سیلاب و انتقال رسوب

2-1-مقدمه. 5

2-2-  رودخانه، سیلاب و انتقال رسوب .. 5

2-3- اهمیت انتقال رسوب در رودخانه ها 6

2-4- مدل. 7

2-5- انواع مدل ها 9

2-6-مؤلفه های مدلسازی حوزه 10

2-6-1- واسنجی مدل. 10

2-6-2- صحت سنجی مدل. 11

2-9- نقش مدل ها در پیش بینی روند فرسایش و رسوبگذاری در محدوده مطالعاتی. 12

2-9-1- مدل های تجربی. 12

2-9-2- مدل ها و نرم افزارهای کامپیوتری.. 13

2-10- استفاده از مدل در سیلاب و انتقال رسوب.. 14

2-10-1- شبيه‌سازي جريان در رودخانه. 14

2-11 سیلاب .. 16

2-12- ارزیابي خسارات سيلاب.. 17

2-13- انتقال رسوب و اثرات آن. 19

2-13-1- انتقال رسوب و پیامدهای اجتماعی. 21

2-13-2- انتقال رسوب و پیامدهای اقتصادی.. 21

2-13-3- انتقال رسوب و پیامدهای زیست محیطی. 22

2-13-4- رسوب و تغییرات بستر. 22

2-14- بررسی انواع رودخانه ها از دیدگاه انتقال رسوب.. 23

2-15- اثرات انتقال رسوب بر رفتار رودخانه و عملکرد مخازن سدها 23

2-16- منابع تغذيه رسوبي رودخانه ها 24

2-13 عوامل مؤثر بر انتقال رسوب.. 25

2-17- اهمیت تعیین بار رسوبی رودخانه ها 25

2-18- شکل هاي مختلف انتقال رسوب در رودخانه ها 26

2-18-1- بار انحلالی: 27

2-18-2 – بارکف: 28

2-18-3- بار معلق: 28

2-19- نمونه برداری از مواد معلق. 29

2-19-1- نمونه بردارهای بار معلق. 29

2-19-2- روش هاي نمونه برداري از مواد معلق : 31

2-20- روش های برآورد رسوب معلق. 32

2-21- محاسبه رسوب معلق با استفاده از منحنی سنجه رسوب و دبی هاي متوسط روزانه : 32

2-22- محاسبه رسوب معلق با استفاده از روش اداره عمران ايلات متحده(USBR) 33

2-22-1- منحنی سنجه رسوب.. 33

2-22-2 – انواع منحنی سنجه. 34

منابع

سیلاب و انتقال رسوب

مقدمه

هیدرولیک رسوب دانشی است که چگونگی فرسایش، حرکت و رسوبگذاری مواد رسوبی در کانال­ها و رودخانه­ها را مورد بحث قرار می­دهد. این علم برپایه علومی چون مکانیک سیالات، هیدرولیک رودخانه­ و رسوب­شناسی استوار می­باشد. از آنجا که خسارات وارده رسوبات رودخانه­ای به طبیعت، کشاورزی و سازه­های آبی بسیار گسترده و زیان­آور است، شناخت دقیق آن از اهداف مهم مهندسان هیدرولیک می­باشد. برای جلوگیری یا به حداقل رساندن خسارات وارده باید سه فرآیند فرسایش، انتقال و ته­نشینی مواد رسوبی را مورد مطالعه قرا داد. به عنوان مثال ذرات رسوبی در حین انتقال به توربین­ها، پمپ­ها، پایه­های پل و پوشش کانال­ها خسارات زیادی وارد می­کنند. در این فصل علاوه بر ذکر مبانی نظری، با توجه به موضوع تحقیق، اشاره به منابع تحقیقاتی نرم­افزارهای  HECRAS 4.1 و GEP 4.3 خواهد شد.

رودخانه، سیلاب و انتقال رسوب

رودخانه­ها یکی از منابع حیاتی انسان و سایر موجودات زنده می­باشد. درحالت طغیان رودخانه­­ها این منبع زندگی باعث نابودی و وارد شدن خسارات جبران­ناپذیری گردیده است. شناخت رفتاری رودخانه و انجام فعالیت­های سازگار با طبیعت رودخانه و اقدامات مهندسی به­جا همواره دغدغه مهندسین درگیر در این زمینه بوده است و همیشه به ابزاری جهت شبیه­سازی پدیده مورد نظردر رودخانه نياز بوده­است. یکی از مهم­ترین ابزارها، مدل­های مقياسی (مدل­های فیزیکی) می­باشد که در قرن اخیر به طور گسترده­ای مورد استفاده مهندسین و محققین قرار گرفته­اند.

کاربرد جدی این مدل­ها که پایه تئوریک آن در قرن نوزدهم توسط فرود (Froude) گذاشته شده به دهه­های 1930 و 1940 میلادی برمی­گردد که با موفقیت زيادی همراه بوده وجواب­های کمی ونسبتاٌ دقیقی را در اختيار طراحان و مهندسین قرار داده­است. اما با توجه به توسعه فعالیت­های مهندسی رودخانه و ازدیاد ابعاد پروژه­های مرتبط با رودخانه، مدل­های مقياسی کارآیی کمتری از خود نشان داده­اند، زیرا محدوده مورد مطالعه طراحان وسیع­تر از حدی بود که در مدلی با مقياس قابل قبول شبیه­سازی شود. علاوه بر آن زمان­های شبیه­سازی نیز بعضاٌ در حدی می­باشد که استفاده از مدل مقياسی را غیر ممکن می­سازد.

پیش­بینی سیلاب قبل از وقوع، هشدار آن و روش­های غیر ساز­ه­ای مهار سیل، یکی از راهکارهای مؤثر در کاهش خسارت سیل می­باشد، که به عنوان ابزاری برای مدیریت سیل از اهمیت زیادی برخوردار هستند. سیلابی بودن اکثر حوزه­های کشور، گسترش طرح­های توسعه منابع آب در حوزه­ها و پیشرفت فن­آوری­های کامپیوتری ضرورت مدیریت سیلاب از طریق مدل­سازی را دو­چندان کرده است.

با تمام اهمیتی که آب در اقتصاد ایران دارد، سیلاب­ها هر ساله حجم عظیمی از آب­ها و خاک­­های حاصلخیز کشور را از دسترس خارج نموده و به کویرها، دریاچه­ها و دریا انتقال می­دهند (علیزاده، 1381). تداوم این وضعیت، صدمه­های جبران­ناپذیری بر منابع آب و خاک کشور وارد می­کند. از این رو در کنترل و مبارزه با این پدیده شناخت عوامل و پارامترهای موثر بر سیلاب اهمیت بسیار زیادی دارد. به عبارت دیگر قبل از هرگونه برنامه­ریزی برای کنترل سیل، باید رفتار و فرآیندهای آن را شناخت (Smith ,1992).

 اهمیت انتقال رسوب در رودخانه ­ها

در کشور ما اطلاعات دقیق و صحیح از فرسایش، انتقال رسوب و رسوب گذاري کم است و بین اندازه­گیري­ها و برآوردهاي انجام شده نیز اختلاف زيادي مشاهده می­شود. جوان بودن تحقیقات در این رشته و فقدان اندازه­گیري­هاي درازمدت رسوب، مانع از دست­يابی به اعداد قابل اعتماد شده­است. با توجه به اینکه در رودخانه­ها همواره فرسایش و انتقال رسوب صورت می­گیرد، بنابراین بررسی ظرفیت حمل رسوب جريان و مکانیسم انتقال رسوب در هیدرولیک رودخانه و مورفولوژي آن، از اهمیت ویژه­اي برخوردار می­باشد.

از سال 1970 به بعد، اندازه گیري و برآورد بار­معلق به دلایل گوناگون و متعدد، شامل مسئله گل­آلودگی و انتقال رسوب، بحث کیفیت آب، رسوب­گذاري مخازن و کانال­ها، فرسایش و تلفات خاك مورد توجه قرار گرفت. با وجود مطالعات و تحقیقات زيادي که در دو دهه اخیر در مورد مسئله فرسایش خاك، حمل رسوب و سرانجام ته نشست آنها به عمل آمده، اما هنوز راهی طولانی براي فهم کامل این پدیده باقی مانده است (.Horowitz, 2002 Ferguson, 1986).

کشور ایران با فرسایش بیش از یک میليارد تن در سال ، رتبه اول تخریب در دنيا را دارا بوده و روزانه سیل در حدود 300 میلیون تومان و خشکسالی 100 میلیون تومان خسارت وارد می نماید (مهدوي، 1380). درایران نیز سالانه بیش از 100 میلیون مترمکعب از گنجایش سد هاي مخزنی به خاطر رسوبگذاري کاسته می شود (موسوی و صمدي بروجنی، 1375). از این رو برآورد بار رسوب معلق که قسمت اعظم رسوب ته نشین شده در مخازن را تشکیل می دهد، بسيار حائز اهمیت است. اندازه گیري رسوب معلق رودخانه­ها از سال1343 آغاز و تا پايان سال آبی 76-1375 تعداد 715 ایستگاه رسوب سنجی با 244000 رکورد در سطح کشورگزارش شده است (تماب، 1376 ).

در این ایستگاه­ها غلظت يا گل آلودگی جريان اندازه گیري و نتایج حاصل از آن، در مطالعات مرتبط با مدیریت منابع آب، فرسایش و رسوب و مسائل زیست محیطی استفاده می شود. بخش عمده رسوب حمل شده بوسیله اکثر رودخانه­ها را بار معلق تشکیل می­دهد. به همین علت تعیین مقدار بارمعلق رسوب رودخانه در مطالعات مهندسی رودخانه و منابع آب حائز اهمیت است. به مطالعه رسوب معلق به سه دلیل توجه بیشتري شده است:  اول اینکه بار معلق شاخصی از تحویل رسوب از کل سطح آبخیز است؛ در حالی که بار بستر شاخصی از شرایط بستر در زمان نمونه­برداري است.

دوم اینکه، غلظت مواد حاصلخیز در بار معلق خیلی بیشتر است؛ در نتیجه اهمیت آن نیز بیشتر از بار بستر است (صادقی و همکاران، 1384). و دلیل سوم اینکه معمولاً بار معلق بدون تماس با کف رودخانه است و از ذرات رس، سیلت و و شن ریز تشکیل شده است که نمونه­برداري و اندازه­گیري آن به مراتب آسان­تر از بار بستر است (Mimikou, 1982). رسوب انتقال یافته توسط رودخانه­ها به مخازن، ظرفیت ذخیره آن­ها را کاهش داده و بر کیفیت آب قابل استفاده شده برای نیروگاه­های برق، آبیاری و کاربردهای صنعتی و خانگی تأثیرگذار است (Kumar and Rastogi, 1987).

مؤلفه ­های مدل­سازی حوزه رسوب

واسنجی مدل

واسنجی مدل فرآیندی است که در طی آن مقادیر پارامترهای معرفی شده به مدل، با هدف دسترسی به نتایج مشابه با داده­های واقعی و طبیعی تصحیح می­شود (موسوی ندوشن و داننده مهر، 1384). فرآیند واسنجی می­تواند به صورت کاملاٌ دستی با استفاده از قضاوت مهندسی به روش تصحیح مکرر پارامترها و محاسبه بهترین برازش بین هیدروگراف­های محاسبه شده و مشاهده شده، انجام پذیرد. بهترین شبیه­سازی، خروجی نزدیک به داده­های اندازه­گیری شده خواهد بود. برای مدل­های ریاضی باید مراحل واسنجی و صحت­سنجی صورت گیرد. همان­طور که گفته شد در مرحله واسنجی مجموعه­ای از عوامل به نحوی اصلاح می­گردند که نتایج حاصل از مدل و مقادیر اندازه­گیری شده در طبیعت، تطابق داشته­باشند، شکل(2-1).

قبل از واسنجی، کاربر باید از صحت عملکرد مدل و کامل بودن فایل ورودی اطمینان حاصل کند. به عنوان مثال در مطالعه هیدرولیک جريان، معمولاٌ از اطلاعات اندازه­گیری شده دبی جريان و تراز سطح آب برای واسنجی استفاده می­گردد. در این حالت ضریب زبری عمده­ترین عاملی است که مورد واسنجی قرار می­گیرد. ولی در مدل­های دو بعدی و سه بعدی، جريان غیرماندگار و مدل­های فرسایش و رسوب، اطلاعات بیشتری برای واسنجی مورد نيز می­باشد. از جمله تغییرات مکانی و زمانی دبی جريان و تراز سطح آب، غلظت رسوب، تراز و شکل بستر و تراز سرعت از جمله اطلاعاتی هستند که برای واسنجی این­گونه مدل­ها مورد نيز می­باشد (راهنمای مطالعات فرسایش و رسوب در ساماندهی رودخانه­ها، 1386).

شکل هاي مختلف انتقال رسوب در رودخانه ها

مواد رسوبی در رودخانه­ها عموما به دو صورت بار بستر و بار معلق جابجا می­شود. عواملی نظیر خصوصيت دانه بندي، چگالی دانه­ها، دماي آب، هیدرولیک جريان و مشخصه­هاي هندسی رودخانه در نحوه انتقال مواد رسوبی تأثیرگذار می­باشند.  بارکل مجموع باربستر و بار معلق است که به عنوان آورد رسوبی رودخانه قلمداد می شود.

بار شسته مواد رسوبی ریزدانه است که در اثر بارندگی از سطح خاك حوزه آبخیز فرسایش يافته و وارد شبکه آبراهه­ها می­شود. در خصوص بار معلق بستري نیز بخشی از دانه­هاي رسوب موجود در بستر به حالت معلق در آمده و همراه جريان آب حمل می­شود. مجموع باربستر و بار معلق بستري به عنوان بارمواد بستر[1]  بوده و معرف مواد رسوبی برخاسته از بستر رودخانه می­باشد (راهنماي مطالعات فرسایش و رسوب در ساماندهی رودخانه ها، 1386).

باربستر و بار معلق بستري همواره در تعامل با یکدیگر بوده و چنانچه در بازه­اي از رودخانه تنش­هاي هیدرولیکی افزایش يابد (به علت کاهش مقطع جريان و يا افزایش شیب بستر) بخشی از باربستر به حالت معلق در آمده و میزان بار معلق بستري افزایش می­يابد. در صورت کاهش تنش هیدرولیکی (به علت کاهش بده جريان، افزایش مقطع و يا کاهش شیب رودخانه) بخشی از بار معلق ترسیب گردیده و به صورت باربستر جابجا می­شود. دراین قسمت جزئيات بیش­تري از شکل­هاي مختلف انتقال رسوب (مواد مختلفی را که با آب حمل می­شوند می­توان به سه گروه، شامل بار انحلالی ، بار معلق و بارکف (بار بستر ) تقسیم کرد) به اختصار تشریح می­شود.

روش ­های برآورد رسوب معلق

بطور کلی روش­هاي برآورد غلظت رسوب معلق رودخانه­ها به دو دسته تقسیم شده است. دسته اول روش­هاي مبتنی بر قوانین دینامیک و مکانیک سيلات که عموماً توسط متخصصان و صاحب­نظران علم هیدرولیک ارائه شده است؛ و دسته دوم روش­هاي مبتنی بر اندازه­گیري­هاي مستقیم و تحلیل­هاي آماري، که بیشتر توسط صاحب­نظران علم هیدرولوژي توصیه شده است (میرابوالقاسمی و مرید، 1374). طبق تقسیم­­بندي   Preston et al(1989) سه طبقه عمده از روش هیدرولوژیکی دیده می­شود که عبارتند از:  برآوردکننده­هاي رگرسیونی، برآوردکننده­هاي ميانگین، و برآوردکننده­هاي نسبتی.

در برآوردگرهاي رگرسیونی مقادیر اندازه­گیري شده دبی آب و رسوب در مقابل یکدیگر رسم شده و سپس تابع مناسبی بر داده­ها برازش داده می­شود (جواهري و همکاران، 1384). از ميان روش­هاي فوق، منحنی­هاي سنجه رسوب، که جزء برآوردگرهاي رگرسیوني­اند، بر اساس روابط بدست آمده از اندازه­گیري­هاي مستقیم دبی جريان- غلظت رسوب عمل می­کنند و معمولاً در مقياس­هاي زمانی غیرمنفرد و پیوسته (روزانه، ماهانه، و سالانه) بعنوان مبناي مشاهده­اي در برابر مقادیر برآوردي در نظر گرفته می­شوند (دفتر استانداردها و معيارهاي فنی، 1386).

همچنین از آنجا که بیشترین مقدار بار رسوب انتقالی در زمان سیلاب­هاي منفرد مشاهده می­شود، لذا در مقياس سالانه، تغیییرات رسوبدهی در ارتباط با تعداد وقایع سیلابی رخ داده می­باشد که بصورت هیدروگراف سالانه نیز قابل ترسیم است. بنابراین با ثبت داده­هاي دبی متوسط روزانه در طی سال می­توان با استفاده از معادله سنجه، رسوبدهی سالانه را با دقت قابل قبولی برآورد کرد (Rovira et al. 2006).

جهت مشاهده نمونه های دیگر از ادبیات و مبانی نظری مهندسی کشاورزی کلیک کنید.

نمونه ای از فهرست منابع فارسی

• – – الوانکار، س. ر.، ثقفيان، ب. 1388. مدلسازی سیلاب در حوزه­ آبخیز رودخانه کن به وسیله مدل توزیعی ADHM، مجموعه مقالات پنجمین همایش ملی علوم و مهندسی آبخیزداری ایران (مدیریت پایدار بلايی طبیعی) گرگان. ص 1327-1319
• -اعظمی، ا.، نجفی­نژاد، ع. و عرب­خدري، م. 1384 . ارزيابی مدل­هاي هیدرولوژیکی در برآورد با رمعلق رسوبی جريان پایه و سیلابی در حوزه سد ایلام. سومین همایش ملی فرسایش و رسوب، 5.ص.
• – اسديانی یکتا.، ا، سلطانی.، ف ، 1387، مقایسه برآورد میزان بار معلق ورودي به مخزن سد اکباتان با استفاده از مدلهاي هوشمند عصبی -فازي،(ANFIS)، شبکه عصبی مصنوعی(ANN)  و منحنی سنجه رسوب.
• –  اعلمی،، م. ت. ، احمدیان، م. و تیموری مقدم، ع. ، 1388، براورد تغییرات پایاب سدشهید مدنی بااستفاده از نرم­افزار HEC-RAS 4.0 ، هشتمین سمینار بین المللی رودخانه، دانشگاه شهید چمران اهواز.
• -بانک آمار و اطلاعات ایستگاه هاي آب و هواشناسی کشور،1371، دفتر مطالعات پایه منابع آب، تماب سابق(وزارت نیرو).
• – بشارت، م.، ح. زینی­وند.، 1391، تعیین مناسب­ترین روش برآورد رسوب معلق درایستگاه هیدرومتری نام ایستگاه  ، نهمین همایش بین­المللی مهندسی رودخانه، اهواز.
• – بنی حبیب، م.ا ، معصومی، ا ، 1387، اثر غلظت بالاي رسوب بر طغیان رودخانه ها، مطالعه موردي رودخانه ماسوله، مجموعه مقالات دومین کنفرانس هیدرولیک ایران، تهران.
• – بهرامی، م.، رحیمی، ع.، کنگی، ع. و کرمی، م.، 1388، محاسبه بار کل رسوب رودخانه فیروزآباد در محل سد هایقر با استفاده از روش­های هیدرومتری، هیدرولیکی و تجربی( MPSIAC) در قالب  GIS ، فصلنامه رسوب و سنگ رسوبی، سال دوم، شماره چهارم.
• – بهرنگی، ف.، م. ع.، بنی­هاشمی، ع.، پوربوجاریان، م. م .، امینی.، 1388، مقایسه نتایج مدل عددی HEC RAS با مقادیر واقعی در رسوبگذاری مخزن سد لتیان، هشتمین سمینار بین­المللی مهندسی رودخانه، اهواز، دانشگاه شهید چمران.
• – پوراغنیانی، م.ج.، دومیري گنجی، م.، یوسف پور، ا. و قرمز چشمه، ب. 1386 . مروري بر روش­هاي برآورد بار معلق (مطالعه موردي: حوزه آبریز صیدون).  گزارش فنی، مجله تحقیقات منابع آب ایران 3 (3): 75-73.
• – تلوري،ع. 1375 . مدل­هاي هیدرولوژیکی به زبان ساده. انتشارات مؤسسه تحقیقات جنگل­ها و مراتع،118 صفحه.
• – تلوری ع. 1376. عوامل مؤثر در وقوع یا تشدید سیل و خسارات آن. کارگاه آموزشی – تخصصی مهار سیلاب رودخانه­ها، دانشگاه صنعتی شربف، صفحات138-159.
•        -.تلوري، ع. 1376. عوامل مؤثر در وقوع یا تشديد سيل و خسارات آن، كارگاه آموزشي،‌ تخصصي مهار سيلاب رودخانه ها،‌ ارديبهشت ماه،‌ انجمن هيدروليك ايران..
• – تلوري،ع . 1376. مديريت مهار سيلاب ((كاهش خسارات سيل))، كارگاه آموزشي،‌ تخصصي مهار سيلاب رودخانه ها،‌ ارديبهشت ماه،‌ انجمن هيدروليك ايران
• – تلوري، ع. 1379. كنترل سيلاب، جزوه درسي،‌ دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي گرگان.
• – تلوری،ع، 1381. طرح­های جامع کنترل سیلاب، سمینار کاهش اثرات و پیشگیری سیل، 25 و 26 دی، دانشگاه گرگان.
• – تماب . 1376 . بانک اطلاعات رسوب، بولتن وضعیت منابع آب کشور . ص 15.
• ..
• …

نمونه ای از منابع لاتین

• Achite, M., and Ouillon, S. 2007. Suspended sediment transport in a semiarid Algeria. Arab J Geosci. DOI. 15p.
• Aminuddin, AB. Ghani, H.MD. Azamadulla, 2011, Gene expression programming for sediment transport in sewer pipe system, jurnal of pipline systems engineering and practice. 102-106.
• Arabkhedri, M., F.S. Lai, I. Noor-Akma and M.K. Mohamad-Roslan. 2010. An application of adaptive cluster sampling for estimating total suspended sediment load. J. Hydrology Research 41(1): 63-67.
• Ariffin, J., Abdul Ghani, A., Zakaria, N., Shukri Yahya, A., (2003), “Sediment
• Asselman, N.G.M. 2000. Fitting and interpretation of sediment rating curves. Journal of Hydrology, Vol. 234. p. 228-248.
• Babovic V, Keijzer M. 2000, Genetic programming as a model induction engine. J Hydroinf ;2(1):35–60.
• Banasik, K., and Walling, D.E. 1996. Predicting sedimengraph for a small agricultural catchment. Nordic Hydrology, 27: 4. 275-394.
• Beven, K. J. 2000. Rainfall-runoff Modeling. John Willey and Sons Ltd, England. 200 pp.
• Blanco, M.L.R., Castro, M.M.T., Palleiro, L., and Castro, M.T.T. 2010. Temporal
• Bogardi, J., 1978, Sediment transport in alluvial streams, Akademia Kiado, Budapest, Hungary.
• Branson, F. A. and Owen, J. B. 1970. Plant cover runoff and sediment yield relationships on Moncos shale in western Colorado. Water Resources Research 6(3): 783-790.
• Brooks K, N. 2003: Hydrology and The Management of Watersheds, Lowa Static University Prees.
• Brushkeh, A., Sokuti, R. and Arabkhedri, M., 2004, Estimation of sediment yield in upstreams using sediment measurement in sediment storage dams(West Azerbaijan province), First conference on watershed management and water and soil resourced management, Kerman university ,(in Persian).
• Buther,  J.,  Shoemaker,  L.,  Trevor  Clements,  J.,  Thirolle,  E.  1998.  Watershed changes in suspended sediment transport in an Atlantic catchment, NW Spain.
• Canfield, H. E., Wilson, C. J., Lane, L.J, Crowell, K.J., Thomas, W.A. 2005. Modeling scour and deposition in ephemeral channels after wildfire. Journal of Catena, 61(2-3): 273–291.
• Chow, V. T., 1964, Handbook of Applied Hydrology, McGraw Hill Book Co., New York
• Cohen, H. and Laronne, J. B. 2005. High rates of sediment transport by flashfloods in the southern Judean desert, Israel. Hydrological processes. 19, 167-1702.
• Crawford, C.G. 1991. Estimation of suspended sediment rating curves and
•  Culberston, D.M., 1967, Scour and fill in alluvial channels, U.S Geological Survey.
• Crawford, C.G. 1991. Estimation of suspended sediment rating curves and mean
• …
• …