شبيه سازي سازه هاي رسوبگير درون آبراهه اي

مقدمه

رودخانه هاي كنترل شده و با شيب بالاچالشهايي را در مطالعه مربوط به مدلسازي ايجاد مي كنند. خصوصياتي مثل توپوگرافي پيچيده، جريان غير يكنواخت، رژيمهاي جريان متغير يا انتقالي همگي باعث ايجاد مشكل در مدلسازي هستند. پيچيدگي در يك رودخانه تنظيمي مثل رودخانه Spokane قابل توجه است. كاناليزه سازي مصنوعي، سازه هاي جريان بزرگ (مثل سد) و وجود موانع همگي در طول رودخانه وجود دارد كه منجر به سخت تر شدن مدلسازي رودخانه مي شود.

رسوبات عمده با اندازه تخته سنگ و سنگهاي بزرگ همانند بعضي از رسوبات ريز دانه شن و ماسه، به پائين دست رودخانه Spokane شسته شده و در بالادست بند انحرافي Monroe Street Head End (HED) ته نشين مي شوند (شكل 1، بخش C). اين رسوبات بخشي از دهانه آبگير انحرافي را گرفته و جريان ورودي به نيروگاه را كاهش مي دهد. بازديدهاي غواصي در سال 1990 نشان داد كه 60 درصد از سه متر پائيني آشغالگير ده متري توسط رسوبات بسته شده است. در گذشته لايروبي رسوبات يك راه حل موقتي بود، ولي اينگونه فعاليتها هم زمانگير بوده و هم هزينه بر. اخيرا در سال 1997 در عمليات لايروبي تقريبا 13380 متر مكعب از مواد رسوبي از نزديكي بند انحرافي تخليه گرديد. اين مقدار رسوب معادل با وقوع سيلاب 20 ساله كه در سال 1997 اتفاق افتاد بود.

مطالعات متعددي در مورد مطالعات مربوط به مشكل ته نشيني رسوبات در بند انحرافي فوق صورت گرفته است. اين مطالعات محدود به 1- تخليه و خارج ساختن مواد لايروبي شده از محل بند انحرافي HED 2- اصلاح بند انحرافي و سازه آبگير موجود جهت انحراف و تله اندازي رسوبات خارج از دهانه آبگير و 3- تجزيه و تحليل اوليه از منابع و مقادير انتقال رسوبات در داخل كانال. بوده است. تا امروز هيچكدام از اين راه حل ها اجرايي نشده و اين مطالعه ادامه مطالعات براي پيشنهاد يك راه حل مي باشد.

فرض اوليه در اين مطالعه اين است كه مطلوبترين وضعيت تله اندازه رسوبات در داخل رودخانه در يك فاصله دورتر از محل بند انحرافي HED و يا كاهش محسوس ميزان انتقال رسوبات بطوريكه مقدار رسوبات كمتري به محل بند برسد، مي باشد. جهت رسيدن به اين هدف چندين راه حل وجود دارد. گزينه هاي رسوب گيري مستقيم مثل حلقه هاي سنگي يا شبكه هاي رسوبي مي تواند موثر واقع شود ولي بطور كلي نگهداري طولاني مدت را نيازمند هستند. باه حل بهتر براي مسئله رسوبگذاري كه در بند انحرافي HED وجود دارد قرار دادن پايه هاي سنگي در داخل كانال است.

پايه هاي سنگي داراي مزاياي متعددي براي طراحي مجدد از سازه هاي زيربنايي موجود و يا روشهاي رسوبگيري مستقيم است. پايه هاي سنگي نياز به احداث طبيعي و يا انحراف كانال ندارند و اجراي آنها بصورت حمل سنگهاي بزرگ به داخل رودخانه ساده است. مزيت اوليه آنها اينست كه مي توان با استفاده از آنها قابليت ته نشيني رسوبات به سادگي با قرار دادن آنها در داخل كانال امكان پذير است.

مطالعات اخير مرتبط با موضوع پيشنهاد مي كند كه اجزاء داراي زبري بالا شامل پايه هاي سنگي مي توانند در تله اندازي رسوبات موثر باشند. مطالعات متعددي شامل موضوعات هندسه شيبدار شكل گرفته است. و ياد آور مي گردد كه رژيمهاي جريان كه داراي استغراق نسبي پايه هاي سنگي پائين در كانال است داراي تاثير بيشتر بر روي الگوهاي ته نشيني و ميزان انتقال رسوب باشد. Shamloo et al (2001) پيشنهاد داد كه فرآيندهاي بازخورد بين جريان و پايه هاي سنگي داراي اثرات تنظيمي بر روي الگوهاي ته نشيني رسوبات آوردي در رودخانه هاي با بستر شني طبيعي دارد.

شرايط رسوبگذاري معين كه در اين طرح رودخانه Spokane حاكم بوده، و براي مقابله با اين شرايط در بند انحرافي HED نيازمند زمان و هزينه است، ارزيابي پتانسيل استفاده از پايه هاي سنگي بعنوان وسيله تله اندازي موثر رسوب بسيار سودمند خواهد بود. در مطالعه حاضر استفاده از پايه هاي سنگي براي بررسي و ارزيابي اثرات دو موضوع زير انجام مي گيرد: 1- تله اندازي مقادير عمده رسوبات در بالادست بند انحرافي HED و 2- ارائه راه حلي كه بتواند كيفيت مربوط به زيبايي شناختي را در مناطق پارك اطراف رودخانه Spokane در پائين دست بهبود ببخشد.

مدلسازي اوليه از محدوده مورد مطالعه در رودخانه Spokane در مرجع مربوط به Hobbs and Papanicolaou (2005) ارائه شده است. قابليت بسته نرم افزاري SMS 8.1 و مدل سيستم مدلسازي آب سطحي به روش اجزاء محدود (Finite Element Surface Water Modeling System – FESWMS) براي نشان دادن ميزان دقت حاصل شده در محدوده جريان براي ميانگين ساليانه جريان متوسط روزانه و جريان لبريز بوده و اين بسته نرم افزاري در اين مطالعه بيشتر استفاده خواهد شد.

محدوده مورد مطالعه

رودخانه Spokane، ئر منطقه Spokane واشنگتن ايالات متحده يك رودخانه با شيب بالا، تنظيمي و با بستر سنگي است. رودخانه از خروجي درياچه Coeur d’Alene در شمال آيداهو شروع شده، از ميان شهر Spokane عبور كرده و به درياچه Franklin D. Roosevelt بر روي رودخانه كلمبيا منتهي مي گردد. سد Post Fall نزديكي خروجي درياچه ميزان جريان روي رودخانه را كنترل مي كند.

كانال رودخانه در Spokane در يك منطقه توسعه يافته شهر جائيكه هردو عامل توسعه و نيروگاه نقش عمده اي را در اقتصاد محلي ايفا مي كنند. شكل 1 بند انحرافي را نشان مي دهد (بخش C) كه جريان معادل 70 متر مكعب بر ثانيه را به داخل درياچه نيروگاه (بخش D) منحرف كرده، يك مجراي عبور آب را تغذيه نموده و پس از طي مسافت 110 متر تقريبا با ارتفاع 18 متر به داخل نيروگاه سقوط مي كند. (بخش E)

شكل 2 پارامترهاي هيدروليكي مربوطه مورد استفاده در شبكه اجزاء محدود نشان مي دهد. شيبهاي مستقيما از طريق عمق سنجي تراز بستر نشان داده شده در شكل محاسبه گرديد. مقطع مدل داراي تقريبا 430 متر طول است. مرز بالادست تقريبا داراي عرض 52 متر و كانال تا 124 متري قبل از انشعاب در اطراف جزيره Canada ادامه دارد. عرض كانال شمالي 56 متر و كانال جنوبي 92 متر است. مواد استفاده شده در داخل محدوده مدل مشابه است. براساس مشاهدات صحرايي و مطابقت با رودخانه هاي مشابه ضريب زبري 0.046 انتخاب گرديد. مقادير لزجت گردابي با استخراج ضريبي و با فرض حاكم بودن توزيع لگاريتمي و توزيع تنش برشي و استفاده مقادير عمق نرمال در نقاط مختلف در داخل مدل محاسبه گرديد.

شكل 1- نقشه محدوده بند انحرافي Monroe Street HED در Spokaneواشنگتن

ضريب لزجت گردابي استفاده شده عبارت است از:

كه d عمق جريان، g شتاب ثقل و S شيب بستر است. در جدول 1 مقادير پارامترهاي هيدروليكي در مقاطع شماره گذاري شده در شكل 2 ارائه شده است.

جدول 1- مقادير پارامترهاي هيدروليكي مقاطع شماره گذاري شده در شكل 2

	Eddy Viscosity (m2/s)	Section Slope
Section1	0.13	0.004
Section2	0.09	0.004
Section3	0.12	0.012
Section4	0.87	0.013

هدف

هدف از اين مطالعه شبيه سازي و آزمايش خصوصيات جريان رودخانه Spokane براي مقدار جريان 425 مترمكعب بر ثانيه در دو حالت خاص زير مي باشد: 1- كانال در وضعيت كنوني است و – كانال همراه با رديفهايي از پايه هاي سنگي واقع شده در انتهاي بالادست بازه مدل. بواسطه ارزيابي كيفي نتايج امكان دستيابي به نتايج كيفي درباره پتانسيل استفاده از پايه هاي سنگي در تله اندازي رسوبات فراهم مي گردد.

روش كار

پايه اصلي و ستون روش پيشنهادي بر مبناي بررسيهايي است كه پايه هاي سنگي تحت آرايش عمده مي توانند در تله اندازي رسوبات بسيار موثر واقع گردند. بمنظور فراهم سازي آرايش متغير از پاياه هاس سنگي 5 مرحله طراحي در اين مطالعه مورد بررسي قرار گرفت:

1- تعيين بهترين موقعيت براي آرايش در داخل رودخانه.

2- تعيين نسبت استغراق بهينه مورد نياز.

3- تعيين اندازه پايه هاي سنگي.

4- تعيين فاصله بين پايه هاي سنگي پيشنهاد شده.

5- تعيين تعداد پايه هاي سنگي براي استفاده در شبكه آرايش.

موقعيت يابي و تعيين تعداد پايه هاي سنگي مورد استفاده در اين شبكه آرايش بر مبناي دو فاكتور است. فاكتور اول اينكه نگراني عمده از اينكه جائيكه شبكه آرايش قرار مي گيرد حداقل نسبت به هزينه موثر باشد، بهترين ناحيه جائيست كه حداقل تعداد سنگهاي بيشترين اثر را داشته باشد. فاكتور دوم، امكان قرار دادن پايه هاي سنگي در داخل كانال بسيار مهم است. بنابراين جايگزاري بهينه و تعداد بهينه سنگها در ناحيه اي خواهد بود كه كانال نسبتا مستقيم و كم عرض باشد.

تعيين ابعاد سنگها شامل دو مرحله است. مرحله اول استفاده از معيار تعيين اندازه ريپ رپ كه حداقل اندازه سنگ پايدار است مي باشد. مرحله دوم، عمق و اندازه استغراق نسبي در تعيين ابعاد نهايي پايه هاي سنگي لحاظ گرديده است. مطابق Shamloo et al (2001) نسبت استغراق نزديك به يك به شكل محسوسي در تله اندازه رسوب نسبت به نسبت استغراق بالاتر موثر است. با درنظر گرفتن اين مقدار، نه تنها سنگها بايستي از حداقل اندازه پايدار بزرگتر باشند بلكه بايستي به اندازه كافي بزرگتر باشند تا بتوانند نسبت استغراق نزديك به يك را در طول وقوع جريانهاي مهم براي تله اندازي رسوب توليد كنند. (بعنوان مثال جريان لبريز يا كوچكتر).

تعيين فاصله بين پايه هاي سنگي بخش مهم و حياتي در اين مطالعه است. در صورتيكه موانع سنگي خيلي نزديك به هم باشند، اثرات هر كدام از پايه ها ميزان اثربخشي پايه كناري و يا پائين دستي را كاهش خواهد داد. همچنين در صورتيكه پايه هاي سنگي از همديگر فاصله زيادي داشته باشند سنگها ممكن است تاثيري در محدوده جريان داخلي نداشته باشند و لذا آرايش سنگها براي تله اندازي رسوبات بهينه نخواهد بود. با استفاده از معيار استفاده شده براي رژيم جريان مجزا شده در مرجع Papanicolaou et al (2001) كه اجزاء زبري بالا تعيين فاصله مي شوند بطوريكه يك ذره بطور مستقيم ميزان تاثيري كه ذره ديگر بر جريان مي گذارد ندارد و يك فاصله شش برابري قطر ذره براي تعيين فاصله سنگها در داخل كانال مورد استفاده واقع شد.

نتايج

طرح اوليه از آرايش سنگها كه مورد بررسي واقع شد، قرار گرفتن در داخل شبكه مدل شده است. با توجه به شكل 2، به نظر مي رسد كه انتهاي بالادست شبكه نسبتا مستقيم و و بخش كم عرض مقطع مدل شده است. بنابراين اين ناحيه جائيست كه ارايش سنگها در آن واقع مي شود.

بمنظور استفاده از اندازه موثر سنگها بعنوان تله اندازي رسوبات در رودخانه Spokane روشهاي مختلفي براي تعيين حداقل اندازه پايدار همانطور كه در جدول 2 نشان داده شده است، استفاده گرديد. تمامي اين روشها بجز روش WSDOT (2004) اصولا براي تعيين اندازه ريپ رپ است. دفترچه راهنماي WSDOT (2004) شامل تعيين اندازه ذراتي است كه كاملا مستغرق بوده و در معرض جريان افقي هستند. دو مقدار جريان براي تعيين اندازه سنگهاي پايدار براي كانال استفاده گرديد. 1- مقدار جريان 1280 مترمكعب بر ثانيه كه معادل با جريان با دوره بازگشت 100 ساله است و 2- مقدار جريان 850 مترمكعب بر ثانيه معادل جريان با دوره بازگشت 5 ساله.

جدول 2- تعيين حداقل اندازه پايدار سنگ براي جريان با دوره بازگشت 5 و 100 ساله با 7 روش

همانطور كه در جدول 2 نشان داد شده است، بزرگترين حداقل قطر محاسبه شده 2 متر است. اين قطر بايستي بعنوان حداقل قطر مورد نياز جهت اطمينان از پايداري سنگها در برابر شرايط بالاترين مقدار جريان استفاده گردد. در اين مطالعه، تاكيد بر استفاده از آرايش سنگ براي تله اندازي رسوب با رعايت معيار اوليه استغراق نسبي آنها است. براي محل انتخاب شده نسبت استغراق بهينه زماني محقق مي گردد كه قطر پايه سنگي به عمق جريان براي جريان طراحي برسد. براي ميزان جريان موجود 425 مترمكعب بر ثانيه، نشان داده شده در شكل 3، عمق جريان خيلي نزديك به 3 متر است. لذا اندازه سنگ 3 متري براي طرح انتخاب گرديد كه هر دو معيار نسبت استغراق و معيار پايداري را برآورده مي سازد.

با پيروي از معيار تعيين فاصله سنگهاف فاصله آنها بايستي شش برابر قطر شان باشد، در اينصورت مقدار فاصله بدست آمده مطابق با شكل 4 خواهد بود. خط مركزي كانال بعنوان خط راهنما براي تعيين موقعيت سنگها استفاده شده است. با تعيين فاصله شش برابر قطر سنگها در جهت عرضي و طولي الگوي 2-1-2 كه بزرگترين اندازه آرايه كه با عرض كانال تطابق ايجاد مي كند، انتخاب گرديد. يازده مانع سنگي كه با طول اندازه شبكه تا قبل از عريض شدن كانال تطبيق داشت تعيين شد.

شكل 3- نتايج شبيه سازي مقادير عمق براي جريان معادل 425 مترمكعب بر ثانيه

شكل 4- شبكه آرايش پايه هاي سنگي بدست آمده در داخل كانال با فواصل 6 برابر قطر در جهت عرض و طول رودخانه

شكل 5 (a) نتايج شبيه سازي جريان را بدون وجود پايه سنگي نشان مي دهد. شكل 5 (b) تغييرات اتفاق افتاده در الگوي جريان را بواسطه وجود پايه هاي سنگي نشان مي دهد.

وجود پايه هاي سنگي اثرات چشمگيري را در جريان در انتهاي بالادست مقطع مدل نشان مي دهد. سرعتها در كف پاشنه پايه هاي سنگي به شكل محسوسي كمتر از سرعتها در كانال بدون پايه هاست. درست بعد از سنگها، سرعتها سريعا تا نزديك به صفر كاهش مي يابد. و مقدار كاهش آنها با ضريب 2 در سرتاسر طول 6 الي 8 برابري قطر سنگها در جهت پائين دست اتفاق مي افتد. گراديانهاي بالاي سرعت براي هر اندازه از پايه هاي سنگي ارائه شده است جائيكه سرعتها با عدد 2 ضرب مي شوند، محدوده اي را با سرعت بسيار بالا و مناطقي با جريان نسبتا آرام را ايجاد مي كنند.

شكل 5- نتايج شبيه سازي جريان 425 مترمكعب بر ثانيه a) بدون پايه هاي سنگي در كانال و b) با آرايش پايه هاي سنگي در انهاي بالادست

تمامي مشاهدات تطابق خوبي با Crowder and Diplas (2000) دارد كسي كه موانع را با فواصل تصادفي و به صورت واحد در داخل كانال مدلسازي نمود و تغييرات مشابه اي را در اطراف اين سنگها مشاهده نمود.

شكل 6 اطراف پايه هاي سنگي را با جزئيات نشان مي دهد. الگوي جريان چرخشي در اطراف پايه هاي سنگي جدايش جريان را در اين منطقه نشان مي دهد. پايه هاي سنگي تغييرات سريعي را در تراز بستر ايجاد مي كنند كه باعث ايجاد جدايي جريان و جريان چرخشي در پائين دست موانع مي گردد. اين عامل باعث كند شدن حركت جريان شده و چرخش جريان مكانيسم تله اندازي رسوبات را در پشت سنگها فراهم مي سازد.

بايستي يادآوري گردد كه جريان شتاب دار ايجاد شده در مابين رديفهاي پايه هاي سنگي باعث افزايش حركت رسوبات و آب شستگي مي گردد. اگرچه چنين آرايشي از پايه هاي سنگي تمامي شار رسوبي را در رودخانه Spokane دريافت نمي كند و اين رسوبات ممكن است از ميان آرايش سنگها در جريانات سريع حمل شده و هيچوقت تله اندازي نگردد. در حاليكه به نظر مي رسد شرايطي براي آبشستگي بستر در اين مناطق با سرعت بالا وجود دارد، اين مشكل را مي تواند با اين حقيقت كه اين نسبت در رودخانه Spokane كه يك رودخانه با بستر سنگي است و مقادير رسوباتي كه با جريان شسته مي شوند بسيار كم است به حداقل رساند.

شكل 6- نماي نزديكتر از الگوهاي جريان و مقادير سرعت در اطراف موانع سنگي در قسمت بالادست مقطع مدل

نتيجه گيري

قرار گيري يك آرايه از پايه هاي سنگي در در يك كانال رودخانه داراي اثر چشمگيري بر روي الگوي جريان دارد. در بعد از هر جزء از زبري محدوده اي با 6 تا 8 برابر قطر با كاهش محسوس در سرعت مواجه است، درحاليكه همزمان جدايش جريان و چرخش جريان اتفاق مي افتد. يك شبكه آرايش از پايه هاي سنگي داراي پتانسيل بالاي تله اندازي رسوبات را در رودخانه Spokane دارد.

منبع:

Numerical Simulation of In-Stream Sediment Capture Structures

Impacts of Global Climate Change
Proceedings of World Water and Environmental Resources Congress 2005

شبيه سازي سازه هاي رسوبگير درون آبراهه اي

مطالب مشابه :

فرسايش گالي Gully erosion

تحلیل ساختاری و سایزموتکتونیکی گسل دهشیر

نقش سازند تبخيري گچساران در ويژگيها ي ريخت – زمينساختي درياچه سد مخزني جره ، رامهرمز

جمع آوری آب باران water harvesting in arid and semi arid regions (استحصال آب باران)- بخش دوم

بررسی شاخص کاویتاسیون در سرریز سد بالارود به کمک CFD

PDF search about hydrology manual

آيين نامه طراحي بنادر و سازه هاي دريايي ایران (مهندس حسن فراهانی)

شبيه سازي سازه هاي رسوبگير درون آبراهه اي