علوم آب

تعيين مقدار باررسوب در رودخانه ها

 

تهیه کننده: محمود اعظمی راد (دانشجوی دکتری سازه های آبی- واحد بین الملل دانشگاه فردوسی)  azamyrad@yahoo.com

 

مقدمه

رودخانه‌هاي كشور ما در مقايسه با رودخانه‌هاي جهان رسوب بالايي را حمل مي‌كنند. اين امر نشان¬دهنده شدت فرسايش و وضعيت نامناسب منابع طبيعي (فشار بيش از حد به مراتع، تخريب اراضي جنگلي و بهره¬برداري نامناسب از اراضي كشاورزي) مي‌باشد.ميزان رسوب بالا علاوه بر اينكه ما را به تفكري براي ارائه راه حل¬هايي جهت كاهش فرسايش ويژه رهنمون مي‌كند، شناخت وضعيت رسوبدهي حوزه و برآورد دقيق ميزان رسوب خروجي را نیز ضروري مي‌سازد.

ميزان بار رسوبي حوزه‌اي كه از يك مقطع مشخص از رودخانه مي‌گذرد، به طور غالب بستگي به خصوصيات آب و هوايي از قبيل نوع و شدت بارندگي و نحوه توزيع زماني و مكاني آن، مشخصات حوزه آبخيز بالا دست از قبيل نوع خاك، نوع و وضعيت پوشش گياهي، كاربري اراضي، مورفولوژي، شيب، توپوگرافي، وسعت حوزه و در نهايت ظرفیت حمل مواد رسوبي دارد.

از آنجا كه عامل كنترل براي انتقال بار رسوبي حوزه ميزان موجوديت و عرضه مواد است، نمي‌توان دبي رسوبات حوزه را تنها به خصوصيات هيدروليكي جريان مرتبط نمود و نقش مهم پارامترهاي هيدرولوژيكي را ناديده گرفت. از طرف ديگر با توجه به طبيعت فرسايش پذير بدنه رودخانه‌ها عموماً فرض مي‌شود که ميزان عرضه مواد قابل حمل از بدنه آبراهه بيش از ظرفيت حمل رسوب آبراهه است و هر آبراهه تنها به اندازه ظرفيت حمل خود مي‌تواند رسوب حمل نمايد. ظرفيت حمل رسوب بستگي كامل به خصوصيات هيدروليكي جريان در بازة مورد نظر (انرژي جنبشي، دبي، سرعت، عمق، شيب و غيره) و خواص فيزيكي مصالح تشكيل دهنده بستر و كناره‌ها دارد.

 

- تعاریف و اصطلاحات

- رسوب[Sediment]: توليد نهايي فرسايش كه به‌وسيله آب، باد، يخ و نيروي ثقل حمل مي‌شود. در هيدروليك به كليه ذرات سنگي و معدني كه در اثر جريان آب از جايي به جايي منتقل شده‌اند يا در حال انتقال هستند، رسوب اطلاق مي‌گردد (حبيبي، 1374).

- ايستگاه هيدرومتري[Hydrometric Gaging Station]: ايستگاه¬هايي هستند كه جهت ارزيابي وضعيت هيدرولوژيكي رودخانه (اندازه‌گيري خصوصيات كمي‌ و كيفي جريان) بر روي رودخانه تأسيس مي‌شوند و در آنها تأسيسات معمولي شامل اشل و لمینوگراف و وسايل سنجش كيفيت آب و غیره موجود باشد (عليزاده، 1380). ايستگاههاي هيدرومتري از نظر اهميت انداز ه گيري جريانهاي سيلابي و جريان پايه به سه دسته (ايستگاه درجه يك شامل تجيهزات :خط كش اندازه گيري عمق آب (اشل)، پل تلفريك ، قايق، و ليمينيگراف، ايستگاه درجه دوشامل تجيهزات (خط كش اندازه گيري سطح آب ، پل تلفريك يا ليمينيگراف) و ايستگاه درجه سه  فقط شامل تجيهزات خط كش اندازه گيري سطح آب ) مي باشد ،تقسيم بندي مي گردند:

− ايستگاه درجه يك

- ايستگاه رسوب سنجيSediment Gaging Station- ايستگاهي است كه بر روي رودخانه مستقر بوده و در آن به روش‌‌هاي گوناگون، ميزان غلظت و گل آلودگي آب سنجيده مي‌شود. به علت اينكه همراه با سنجش غلظت رسوب به داده‌‌هاي دبي جريان نياز است، تجهيزات آن به طور معمول در كنار ايستگاه¬هاي هيدرومتري احداث مي‌‌شود‌‌ (عليزاده، 1380).

- داده‌هاي رسوب معلق Data Suspended Sediment - داده‌هايي هستند كه در ايستگاه‌هاي هيدرومتري به روش¬هاي مختلف اندازه‌گيري شده و شامل غلظت رسوب معلق (برحسب ميلي‌گرم در ليتر)، دبي جريان در زمان برداشت نمونه رسوب معلق و زمان نمونه¬برداري مي‌باشد.

- منحني سنجه رسوب  Sediment-rating Curve Dataرابطه¬‌اي است كه بر اساس بهترين منحني برازش يافته بين مقادير دبي جريان و رسوب معلق متناظر آن بدست مي‌آيد كه به‌صورت رابطه زیر مي‌باشد.

Qs=aQw  b

 در اين معادله  :Qs دبي رسوب معلق (معمولا بر حسب تن در روز)     :Qwدبي جريان متناظر آن (معمولا بر حسب متر مكعب بر ثانيه)  aو :bضرايب معادله مي¬باشند.

-دبی آب Water flow: مقدار آبي که در يک ثانيه از يک منبع آب (چاه، چشمه، قنات، رودخانه، کانال و غيره) جريان پيدا مي کند دبي ، بده و يا آبدهي آن منبع مي گويند مقدار آن برحسب مترمكعب برثانيه يا ليتربرثانيه بيان مي شود.

-دبی رسوب: وزن موادی که در زمان مشخص از یک مقطع معین عبور می کند و بر حسب تن در روز یا تن در سال بیان می شود.

 - بار رسوب معلق Suspended Sediment :به مجموعه ذراتي كه به صورت معلق در آب حمل مي‌شوند، گفته مي‌شود. مقدار آن از طريق اندازه‌گيري مستقيم و با استفاده از معادله سنجه رسوب برآورد مي¬شود.

- بار (بستر)كف Bed load :اين مواد عبارتنداز ذرات رسوبي نسبتا درشتي كه در امتداد كف رودخانه به حالت لغزش،غلطش يا جهش حركت ميكنند.

- بار كل رسوب Sediment Load : مقدار حجم کل رسوب عبوری از یک سطح مقطع در واحد زمان را گویند بعبارت ديگر كل بار رسوب شامل بار معلق و بار كف مي‌باشد. بخشي از بار رسوبي به‌صورت بار كف از طريق غلتش، لغزش و يا پرش¬هاي كوتاه توسط رودخانه حمل  و بخش ديگري به‌صورت بار معلق انتقال مي‌يابد.

- رسوبدهي سالانه Annual Sediment Yield : عبارت از كل بار رسوبي است كه در طول يك سال آبي از مقطع رودخانه عبور مي‌كند و برحسب تن در سال يا مترمكعب در سال بيان مي‌شود. رسوبدهي سالانه شامل بار معلق و بار كف مي‌شود. گاهي در محاسبات بار كف بطور معمول به‌صورت درصدي از بار معلق در نظر گرفته مي‌شود. بنابراين عموماً رسوبدهي سالانه از طريق بار معلق محاسبه مي‌شود.

- ميانگين رسوب سالانه Mean Annual Sediment Yield : ميزان رسوبي است كه به طور متوسط طي يك سال توسط رودخانه حمل مي‌شود و برحسب تن در سال و يا مترمكعب در سال بيان مي‌شود.

- رسوب ویژه Special deposit: عبارت است از وزن کل خاکی که از هر هکتار حوزه آبخیز توسط آب در یک سال از بین می رود. رسوب ویژه برحسب تن در هکتار در سال یا تن در کیلومتر مربع در سال بیان می شود.

نسبت انتقال رسوب Ratio  sediment transport: نسبتی از مقدار خاک فرسایش شده که بصورت رسوب وارد رودخانه می شود (مورگان، 2005).

نسبت حمل رسوب  Ratio Sediment transport : درصدی از رسوبات که توسط جریان رودخانه حمل می شوند که بسته به وسعت حوزه از 3 تا 90 درصد متغیر است. .( مورگان، 2005)

ضریب رسوبدهی حوزه SDR: نسبت مقدار رسوب تولید شده یا بار رسوبی حوزه به تمام مواد فرسایش یافته که در حوزه جابجا شده است و بر حسب درصد بیان می شود

- اهداف و اهميت مطالعات رسوب در رودخانه ها

تعيين مقدار رسوب حمل شده توسط رودخانه ها از جنبه هاي مختلف داراي اهميت است.

1-رسوب حمل شده توسط جريان آب عامل مهمي در شكل گيري ساختار هندسي و خصوصيات ريخت شناسي رودخانه ها تلقي مي شود. هرگونه كاهش و يا افزايش بار رسوبي رودخانه پيامدهاي مختلفي از جمله وقوع پديده كف كني و يا ترازافزايي ، تغييردانه بندي مصالح و شكل مسطحه  و نيمرخ طولي  آن را در پي دارد.

2- در طرحهاي مهندسي با هدف بهره برداري از منابع آب رودخانه نظير تاسيسات تنظيم و انحراف جريان، سدهاي مخزني و ايستگاه هاي پمپاژ، بار رسوبي رودخانه ازجمله عوامل مهم و تاثيرگذار در تعيين مشخصه هاي هندسي سازه و عمر مفيد آنها تلقي مي شود.

3- در ساماندهي رودخانه ها كه به منظور مهار فرسايش و رسوب گذاري و يا تثبيت بستر و دفع سيلاب انجام مي گيرد آگاهي از ميزان رسوب حمل شده توسط رودخانه و تاثيرپذيري آن از اقدامات حفاظتي ، ضروري مي باشد.

4-به علاوه در مواردي كه اهداف كشتيراني در رودخانه مد نظر است براي انجام عمليات لايروبي ضروري است مقدار رسوب حمل شده توسط رودخانه مشخص گردد.

 5- از طرفي رودخانه ها منبع مناسبي براي تامين مصالح مورد نياز طرح هاي عمراني قلمداد شده و برداشت شن و ماسه از ديرباز در اين عرصه متداول بوده است.

6-همچنين موارد عديده اي از طراحي تاسيسات انتقال آب، شبكه هاي آبياري، حوضچه هاي ترسيب، تصفيه خانه هاي آب و نظاير آن را مي توان بر شمرد كه همگي با مساله رسوب رودخانه ها ارتباط نزديك دارند.

 

- ضرورت اندازه گیری بار رسوبي

1- از نظر برآورد ميزان فرسايش و رسوب حوزه آبخيز(آبريز)

 2- از نظر تخمين طول عمر مفيد سدها

 3- از نظر اصلاح روش هاي نمونه‏برداري بار رسوبي

4- از نظر برآورد مواد رسوبي موجود در آب

 

- تاريخچه  وپيشينه مطالعات رسوب در رودخانه ها

بررسي پيشينه مطالعات بيانگر آن است كه تا قبل از 1930 توجه اصلي در عرصه رسوب به ارائه معادلات براي تعيين بار بستر(( Bed Load معطوف بوده است.

تعيين بار معلق( Suspended Load)  و ارائه روابط محاسباتي آن نيز به دهه هاي سي وچهل ميلادي معطوف مي گردد . در اين مرحله همچنين توسعه تجهيزات اندازه گيري بار معلق و بار بستر به عنوان راهكار موثر در تعيين كميت رسوب و سنجش اعتبار معادلات ، انتقال را، مي توان عنوان نمود .

با فرا رسيدن دهه پنجاه ميلادي نظر متخصصين به ارائه روش هايي براي تعيين باركل ( Total Load) معطوف و تا دهه هفتاد معادلات و راهكارهاي مناسبي فراهم گرديد.

دهه هشتاد را مي توان سرآغاز تحولي بزرگ در عرصه مطالعه و تعيين رسوب رودخانه ها قلمداد نمود. در اين دوره با ورود رايانه به حوزه مطالعات و به تبع آن توسعه سريع مدل هاي كامپيوتري بررسي فرآيند انتقال و تعيين كميت رسوب حمل شده شتاب بيش تري به خود گرفت و امكان تحليل عملكرد رودخانه ها در شرايط طبيعي و چگونگي تاثيرپذيري آن از طرح هاي مختلف مهندسي تحقق يافت.

 امروزه با توسعه امكانات نرم افزار ي و بهره گيري از فناوري هاي جديد، انجام سنجش هاي ميداني ، بررسي هاي دقيق آزمايشگاهي و پردازش سريع اطلاعات ، شناخت هرچه بهتر فرآيند انتقال رسوب فراهم گرديده و با تكيه بر تجارب ارزنده دهه هاي اخير زمينه لازم براي معرفي روش هاي مناسب ، محاسبه بار رسوبي رودخانه ها محقق شده است.  

                                                                                                   

- منابع تغذيه رسوبي رودخانه ها

حوضه هاي آبخيز(آبريز) منبع اصلي تغذيه رسوبي رودخانه ها تلقي مي شود. فرسايش سطح خاك حوضه بخش مهمي از رسوب حمل شده توسط رودخانه ها را به خود اختصاص مي دهد. اين مواد حمل عموما از مناطق بالادست وسطح دامنه ها منتقل ميشوند وگاهي هم از بدنة آبراهه منشاء گرفته و در مسير جريان حركت مي‌كند.

طبق بررسي هاي انجام شده سالانه به طور متوسط معادل 18ميلياردتن موادرسوبي ازسطح قاره ها فرسايش يافته واز طريق رودخانه هابه درياها و اقيانوس تخليه ميشود .(Gary, J-2005)

رسوباتی را که توسط جریان رودخانه از سطح حوزه هاي آبخيز حمل می شود می توان به سه گروه بار محلول، بار معلق و بار بستر تقسیم کرد. موادی که به صورت محلول در آب می باشد، بعلت ناچیز بودن مواد محلول در آب معمولا از مقدار آن صرف نظر می شود. (ضیایی، 1380)

 

 

 

 

شكل1 -شكل هاي مختلف انتقال رسوب در مسير رودخانه ها

 

 - اطلاعات پايه مورد نياز تعيين مواد رسوبی رودخانه ها

1- گزارش ها، اطلاعات فيزيوگرافي حوزه ، نقشه هاي توپوگرافي ، عكس هاي هوايي و تصاوير ماهواره اي منطقه

2- اطلاعات هواشناسي (شدت بارندگي و مدت تداوم رگبارها،تعيين بارش متوسط ساليانه ونقشه منحني هاي همباران )

3- داده هاي هيدرولوژيكي(بده جريان ، سيلاب ها، نمودار آبدهي روزانه و منحني تداوم جريان)

4-مشخصات هندسي رودخانه(نقشه برداري مسير رودخانه، مقاطع عرضي و نيمرخ طولي ، پهنه سيلابدشت و مجراي اصلي، مشخصات سازه هاي عرضي مثل پل ها و تاسيسات مختلف سازه اي)

5- نقشه واطلاعات زمين شناسي ،كاربري اراضي ، اشكال فرسايش و پوشش گياهي مراتع وجنگلها

6-اطلاعات مربوط به نوع خاك وخصوصيات مكانيكي(دانه بندي موادرسوبي بستر، چگالي دانه ها وسرعت ترسيب دانه ها)

 

- عوامل موثر بر انتقال رسوب در رودخانه ها

1- خصوصيات فيزيو گرافيكي حوزه هاي آبخيز(مساحت، شيب، تراكم شبكه آبراهه ها، شكل حوضه و نيمرخ طولي رودخانه)

2-تاثير عوامل اقليمي و هيدرولوژيكي حوزه(شدت بارندگي و مدت دوام آن، بارش متوسط، رواناب سطحي و سيلاب)

3- خصوصيات زمين شناسي حوزه هاي آبخيز(وضعيت دانه بندي و نوع لايه هاي تشكيل دهنده بستر و كناره هاي رودخانه ، تناوب لايه هاي فرسايش پذير و مقاوم و وجود بيرون زدگي هاي سنگي و همچنين ضخامت و گستره لايه آبرفتي بستر)

4-خصوصيات ريخت شناسي رودخانه ها(رودخانه هاي مستقيم و شرياني و پيچانرودها)

5- شرايط هيدروليكي جريان در رودخانه(سرعت جريان، عمق آب، شيب خط انرژي، تنش برشي و بده جريان)

6- تاثيركاربري اراضي، پوشش گياهي و نوع خاك (نحوه استفاده از اراضي و تغيير كاربري،توسعه فعاليت هاي كشاورزي، گسترش شهرها، احداث راه ها و بسياري ديگر از اقدامات عمراني ونوع خاك دركناره ها و حواشي رودخانه، وضعيت پوشش گياهي مراتع)

7-تاثيرگذاري سازه هاي آبي و اقدامات حفاظتي اجرا شده(سدها، بندها، پل ها ، سرريزها،احداث خاكريزهاي سيل بند يا گوره ها،سازه هاي عرضي ، ديواره ها و پوشش هاي حفاظتي و كف بندها)

8-برداشت مصالح رودخانه جهت طرح هاي مختلف عمراني

 

- بررسي و طبقه بندی باررسوبی در رودخانه ها

مواد رسوبي در رودخانه ها به  دو روش ذيل طبقه بندي و قابل تفكيك  مي باشند:

1- از نقطه نظر منبع، بار رسوبي به دو دسته تقسيم مي‌شود:

الف: بار رسوبي آبراهه‌اي كه شامل موادي مي‌شود كه از بدنة آبراهه منشاء گرفته و در مسير جريان حركت مي‌كند.

ب: بار رسوبي حوزه‌اي كه شامل ذرات ريزي مي‌شود كه در اثر بارندگي از سطح حوزه آبخيز شسته شده و به آبراهه وارد مي‌گردند و بدون ته نشت از طريق آبراهه به مخازن سدها يا مخازن طبيعي (درياچه‌ها و درياها) منتقل مي‌شود و به آنها بار شسته گفته می¬شود. بار حوزه‌اي به علت ريز دانه بودن، همواره به صورت معلق در آبراهه منتقل گشته و بار معلق كل جريان از دو مؤلفه بار حوزه‌اي و بار معلق آبراهه‌اي تشكيل مي‌شود.

 

2- از نظر مكانيزم انتقال، بار رسوبي را مي‌توان به دو دسته بار بستر و بار‌ معلق  تقسيم كرد.

ميزان انتقال ذرات رسوبي توسط جريان آب از طرفي بستگي به شكل، اندازه و وزن مخصوص ذرات ، دانه بندي ، چگالي دانه ها، دماي آب، هيدروليك جريان و مشخصه هاي هندسي رودخانه و از طرف ديگر بستگي به نيروهاي اعمال شده توسط جريان آب دارد. در جريان آرام وقتي كه اين نيروها به اندازه‌اي كاهش يابند كه حمل مواد و جابجايي آنها امكان نداشته باشد، نيروي ثقل باعث ته‌نشين شدن مواد مي‌شود. در جريان متلاطم، نيروي توربولانس يا تلاطم آب از ته‌نشين شدن ذرات جلوگيري كرده و آنها را به صورت معلق  نگه مي¬دارد.

 

شكل2 - نحوه توزيع سرعت جريان و تاثير آن در انتقال بار معلق و باربستر

دررودخانه هاي با بستر درشت دانه بخش عمده اي از رسوب حمل شده به صورت بار بستر بوده و از اين رو داراي بستر عريض و كم عمق مي باشند. در بسترهاي ريزدانه بار معلق غالب بوده و مقطع رودخانه عميق و كم عرض است. درصورتي كه رسوب حمل شده مخلوطي از بار بستر و معلق باشد مقطع داراي حالت بينابيني است.

 

شكل3- تاثير اندازه دانه هاي رسوب حمل شده در شكل مقطع جريان

الف- بار بستر(كف) : آن دسته از ذرات درشت رسوبي كه از طريق لغزيدنSliding ، غلطيدن Rolling و انجام پرش هاي كوتاه (جهشSaltation)در نزديكي بستر (كف)آبراهه حركت كرده و دائماً در تماس با بستر مي‌باشد، بار بستر را تشكيل مي‌دهند.

 

شكل4-نحوه جابجايي مواد رسوبي در بستر رودخانه و مفهوم لايه باربستر

مكانيسم تشكيل باربستر اولين بار در سال 1879ميلادي توسط دوبويز Du Boys مورد بررسي قرار گرفت . مطابق نظريه دوبويز باربستر حاصل تنش برشي جريان آب بوده و با افزايش آن مقدار بار بستر نيز رو به افزايش مي گذارد.

آقاي باگنولد Bagnold معيار باربستر را براساس مطالعات شيلدز به صورت شكل ذيل معرفي نموده است. . 

- مطابق شكل مزبور منحني آستانه حركت شيلدز به عنوان حد نهايي سكون دانه ها تلقي مي شود (ناحيه يك).

- محدوده بار بستر از منحني آستانه حركت شروع شده و تا منحني نظير Fs = 0.4(w02 / gDs ) ادامه مي يابد )ناحيه دو.(

- براي حالتي كه  Fs > 0.4(w0 / gDs ) باشد حركت دانه ها به صورت معلق خواهد بود (ناحيه سه ).

نكته مهم ديگر در شكل وجود دو محدوده رسوبات چسبنده و غيرچسبنده مي باشد. مطابق شكل مرزبندي بين باربستر و بار معلق در محدوده رسوبات غيرچسبنده صادق بوده و بيانگر آن است كه براي رسوبات غيرچسبنده شرط معلق شدن گذر از مرحله بار بستر است .

. τ0نش برشي جريان )نيوتن بر مترمربع)  W0  : سرعت سقوط دانه )متر بر ثانيه)    :Ds قطر دانه رسوب (متر)

Gs : چگالي دانه هاي رسوب         :gشتاب ثقل (متر بر مجذور ثانيه )  

 

 

 

شكل5-محدوده بار بستر براساس ناحيه بندي باگنولد

 

ب- بار)مواد) معلق، شامل ذرات كوچك نظير كلوئيدها، رس، لاي (سيلت) و گاهي ماسه نرم مي¬باشد. بعبارت ديگر  بار معلق شامل ذرات كوچكتري (نسبت به بار بستر) مي‌باشد كه با افزايش تنش برشي جريان در بدنه اصلي جريان به حالت تعليق بوده و با سرعتي تقريباً معادل سرعت جريان حركت مي‌كنند (حبيبي، 1374). اين مواد براساس خصوصيات مصالح به دو شكل ديده مي شوند:

ب- 1- بارشسته wash load موادي ريزدانه كه خصوصياتشان باخصوصيات مصالح بسترمتفاوت است واز بالادست حوضه بهمراه جريان آمده اند.

ب- 2 - بار معلق بستري Bed material Suspended load موادرسوبي كه خصوصياتشان باخصوصيات مصالح بستريكي است واز كف كنده وهمراه جريان آب حمل مي شود.

 

 

 

شكل6-  اشكال مختلف انتقال مواد رسوبي در رودخانه ها

باركل مجموع باربستر و بار معلق بستري است كه به عنوان بار مواد بسترنيز گفته ميشود و معرف مواد رسوبي برخاسته از بستررودخانه مي باشدكه به عنوان آورد رسو بي رودخانه قلمداد مي شود.

از جمله عوامل موثر در معلق شدن دانه هاي رسوب پديده تلاطم است كه در نتيجه آن مطابق شكل ذيل دانه هاي رسوب از بستر جدا شده و ضمن اختلاط با آب هم راه جريان منتقل مي شود .

 

شكل 7- نحوه معلق شدن دانه هاي رسوب موجود در بستر در اثر پديده تلاط

معيارهاي مختلفي توسط محققين براي معلق شدن دانه هاي رسوب ارائه شده است كه بيشتر آنها نسبت سرعت برشي(V*) به سرعت سقوط دانه ها(w0 ) را مبنايي براي معلق شدن قرار داده اند در جدول ذيل ديدگاه محققين مختلف ارائه شده است.

 

 

 

جدول1- معيار معلق شدن دانه هاي رسوب در رودخانه ها براساس نظريات محققين مختلف

نام محقق  معيار معلق شدن دانه هاي رسوب  ملاحظات

(Bagnold) باگنولد – 1966       V*/wo > 1           --

1983-وان راين  Van Rijn))    V*/wo > 4/[(Gs-1)g Ds /ν2]1/3  1 < Ds [(Gs-1)g /ν2]1/3 <= 10

                V*/wo > 0.4       Ds [(Gs-1)g /ν2]1/3 > 10

0  -199راد كيوي(Raudkivi)    V*/wo > 0.5       Saltation - آغاز جهش دانه ها

                V*/wo > 1.2       معلق شدن فراگير دانه ها

  -1995 ژولين  (Julien)           V*/wo > 0.2       آغاز معلق شدن دانه ها

                V*/wo > 2.5       معلق شدن فراگير دانه ها

- 1996سومر و همكاران(Sumer et al.)   V*2/(Gs-1)gDs > 1           0.13 < Ds < 3 mm

سرعت برشي جريان )متر بر ثانيه ( كه از رابطه  0.5  V* = (τ0 /ρ) به دست مي آيد

τ0نش برشي جريان )نيوتن بر مترمربع(   ،ρ      جرم مخصوص آب )كيلوگرم جرم بر مترمكعب         (

 :W0 سرعت سقوط دانه )متر بر ثانيه)                :Ds قطر دانه رسوب (متر)

Gs : چگالي دانه هاي رسوب        :gشتاب ثقل (متر بر مجذور ثانيه ) 

 :ν   ْْلزوجت سينماتيكي آب )مترمربع بر ثانيه(

معيارهاي مندرج در جدول مربوط به بار معلق بستري (مواد رسوبي برخاسته از بستر ) بوده و محدوده دانه هاي غيرچسبنده (ماسه و شن ) را شامل مي شود. مواد معلق حاصل شده از رسوبات چسبنده (سيلت و رس) در زمره ي بار شسته قرار دارد. اندازه دانه ها براي بار شسته كم تر از ميلي50/0 متر ودر بعضي مراجع دانه هاي رسوب كوچك تر از062/0 ميلي متر به عنوان محدوده بارشسته تلقي مي شود.

 

- روش هاي محاسبه تعيين مواد رسوبی رودخانه ها

  به لحاظ اهميت و نقش پديده انتقال رسوب درعرصه هاي مختلف مهندسي تعيين كميت بار رسوبي از ديرباز مورد توجه متخصصين مسايل رودخانه اي قرار گرفته است . براساس بررسي هاي انجام شده تاكنون بيش از سي معادله انتقال رسوب توسط محققين مختلف ارائه گرديده ليكن به لحاظ پيچيدگي هاي حاكم بر فرآيند انتقال ،تاكنون امكان معرفي يك معادله واحد جهاني براي تعيين بار رسوبي رودخانه ها ميسر نبوده است.

 

الف- روش هاي محاسبه بار معلق

جابجايي وانتقال مواد رسوبي به صورت بار معلق تابعي از شرايط هيدروليكي جريان و خصوصيات فيزيكي دانه هاي رسوب مي باشد .

از ديدگاه هيدروليكي دانه هاي رسوب در اثر نيروي بركنش (Lift Force ) ناشي از پديده تلاطم (توربلانت)  از بستر جدا شده و به حالت معلق حمل مي شود. اين بخش از مواد رسوبي موجود در جريان رودخانه اي اصطلاحا بار معلق بستري ناميده مي شود. نرخ بار معلق بستري تابع شرايط هيدروليكي بوده و با افزايش بده جريان مقدار آن نيز رو به افزايش مي گذارد و در بده هاي كم به طور محسوسي كاهش مي يابد.

خصوصيات فيزيكي دانه ها نيز نقش مهمي در كميت بار معلق ايفا مي كند.

غلظت بار معلق به صورت ميلي گرم در ليتر (mg / l ) و يا( ppm ) و بعضا نيز به صورت تن در روز( ton / day ) گزارش مي شود. غلظت مواد معلق نسبت به عمق و زمان تغيير مي كند . بار معلّق به طور متوسط بیش از 85 درصد بار کلّ حوزه آبخیز را شامل می شود (Rendon-Herro، 1974)

در شرايط طبيعي بار معلق حمل شده توسط رودخانه تركيبي از بار معلق بستري و بارشسته مي باشد كه با توجه به متفاوت بودن مكانيسم حاكم بر انتقال آنها روش هاي موجود براي تعيين هر يك نيز متفاوت است.

طبق بررسي ومطالعه منابع موجود ميتوان گفت كه روشهاي محاسبه بار معلق شامل5 روش كلي به شرح ذيل طبق بندي مي شوند:

1-            اندازه گيري بار معلق رودخانه ها (نمونه برداري از مواد معلق)

1-1- روش مستقیم اندازه گیری رسوب معلق:

1-2- روش غير مستقیم اندازه گیری رسوب معلق:

2-            محاسبه بار معلق در شرايط وجودآمار از ايستگاههاي آب سنجي (منحني سنجه رسوب)

3-            محاسبه بار معلق در شرايط  عدم وجودآمار رسوب

3-1- روش ايستگاه مبنا

3-2-آناليز منطقه اي محاسبه بار معلق رسوب

4-            استفاده از معادلات و فرمولهاي انتقال رسوب

4-1- روشهاي تجربي (معادله فليمينگ)

4-2- روشهاي تئوري (معدادله راس ، بروكس ، (لين و كالينسك )،(چانگ، سيمونس و ريچارسون)،انشتين و لانگبين و شوم)

5-            استفاده از نرم افزارهاي كامپيوتري

 

ب-روش هاي محاسبه بار بستر(كف) رودخانه ها

علاوه بر بار معلق اندازه گيري باربستر نيز بخشي از اقدامات متداول در جمع آوري داده هاي آماري مرتبط با بار رسوبي رودخانه ها تلقي مي شود . داده هاي آماري بار بستر اغلب به صورت تن در روز( ton/day )، كيلوگرم در ثانيه ( kg/s ) كيلوگرم در ثانيه در متر kg/s−m))ارائه مي شود.اندازه گيري باربستر برخلاف بار معلق داراي محدوديت هاي زيادي است . علت اين امر برهم خوردن شرايط جريان ناشي از استقرار دستگاه اندازه گيري در كف رودخانه مي باشد كه عملا الگوي طبيعي حركت باربستر را دچار اختلال مي نمايد .

اندازه گیری بار بستر بمراتب دشوارتر از بار معلق است. به همین دلیل در اکثر موارد تنها به اندازه گیری بار معلق اکتفا می شود و بار بستر برحسب درصدی از بار معلق در نظر گرفنه می شود (معمولا حدود 20 تا 30 درصد).

عموما اندازه گيري باربستر هم زمان با بده جريان و بار معلق انجام مي گيرد تا علاوه بر امكان بررسي تعامل بين آنها تعيين باركل كه مجموع بار معلق و باربستر مي باشد فراهم گردد.در تعيين باربستر آگاهي از خصوصيات هندسي و مكانيسم جابجايي اين گونه امواج رسوبي بستر ضروري مي باشد.

طبق بررسي ومطالعه منابع موجود روشهاي محاسبه بار معلق شامل4 روش كلي به شرح ذيل طبق بندي مي شوند:

1-            اندازه گيري بار بستر رودخانه ها (نمونه برداري از مواد بستر)

1-1-  روش مستقیم اندازه گیری بارکف:

1-2- روش غير مستقیم اندازه گیری بارکف:

2-            محاسبه بار كف در شرايط وجودآمار از ايستگاههاي آب سنجي (منحني سنجه رسوب)

3-            محاسبه وتعيين باركف از بار معلق) در شرايط  عدم وجودآمار رسوب(

4-            استفاده از معادلات و فرمولهاي تعيين باربستر روشهاي تئوري)

(معادله دوبويز ، شيلدز ، كالينسك ، ماير-پيتر ، شوگليچ ، انشتين –براون و روتنر )

 

ج-روش هاي محاسبه بار كل رسوب يا بارمواد بستر رودخانه ها

در مطالعه رسوب رودخانه ها تعيين باركل از جنبه هاي مختلف داراي اهميت است. باركل حاصل عملكرد حوزه آبخيز در توليد وانتقال رسوب بوده و شاخصي از وضعيت پايداري خاك، پوشش گياهي، كاربري اراضي و ملاحظات مربوط به حفاظت و بهره برداري از رودخانه ها مي باشد. بخشي از باركل متعلق به بارشسته(معلق) است كه حاصل فرسايش خاك حوضه بوده و از طريق شبكه آبراهه ها وارد رودخانه مي شود. بار شسته همراه با بارمواد بستر به عنوان باركل آوردرسوبي رودخانه را مشخص مي نمايد.

معادلات موجود براي تعيين باركل عموما ا ز محاسبه بارشسته صرفنظر نموده و فقط بارموادبستر را به عنوان باركل قلمداد مي كنند . از اين رو در بسياري از موارد باركل مترادف با بار مواد بستر بوده و توجه اصلي به بار رسوبي حاصل از فرسايش بستر رودخانه ها معطوف مي باشد. در زير به روش هاي اصلي تعيين باركل پرداخته شده است :

1-            محاسبه بار كل در شرايط وجودآمار از ايستگاههاي آب سنجي (منحني سنجه رسوب)

2-            محاسبه بار كل براساس وجودآمار رسوب معلق

3-            استفاده از معادلات و فرمولهاي انتقال رسوب(روشهاي تئوري )

(معادله انگلند-هانس ، ايكرز-وايت ، يانگ ، لارسن ،باگنولد)

محاسبه بار كل با استفاده از مدل رياضي و كامپيوتري فرسايش ورسوب

 

-منابع مورد استفاده

1)             برنامه ريزي آزمايش هاي رسوب. نشريه شماره 222 معاونت برنامه ريزي و نظارت راهبردي رييس جمهور، 1380 

2)             شفاعي بجستاني ،محمود. هيدروليك رسوب .1373

3)             مهدوي، محمد. هيدرولوژي كاربردي . انتشارات دانشگاه تهران

4)             راهنماي تعيين غلظت نمونه هاي رسوبات معلق رودخانه ها نشريه شماره 205 ، معاونت برنامه ريز ي و نظارت راهبردي رييس جمهور1381

5)             Gary, J., (2005), "Geomorphology and river management", Blackwell Publishing, USA.-

 

6)             Journal of Sediment Research", Vol. 16, No. 3,pp. 335-353

7)             Pierre Y Julien-Erosion and sedimentation; New York : Cambridge University Press, 2nd ed 2010-

8)             Simons, D. B. and Senturk, F. (1994), "Sediment transport technology", Book Crafters Inc., U.S.A.-

9)             Yang,C. T. (1996), "Sediment transport", McGraw – Hill Book Co., U. S.A.-

Yang, C.T., and Huang, C., (2001), "Applicability of sediment transport formulas, International-

Normal 0 false false false EN-US X-NONE AR-SA