۱۳ روش پرکاربرد برای محاسبه شیب و عرض تعادلی رودخانه‌ها و آبراهه‌ها

شیب و عرض پایدار در رودخانه‌ها

یک رودخانه زمانی در شرایط تعادل به سر می‌برد که  فرسایش و  رسوبگذاری در رودخانه وجود نداشته باشد! برای این حالت نیاز است که شیب و عرض رودخانه در یک تعادل نسبت به هم قرار داشته باشند..محققین مختلف روابط متعددی برحسب تجربه برای شیب و عرض تعادلی رودخانه ارائه کرده‌اند که ما در این مطلب سعی کردیم روابط پرکارد این مبحث رو جمع آوری و خدمت شما ارائه کنیم.

برای آشنایی با روابط ارائه شده توسط محققین مختلف برای شیب و عرض تعادلی رودخانه‌ها و آبراهه‌ها و همچنین شرایط استفاده از هر رابطه، ادامه این مطلب را از دست ندهید..

فرسایش و رسوب از عوامل تأثیرگذاری است که روی شرایط جریان و نحوه‌ی حرکت آب در رودخانه ویا سایر مجاری آبرفتی تأثیر بسزایی دارد.

از گذشته تاکنون دانشمندان و محققان متعددی در این زمینه مطالعات زیادی انجام داده‌اند. کندی (Kennedy) در سال ۱۸۹۵ برای نخستین بار اصول و روابط جهت طراحی کانال‌های پایدار را مطرح کرد. “کانالی پایدار است که نه فرسایش و نه رسوب‌گذاری داشته باشد.”

از مهم‌ترین عوامل در فرسایش و یا رسوب‌گذاری رودخانه‌ها شیب و عمق رودخانه است که ارتباط مستقیمی با عرض رودخانه دارد. چنانچه شیب کف و مقطع کانال یا رودخانه در حالت پایدار و تعادل قرار گیرد، کانال یا رودخانه را «در رژیم» تلقی می‌نمایند یعنی اینکه، فرسایش و یا رسوب‌گذاری نداشته باشد. به‌عبارتی‌دیگر “رژیم” حالتی است که ابعاد هندسی ویا “هندسه هیدرولیکی” آبراهه شامل: عرض، عمق و شیب برای حمل آب و رسوب توسط طبیعت ثابت‌شده باشد. ازاین‌رو تعیین ابعاد هندسی پایدار برای آبراهه به کمترشدن میزان فرسایش و رسوب کمک شایانی می‌نماید.

مطالعات بسیاری برای ارائه روابط و یا نمودارهایی جهت تعیین “شیب و عرض پایدار” انجام‌شده است. با توجه به تصادفی بودن طبیعت حرکت رسوب در طول یک بستر رسوبی، تعیین این‌که در چه شرایطی از جریان، ذرات رسوب شروع به حرکت می‌کنند، دشوار است. ازاین‌رو ، روابط ارائه‌شده دارای فرضیاتی هستند که به هنگام استفاده از آن‌ها باید موردتوجه قرار گیرند. ازجمله این فرضیات می‌توان به‌اندازه دانه‌های بستر و دانه‌بندی بازه مطالعاتی اشاره کرد که در تعیین شیب و عرض پایدار بسیار حائز اهمیت است. عوامل دیگری نیز در انتخاب روش مناسب جهت تعیین عرض و شیب پایدار وجود دارد که با دقت نظر در این عوامل می‌توان به جواب مناسبی دست‌یافت.

در ادامه این مبحث، “روش‌های مختلف تعیین شیب و عرض پایدار” ارائه خواهد شد.

۱- روش لیسی (Lacy)

اولین روشی که برای تعیین شیب پایدار در نظر گرفته‌شده، روش موسوم به Lacey است. این روش یک روش ساده و ابتدایی بوده و برای دید اولیه نسبت به شیب و عرض تعادلی رودخانه یا آبراهه مناسب می‌باشد. “شیب پایدار” براساس رابطه لیسی با استفاده از رابطه (‏۱) بدست می‌آید.

رابطه (۱)

 

که در این رابطه :

S : شیب آبراهه، Q : دبی غالب، f : فاکتور سیلت (Silt Factor) و D_۵۰ : متوسط قطر ذرات کف

روش محاسباتی “عرض پایدار” با استفاده از روش لیسی بسیار ساده و ابتدایی است چراکه برای “تعیین عرض پایدار” تنها به میزان دبی نیاز دارد. برای محاسبه عرض پایدار به روش لیسی از رابطه (‏۲) استفاده‌شده است.

رابطه (۲)

در این رابطه :

B : عرض پایدار و Q : دبی غالب می‌باشد.

۲- روش لئوپلد و مدداک (Leopold & Maddack)

اگر بستر رودخانه سیلتی-ماسه‌ای باشد، تئوری بستر زنده و معادلات رژیم، کارایی می‌‌یابد. یکی از معادلات رژیم رابطه لیسی است. با استفاده از رابطه لیسی و با در نظر گرفتن تأثیر شیب و دانه‌بندی مصالح بستر، مقدار P که در رودخانه‌های عریض تقریباً معادل B است، از رابطه (۳) به دست می‌آید :

رابطه (۳)

 

این رابطه در رودخانه‌های با مصالح بستر سیلت و رس با دانه‌بندی کمتر از ۰.۲۵ اینچ (۶.۴ میلی‌متر)، رژیم جریان زیربحرانی و شیب کم،  قابل‌استفاده است.  برای رودخانه‌هایی با مصالح درشت‌دانه‌تر، عرض بیشتر و شیب تندتر، رابطه (‏۴) جواب‌های قابل‌قبول‌تری را ارائه می‌کند.

رابطه (۴)

 

در این رابطه :

Q : دبی غالب (m^۳/s)، S : شیب کف، d_۷۵ :  اندازه ذره‌ای از مصالح بستر که ۷۵ درصد وزنی دانه‌های بستر از آن اندازه کوچک‌تر باشند (mm) و P : محیط خیس ­شده مقطع (معادل عرض پایدار) (m)

نکته : این روش جهت محاسبه شیب پایدار از رابطه لیسی استفاده می‌کند.

۳- روش آستانه (Threshold)

این روش که شیب و عرض پایدار را ارائه می‌دهد از سه رابطه لیسی، نیل و مانینگ  برای تعیین سه پارامتر S,d,B استفاده‌ می‌کند.

شیب و عرض پایدار در این روش به ترتیب با استفاده از رابطه (‏۵) و (‏۶) به دست می‌آید.

رابطه (۵)

رابطه (۶)

 

که در این روابط :

Q : دبی جریان (m^۳/s)، D_۵۰ : قطر متوسط ذرات (m) و B : عرض پایدار (m)

۴- روش کلرهالس (Kellerhals)

در این روش با استفاده از رابطه اصطکاک و “شرایط آستانه حرکت” و یکی از روابط لیسی که عرض آبراهه را متناسب با ریشه دوم دبی در نظر گرفته، روابط (‏۷) و (‏۸) به­ ترتیب برای “عرض و شیب پایدار” رودخانه شنی به‌دست‌ آمده است :

رابطه (۷)

رابطه (۸)

 

در این رابطه :

Q : دبی غالب (m^۳/s) و D_۹۰ : اندازه ذره‌ای از مصالح بستر که ۹۰ درصد وزنی دانه‌های بستر از آن اندازه کوچک‌تر باشند (mm).

۵- روش پارکر (Parker)

در این روش با استفاده از تکنیک آشفتگی منفرد، سه رابطه “رژیم” برای آبراهه شنی به‌دست‌ آمده است :

رابطه (۹)

رابطه (۱۰)

رابطه (۱۱)

 

در این رابطه :

B : عرض پایدار آبراهه (m)، Q : دبی غالب (m^۳/s)، ρ_s : چگالی ذرات کف بستر (kg/m^۳)، d_۵۰ : قطر متوسط ذرات کف (mm)، S : شیب پایدار و _*Q : پارامتر بی‌بعد.

۶- روش شیب بحرانی

تعیین شیب پایدار از روش شیب بحرانی از رابطه ۱۲ استفاده شده است به این صورت که با استفاه از این روش ابتدا شیب بحرانی که شیبی بیشتر از شیب پایدار است محاسبه شده است و سپس برای تعیین شیب پایدار از شیب کمتر از آن مقدار استفاده شده است.

رابطه (۱۲)

 

در این رابطه :

Q : دبی غالب (m^۳/s) و D_s : متوسط اندازه ذرات.

۷- روش میر-پیتر و مولر (Meyer-Peter and Müller)

رابطه‌ی میر-پیتر و مولر در سال ۱۹۴۸ جهت تعیین میزان بار بستر ارائه شد. از این رابطه می‌توان جهت محاسبه شیب بحرانی استفاده کرد. رابطه‌ی میر-پیتر و مولر برای محاسبه شیب بحرانی به‌صورت رابطه (۱۳) است.

رابطه (۱۳)

 

در این رابطه :

K1 : عدد ثابت که در سیستم متریک، مساوی ۰.۰۵۸ است

d_۵۰ : اندازه ذره‌ای از مصالح بستر که ۵۰ درصد وزنی دانه‌های بستر از آن اندازه کوچک‌تر باشند. (mm)

d_۹۰ : اندازه ذره‌ای از مصالح بستر که ۹۰ درصد وزنی دانه‌های بستر از آن اندازه کوچک‌تر باشند. (mm)

n : ضریب زبری مانینگ در کف آبراهه و D متوسط عمق جریان می‌باشد.

۸- روش جوان پارسا

روش دیگری که به محاسبه عرض تعادلی می‌پردازد، روش جوان-پارسا  است که اعداد به‌دست‌آمده از این روش از دقت بهتری نسبت به روش Lacey برخوردار است و اعداد مهندسی‌تری را به دست داده است. در این روش علاوه بر دبی، شیب موجود رودخانه نیز در تعیین عرض پایدار مؤثر است.

این روش با توجه به مطالعات و بررسی‌های انجام شده توسط محققان مختلف نتایج مناسبی برای رودخانه‌ها و آبراهه‌های ایران ارائه داده است.

برای محاسبه عرض پایدار به روش جوان- پارسا نیز از رابطه (۱۴) استفاده‌شده است.

رابطه (۱۴)

 

در این رابطه :

B : عرض پایدار (متر)، Q : دبی جریان (m^۳/s) و S : شیب موجود.

نکته مهم در این روش این است که روش جوان پارسا برای محاسبه عرض تعادلی از پارامتر شیب در رابطه استفاده کرده است.

۹- روش USBR

U.S.B.R در سال ۱۹۷۷ برای طراحی کانال‌های پایدار، رابطه‌ای بین تنش برشی بحرانی و متوسط قطر دانه‌های رسوب پیشنهاد کرد که در شکل زیر ارائه‌شده است.

با استفاده از نمودار فوق تنش برشی بحرانی محاسبه‌شده و با استفاده از رابطه (‏۱۵) شیب پایدار به دست می‌آید.

رابطه (۱۵)

 

مقدار ثابت ۰.۱۵۷ به‌منظور تبدیل واحد در تنش برشی بحرانی ضرب شده است.

در این رابطه :

τ : تنش برشی بدست آمده از نمودار (lb/ft^۲)، D : متوسط عمق جریان (m) و γ : وزن مخصوص آب (kN/m^۳)

۱۰- روش شاکلیش 

روش شاکلیش برای حالت انتقال بار بستر صفر مطابق رابطه (۱۶) می­‌باشد :

رابطه (۱۶)

 

و مطابق رابطه بالا :

S_L : شیب پایدار، K : ثابت و در سیستم متریک برابر ۰.۰۰۰۲۹۳، D : قطر متوسط ذرات (mm)، B : عرض کانال (m) و Q : دبی غالب (m^۳/s)

۱۱- روش هندرسون (Henderson)

روش هندرسون برای محاسبه عرض بهینه مطابق رابطه (۱۷) است.

رابطه (۱۷)

 

 

 

و در این رابطه :

Be : عرض بهینه (m)، Q : بده غالب (m3/s)، S : شیب رودخانه، D_۷۵ : قطر نظیر ۷۵ درصد ریزتر وزنی مواد بستر (mm) و μ : ضریب اصلاحی که بین ۰.۵ تا ۱ متغیر است.

۱۲- روش چنگ

چنگ نیز رابطه‌ای را برای محاسبه عرض بهینه رودخانه‌ها ارائه نموده است. رابطه ارائه شده چنگ برای عرض بهینه مطابق رابطه (۱۸) است :

رابطه (۱۸)

 

که در این رابطه :

B : عرض بهینه (m)، Q : بده طراحی (m3/s)، S : شیب رودخانه و D_۵۰ : قطر نظیر ۵۰ درصد ریزتر وزنی مواد بستر (mm).

۱۳- روش لین (Lane)

لین هم برای محاسبه عرض بهینه رابطه‌ای شبیه به روابط چنگ و هندرسون ارائه نموده است که مطابق رابطه (۱۹) است.

رابطه (۱۹)

 

که در این رابطه :

B : عرض بهینه (ft)، Q : بده پایه (ft^۳/s)، S : شیب رودخانه و D_۷۵ : قطر نظیر ۷۵ درصد ریزتر وزنی مواد بستر (ft).

 

روش‌های دیگری نیز مانند روش شیلدز (برای مطالعه کلیک کنید) و کوپلند وجود دارند که از روش‌های مهم و پرکاربرد این مبحث نیز به حساب می‌آیند، اما قصد داریم این دو روش را مفصل‌تر و در مطلبی جداگانه هریک را بررسی کنیم چون با توجه به طولانی بودن از حوصله این مطلب خارج هستند. 

 

امیدواریم از مطالعه این مطلب استفاده لازم رو ببرید…

آموزش کاربردی مدلسازی دو بعدی رودخانه با نرم افزار HEC-RAS V6.1

کاملترین آموزش با جدیدترین ورژن هک رس

همین حالا شروع کنید
برای اولین بار در ایران