بررسی آزمایشگاهی تاثیر امواج عمود بر جریان ناشی از موانع بر غلظت رسوب معلق

در جریان کانالهای روباز مواقعی پیش می آید که مجموعه ای از موانع در مسیر حرکت آب قرار می گیرند. به عنوان نمونه هایی از این موانع می توان به پایه های پل در مسیر رودخانه، پایه های اسکله در دریا، رشد گیاهان و درختان در بستر رودخانه و پایه های هر سازه هیدرولیکی دیگر در یک مجرای روباز اشاره نمود. با عبور آب از بین این موانع، در لبه ابتدایی موانع لایه مرزی و در لبه انتهایی آن جداشدگی خطوط جریان اتفاق می افتد که سبب تشکیل ورتکس نوسانی در پایین دست موانع می شود؛ نوسان های ورتکس دارای فرکانس و طول موجی منظم می باشند که همین نوسان را به جداره کانال نیز انتقال می دهند. از همپوشانی نیروهای نوسانی ایجاد شده ناشی از هر کدام از موانع، امواج سطحی که راستای انتشارشان عمود بر جهت جریان آب است، تشکیل می شود. این امواج عمود بر جریان، به صورت امواج عرضی، خطی (با دامنه کم) و ایستا (که توسط دیواره های قائم فلوم آزمایشگاهی به طور کامل بازتاب می شود و انتقال جرمی را موجب نمی شود) طبقه بندی می شوند. این امواج با حداکثر دامنه، زمانی شکل می گیرند که فرکانس ورتکس با فرکانس طبیعی مجرای حرکت آب تطبیق یافته و تشدید صورت پذیرد. در این حالت تعداد صحیحی از گره ها در عرض مجرا جا می گیرند که تعداد آن ها، همان نوع موج می باشد. به دلیل اهمیت ویژه انتقال رسوبات در پروژه های آبی و ارتباط تنگاتنگ با مسائل اقتصادی تا کنون تحقیقات فراوانی در زمینه تأثیر عوامل مختلف بر روی میزان رسوبات، انجام گرفته است و با توجه به اینکه در حدود 70 تا 90 درصد کل بار رسوبی رودخانه ها را بار معلق تشکیل می دهد، این سهم بالا، اهمیت بار معلق را به عنوان بخش تعیین کننده ای از بار کل رسوب روشن تر می سازد. لذا ارائه ی راهکارهای نوین در جهت کنترل بار معلق عبوری از مقاطع مختلف رودخانه ها و کاهش میزان رسوبات معلق منتقل شده به پایین دست کانالهای اصلی و همچنین به درون آبگیرها جهت بهینه کردن آبگیری نقش بسزایی در پیشبرد مطالعات مهندسی رودخانه خواهد داشت. به دلیل جدید بودن بررسی تأثیر امواج عمود بر جریان بر حرکت رسوبات معلق در مجاری روباز تا کنون کارهای تحقیقاتی جامعی صورت نگرفته، بنابراین شناخت چگونگی این مسئله می تواند گامی مهم در جهت کنترل انتقال رسوبات در مجاری روباز باشد. هدف از انجام این تحقیق، بررسی تأثیر امواج عمود بر جریان بر غلظت رسوبات معلق بوده است. در این تحقیق در مجموع 108 آزمایش صورت پذیرفت که بر حسب قطر متوسط ذرات مورد استفاده، به دو بخش تقسیم شد. بخش اول آزمایشات برای قطر متوسط ذرات 127/0 میلی متر و بخش دوم برای قطر متوسط ذرات 345/0 میلی متر بود و آزمایشات در یک فلوم آزمایشگاهی مستطیلی مستقیم به طول 8 متر، عرض 1 متر و ارتفاع 60/0 متر در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده مهندسی علوم آب دانشگاه شهید چمران انجام شده است و یک دیواره جداکننده به ارتفاع 60 سانتیمتر از جنس پلاکسی گلاس که عرض فلوم را در 4 متر انتهایی طول آن به دو قسمت مساوی تقسیم می کند استفاده شد. در این آزمایشات فواصل طولی، عرضی و آرایش موانع، تراکم ، قطر، دبی، عمق و سرعت جریان متغیر بوده و در هر نوع آزمایش، با تغییر عمق و سرعت جریان به وسیله دریچه انتهایی فلوم، امواج مختلفی در یک قسمت از دو قسمت عرض فلوم تشکیل شد که حداکثر دامنه موج عرضی مشاهده شده در آزمایشات 44 درصد عمق متوسط جریان بوده است. در تحقیق حاضر با توجه به استفاده از قطرهای مختلف در دبی های متغیر، چهار نوع موج عرضی در فلوم مشاهده شد. قطر موانع از عوامل بسیار مهم و تأثیرگذار بر روی چگونگی شکل گیری امواج عمود بر جریان در کانالهای روباز و تأثیر آن ها بر غلظت رسوبات معلق تشخیص داده شد، به همین منظور در آزمایشات صورت گرفته در تحقیق، موانع استوانه ای با سه قطر مختلف به اندازه های 12، 25 و 42 میلیمتر مورد استفاده قرار گرفت و همین امر از عوامل بسیار مهم و تأثیرگذار بر روی شکل گیری چهار نوع موج عرضی در فلوم و تأثیر آن ها بوده است. اندازه گیری ها نشان داد که بطور کلی میزان دبی جریان آب عبوری از بازه بدون مانع بیشتر از بازه موانع می باشد و این اختلاف دبی عبوری از دو طرف دیواره جداکننده با کاهش عمق و یا به عبارتی در موج های نوع 2، 3 و 4، افزایش می یابد. بیشترین میزان دبی جریان عبوری از بازه بدون مانع نسبت به کل دبی ورودی 90 درصد و کمترین این نسبت، 54 درصد بوده است. نتایج رسوبی آزمایشات نشان داد که در شرایط عدم وجود موج در فلوم، غلظت رسوبات معلق در پایین دست بازه موانع نسبت به بازه بدون مانع برابر یا بیشتر می باشد اما در شرایط حضور موج در فلوم، غلظت رسوبات معلق در پایین دست بازه موانع نسبت به بازه بدون مانع کاهش می یابد و رسوبات معلق بیشتری تحت اثر موج به بازه بدون مانع انتقال می-یابند و از میان نوع موج ها، موج نوع 1 بیشترین تأثیر را بر کاهش غلظت رسوبات معلق در پایین دست بازه موانع و همچنین افزایش انتقال ذرات به بازه بدون مانع داشته است. لذا پس از انجام آنالیز ابعادی و انجام تجزیه و تحلیل های آماری با استفاده از نرم افزار spss پارامترهای بدون بعد موثر بر کاهش غلظت رسوبات معلق در پایین دست بازه موانع نسبت به بازه بدون مانع تحت اثر امواج عمود بر جریان برای هر دانه بندی به طور جداگانه مشخص شد و تأثیر هر یک از آن ها مورد بررسی قرار گرفت و در نهایت رابطه ای کلی جهت محاسبه درصد کاهش غلظت رسوبات معلق در پایین دست بازه موانع تحت اثر امواج عرضی در کانالهای روباز برای هر دو نوع دانه بندی بدست آمده است. روابط ریاضی ارائه شده در تحقیق برای پیش بینی درصد کاهش غلظت رسوبات معلق در پایین دست بازه موانع تحت اثر امواج عرضی، با استفاده از بخش دیگری از اندازه گیری های انجام شده در تحقیق حاضر که در استخراج روابط دخالت نداشته-اند، مورد صحت سنجی قرار گرفت، نتیجه آن نشان داد که روابط ریاضی ارائه شده پیش بینی نسبتاً خوبی را داشته اند.