ضریب زبری

عوامل مختلفی بر زبري هیدرولیکی رودخانه موثر است. برخی از این عوامل تابع شرایط هیدرولیکی نظیر نـوع رژیـم جریـان نیز می باشد. عوامل موثر بر زبري هیدرولیکی آبراهه اصلی و سیلاب دشت رودخانه را می توان شامل موارد زیر دانست:

  • قطر دانه هاي رسوب در بستر آبراهه اصلی و سیلاب دشت رودخانه ها
  • عمق جریان
  • لزجت جریان
  • شکل بستر آبراهه
  • موانع موجود در بستر آبراهه و سیلاب دشت
  • تغییرات شکل و اندازه مقاطع رودخانه
  • پوشش گیاهی بستر آبراهه و سیلاب دشت
  • پیچانرودي رودخانه
  • غلظت رسوب جریان

 

بررسی عوامل موثر در زبري هیدرولیکی آبراهه اصلی

اثر قطر دانه هاي رسوب، عمق جریان و لزجت جریان

از آنجا که در اغلب تحقیقات پایه بر روي زبري هیدرولیکی، اثر زبري معادل، عمق جریان و لزجت جریان با هـم مورد بررسی قرار می گیرد اثر این سه عامل با هم مورد بحث قرار گرفته است. قطر دانه رسوب، زبـري جداره ای جریـان را تشکیل می دهد. در غالب تحقیقات انجام یافته از d65 تا 2d65 به عنوان زبري معادل استفاده شده است کـه در آن d65 قطـر چشمه الکی است که %65 مواد بستر از آن عبور می نماید. بـر اسـاس زبـري جـداره آبراهـه رژیـم جریـان بـه سـه دسـته طبقه بندی می شود.

  • رژیم صاف هیدرولیک
  • رژیم زبر هیدرولیکی
  • رژیم بینابینی (تبدیل رژیم صاف به زبر یا بالعکس)

محدوده سه نوع رژیم جریان یاد شده بر اساس مقدار عدد رینولدز برشی تعیین  میشود که از رابطه زیر محاسبه  می گردد:

 

 

 

که در این رابطه:

Ks : زبری معادل دانه های رسوبی بر حسب متر

*U : سرعت برشی

v : لزجت سینماتیک بر حسب مجذور متر بر ثانیه

g : شتاب ثقل بر حسب متر بر مجذور ثانیه

R : شعاع هیدرولیکی بر حسب متر

S : شیب خط انرژی

در محدوده زیر از عدد رینولدز برشی، رژیم جریان صاف هیدرولیکی است:

 

 

در این صورت زبري جریان فقط تابع عدد رینولدز بوده و از رابطه زیر ضریب سرعت برای آبراهه مستطیلی عریض تعیین می شود:

 

 

 

در محدوده زیر، جریان فقط تابعی از زبري نسبی بوده و از رابطه زیر، ضریب سرعت برای آبراهه مستطیلی عریض تعیین می شود:

 

 

 

 

این رابطه برای آبراهه مستطیلی کم عرض به صورت زیر در می آید:

 

 

 

در خارج از دو محدوده یاد شده، رژیم جریان در حال تبدیل از صاف به زبر هیدرولیکی بوده و تابع ضـمنی از هـر دو مقـدار بـی بعد عدد رینولدز و زبري نسبی می باشد. این رژیم در رودخانه گذرا بوده و در عمل این رژیم در رودخانه کمتر مشاهده می شود.

روابطی براي ضریب مانینگ ناشی از دانه هاي رسوب ارائه شده است که بصورت زیر بیان می شود.

 

 

 

این رابطه در ترکیب با رابطه مانینگ ضریب سرعت را به صورت زیر ارائه می دهد:

 

 

 

در رابطه فوق *d زبری معادل دانه هاي رسوب و واحد آن متر است و  ضریب ثابت براي هر روش می باشد .

دو رابطه اخیر، زبری هیدرولیکی و ضریب سرعت را  فقط تابعی از زبري نسبی برآورد می نماید و این روابط فقط براي رژیم جریان زبري هیدرولیکی صادق است. روابط بالا نشان می دهد که ضریب سرعت با لگاریتم عدد رینولدز رابطه مسـتقیم دارد و بـا افـزایش عـدد رینولـدز ضریب سرعت افزایش یافته و به علت رابطه معکوس ضریب مانینگ با ضریب سرعت، با افـزایش عـدد رینولدز در رژیم صاف هیدرولیکی، ضریب مانینگ کاهش می یابد.

ضریب زبري با افزایش عمق جریان کاهش می یابد. این موضوع به علت کاهش نسـبی زبـري جـداره جریـان در تولیـد آشفتگی در میدان جریان می باشد و با توجه به روابط بالا مشـخص اسـت کـه در هـر دو نـوع رژیـم جریـان، ضریب سرعت با افزایش عمق و شعاع هیدرولیکی، افزایش یافته و به علت رابطه معکوس ضریب سرعت بـا زبـري هیـدرولیکی، زبري هیدرولیکی کاهش می یابد.

 

اثر شکل بستر

بسترهاي ماسه اي در جریان های با توان های مختلف آبراهه ای به اشکال مختلفی در می آیند. شکل1 به صـورت شماتیک شکل بستر ماسه اي آبراهه را براي مقادیر مختلف توان آبراهه ای نشان می دهد. این شکل روند تغییرات زبري مانینگ را در اثر تغییر توان آبراهه ای ارائه می نماید. بسته به مقدار توان آبراهه اي و قطر متوسط دانه هاي ماسه، سـه رژیـم جریان زیر قابل تشخیص است.

  • رژیم پایینی(Lower Regime)
  • رژیم بینابینی(Transition Regime)
  • رژیم بالایی(Upper Regime)

رژیم پایینی شامل بستر هموار و بدون انتقال رسوب، بستر دانه اي و تلماسه ای می باشد. رژیـم بـالایی شـامل بسـتر صاف با انتقال رسوب و امواج ماسه ای ایستا و پاد تلماسه اي، پاد تلماسه ای شکسته و تنداب و گوداب است. رژیـم بینابینی یک رژیم گذار و بین دو رژیم دیگر می باشد.

 

ضریب زبری

شکل1- تغییرات ضریب زبری در بسترهای ماسه ای و رژیم های مختلف جریان

 

ضریب زبری

شکل2- رابطه بین قطر متوسط رسوب بستر و توان آبراهه ای با رژیم جریان

 

شکل2 محدوده هاي هر یک از رژیم هاي جریان را نشان می دهد. رابطه رژیم جریان با توان جریان آبراهه اي و قطر متوسط رسوب بستر در این شکل مشخص شده است و با داشتن قطر متوسط رسوب و توان جریان مـی تـوان نوع رژین جریان را تعیین نمود. شکل1 نشان می دهد که در رژیم پایینی جریان ضریب مانینگ با افزایش توان جریان افزایش نسبتا تندي دارد و در رژیم بینابینی ضریب مانینگ روند نسبتا تند نزولی با افزایش تـوان آبراهـه را نشان می دهد. در رژیم بالایی جریان با افزایش توان آبراهه اي، ضریب مانینگ افزایش می یابد ولی روند افـزایش آن از رژیم پایینی جریان ملایم تر است.

 

ناهمواري سطح آبراهه

اگر نسبت عرض به عمق آبراهه کوچک باشد، باید زبري ناشی از فرسایش و آبشستگی کناره هـاي آبراهه و ریشـه های ظاهر شده در طول کناره ها، در افزایش ضریب زبري لحاظ شوند. این افزایش می تواند تا 0/02 در ضریب مانینـگ اعمـال گردد. مقادیر بزرگتري نیز ممکن است براي ناهمواری های شدید کناره هاي آبراهـه در نظـر گرفته شود.

 

اثر تغییرات اندازه و شکل مقاطع رودخانه

اگر تغییرات اندازه و شکل آبراهه  اصلی تدریجی و یکنواخت باشد این تغییرات در زبري هیدرولیکی اثر قابل توجهی نخواهد داشت. ولی تغییرات در اندازه و شکل مقاطع آبراهـه، به صـورت متنـاوب، پـیچ شـدید آبراهـه، انقبـاض شـدید و جابجایی متناوب بستر صغیر به طرفین بستر کبیر آبراهه ضریب زبري را افزایش می دهد. میزان اثر تغییرات اندازه مقاطع عرضی اول به تعداد تناوب مقاطع بزرگ و کوچک و اندازه تغییر در ابعـاد مقطـع بسـتگی دارد. ضـریب مانینـگ حـداکثر 0/003 در اثر تغییرات اندازه و شکل مقاطع افزایش پیدا  می کند.

 

اثر موانع

موانعی نظیر کنده درختان، ریشه درختان، تخته سنگ و سنگ هاي درشت، نخاله ها، الوار و پایه پل ها الگوي جریان را آشفته نموده و زبري هیدرولیکی را افزایش می دهند. مقدار افزایش به شکل، اندازه موانع و نسبت بـه ابعـاد مقطـع اصـلی بستگی دارد. از سوي دیگر اثر موانع بر روي ضریب زبري تابعی از سرعت جریان است. هر مانعی در جریـان اطـراف خـود، فضاي کره شکلی را تحت تاثیر قرار می دهد که کره تاثیرگفته می شود. وقتی که سرعت جریان زیاد باشد هـر مـانع، کـره تاثیری بزرگ تر از ابعاد مانع ایجاد می نماید. ابعاد کره تاثیر در آبراهه با شیب ملایم تا متوسـط حـدود سـه تـا پـنج برابـر عرض مانع می رسد. کره تاثیر چند مانع می تواند هم پوشانی ایجاد نموده و موجب آشفتگی قابل توجه در جریـان شـود، حتی اگر ابعاد موانع نسبت به ابعاد مقطع قابل توجه نباشد.

 

اثر پوشش گیاهی

اثر پوشش گیاهی به عمق جریان، درصد پوشش گیاهی در محیط تر شده مقطع، تراکم پوشـش گیـاهی در زیـر تـراز حداکثر آب، انعطاف پوشش در مقابل جریان، به ترتیب قرارگیري و جهت ردیف هاي درختـان بسـتگی دارد. ردیف هاي پوشش گیاهی در امتداد جریان، اثر کمتري نسبت به ردیف هاي پوشش گیاهی عمـود بـه جریـان دارنـد. مقـدار افـزایش ضریب مانینگ ناشی از پوشش گیاهی در بستر آبراهه هاي کم عـرض ممکـن اسـت حـداکثر بـه 0/1 نیـز برسـد ولـی در آبراهه هاي با بستر بدون پوشش و عریض با کناره هاي داراي پوشش، مقـدار افـزایش ضـریب مانینـگ بـه 0/005 محدود می شود. اگر آبراهه عمیق باشد و شیب کناره ها تند بوده و پوشش گیاهی از آنها آویزان شده باشد مقدار افـزایش ضـریب مانینگ به 0/03 می رسد.

 

اثر پیچانرودي

درجه پیچانرودي آبراهه به نسبت پیچانرودي بستگی دارد که به صورت نسبت طول مسیر در آبراهه پیچانرودي بازه به مسیر مستقیم بازه تعریف می شود. اگر نسبت پیچانرودي بین 1 و 1/2 باشد درجه پیچانرودي کم بـرآورد می شـود و اگر نسبت پیچانرودی بین 1/5 تا 1/2 باشد درجه پیچانرودي محسوس اسـت. چنانچـه نسـبت پیچـانرودي بـیش از 1/5 باشد درجه پیچانرودي شدید برآورد می شود. چاو نشان داد که پیچانرود بودن رودخانه ضـریب مانینـگ را تـا 30 درصد ممکن است افزایش دهد. اثر پیچانرودي موقعی لحاظ می شود که جریان در آبراهه اصلی جاري شـود و درصـورت جریـان یافتن سیل در سیلاب دشت اثر پیچانرودي لحاظ نمی شود.

 

اثر غلظت جریان

در جریان با غلظت بالا نظیر جریان های گلی و واریزه اي به علت اینکه بخشی از انرژي جریان در اثر برخورد دانه هـای رسوبات به هم تلف می شود باعث افزایش زبري هیدرولیکی جریان می گـردد. عـدم حفاظـت خـاك و مـدیریت ناصـحیح آبخیزها در کشورمان باعث افزایش رسوب دهی حوضه های آبریز به ویژه هنگـام سـیلاب میگـردد کـه نهایتـا بـه رخـداد سیلاب های واریزه ای و گلی منجر می شود. اثـر غلظت جریان در غلظت هاي حجمی بالاي 5درصد بر روي زبري جریـان محسـوس می شود.

 

بررسی عوامل موثر در زبري هیدرولیکی سیلاب دشت

ناهمواري های سطح سیلاب دشت

ناهمواري سطح سیلاب دشت باعث افزایش زبري هیدرولیکی آن می شود. برآمدگی ها، تپه و ماهورها و باتلاق های موجود در سیلاب دشت موجب افزایش ضریب زبري می گردد. جریان کم عمق بـه همـراه نـاهمواري هاي ناشـی از مرتـع، بوته زار و جویچه های عمود بر جریان اراضی کشاورزي می تواند ضریب مانینگ را به مقدار 0/02 افزایش دهد.

 

موانع

موانعی نظیر نخاله ها، کنده درختان، برون زدگی ریشه ها، تنه درختان افتاده، تخته سنگ هاي منفـرد موجـب افـزایش زبری سیلاب دشت می شوند که باید در برآورد ضریب زبري سیلاب دشت لحاظ شوند.

 

سایر عوامل موثر

اثـر قطـر دانه هاي رسـوب، عـدد رینولـدز، عمـق جریـان، پوشـش گیـاهی و غلظـت رسـوب در زبـري هیـدرولیکی سیلاب دشت ها همانند اثر این عوامل در آبراهه اصلی است. تغییـرات شـکل، انـدازه مقطـع و پیچـانرودي بـودن رودخانه در زبري هیدرولیکی سیلاب دشت اثر قابل توجهی ندارد.

دیدگاهتان را بنویسید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد. فیلدهای مورد نیاز با * مشخص شده است

نوشتن دیدگاه