فهرست مطالب…………………………………………………………. هشت

فهرست اشکال…………………………………………………………. ده

فهرست جداول ………………………………………………………….دوازده

چکیده…………………………………………………………………….. 1

فصل اول: مقدمه و بررسی منابع……………………………………… 2

1-1  مقدمه………………………………………………………………. 2

1-2  رودخانه……………………………………………………………… 4

1-2-1 شکل‌های پلان رودخانه…………………………………………. 5

1-2-2 شکل‌های بستر رودخانه……………………………………….. 7

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………………………………………………………

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

3-8  بررسی داده‌های برداشت شده با بهره گرفتن 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

 مراجع……………………………………………………………………….. 102

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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن 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.

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 آن‌ ها 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 آن‌ ها، مشخصات آن‌ ها 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 آن‌ ها 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 آن‌ ها 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 آن‌ ها را مورد بررسی قرار دادند[36]. در میان تحقیقات موجود، اکثر آن‌ ها 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].

علی‌رغم وجود مطالعات زیادی که در مورد مورفولوژی رودخانه و شکل‌های بستر آن صورت گرفته‌است، هنوز سؤالات بسیاری در این زمینه وجود دارد و نیازمند انجام تحقیقات بیشتر است؛ در ادامه این بخش ضمن معرفی شکل‌های مختلف رودخانه‌ها، شکل‌های بستر و طبقه‌بندی آن‌ ها نیز ارائه شده و مهم‌ترین روابط موجود برای پیش‌بینی ابعاد شکل‌های بستر توسط مشخصات جریان بیان می‌شود، پس از آن به بیان اهداف این تحقیق و اهمیت انجام آن می‌پردازیم.

2-1- رودخانه

رودخانه آبراهه‌ایست که روی مصالح فرسایش‌پذیر و به طور طبیعی تشکیل شده‌است. تشکیل رودخانه‌ها تحت تأثیر چندین عامل اعم از شرایط اقلیمی، زمین‌شناسی و جغرافیاییست[2]. مهم‌ترین این عوامل عبارتند از دبی آبراهه، مقاومت بستر به فرسایش، شکل هندسی، خصوصیات و مقدار رسوبات انتقال یافته. زمانی که شکل و ابعاد رودخانه‌ها تثبیت شد، تغییر شکل آن‌ ها نیز تقریباً تمام می‌شود مگر آنکه تغییری بنیادی در یکی از عوامل بالا رخ دهد[2]. در اکثر رودخانه‌ها، این تغییرات بنیادی همواره در حال روی دادن است، به طور مثال تغییرات دبی رودخانه بر اثر نوسانات بارندگی، تغییر مقاومت بستر بر اثر رشد گیاهان و یا تغییر در نرخ انتقال رسوب به دلیل فعالیت‌های انسانی و غیره.

علی‌رغم تغییرات بالا، بیشتر رودخانه‌ها در شرایط رژیم هستند یعنی ابعاد آن‌ ها در طول یک دوره زمانی معین ثابت باقی می‌ماند[2]. حالت رژیم نیازمند توازن بین فرسایش و رسوب‌گذاریست، یعنی رسوبات تخلیه‌ شده از یک بازه معین، با رسوبات ورودی به آن بازه مساوی باشد، در این حالت لزومی به ثابت ماندن دبی رسوب و دبی آب نیست[2]. به همین دلیل حالت رژیم در رودخانه‌ها سبب تغییرناپذیری راستای آبراهه نخواهد شد زیرا این تغییرپذیری به دلیل فرسایش و رسوب‌گذاری در سواحل رخ می‌دهد. به طور کلی در رودخانه‌هایی با بستر متحرک، در محدوده‌ای از دبی جریان، رودخانه شرایط خود را تا 10 برابر تغییر در دبی رسوب، با تغییر در شکل‌های بستر و تغییرات همزمان در عمق و سرعت جریان تنظیم می‌کند و شیب، ابعاد آبراهه و ارتفاع متوسط بستر، بدون تغییرات قابل ملاحظه‌ای باقی می‌ماند[2]. اگر شرایط رژیم در بازه‌ای از رودخانه برقرار نباشد، تراز بستر رودخانه نوسان داشته و این نوسانات تا زمانی که بین رسوبات ورودی و خروجی تعادل برقرار شود ادامه میابد. همان‌طور که اشاره شد رودخانه‌ها دارای خصوصیات بسیار پیچیده‌ای هستند و با روش‌های تحلیلی توصیف نمی‌شوند، به همین دلیل بررسی آن‌ ها بیشتر نیازمند دانش و آگاهی کامل از خصوصیات آن‌ هاست تا تئوری‌های هیدرولیکی[2]. به این منظور رودخانه‌ها هم به صورت طبیعی و هم به صورت مصنوعی با شبیه‌سازی آن‌ ها در شرایط آزمایشگاهی بررسی می‌شوند.

1-2-1- شکل‌های پلان رودخانه

رودخانه‌ها با توجه به شکل پلان آن‌ ها، به 3 دسته کلی تقسیم می‌شوند: مستقیم[1]، شریانی[2] و پیچان‌رودی[3]. عوامل متعددی بر شکل‌گیری هر کدام از این شکل‌ها تأثیر می‌گذارند؛ اما رابطه این عوامل به طور کامل شناخته شده نیست[2].

1- رودخانه‌های مستقیم: این نوع رودخانه‌ها از یک راستای مستقیم تبعیت می‌کنند و به دو صورت تشکیل می‌شوند: 1- به وسیله شیب‌های کم که برای ایجاد سرعت‌های فرساینده کافی نیستند و 2- به وسیله شیب‌های زیاد که سرعت‌های به نسبت بالایی تولید کرده و توان فرسایندگی بالایی دارند. البته شرایط بستر رسوبی نیز بسیار تعیین‌کننده است، به طور مثال ممکن است در رودخانه‌ای علی‌رغم وجود شیب زیاد و سرعت فرسایشی بالا، در مواردی به دلیل وجود لایه‌هایی فرسایش‌ناپذیر در مسیر رودخانه، به جای مسیری مستقیم، شاهد یک مسیر دارای قوس باشیم.

2- رودخانه‌های شریانی: این نوع رودخانه‌ها از به هم پیوستگی آبراهه‌های تصادفی تشکیل و به وسیله پشته‌ها از همدیگر جدا می‌شوند. این نوع رودخانه‌ها نشان‌دهنده پیدایش کلی یک شریان هستند و در شرایط رژیم به ندرت ایجاد می‌شوند[2]. نوع دیگری از این رودخانه‌ها نیز وجود دارد که به آن‌ ها رودخانه‌های انشعابی[4] می‌گویند. این رودخانه‌ها بر روی تشکیلات دلتا و به دلیل افزایش تراز بستر ایجاد می‌شوند و پس از تقسیم شدن رودخانه به مسیرهای جداگانه، یا در جریان ورقه‌ای ناپدید می‌شوند و یا با رسیدن به یک شیب تند، مجدداً یکی می‌شوند. شکل ‏1‑1 نمایی از این نوع رودخانه‌ها را نشان می‌دهد.

3- رودخانه‌های پیچانرودی: این نوع رودخانه‌ها از یک مسیر پیچ و خم‌دار و غیرمستقیم تبعیت می‌کنند. این رودخانه‌ها به طور پیوسته به وسیله فرسایش و رسوب‌گذاری در سواحل در حال جابجا شدن هستند، البته در صورتی که شرایط زمین‌شناسی بستر رودخانه امکان ایجاد این تغییرات را داشته‌باشد. میزان پیچ و خم این رودخانه‌ها توسط عددی به نام نسبت سینوسی[1] مشخص می‌شود. نسبت سینوسی یک رودخانه برابر است با نسبت طول آبراهه موازی با خط مرکزی به طول خط مستقیمی که نقاط ابتدا و انتهای آبراهه را به هم وصل می‌کند. در شکل ‏1‑2 نحوه محاسبه نسبت سینوسی نشان داده شده‌است. به طور کلی رودخانه‌ها تمایل به سینوسی شدن دارند و به طور کلی رودخانه‌های مستقیمی که طول آن‌ ها بزرگ‌تر یا مساوی چند برابر عرض رودخانه باشد به ندرت یافت می‌شوند[43]. حتی در بازه‌هایی از رودخانه که دارای مسیر مستقیمی هستند، خط‌القعر آن بازه‌ها دارای نسبت سینوسی بزرگ‌تر از یک است به این معنا که علی‌رغم مستقیم بودن پلان کلی بازه، خط‌القعر آن دارای قوس است.

2 Sinuosity Ratio

1 Straight Rivers

2 Braided Rivers

3 Meandering Rivers

1 Distributary Rivers

1 Gilbert

2 Einstein

3 Vanoni

4 Liu

5 Brooks

6 Duboys

7 Bed Forms

8 Milan

9 Brown & Pasternack

10 Simons & Richardson

11 Chabert & Chau

1 Guy

2 Engelund & Hans

3 Alam & Kennedy

4 Julien & Raslan

5 Nordin & Algert

6 Shen & Cheong