دانلود مقاله اصول نظری گسترش سیلاب

اشاره ای بر اصول نظری گسترش سیلاب

ویرانگری سیلها زاییده سرعت زیاد آنها می باشد، چه مهمترین نیروی مخربه آب در حالت آرامش فشار ناشی از وزن آن است. چنانچه آب روان گردد، جرم پویای آن توانایی انجام کار را دارد، نیروی ضربه ای[1] (و فشار منتجه از آن)، و کار مایه جنبشی[2] دو ویژگی مهم آب روان و توابعی از سرعت آن می باشند. پیامدهای سیلها نه تنها خرابی ساختمانهایی چون خانه ها، پلها، جاده ها، اسکله ها، ...، بلکه فرسایش خاک های زراعی و حمل آنها به اماکن ناخواسته، چون شهرها، کاریزها، کشتزارها و مخازن سدهاست.

نتایج مشاهدات و بررسیهایی بی شمار که درباره علل فرسایش و بالأخص نیروی فرسایندگی آب[3] و ظرفیت آن برای حمل رسوب[4]  صورت گرفته حاکی از آن است که سرعت آب عامل مهم شستگی و جابجایی خاک به شمار می رود. پژوهشگرانی چند نیز فرسایندگی آب پویا را با تنش برشی آن وابسته یافته اند، که این نیرو خود نیز تابعی مستقیم از ارتفاع جریان و شیب خط کار مایه می باشد، که همبستگی شیب و سرعت جریان نیز به ثبوت رسیده است. بنابراین، مهار سیلاب از طریق کاهش سرعت و ارتفاع، و افزایش سطح تأثیر میسر می گردد. شرحی کوتاه از این مطالب، نه به ترتیبی که در بالا یاد شده اند، در صفحات آینده خواهد آمد.

شستن خاک بستر رود و اراضی مجاور آن و انتقال رسوب از مهمترین زیانهای سیل به شمار می روند. دستاورد مشاهدات و پژوهشهای پرشمار محققین هیدرولیک حاکی از آن است که نیروی فرسایندگی آب و ظرفیت آن برای حمل رسوب، تابعی از سرعت جریان می باشند. Branson و همکاران (1972، ص 48، به نقل از Twenhofel ) برآنند که نیروی فرسایندگی و ظرفیت حمل رسوب آب به ترتیب با توانهای پنجم و سه و دودهم تا چهارم سرعت آن (V5 و V3.2-4 ) بستگی دارند. Bell (1983 ، ص ص 310 – 309) توانهای ششم  و سوم را برای دو عامل مزبور پیشنهاد کرده است. [5] نتایج بررسیهای Mavis (Schwab و همکاران، 1966، ص ص 170 – 169) در مورد آستانه فرسایش بسترها با استفاده از ذراتی دارای قطرهای مساوی (یکدست)، که قطر آنها، d ، و چگالی نسبی آنها، G ، به ترتیب بین 70/5-35/0 میلی متر، و 64/2-83/1 نوسان داشته اند، دلالت بر وجود رابطه تجربی زیرین سرعت آب و جدایی ذرات از بستر می کند.

که در آنVt سرعت آستانه فرسایش برحسب فوت بر ثانیه می باشد. Strand (1973، به نقل از Mavis و Laushey ) سرعت مزبور را 7/0 میانگین سرعت نهر دانسته است. به عقیده Brater و King (1976، ص ص 27 – 23 : 7) ، پژوهشگرانی از این دست سرعت آب را عامل عمده   فرسایش به حساب آورده، و نقش ژرفای جریان را به هیچ شمرده اند؛ در حالی که، تنش برشی آب، که سبب جدایی ذرات از بستر می گردد، تابعی است از عمق جریان :

که در آن t تنش برشی (نیوتن بر متر مربع) ، W ، وزن مخصوص واحد آب (نیوتن بر مترمکعب)، D  عمق جریان (متر) و q زاویه کف بستر نسبت به افق بوده، و از آن جا که سینوس و ثانژانت زاویای کوچک تقریباً برابرند، معمولاً ، tanq  یعنی شیب کف، S، در رابطه فوق الذکر قرار می گیرد، بدین ترتیب، تنش برشی آب نیز تابعی از شیب بستر می باشد.[6] Sandor (1983، ص 77 به نقل از Leopold و همکاران)، تنش برشی آب را عامل فرسایندگی ، و مقدار آن را متناسب با مجذور سرعت جریان دانسته است.

چنانچه از مطالب بالا و دیگر مطالعات [7] مستفاد می شود، نیروی فرسایندگی آب تابعی است از سرعت و ارتفاع آن، و سرعت ، بر اساس رابطه مانینگ ()، خود تابعی است از : خشونت بستر n ، شیب نهر s ، و شعاع آبی آن، R ؛ بنابراین ، کاهش نیروی فرسایندگی آب از طریق افزایش ضریب خشونت [8] و کاستن شیب، شعاع آبی و ارتفاع جریان میسر می گردد. این فرآیند در شبکه های گسترش سیلاب در حوضچه های آرامشی که، اصطلاحاً نهرهای آبرسانی گسترشی، و گسترشی نامیده می شوند، تحقق می یابد.

فرض کنیم سیلی به عمق D1 متر در آبراهه ای دارای دیواره های عمودی، و به عرض L1 متر، شیب S1 درصد و سرعت V1 متر بر ثانیه در جریان است، بده این سیل Q=L1D1V1=A1V1 متر مکعب بر ثانیه، و نیروی برشی آن:

WD1S1 = t1 نیوتن بر متر مربع

می باشد. چنانچه کلیه این جریان وارد نهری به طول L2=200L1 گردیده، و با سرعتی معادل  از سراسر طول نهر سرریز کند، عمق جریان، D2 ، برابر خواهد بود با :

در صورتی که آب در سطحی که شیب آن  باشد به راه افتد، نیروی برشی جریان :

 نیوتن بر متر مربع

می باشد ، بدین ترتیب، نیروی برشی آن نسبت به بستر اصلی 40 بار کاهش می یابد. چنانچه نظر Leopold (Sandor ، مرجع بالا) را معتبر شمرده، و نیروی فرسایندگی آب را تابعی مستقیم از مجذور سرعت آن بدانیم، نسبت این دو نیرو (در بستر اصلی و پس از گذشتن از حوضچه آرامش و جریان در سطح زمین) :

خواهد بود، به دیگر سخن، نیروی فرسایندگی آب پس از گذشتن از حوضچه آرامش 100 بار کاستی می پذیرد.

آنچه در این میان تاکنون به حساب نیامده است، کارمایه زایل شده در نهر آبرسانی – گسترشی می باشد. شکل ساده قانون برنولی برای جریان آب در رودخانه، و پخش آن در روی زمین به شرح زیر است :

که در آن Z ارتفاع کف بستر از مبدأیی معین (مثلاً سطح دریا)، a ضریب تصحیح کارمایه جنبشی، g شتاب ثقل و hL افت فشار (کارمایه زایل شده)، و 1 و 2 معرف جریان در رودخانه و بر روی زمین می باشند؛ D و V تعریف شده اند. عرضه مثال عددی زیر کوششی است در روشنگری این بحث : سیلی به عمق یک متر، در آبراهه ای دارای مشخصات زیر ، در جریان می باشد: مقطع مستطیلی؛ شیب؛ یک درصد، عرض، 5 متر؛ جنس بستر ، قلوه سنگ، 4% = n ، ارتفاع کف در محل انحراف آب، 05/1440 متر. این آب از نهری به طول 500 متر به عمق نیم متر و با شیب طولی 2 در ده هزار متصل می گردد. آب پس از پر کردن نهر از سراسر طول لبه (1000 متر) به ارتفاع 05/0 متر، و سرعت 2/0 متر بر ثانیه ، سر ریز می کند (فرض بر آنست که نشت در نهرها صورت نمی گیرد). رابطه برنولی برای این دو وضعیت به ترتیب زیر خواهد بود :

1- از آن جا که شیب نهر آبرسانی یازده در ده هزار، و طول آن 500 متر است، بنابراین ارتفاع کف نهر آبرسانی در فاصله 500 متری از ابتدای آن برابر است با :

500.00 × 0.0011=0.55  متر

1140.05-0.55=1139.50 متر

و ارتفاع لبه آبرسانی – گسترشی  ( سر ریز) در محل اتصال آن با نهر آبرسانی :

1139.50 + .050=1140.00  متر

می باشد . لبه نهر در وسط آن (500 متری ابتدای نهر)

500.00 × 0.0002=0.10   متر

پایین تر از ابتدای آن قرار دارد ،

بنابراین، ارتفاع لبه نهر در محل فوق الذکر برابر است با :

1140.00-0.10 = 1139.90  متر

این ارتفاع معادل Z2 می باشد.

2- سرعت آب در آبراهه، V1 ، بر اساس رابطه مانینگ برابر است با :

  متر بر ثانیه

بنابراین :

بدیهی است اتلاف قسمت عمده کارمایه جنبشی در نهر آبرسانی – گسترشی، و به صورت تلاطم و تماس تحقق می یابد.

با توجه به آنچه در مورد نقش حوضچه آرامش (نهر آبرسانی – گسترشی) گفته شد، واضح است که نیروی ضربه ای، وفشار ناشی از آن، نیز در این فرآیند شدیداً کاهش می یابند. چنانچه فرض کنیم دیواره ای عمود بر محور جریان، و به درازی 5 و بلندی 1 متر در آبراهه مورد بحث احداث گردد، نیروی ضربه ای جریانی داری بده 10 متر مکعب بر ثانیه با سرعتی معادل 2 متر بر ثانیه به آن برخورد می کند، بنابراین فشار افقی وارده بر دیواره برابر است با :

هنگامی که این آب به گونه جبهه ای به طول 1000 ، و ارتفاع 05/0 متر، و با سرعت 20/0 متر بر ثانیه گسترش می یابد، فشار افقی جریان، در صورت وجود دیواره ای عمود بر مسیر آن، مساوی با :

خواهد بود. بدین ترتیب : نیروی ضربه ای 10 بار کاهش یافته، سطح تأثیر آن 10 بار افزوده شده، و فشار وارده 100 بار کاستی پذیرفته است (توضیح این که جرم آب در هر دو حالت یکسان و برابر با m بوده است) .

به همین ترتیب ، کار مایه جنبشی آب بر واحد زمان (توان) در آبراهه، E1 ، و پس از خروج از حوضچه آرامش E2 به شرح زیر است :

 بنابراین، کارمایه جنبشی، و در نتیجه توان آب پس از گذشتن از نهر آبرسانی – گسترشی، 100 بار تقلیل یافته است.

[1] .  impulse force نیرویی است که زمان اثر آن کوتاه باشد، چون برخورد و انفجار، تعریف فیزیکی نیروی ضربه ای است، که در آن F نیرو برحسب نیوتن (N )، کیلوگرم متر 2- ثانیه)، m جرم بر واحد زمان (کیلوگرم بر ثانیه)، و V سرعت برحسب متر بر ثانیه می باشد. تبدیل بده جریان (Q) به mبدین ترتیب است :

Williams Shortley m = Qm3 S-1×1000kgm-3=1000Qkgs-1، 1961 ، ص ص 139 – 138) . فشار منتجه از این نیرو،  ، محل برخورد آن با اجسام، مثلاً بندهای انحرافی وارد شده و پایداری آنها را به مخاطره می اندازه. تولید کار مایه به وسیله مولدهای برق آبی نیز با استفاده از همین نیرو تحقق می یابد.

[2] . Kinetic Enegry قابلیت انجام کار در اجسام متحرک بوده و تابعی از جرم و توان دوم سرعت جسم مورد نظر می باشد، به دیگر عبارت، ، که در آن E کار مایه برحسب ژول (کیلوگرم متر ثانیه) ، m جرم بر حسب کیلوگرم، و V سرعت برحسب متر بر ثانیه است. ثابت نماندن جرم سیالاتی که مطالعه اثرشان منظور نظر است سبب می گردد که تنها جرم مقداری معین از آنها در واحد زمان مورد توجه قرار گیرد. یکسان نبودن سرعت کلیه اجزاء در جرم مزبور نیز دشواری دیگر کاربرد رابطه کارمایه جنبشی است. Brater و King (1976 ، ص ص 9-5 : 3) ضریب تصحیح کارمایه جنبشی ، a ، را برای نهرهای روباز و جریان همرو  پیشنهاد کرده، لکن انتخاب آن را برابر واحد برای مسائل عملی بلامانع دانسته اند. چنانچه بده جریان (حجم بر واحد زمان) به جرم بر واحد زمان تبدیل، و میانگین سرعت به جای V به حساب آورده شود، نتیجه به صورت کارمایه بر واحد زمان، یا توان (power) درخواهد آمد، که واحد آن وات می باشد.

[3] . Competency

[4] . Capacity

[5] . همبستگی سرعت بحرانی کف نهر، که در آن دانه های سازنده بستر از جا کنده می شوند و توان  وزن غوطه ور دانه ها را نخستین بار Brahms ، در سال 1753، عنوان کرده است ( Graf، 1971 ، ص ص 14 و 86 ، به نقل از Forchheimer ) .

[6] . اندازه تنش برشی در محل برخورد سطح بالایی آب و بدنه های نهر، صفر، در کف نهر برابر با WDS ، و در بدنه ها معادل 75/0 مقدار آن در کف نهر می باشد (Graf ، 1971 ، ص 107). ظاهراً تنش لازم برای جداسازی ذرات در بدنه ها، به دلیل شیب زیاد آنها و کمک نیروی جاذبه به غلتاندن دانه ها، کمتر از همگامی است که فرسایش در کف نهر صورت می گیرد.

[7] . نگاه کنید به : «تابع بار متحرک بستر برای حمل رسوب در نهرهای روباز»، تألیف H.A.Einstein ، 1950، و مجموعه رسوبگذاری به ویراستاری Shen ، 1972.

[8] . افزایش ضریب خشونت از طریق شیار زدن اراضی به موازات خطوط تراز در زراعت سیلابی، و توسعه گیاهان علوفه ای و درختکاری در مراتع، صورت می پذیرد.