نشریه شماره ۶۸۸
ضریب زبری هیدرولیکی رودخانهها، یکی از عوامل مورد نیاز برای مطالعات مهندسی رودخانه است. ایـن موضوع برای تعیین عواملی نظیر عمق و سرعت جریان ضروری است. با وجود اینکه در برخـی کتـب هیـدرولیک و مهندسـی رودخانـه مباحثی در خصوص ضریب زبری رودخانهها ارائه شده ولی ضـرورت داشـتن راهنمـای جـامع بـرای کلیـه شـرایط موجـود در رودخانههای کشور، موجب تدوین نشریه شماره ۶۸۸ شده است. از سوی دیگر از آنجا که دقت تعیین عمق جریان در تعیین دقیق مشخصههای فنی و حقوقی نظیر حدود بستر و حریم رودخانهها، موثر است، بنابراین برآورد دقیق ضـریب زبـری هیـدرولیکی عـلاوه بـر ارزش فنی، اهمیت حقوقی نیز پیدا مینماید.
برای تعیین عوامل هیدرولیکی نظیر عمق و سرعت جریان، نیاز به تعیین ضریب زبری هیدرولیکی جریان است. در تمامی مطالعات مهندسی رودخانه و طراحی سازههای متقاطع رودخانه نظیر پلها، سدهای انحرافی یا دهانههای آبگیر که دانستن عمق و سرعت جریان ضروری است، تعیین دقیق ضریب زبری مورد نیاز خواهد بود. ضریب زبری هیدرولیکی در شرایط متنوع و پیچیده رودخانهها متاثر از عوامل مختلفی است. بنابراین تحقیقات گستردهای بر روی شرایط متنوع جریان در رودخانهها صورت پذیرفته و طیف گستردهای از روابط ارائه شده است. به همین علت، شناخت کامل کارشناسان مطالعات مهندسی رودخانه از عوامل موثر و شرایط متنوع رودخانهها، مقدم بر تعیین ضریب زبری رودخانهها بوده و تسلط این کارشناسان به انواع روابط تعیین ضریب زبری در شرایط متنوع رودخانهها نیز ضروری است. لذا نشریه شماره ۶۸۸ با همکاری سازمان مدیریت و برنامهریزی کشور علاوه بر بررسی عوامل موثر بر زبری هیدرولیکی رودخانهها، روابط مناسب برای شرایط مختلف رودخانهها را نیز ارائه مینماید.
اهداف نشریه شماره ۶۸۸
هدف از تدوین این نشریه تعیین ضریب زبری هیدرولیکی رودخانهها است. بـه ایـن منظـور عوامـل مـوثر بـر روی ضریب زبری هیدرولیکی بررسی شده و نحوه تعیین ضریب زبری هیدرولیکی رودخانهها و سیلابدشت در شرایط مختلف، مورد بحـث قرار گرفته است.
دامنه کاربرد نشریه شماره ۶۸۸
نشریه شماره ۶۸۸ برای تعیین ضریب زبری هیدرولیکی رودخانهها کاربرد داشته و تعیین ضریب زبری هیدرولیکی سـایر مجاری آبی نظیر سطح حوضههای آبریز، کانالهای آبیاری، کف دریاها، دریاچـههـا، لولـههـا و تونـلهـا، خـارج از بحـث این نشریه است. همچنین کاربرد نشریه شماره ۶۸۸ در تعیین ضریب زبری مدلهای ریاضی رودخانههـای محـدود بـه مدلهای یک بعدی است. به علت عدم کفایت تحقیقات موجود، استفاده از روابط ارائه شده بـرای سـیلابهـای گلـی و واریزهای محدود به آبراهههای کوهستانی خواهد بود که فاقد پوشش درختی قابل توجه باشد.
محدودیتهای نشریه شماره ۶۸۸
نشریه شماره ۶۸۸ محدود به تعیین ضریب زبری در آبراهه اصلی و سیلابدشت رودخانـههـا بـوده و ایـن ضـریب زبـری میتواند برای محاسبات یک بعدی جریان در رودخانهها مـورد اسـتفاده قـرار گیـرد. بنـابراین مـوارد زیـر خـارج از بحـث نشریه حاضر است.
- تعیین ضریب زبری سطح حوضههای آبریز
- تعیین ضریب زبری در کانالهای انتقال آب و آبیاری و زهکشی
با تقریب میتوان ضریب زبری مورد نیاز برای شبیه سازی دو بعدی و سه بعدی جریان با سطح آزاد را بـا اسـتفاده از مطالـب راهنمای حاضر تعیین نمود. بررسیها نشان میدهد که در زمان تهیه این نشریه، تحقیقـات انجـام شـده بـرای تعیـین ضـریب زبری جریان در مدلهای دو بعدی و سه بعدی به اندازهای نیست که مبنای تدوین راهنمای استاندارد بـرای پـروژههـای عملـی قرار گیرد و از سوی دیگر مدلهای دو بعدی و سه بعدی جریان بیشتر جنبه تحقیقاتی داشته و حجـم بـالای دادههـای ورودی این مدلها، استفاده از آنها را محدود ساخته است. بنابراین لازم است در آینده با تکمیل تحقیقات آزمایشگاهی و صحرایی بـیش تـر، نسبت به تدوین نشریه تعیین ضریب زبری برای مدلهای دو بعدی و سه بعدی اقدام شود.
انواع زبری جریان
زبری جریان در رودخانهها را میتوان در هشت نوع زیر تقسیمبندی نمود.
- زبری جداره رودخانه ناشی از زبری دانههای رسوب موجود در جداره آبراهه و سیلابدشت
- زبری ناشی از موان
- زبری ناشی از بینظمی جداره آبراهه 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
- زبری پوشش گیاهی موجود در بستر آبراهه و سیلابدشت
- زبری ناشی از غلظت رسوبات جریان
ضریب زبری
ضریب زبری برای محاسبه سرعت و بده جریان در مجاری باز نظیر رودخانهها بـه انـواع مختلـف تعریـف شـده اسـت. روابط ارائه شده برای بده و سرعت جریان به پنج دسته زیر قابل تقسیم است.
- رابطه شزی
- رابطه دارسی ویسباخ
- رابطه مانینگ
- رابطه سرعت بیبعد
- روابط همبستگی بین بده جریان و عوامل هیدرولیکی
عوامل موثر بر زبری هیدرولیکی رودخانه
عوامل موثر بر زبری هیدرولیکی آبراهه اصلی و سیلابدشت رودخانه را میتوان شامل موارد زیر دانست.
- قطر دانههای رسوب در بستر آبراهه اصلی و سیلابدشت رودخانهها
- عمق جریان
- لزجت جریان
- شکل بستر آبراهه
- موانع موجود در بستر آبراهه و سیلابدشت
- تغییرات شکل و اندازه مقاطع رودخانه
- پوشش گیاهی بستر آبراهه و سیلابدشت
- پیچانرودی رودخانه
- غلظت رسوب جریان
فهرست مطالب نشریه شماره ۶۸۸
ضریب زبری هیدرولیکی رودخانه که در نشریه شماره ۶۸۸ به اختصار تحت عنوان ضـریب زبـری بـه کـار رفتـه اسـت بـه درجهی مقاومت در مقابل جریان گفته میشود. واحد و بعد ضریب زبری به نوع رابطه جریان بسـتگی دارد. در فصـل دوم این نشریه انواع ضرایب زبری متداول، مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. در فصل ۳ به بررسی عوامل مختلف بر زبری هیدرولیکی رودخانه پرداخته است.
در فصل ۴ در رابطه با بازدیدهای میدانی یکی از ضروریترین اقدامات مورد نیاز برای تعیین ضریب زبری مانینگ بحث میکند. در فصـل ۵ روشهـای بـرآورد زبـری هیدرولیکی ناشی از عوامل یاد شده مورد بحث قرار میگیرد. به طور کلی روشهای برآورد ضریب زبری را میتـوان بـه دو دسته طبقهبندی کرد.
- روشهایی که ضریب زبری ناشی از یکی از عوامل موثر را تعیین میکنند
- روشهایی که زبری هیدرولیکی ناشی از مجموع چند عامل موثر را تعیین میکنند
در این فصل ابتدا دسته اول و سپس دسته دوم مورد بحث قرار میگیرد.
عمده کارهای مهندسی رودخانه را به سه دسته طرحهای کاهش خسارت سیلاب، مهار فرسایش و رسوب و طرحهـای ساماندهی رودخانه برای کشتیرانی میتوان طبقه بندی نمود. در برخی از این طرحها نیاز به تعیین ضریب زبـری رودخانـه است که در فصل ۶ ملاحظات مربوط به آنها بحث میشود.
منظور این نشریه از آبراهههای مرکب، رودخانههایی است که دارای آبراهه اصلی باشـند. معـدودی از روشها به تعیین ضریب زبری جداگانه برای آبراهه اصلی و سیلابدشت پرداختهاند. تعدادی روابط ترکیب ضـریب زبـری هیدرولیکی نیز ارائه شده است. در فصل ۷ روش کاون که توسط اداره حفاظت خاک و سازمان زمین شناسی آمریکـا تکمیل گردیده ارائه میشود.
در فصل ۸ برای شرایط مختلف رودخانه و نیز سطوح مختلـف دادههـای در دسـترس روش مناسـب و قابـل توصـیه پیشنهاد میشود. در اغلب شرایط بیش از یک روش قابل توصیه وجود دارد و تحقیقات موجود، برای قطعی نمودن توصیه یک روش کافی نیست. در این صورت محاسبه ضریب مانینگ از روشهای مختلف و مقایسه نتایج حاصل ضروری بـوده و بسته به نتایج حاصل از روشهای مختلف برای بازه مورد نظر، میتوان روشهای مناسب را انتخاب نمود.
کلیات
- تعاریف و مفاهیم ضریب زبری
- محدودیتهای راهنما
- انواع زبری جریان
انواع روابط ضریب زبری
- رابطه شزی
- رابطه ویسباخ
- رابطه مانینگ
- ضریب سرعت بی بعد
- روابط همبستگی بین بده جریان و عوامل هیدرولیکی جریان
- رابطه بین ضرایب روابط جریان
عوامل موثر بر زبری هیدرولیکی
- اثر قطر دانههای رسوب، عمق جریان و لزجت جریان
- بررسی عوامل موثر در زبری هیدرولیکی سیلاب دشت
نحوه جمع آوری اطلاعات و دادههای مورد نیاز برای تعیین ضریب زبری
- بازدید های میدانی
- جمع آوری آمار، اطلاعات و گزارشهای موجود
- دستورالعمل نمونهبرداری و انجام آزمایشهای دانه بندی
روشهای مختلف تعیین ضریب زبری
- تعیین زبری ناشی از دانههای رسوب
- تعیین زبری ناشی از شکل بستر
- تعیین زبری ناشی از جریانهای گلی و واریزهای
- تعیین زبری ناشی از پوشش گیاهی
- تعیین زبری ناشی از سایر عوامل موثر
- روش تعیین ضریب زبری ناشی از مجموعه عوامل
- تعیین ضریب زبری بر اساس دادههای اندازهگیری شده آب سنجی
ملاحظات کاربرد ضریب زبری در طرحهای مهندسی رودخانه
- ملاحظات تعیین ضریب زبری رودخانه در طرحهای کاهش خسارت سیلاب
- ملاحظات تعیین ضریب زبری در طرحهای مهار فرسایش و رسوب
- ملاحظات تعیین ضریب زبری رودخانه در طرحهای کشتیرانی
تعیین ضریب زبری در آبراهههای مرکب
- گامهای بازه بندی رودخانه و مشخص کردن آبراهه اصلی و سیلاب دشت
- گامهای لازم برای تعیین ضریب زبری در آبراهه اصلی
- گامهای لازم برای تعیین ضریب زبری در سیلاب دشت
- روابط ترکیب ضریب زبری
توصیه روش مناسب تعیین ضریب زبری در شرایط مختلف
- روش مناسب در صورت وجود دادههای آب سنجی
- روش مناسب برای بسترهای آبرفتی متحرک
- روش مناسب برای تعیین ضریب زبری در صورت عدم وجود دادههای دانه بندی بستر
- روش مناسب برای تعیین ضریب زبری در صورت وجود پوشش گیاهی
- روش مناسب در صورت رخداد جریانهای گلی و واریزهای