انتقال رسوب رودخانه های کوهستانی در شرایط سیلابی با رویکرد استوکستیک (مطالعه موردی رودخانه امامه)

هیدرولیک انتقال رسوبات رودخانه دانشی است که چگونگی حرکت، فرسایش و رسوبگذاری مواد رسوبی در کانالها و رودخانه ها را مورد بحث قرار می دهد. این سه فرآیند فرسایش، انتقال و ته نشینی توسط محققین بوسیله ی مدل های قطعی و استوکستیک مورد تحلیل قرار گرفته است. در مدل های قطعی، معادلات ارائه شده بر اساس مطالعات آزمایشگاهی و مشاهدات صحرایی می باشند اما در مدل های استوکستیک، اساس بر انتخاب متغیر تصادفی و بکار گیری تئوری استوکستیک در مکانیک انتقال رسوب می باشد. متغیر تصادفی متغیری است که دارای عدم قطعیت (تابع چگالی احتمال) بوده و مقدار آن در طول کانال پیوسته در حال تغییر است. استوکستیک فرآیندی است که وابسته به متغیرهای تصادفی است. بنابراین اگر رابطه ای دارای متغیر تصادفی باشد آن رابطه یک رابطه ی استوکستیک است. تحقیقات نشان می دهد که مدل های قطعی خطای بسیار داشته اند. علاوه بر این، دبی رسوب محاسبه شده توسط این روش ها، اختلاف زیادی با هم دارد. یک مدل استوکستیک می تواند با استفاده از تاثیر پارامترهای متفاوت، فرآیند انتقال رسوب را بهتر از مدل های قطعی شبیه سازی کند. بنا به نظر برخی محققین حرکت ذرات رسوب یک پدیده ی قطعی نیست و تنها یک مدل استوکستیک می تواند این رفتار تصادفی ذرات رسوب را توجیه کند. هم چنین در شرایط سیلابی که نیاز مبرم به دستیابی دبی رسوب می باشد، روش های قطعی، انتقال رسوب را به خوبی مدل نمی کنند. این پایان نامه به بررسی روش استوکستیک در مدل کردن انتقال رسوب در شرایط سیلابی و غیر سیلابی می پردازد. برای این منظور از رابطه ی کلی استوکستیک در انتقال بار بستر که توسط سایر محققین به اثبات رسیده، استفاده شده است. در این رابطه سرعت برشی و قطر متوسط ذرات رسوب، متغیر تصادفی می باشند. دو پارامتر ارتفاع پرش و سرعت حرکت ذره، توسط محققین مختلف با روش های گوناگون مورد محاسبه قرار گرفته است. این پایان نامه روش نوینی را برای دستیابی به این دو پارامتر ارائه می کند. برای این منظور متغیرهای تصادفی بیشتری مورد استفاده قرار می گیرد. این متغیرهای تصادفی عبارتند از: شیب کف، شعاع هیدرولیکی، سرعت برشی در کف، سرعت لحظه ای در نزدیکی بستر، عدد رینولدز ذرات، ضریب کششی، نیروی کششی و مساحت تصویر ذره. ابتدا هدف دستیابی به تابع چگالی احتمال قطر متوسط ذرات رسوب، با توجه به دبی های مختلف است. این عمل تنها با نقشه برداری از بازه مورد مطالعه و اندازه گیری سرعت در یکی از این مقاطع میسر است. سرعت حرکت ذره با توجه به احتمال پرش بین دو نقطه و محاسبه ی طول و زمان این پرش قابل محاسبه است. برای دستیابی به احتمال پرش بین دو نقطه، به آنالیز احتمالاتی آستانه حرکت رسوبات در شیب های تند پرداخته می شود. سه پارامتر ارتفاع، طول و زمان یک پرش نیز، در شرایط غیر سیلابی از معادله مسیر حرکت ذره به کمک معادلات استوکستیک قابل تعیین است. این پارامترها در شرایط سیلابی به کمک معادلات استوکستیک و فرایند پواسون بدست می آیند. در واقع این مدل با ترکیب احتمالات و معادلات استوکستیک به محاسبه دبی بار بستر می پردازد. توانایی این مدل را می توان در نظر گرفتن بستر متحرک و متغیرهای تصادفی زیاد عنوان کرد. در این پایان نامه رودخانه امامه به عنوان مطالعه موردی انتخاب شد. دلیل انتخاب رودخانه امامه به عنوان مطالعه موردی، موجود بودن آمار مکفی طی مطالعات انجام شده در این رودخانه در گذشته، برای انجام این پایان نامه بوده است. دبی بار بستر محاسبه شده به کمک روش شبیه سازی مونت کارلو، برای اثبات صحت خود، مورد تجزیه و تحلیل بیشتر قرار گرفت. در ابتدا با سایر روش قطعی و احتمالاتی مورد مقایسه قرار گرفت. دبی بار بستر محاسبه شده با روش انیشتن مطابقت خوبی دارد. سپس با استفاده از آمار موجود، تعداد وقوع یک سیل بخصوص با توجه به هیدروگراف سیل فرضی، مورد محاسبه قرار گرفت. با توجه به متفاوت بودن قطر ذرات و متفاوت بودن جابجایی برای آنها بعد از هر سیل، تعداد وقوع هیدرگراف های سیل فرضی یکسانی برای هر قطر پیش بینی شد. در انتها متغیر تصادفی پرش ذره رسوب، با نتایج سایر محققین مورد مقایسه قرار گرفت. مدل ارائه شده، در تمامی مقایسات مورد قبول قرار گرفت. در پیشنهاد برای ادامه موضوع توسط سایر دانشجویان، توصیه به بررسی دقیق تر فرضیات مورد استفاده در این پایان نامه (مثلا در نظر گرفتن اثر برخورد ذرات به یکدیگر) می باشد.