چکیده: در این تحقیق یک مطالعه آزمایشگاهی با هدف بررسی چگونگی نحوه پاسخ آبراهه های ماسه ای به تغییرات دبی جریان و رسوب در آزمایشگاه هیدرولیک موسسه تحقیقات آب انجام گردیده است. شایان ذکر است با توجه به اهداف مورد نظر در این پژوهش، برای دو نمونه مصالح ماسه ای درشت دانه، آزمایش ها در دو حالت کلی جریان آب ماندگار و جریان آب غیرماندگار برنامه ریزی و انجام شده اند و برای هر دو حالت، تمامی آزمایش ها با مدلسازی جریان بدون رسوب (زلال) و جریان همراه با تزریق رسوب انجام شده اند. نتایج آزمایش های حالت ماندگار نشانگر این امر بودند که با افزایش نرخ تزریق رسوب در آبراهه، نرخ تغییرات عرض و عمق نسبت به زمان، در مقایسه با حالت بدون رسوب آهنگ سریعتری پیدا می کنند. به ازای یک نرخ رسوب ثابت، ابعاد عمق پایدار متناظر با افزایش دبی جریان، افزایش یافته است در حالیکه نرخ تغییرات عرض آبراهه آهنگ کندتری نسبت به نرخ تغییرات عمق دارد. به همین ترتیب، به ازای یک دبی ثابت، با افزایش نرخ رسوب تزریق شده، ابعاد عمق پایدار کاهش و متناظر با آن عرض پایدار افزایش می یافت. شکل هندسی کناره در فرآیند عریض شدن کانال، تقریباً هندسه مشخصی را حفظ کرده و از یک تابع نمائی تبعیت می کند. نهایتاً با تحلیل آماری داده های مشاهداتی عرض و عمق پایدار و به کمک معادله توان واحد جریان توسعه یافته، معادلات جدیدی برای تخمین ابعاد رژیم رودخانه های ماسه ای استنتاج شد که دقت آنها در مقایسه با سایر معادلات رژیم موجود، کاملاً مطلوب و قابل قبول هستند. نتایج آزمایش های حالت غیرماندگار نیز موید این امر بودند که با توجه به نحوه پاسخ آبراهه ماسه ای به تغییرات هیدروگراف جریان و رسوب، اندازه دبی پیک سیلاب نقش عمده ای در فرسایش کناره دارد و همچنین قسمت عمده فرسایش کناره متناظر با زمان فروکش کردن دبی سیلابی در آبراهه و به عبارت دیگر بازوی پائین رونده هیدروگراف رخ می دهد که این نتایج با مشاهدات صحرایی گزارش شده توسط سایر محققین تطابق دارد. نکته دیگر اینکه مقایسه کلی نمودارهای حالت آب زلال و حالت های مختلف تزریق رسوب موید این امر است که نرخ ترازافزایی بستر و فرسایش کناره (تعریض مقطع) در حالت همراه با تزریق رسوب به طور قابل ملاحظه افزایش می یابد، البته نرخ ترازافزایی بستر آهنگ تندتری نسبت به نرخ فرسایش کناره دارد. مقایسه منحنی های سنجه رسوب پاسخ حوضه (ورودی از بالادست) و پاسخ آبراهه نیز نشانگر این حقیقت بودند که در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی، منحنی سنجه رسوب پاسخ آبراهه الزاماً از منحنی سنجه رسوب حوضه تبعیت نمی کند. نهایتاً به ازای یک هیدروگراف ثابت سیل، تزریق رسوب مطابق منحنی چوله به راست (چولگی منفی) باعث بزرگتر شدن عرض مقطع نسبت به سایر حالات تزریق رسوب می گردد.

آب به عنوان یکی از حیاتی ترین نیازهای انسان مبنای پیدایش، گسترش و زوال تمدن ها بوده است. افزایش جمعیت و پیشرفت بشر، سبب شد که انسان سعی کند تا رفتار طبیعی رودخانه را پیش بینی و در گام بعدی تبعات آنرا در احاطه خویش درآورد. از طرفی دیگر، رودخانه ها به عنوان یک موجود پویا، تغییرپذیر و قانونمند و در عین حال با روابط پیچیده ای مطرح شده اند به طوری که نسبت به تغییر شرایط جریان و یا مشخصات هندسی خود که بطور طبیعی یا مصنوعی (دخالت بشر) ایجاد می شود حساسیت و عکس العمل نشان می دهند. فعالیت های انسانی (احداث سد، برداشت شن و ماسه از بستر رودخانه ، تغییر در کاربری حوزه و حتی شکست سد) و تغییرات طبیعی (وقوع سیلاب، بروز آتش سوزی در جنگل و مراتع، فعالیت های آتشفشانی و خشکسالی) سبب تغییر در نرخ جریان تأمین رسوب در رودخانه ها می گردد. پیشینه علم هیدرولیک در آبراهه های آبرفتی حاکی از آن است که هندسه هیدرولیکی آبراهه متناظر با تغییرات دبی جریان و دبی رسوب تغییر می نماید. شدت تغییرپذیری و زمان این تغییرات بستگی به نوع و درجه تأثیر عوامل کنترل کننده دارد. مورفولوژی مجاری آبرفتی و به ویژه برقراری تعادل دینامیکی پایدار (رژیم) در یک رودخانه از موضوعات مهم و جذاب در مهندسی رودخانه است که تحقیقات زیادی در آن مورد انجام شده است. دو منظر مهم و کلی از دیدگاه برقراری رژیم (تعادل) در مجاری آبرفتی مطرح می شود: عرض و عمق پایدار و پروفیل هندسه کناره. پژوهشگران متعددی به منظور بررسی هندسه هیدرولیکی کانال های آبرفتی با استفاده از جریان های ماندگار آزمایش هایی را صورت داده اند؛ البته شایان ذکر است که اغلب این آزمایش ها به صورت آب زلال انجام شده اند و اندک آزمایش های با تزریق رسوب نیز بر روی آبراهه های شنی متمرکز بوده اند و اثر غلظت رسوب بر نرخ تعادل آبراهه های ماسه ای کمتر مطالعه شده است. از اینرو در تحقیق حاضر سعی شده است تا قسمتی از کاستی های پژوهش های قبلی که مورد بررسی قرار نگرفته و در شرایط طبیعی رودخانه ها رخ می دهد، مورد بررسی قرار گیرند. با توجه به مطالعات انجام شده و با در نظر گرفتن اهداف مورد نظر در این پژوهش، مطالعه آزمایشگاهی برای مطالعه جنبه های مختلف مکانیزم تشکیل کانال آبرفتی پایدار در حضور بار بستر در دو مرحله درآزمایشگاه هیدرولیک موسسه تحقیقات آب انجام گردید. در مرحله اول، 8 آزمایش به منظور بررسی اثر دبی جریان، اندازه مصالح یکنواخت بستر و کناره و هندسه اولیه کانال در پروفیل مقطع عرضی پایدار با هدف بررسی مدل های پروفیل کناره مقطع پایدار و ارائه پروفیل هندسه مقطع عرضی در کانال های مستقیم ماسه ای پایدار در شرایط آب زلال و در مرحله دوم 18 آزمایش به منظور بررسی اثر کمی غلظت رسوب تحمیلی بر شکل و هندسه کناره و مقطع عرضی پایدار با بستر متحرک در کانال های مستقیم ماسه ای انجام گردیده است. کانال آزمایشگاهی مورد استفاده دارای طول 1200 سانتیمتر، عرض 75 سانتیمتر و ارتفاع 60 سانتیمتر بود. جهت انجام آزمایش ها از دو تیپ مصالح ماسه ای با قطر متوسط 2/1 و 6/1 میلیمتر و انحراف معیار هندسی ذرات حداکثر 3/1 استفاده گردید. تمامی آزمایش ها در شرایط جریان ماندگار و در حالت مقطع پر بوده اند. همچنین در هیچ یک از آزمایش های انجام شده اثری از پیچانی شدن آبراهه و تشکیل شکنج و تلماسه مشاهده نگردید. نتایج آزمایش ها نشانگر این امر بودند که با افزایش نرخ تزریق رسوب در آبراهه نرخ تغییرات عرض و عمق نسبت به زمان، در مقایسه با حالت بدون رسوب آهنگ سریعتری پیدا می کنند. این پارامترها در کوتاه مدت تمایل زیادی به تغییر دارند تا نهایتاً آبراهه شیب و هندسه خود را با شرایط جدید متعادل نماید. در تمامی آزمایش ها، روند تغییر هندسه مقاطع همراه با فرسایش کناره، ترازافزایی بستر و انتقال مقداری از رسوبات به پائین دست فلوم بوده است. به ازای یک نرخ رسوب ثابت، ابعاد عمق پایدار متناظر با افزایش دبی جریان، افزایش یافته است در حالیکه نرخ تغییرات عرض آبراهه آهنگ کندتری نسبت به نرخ تغییرات عمق دارد. از طرفی دیگر به ازای یک دبی ثابت با افزایش نرخ رسوب تزریق شده، ابعاد عمق پایدار آبراهه کاهش و متناظر با آن عرض پایدار آبراهه افزایش یافته است. همچنین با مقایسه بین مدل های پروفیل های کناره مقطع پایدار، نتایج مشاهداتی نشانگر این امر است که مدل های نمایی و هذلولی نسبت به سایر معادلات از دقت و پایداری بهتری برخوردار هستند در حالیکه معادلات کسینوسی و سینوسی بیشترین انحراف را نسبت به نتایج مشاهداتی نشان می دهد. شکل کناره در تمامی آزمایش ها نسبتا ثابت بوده و به دبی عبوری، شکل اولیه کانال حفرشده در مصالح ماسه ای، قطر و جنس مصالح غیر چسبنده ماسه ای وابسته نیست در حالی که افزایش غلظت رسوب، سبب کاهش عرض و عمق بی بعد کناره کانال پایدار می گردد. این شکل کناره حتی در فرایند عریض شدن کانال شکل مشخصی را حفظ می کند و به صورت تقریبی مشابه فرمی از تابع نمائی می باشد.