با شكل كلي هست. نماي ns براي جريان هاي با بستر ماسه اي بين 2 و 3 قرار دارد. اين روابط فقط براي رودخانه و ايستگاه اندازه گيري كه اطلاعات بدست آمده منجر به تعيين B و ns شده می باشد معتبر مي باشند. و مقادير مذكور از رودخانه اي به رودخانه ديگر متفاوت می باشد. مقدار ns ذكر شده براي حالتي می باشد كه qs دبي وزني رسوب باشد. در حالتي كه q دبي جريان و qs دبي بار رسوبي هر دو حجمي باشند، معمولاً مقدار ns تقريباً برابر 5 می باشد.

همچنين برخي رواب، دبي بار رسوبي را تابعي از سرعت دانسته و ارتباط اي به شكل كل            ( براي واحد عرض) ارائه كرده اند. مقادير ثابت a و B بطور نمونه در مطالعات Chadhry و Murty به ترتيب برابر و 5 بدست آمده می باشد.

3-6-1- پيش بيني پروفيل بستر در شرايط جريان شبه پايدار:

در اين حالت بعلت فرض جريان شبه پايدار معادله حاكم بر حركت جريان معادله انرژي مي باشد كه شكل كلي آن به صورت (3-42) ارائه مي گردد. اين معادله از طريق گام استاندارد (Standard Step Method ) حل شده و پروفيل سطح آب را به دست مي دهد. با مشخص شدن پروفيل سطح اب براي دبي مورد نظر، پارامترهاي مهم هيدروليكي مورد نياز براي محاسبه ظرفيت حمل رسوب در مقاطع مختلف تعيين مي گردند. سپس معادله پيوستگي رسوب با بهره گیری از روشهاي تحليلي يا عددي حل شده و تغييرات بستر بدست مي آيد. مدلهاي عددي متعددي بر اين اساس پايه ريزي شده اند كه معروفترين آنه مدل HEC-6 می باشد. همچنين مدل ارائه شده توسط توماس (Thomas ) و پراسون (Prasuhn) در سال (1976) براي پيش بيني فرسايش و رسوبگذاري از آن جمله اند. در اين مدلها معادله پيوستگي با بهره گیری از روش تقاضاهاي محدود صريح حل مي گردد. معادله انرژي در حالت كلي به صورت زير می باشد:

كه در آن:

Ws : تراز سطح آبي.

Q: دبي جريان.

A : سطح مقطع جريان.

: ضريب توزيع سرعت در مقطع كه معمولاً برابر يك فرض مي گردد.

HL : افت انرژي بين دومقطع K-1 و K مي باشد.

3-7- مروري بر مطالعات انجام شده:

تلاشهاي فراواني جهت دستيابي به روشهاي تخمين مطمئن كف كني و بالا آمدن بستر صورت گرفته می باشد. اين روشها بطور كلي عبراتند از:

  • مطالعات تجربي و آزمايشي.
  • روشها و راه حلهاي تحليلي معادلات حاكم.
  • شبيه سازي عددي.

برخي مطالعات تجربي ارائه شده به مقصود مطالعه تغييرات كوتاه و بلند مدت بستر بطور اختصار ذيلاً آمده می باشد:

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

(1960) Brush, Wolman ، تغييرات زماني تراز بستر، ناشي از جابه جايي نقاظ تغيير شيب ناگهاني بستر كانال (Migration of knick point ) را اندازه گيري كردند.

(1951) Newten ، اطلاعات آزمايشگاهي را براي كف كني بستر به دليل كاهش بار رسوبي بدست آورد.ك (1980) Soni et al ، بالا امدن بستر ناشي از افزايش بار رسوبي را مطالعه كردند.و

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را در شماره بندی انتهای صفحه بخوانید              

(1981) Begin et al ، كف كني ناشي از پايين افتادن سطح مبنا را در كانالهاي آبرفتي، بطور تجربي و آزمايشي مطالعه نمودند.

(1969) Suryanorayana ، اطلاعات تجربي را در باره كف كني بستر در مجاري آبرفتي در پايين دست سدها بدست آورد.

روشها و راه حلهاي تحليلي نيز همانگونه كه قابلاً ذكر گرديد با ساده كردن معاملات حاكم براي تشريح پديده پيچيده كف كني و بالا آمدن بستر ارائه گرديده می باشد. بطور مثال (1980( Soni et al يك مدل آنتشار خطي را براي پيش بيني پروفيلهاي ناپيدار بستر ناشي از زيادي بار رسوب بكار بردند، (1981 ) jain متذكر گردید كه در شرايط مرزي در نظر گرفته شده توسط Soni et al خطايي هست. ولي با بهره گیری از شرايط مرزي مناسبتري يك راه حل تحليلي ارائه داد و نتايج محاسبات خود را با اطلاعات تجربي مقايسه نمود كه رضايت بخش بود.

(1981) Begin et al ، از يك مدل انتشار براي محاسبه و پيش بيني پروفيلهاي طولي ايجاد شده ناشي از پايين افتادن سطح مبنا بهره گیری كرد.

(1983a,b) Gill، معادله انتشار خطي را براي برآورد كف كني و بالا آمدن بستر با بهره گیری از سري فوريه (Fourier Series ) و روشهاي تابع خطا (Error function method) حل نمود.

(1984) Jain و Jaramillo ، يك معادله غير خطي سهمي و ديفرانسيل جزيي را ارائه نموده و آنرا با روش باقيمانده تفاضلها (Residuls) حل كرد و نتايج محاسبات خود را با داده هاي تجربي كه توسط

(1951) Newten بدست آمده بود. همچنين با اطلاعات تجربي (1980) Soni et al مقايسه كردند.

(1987) Gill(1987), Zhang, Kohawita نيز راه حلهاي غير خطي براي پيش بيني كف كني و بالا آمدن بستر ارائه كردند كه با اطلاعات تجربي مقايسه شده و نتايج بهتري نسبت به راه حلهاي خطي بدست داد.

بطور كلي متذكر مي گردد كه مدلهاي خطي در شرايبط جريانهاي شبه پايدار (Quasi Steady) نتايج بهتري نسبت به مدلهاي غير خطي سهمي بدست مي دهد. اما بايستي توجه كرد كه اين فرض براي تخمين تغييرات تراز بستر در اثناء وقوع سيل يا در شرايط جريانهاي غير ماندگار معتبر نمي باشد. زیرا محاسبات پروفيل سطح آب بر اساس شيب كف می باشد. بنابراين معادلات كامل جريان غير ماندگار و معادله پيوستگي رسوب عموماً بوسيله تكنيك هاي عددي حل مي شوند.

دیدگاهتان را بنویسید