خلاصه پایان نامه برآورد ضریب زبری مانینگ در رودخانه ها (مطالعه موردی رودخانه فهلیان )
پایاننامه برای دریافت درجه کارشناسی‌ارشد«M.A»
چکیده
این تحقیق با شناخت شرایط حاکم بر رودخانه فهلیان به تعیین ضریب زبری مانینگ در محدوده مورد مطالعه با استفاده از روش های مختلف تجربی ، نیمه تجربی و جداول جهت استفاده در طراحی ها می پردازد . و بهترین و مطمئن ترین روش تعیین ضریب زبری را با استفاده از مطالعات صحرایی و تلفیق با روابط تجربی ارائه می نماید و در پایان نیز تعدادی روابط پیشنهادی ارائه می گردد . به همین منظور محدوده مورد مطالعه به طول 23 کیلومتر به 5 بازه تقسیم گردید ودر هر بازه آزمایش دانه بندی مصالح بستر صورت گرفته و با استفاده از روش های ذکر شده n مربوط به هر بازه بدست آمد. سپس جهت بررسی نتایج مقدار n بدست آمده به نرم افزار HEC- RAS وارد گردید ومنحنی های دبی اشل حاصل از نرم افزار با منحنی های دبی اشل واقعی ایستگاهای رودخانه مورد مقایسه قرار گرفت . نتایج حاصل از این مطالعه نشان میدهد روشهای تجربی ونیمه تجربی بری به دلیل شنی بودن بستر رودخانه از دقت بالاتری نسبت به سایر روشها برخوردار است . همچنین جهت صحت سنجی، پروفیل طولی رودخانه با استفاده از نرم افزار HEC-RAS وضریب n روش منتخب ترسیم گردید و ارتفاع سطح آب حاصل از این پروفیل با ارتفاع اندازه گیری شده توسط دوایستگاه بالادست و پایین دست مقایسه ومقدار خطای 4 سانتی متر مشاهده گردید . ودر پایان مقدار ضریب زبری مانینگ 037/0 برای این رودخانه بدست آمد .
واژه های کلیدی : ضریب زبری مانینگ ، منحنی دبی اشل ، نرم افزار HEC-RAS ، آزمایش دانه بندی ، فهلیان
1- کلیّات
1-1- مقدمه
اهمیّت موضوع برآورد صحیح ضریب زبری مانینگ ، بیان مسئله ، اهداف و ضرورتهای انجام پژوهش حاضر و تشریح ساختار پایان نامه مواردی است که دراین فصل بیان خواهدشد.
بهمنظور تحلیل شرایط حاکم بر جریانهای یکنواخت و نیز طراحی سازههای هیدرولیکی و مهندسی رودخانه روابط متعددی وجود دارد که از این میان رابطۀ مانینگ از اهمیّت بیشتری برخوردار بوده و عمومیت بسیاری دارد. در این رابطه تخمین مقدار مناسب ضریب زبری مانینگ در برآورد میزان تراز آب نقش بسزایی داشته و از اهمیّت ویژهای برخوردار است. با توجه تحقیقاتی که تا کنون در این زمینه صورت گرفته میتوان نتیجه گرفت که تفاوتهای بسیار کوچک چند صدمی در تعیین مقادیر ضریب زبری مانینگ میتواند برآورد مساحت اراضی سیلگیر را دهها هزار مترمربع تغییر داده و در نتیجه در برآورد میزان خسارات وارده تأثیر بسزایی داشته باشد. این امر نیز بر برنامهریزیهای مدیریتی و ساماندهی رودخانه تأثیرگذار میباشد. بنابراین چنین طرحها و اقداماتی که مستقیماً در ارتباط با مدیریت و ساماندهی رودخانهها هستند، نیازمند دقّت زیاد در انتخاب روش تعیین ضریب زبری مانینگ میباشند. ضریب زبری مانینگ کلیّه عوامل مؤثر در مقاومت بستر کانال در مقابل جریان را در خود مستتر دارد و همچنین این ضریب شدّت افت انرژی را در یک جریان نشان می دهد. راه مناسب در تخمین صحیحتر ضریب مانینگ، شناخت عوامل مؤثر در این ضریب میباشد. این عوامل عبارتند از زبری بستر کانال، جنس کانال، نامنظمی سطح مقطع، پوشش گیاهی(نوع و میزان تراکم آن)، شکل مسیر(مستقیم یا مارپیچی بودن مسیر)، وجود موانع در مسیر جریان و حتّی عمق و دبی جریان که علاوه بر تأثیر در افت طولی در مسیر جریان تا حدودی دربرگیرندۀ افتهای ناشی از تغییر شکل جریان(افتهای موضعی) نیز میباشند.
1-2- بیان مسئله
در کلیّه مطالعات مهندسی رودخانه و طراحی سازه های متقاطع رودخانه نظیر پلها، سدهای انحرافی و یا دهانههای آبگیر، تعیین عوامل هیدرولیکی نظیر عمق و سرعت جریان، ضروری است. متداولترین رابطه در تعیین میزان سرعت، رابطۀ مانینگ بوده و برای استفاده از این رابطه، تعیین ضریب زبری مانینگ اجتنابناپذیر است. برای محاسبۀ ضریب زبری مانینگ، روش مطمئنی برای همۀ رودخانهها وجودندارد و برای هر رودخانه باید با توجه به شرایط همان رودخانه، بهترین روش تعیین شود.
مقدار زبری یکی از پارامترهای عمدۀ افت انرژی در کانالها و رودخانههاست که تغییرات آن حتی به اندازه چند صدم باعث ایجاد دهها هزار مترمربع تفاوت در سطح سیلگیری اراضی میشود. لذا با برآورد دقیق مقدار آن که متأثر از عوامل مختلفی نظیر جنس بستر، پوشش گیاهی، دانهبندی و اندازه ذرات بستر، نحوۀ تغییر مقطع رودخانه و... است، میتوان علاوه بر پیشگیری غیرسازه ای از سیل، بهکمک پهنهبندی خطر سیل، که از توجیه اقتصادی بیشتری برخوردار است، به نتایج محاسبات هیدرولیکی نیز اطمینان بیشتری داشت. از سوی دیگر از آنجا که دقّت تعیین عمق جریان در تعیین دقیق مشخصههای فنّی و حقوقی نظیر حدود بستر و حریم رودخانهها، مؤثر میباشد ، برآورد دقیق ضریب زبری هیدرولیکی علاوه برارزش فنّی ، اهمیّت حقوقی نیز پیدا میکند. همچنین با علم به تأثیر ضریب زبری مانینگ بر فرسایش و انتقال رسوب، با انتخاب مناسب این ضریب میتوان شاهد تأثیرات مهم و مثبت آن بر حفاظت خاک و مدیریت آبخیزداری بود.
رودخانۀ فهلیان یکی از رودخانه های بزرگ جنوب غرب کشور می باشدکه در شمال غرب استان فارس درشهرستان های ممسنی ورستم واقع شده است که از به هم پیوستن رودخانه های شور وشیرین تشکیل می گردد و یکی از سرشاخههای اصلی رودخانۀ زهره است که ازبه هم پیوستن رودخانه های شیو، کتی وخیرآباد تشکیل شده و به خلیج فارس می ریزد.بر روی این رودخانه ابنیه و سازههای هیدرولیکی متعددی احداث شدهاندوهم اکنون نیز سد پارسیان(گورک) نیز دربالادست رودخانه برروی یکی از سرشاخه های آن واقع دربخش دشمن زیاری ممسنی دردست اجرا می باشد. مدیریت سیلاب و همچنین پهنهبندی جریان سیلاب میتواند در طراحی و حفاظت و ساماندهی طرحهای مهندسی رودخانه و تعیین حریم ایمن این رودخانه مهم و مؤثر باشد. یکی از کلیدیترین پارامترهای مهم در مهندسی رودخانه، ضریب زبری مانینگ است که نتایج مدلهای هیدرولیکی رودخانه وابستگی زیادی به این پارامتر دارد.
لذا این تحقیق با هدف تعیین مناسبترین رابطه جهت محاسبۀ ضریب زبری مانینگ در رودخانه فهلیان، بهدلیل عبور از میان مناطق مسکونی ،زمین های کشاورزی وجود تأسیسات فراوان در اطرافش از اهمیّت ویژهای برخورداراست، به بررسی روابط موجود در این زمینه، در رودخانه مورد نظر خواهد پرداخت و باعث بهبود برنامهریزیهای مدیریتی و ساماندهی محدودههای مذکور خواهد شد.
1-3- اهداف و ضرورتهای انجام پژوهش
با توجه به اهمیّت و حساسیّت موجود در امر تخمین ضریب زبری مانینگ در رودخانه ها و با توجه به اینکه پیش از این مطالعاتی دراین خصوص بر روی رودخانه فهلیان صورت نگرفته است، محاسبۀ ضریب زبری مانینگ در این رودخانه با استفاده از روشهای مختلف، مقایسۀ این روشها و تخمین مقدار خطا در هر رابطه ضروری احساس شد.
مقایسۀ نتایج حاصل از روشهای مختلف و تحلیل آنها به انجام مطالعات بعدی در همین زمینه در رودخانههای دیگر و نیز مطالعات در زمینههای مختلف هیدرولیکی کمک خواهد کرد.
در شرکت های مشاوره تنها روش معمول در تخمین ضریب مانینگ در رودخانهها، روش کاون میباشد. انجام این روش مستلزم تحقیقات وقتگیر و هزینهبر بوده و در عین حال در بسیاری از رودخانهها اعم از رودخانههای دارای بستر ماسهای، با تخمین اعداد بزرگتر از حد واقعی موجود در این رودخانهها سبب تحمیل هزینههای اضافی خواهد شد. لذا با تعیین بهترین روش محاسبۀ ضریب زبری مانینگ برای رودخانه مورد مطالعه با استفاده از روش حل معکوس و نرمافزار Hec-Rasدر این تحقیق به ساخت دقیقتر سازههای هیدرولیکی بر روی این رودخانهها و همینطور صرفهجویی در وقت و هزینههای ساخت این سازهها کمک خواهد شد. در این تحقیق خطای موجود در هر روش بهکمک رابطۀ جذر میانگین مجموع مربعات خطاها محاسبه شده است.
1-4- ساختار پایاننامه
کلیۀ مطالب این پایاننامه در پنج فصل بصورت کلی ارائه خواهند شد که مباحث کلیدی هر یک از این پنج فصل به اختصار در زیر ارائه شده است:
فصل اول: کلیّات
در این فصل اهمیّت و حساسیّت موجود در تخمین ضریب زبری مانینگ ونیز ضرورت پرداختن به این موضوع بیان شد. بیان مسئله و اهداف و ضرورتهای انجام پژوهش از دیگر بخشهای این فصل است.
فصل دوم: پیشزمینه و سابقۀ پژوهش
با توجه به گستردگی بسیار زیاد و تنوع روشهای برآورد ضریب زبری مانینگ در رودخانهها، در ابتدای این فصل سعی میشود که دسته بندیهای موجود در این زمینه ارائه شود. در ادامه پس از بیان تعدادی از پارامترها و اصطلاحات بهکار برده شده در این تحقیق، به بررسی و مرور نتایج حاصل از پژوهش‌های سایر محقّقین در این زمینه، پرداخته خواهد شد.
فصل سوم: مواد و روشها
در این فصل رودخانه مورد مطالعه معرفی شده و با استفاده از اطلاعات گردآوری شده، بازههای مورد مطالعه از این رودخانه به زیربازههای مختلف تقسیم شده و به تشریح روشهای مهم و مورد استفاده در این تحقیق پرداخته خواهد شد. در ادامه توضیح داده میشود که چگونه به کمک نرمافزار Hec-Ras، و استفاده از روش آماری جذر میانگین مجموع مربع خطاها (RMSE)، مناسبترین ضریب زبری مانینگ محاسبه خواهد شد. همچنین روشهای تجربی پیشنهادی جهت محاسبه این ضریب در رودخانه فهلیان ارائه خواهد شد .
فصل چهارم: نتایج و بحث
در این فصل پس از ارائۀ نتایج، شکل‌ها و نمودارهای حاصل از محاسبۀ ضریب زبری مانینگ به روشهای مختلف برای رودخانه مورد مطالعه و مقایسۀ نتایج حاصل از آنها با آمار واقعی موجود، نکات قوّت و ضعف هر کدام از روشها بیان و بهترین روش انتخاب و سرانجام روش یا روشهایی بهعنوان روشهای بهینه در محاسبۀ ضریب زبری مانینگ در این رودخانه پیشنهاد میشود.
فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادها
در این فصل نتایج کلی حاصل شده از تحقیق بههمراه پیشنهاداتی برای سایر پژوهشگران ارائه خواهند شد.
2- پیشزمینه و سابقۀ پژوهش
2-1- مقدمه
ضریب زبری هیدرولیکی رودخانه که در فصل حاضر به اختصار تحت عنوان ضریب زبری بهکار رفته است به درجۀ مقاومت در مقابل جریان گفته میشود. بعد و واحد ضریب زبری به نوع رابطۀ جریان بستگی دارد.
در این فصل به معرفی انواع ضرایب زبری متداول، از جمله ضریب زبری مانینگ در رودخانهها، که پرکاربردتر از دیگر روشها در تخمین ضریب زبری است پرداخته میشود و دستهبندیهای موجود در این زمینه ارائه خواهد شد. انتخاب روش مناسب برآورد ضریب زبری مانینگ از بین روشهای مختلف، بخش بعدی این فصل میباشد. در ادامه به معرفی خصوصیات نرمافزار Hec-Ras که مهمترین نرمافزار مورد استفاده در این تحقیق است، در حد مورد نیاز، پرداخته خواهد شد. پس از آن پارامترها و اصطلاحات بکار رفته در روشهای مختلف در حد کفایت توضیح داده می‌شوند. سپس در ادامۀ فصل به مرور برخی از مهمترین منابع موجود در زمینۀ روشهای تخمین ضریب زبری مانینگ پرداخته میشود. در این مرحله سعی میشود نتایج بهدست آمده از هر پژوهش در حد لزوم مورد بررسی قرار گیرد.
2-2- انواع زبری جریان
زبری جریان در رودخانهها را میتوان در هشت نوع زیر تقسیم بندی نمود[راهنمای تعیین ضریب زبری رودخانهها، وزارت نیرو]:
زبری جدارۀ رودخانه ناشی از زبری دانه های رسوب موجود در جدارۀ آبراهه و سیلابدشت
زبری ناشی از موانع
زبری ناشی از بی نظمی جداره آبراهۀ اصلی و سیلابدشت
زبری ناشی از تغییرات ابعاد و شکل مقاطع
زبری ناشی از پیچانرودی رودخانه
زبری ناشی از شکل بستر ناشی از امواج ماسهای[1]
زبری پوشش گیاهی موجود در بستر آبراهه و سیلابدشت
زبری ناشی از غلظت رسوبات جریان
فهرست پایان نامه برآورد ضریب زبری مانینگ در رودخانه ها (مطالعه موردی رودخانه فهلیان )
فهرست:
چکیده 1
فصل اول: کلیّات... 2
1-1- مقدمه. 2
1-2- بیان مسئله. 3
1-3- اهداف و ضرورتهای انجام پژوهش.... 4
1-4- ساختار پایان نامه. 5
فصل دوم: پیش زمینه و سابقۀ پژوهش.... 7
2-1- مقدمه. 7
2-2- انواع زبری جریان.. 8
2-3- عوامل مؤثر بر زبری هیدرولیکی.. 10
2-4- بررسی عوامل مؤثر بر زبری هیدرولیکی.. 10
2-4-1- اثر قطر دانه های رسوب، عمق جریان و لزجت جریان.. 10
2-4-2- اثر شکل بستر. 11
2-4-3- اثر ناهمواری سطح آبراهه. 13
2-4-4- اثر تغییرات اندازه و شکل مقاطع رودخانه. 13
2-4-5- اثر موانع.. 14
2-4-6- اثر پوشش گیاهی.. 14
2-4-7- اثر پیچانرودی.. 15
2-4-8- اثر غلظت جریان.. 15
2-5- انواع روابط تعیین ضریب زبری.. 16
2-5-1- رابطۀ شزی (1768) 16
2-5-2- رابطۀ دارسی ویسباخ (1845) 17
2-5-3- رابطۀ مانینگ (1891) 17
2-6- روشهای مختلف تعیین ضریب زبری مانینگ... 17
2-6-1- روابط نیمه تجربی.. 18
2-6-2- روابط تجربی.. 21
2-6-3- جداول.. 22
2-6-3-1- جدول U S G S (سازمان زمینشناسی آمریکا) 22
2-6-3-2- جدول تورنر و چانمیسری(1957) 23
2-6-3-3- جدول چاو (1959) 23
2-6-3-4- جدول سازمان برنامه و بودجه. 26
2-7- تعیین زبری ناشی از شکل بستر. 30
2-7-1- تعیین زبری ناشی از شکل بستر با در نظر گرفتن نوع شکل بستر. 31
2-7-1-1- رابطۀ شکل بستر با توان جریان و قطر متوسط دانه های رسوب... 32
2-7-1-2- روابط تعیین زبری هیدرولیکی شکلهای مختلف بستر. 33
2-7-2- تعیین زبری ناشی از شکل بستر بدون در نظر گرفتن نوع شکل بستر. 33
2-8- تعیین زبری ناشی از پوشش گیاهی.. 34
2-8-1- روابط تجربی و نیمه تجربی.. 35
2-8-2 - رابطۀ پتریک و باسماجیان (1975) 35
2-8-3- روابط گرین و گارتن (1978) 36
2-8-4- روابط رهمیر (1969) . 35
2-9- تعیین ضریب زبری مانینگ بر اساس داده های اندازه گیری شده آبسنجی.. 44
2-9-1- واسنجی ضریب مانینگ با استفاده از نیمرخ طولی تراز آب... 44
2-9-2- تعیین ضریب زبری مانینگ با استفاده از منحنی دبی- اشل جریان.. 45
2-10- تعیین ضریب زبری مانینگ به روش کاون (1956) 45
2-11- انتخاب روش مناسب برای برآورد ضریب زبری مانینگ... 46
2-12- خصوصیات مدل Hec-Ras.. 46
2-13- بیان پارامترها و اصطلاحات... 48
2-14- سابقۀ پژوهش.... 49
فصل سوم: مواد و روشها 58
3-1- مقدمه. 58
3-2- مواد اجرای طرح.. 58
3-2-1- انتخاب رودخانه مورد مطالعه. 58
3-2-2- رودخانۀ فهلیان.. 64
3-2-3-تحلیل رژیم جریان رودخانه فهلیان : 66
3-2-3-1-رژیم سیلابی رودخانه : 66
3-2-3-2- رژیم دائمی رودخانه : 66
3-2-3-3- رژیم رسوبی رودخانه : 67
3-3- روشهای اجرای طرح.. 68
3-3-1- کارهای میدانی و آزمایشگاهی.. 68
3-3-1-1- آزمایش دانه بندی.. 68
3-3-2- محاسبۀ ضریب مانینگ از روشهای مختلف... 84
3-3-3- پروفیل سطح آب : 91
3-3-3-1- نتایج مطالعات هیدرولوژی وهیدرولیکی : 94
3-3-3-2- نتایج بررسی هیدرولیکی : 95
3-3-4- اجرای نرمافزار H e c-R a s برای ترسیم پروفیل سطح آب... 97
3-3-4-1- انتقال اطلاعات به نرمافزار H e c-R a s. 99
3-3-5- انتقال منحنیهای دبی اشل به Excel. 105
3-3-6- محاسبۀ خطاها به روش آماری R M S E. 105
فصل چهارم: نتایج و بحث.... 106
4-1- مقدمه. 106
4-2- نتایج.. 106
4-2-1- نتایج حاصل از روابط تجربی.. 107
4-2-2- نتایج حاصل از روشهای نیمه تجربی.. 118
4-2-3- نتایج حاصل از جداول.. 122
4-2-4- نتایج حاصل از روشهای متأثر از مجموعۀ عوامل.. 126
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها 134
5-1- مقدمه. 134
5-2- نتیجه گیری.. 134
5-3- پیشنهادها 137
مراجع ومنابع.. 139
منابع فارسی.. 139
منابع لاتین.. 140
منبع:
منابع فارسی
ابریشمی، ج. و حسینی، م. 1380.هیدرولیک کانال های باز. انتشارات دانشگاه امام رضا(ع).
استاندارد صنعت آب و آبفا. 1390. نشریه 331 الف. راهنمای تعیین ضریب زبری هیدرولیکی رودخانهها. وزارت نیرو، دفتر مهندسی و معیارهای فنی و آبفا. 105 صفحه.
افتخاری، ا. و همکاران. 1390. ارزیابی پهنهبندی سیل با تغییرات ضریب زبری (مطالعۀ موردی: رودخانۀ اترک). فصل نامه جغرافیای طبیعی:106-91.
پریسای، ز. و بهرهمند، ع. 1391. تعیین تراز آب در دوره بازگشتهای مختلف با تغییرات ضریب زبری در بخشی از رودخانۀ گرگانرود.نهمین سمینار بین المللی مهندسی رودخانه. دانشگاه شهید چمران. اهواز.
شرکت آب منطقه‌ای استان فارس. 1383. گزارش تعیین حد بستر و حریم رودخانه فهلیان.
شرکت آب منطقه‌ای استان فارس. 1392. گزارش تعیین حد بستر و حریم رودخانه فهلیان.
شیری، ج. و همکاران. 1387. مقایسۀ روشهای مختلف تعیین ضریب زبری بستر(مطالعۀ موردی رودخانۀ بانه). سومین کنفرانس مدیریت منابع آب.دانشگاه تبریز. تبریز.
شفاعی بجستان، م.1390.هیدرولیک انتقال رسوب. انتشارات دانشگاه شهید چمران.
منابع لاتین
Bruschin, J. 1965. Flow Depth in Sand Bed Channels. Dover publication. Inc. New York, pp. 676-680.
Chow, J. 1965. Flow Depth in Sand Bed Channels. Dover publication. Inc. New York, pp. 676-680.
Fischenich, J.C. 1996. Velocity and Resistance in Densely Vegetted Floodways. Doctoral Thesis, Colorado State University.
Harun-UR-Rashid, M. 1990. Estimation of Manning’s Roughness coefficient for Basin and Border Irrigation. Agricultural water mangement, Vol. 18, pp 29-33.
Henderson, S. 1965. Modern Developments in Fluid Dynamics. Dover publication. Inc.New York, pp. 676-680.
Julien, P.Y. 2002. River Mechanics. Cambridge University. U.K. pp. 676-680.
Limerinous, J. 1965. Flow Depth in Sand Bed Channels. Dover publication. Inc. New York, pp. 676-680.
Liu, W.C., et al. 2003. Modeling of flow resistance in mangrove Swamp at mouth of Tidal Keelung River. Taiwan. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, ASCE, pp 86-92.
Noarayanan, L., et al. 2012. Manning’s ‘n’ co-efficient for flexible emergent vegetation in tandem configuration. Jornal of Hydro-environment Research, Vol. 6, pp 51-62.
Pappenberger, F., et al. 2005. Evaluation of 1D and 2DNumerical Models for Predicting River Flood Inundation. Jornalof Hydrology, Vol. 268, pp 46-6
U.S.Army corps Engineeers (1977),“ Sediment Transport ”, Hydrologic Engineering Methods For water Resources Development, vol.12. Section4, Davis California Center.