ایستگاه پاتاوهی رودخانهی بشار و نازمکان رودخانهی شاهبهرام، روش تکخطی برای سه ایستگاه قلات و شاهمختار رودخانهی بشار و سیدآباد رودخانهی چمسیاه، روش تجمعی حد وسط دستهها برای ایستگاه دهنوی رودخانهی لوداب و روش حد وسط دستهها و تجمعی حد وسط دستهها نیز برای ایستگاه تنگبریم رودخانهی شیو بعنوان روشهای بهینه انتخاب شدند.
کلمات کلیدی: ایستگاه هیدرومتری، بارمعلق، روشهای رگرسیونی، منحنی سنجهی رسوب
کلیات
مقدمه و تاریخچه
در کشورهایی مانند ایران که از مناطق خشک و نیمه خشک جهان محسوب میگردد، ذخیره و مهار آب از جمله اهداف و برنامه های کاربردی به شمار میآیند. از جمله سازههایی که به منظور ذخیره و کنترل آب ساخته میشوند سدها هستند، با توجه به اینکه حمل و انباشته شدن رسوبات و عدم آگاهی از میزان انتقال رسوبات میتوانند همواره بر حجم مخزن سد و همچنین بر فرسایش حوضههای آبخیز اثرات جبران ناپذیری را بر جای بگذارند، موضوع انتقال رسوب همواره از دغدغهها و مشکلات اساسی مهندسان آب و زمینشناسی میباشد.
نزدیك به ٦٠ سال یا بیشتر، به علت عدم وجود دادههای غلظت رسوب پیوسته و مستمر، هیدرولوژیستها از منحنیهای سنجهی (انتقال رسوب) برای تخمین و یا پیش بینی غلظت رسوب معلق با بهره گرفتن از محاسبهی دادههای دبی جریان استفاده میكنند. بیشتر از ٢٠ روش برای گسترش منحنیهای سنجه وجود دارد. از بین این روشها توانایی و قدرت توابع رگرسیون كه رابطه بین غلظت رسوب معلق و دبی جریان را بیان می کنند، با اندازه گیری دبی جریان كه تشكیل متغیر مستقل را میدهد، بیشتر ذکر شده است (فیلیپ و همکاران، 1999).
در این فصل چگونگی تشکیل و انتقال رسوبات معلق و عوامل موثر در رسوبگذاری و اهمیت دانستن سه فرایند فرسایش، انتقال و نهشته شدن مواد رسوبی بیان خواهد شد و در نهایت اهداف و ضرورتهای انجام تحقیق ذکر میشوند.
تئوری تشکیل و انتقال رسوبات
تمام رسوباتی که به وسیلهی آب و باد حمل میگردند و نیز تمام رسوبات موجود در دشتها در اثر پدیده هوازدگی سنگها و صخرهها به وجود آمدهاند. هوازدگی عملی است که طی آن سنگهای سخت شکسته و فرسوده میشوند. اندازه، ترکیب معدنی، چگالی و عوامل دیگری چون بافت رسوبات، به طبیعت سنگ اصلی بستگی دارد. فرایند هوازدگی به سه بخش هوازدگی شیمیایی، مکانیکی و ارگانیکی تقسیم میگردد. عوامل موثر در هوازدگی شیمیایی عبارتند از: اکسیژن، دی اکسید کربن و بخار آب که در هوا موجود میباشند. در حالتهای خاص اسید کربنیک نیز روی سنگهای گرانیت، آبیت، بیوتید و … موثر میباشد (شفاعی بجستان،1390).
عوامل مکانیکی نیز سنگهای اصلی را به قطعات کوچکتر تبدیل می کنند که شامل یخ زدگی آب انبساط ناشی از تغییرات شیمیایی و انبساط و انقباض حاصل از تغییرات ناگهانی درجه حرارت در طول شبانه روز میباشد. عوامل هوازدگی ارگانیکی شامل میکرواورگانیزمهای خاک و ریشهها و تنههای درختان میباشد که سبب خرد کردن سنگها میشود (شفاعی بجستان،1390).
وقتیکه سنگ اصلی متلاشی گردید، مواد متلاشی شده به وسیلهی رودخانهها، باد و یا یخچالها، از نقطهای به نقطهی دیگر حمل و انباشته میگردند. موادی که به وسیلهی رودخانهها حمل و انباشته میشوند، مواد آبرفتی[1] و موادی که به وسیلهی باد جابجا و انباشته میشوند، لس[2] و چنانچه به وسیلهی یخچالها منتقل و انباشته گردند، رسوبات یخچالی[3] نامیده میشوند. میزان مواد آبرفتی حمل شده بستگی به اندازه ذرات، دبی جریان، شیب کف و خصوصیات فیزیوگرافی حوضه آبریز دارد (شفاعی بجستان،1390).
رسوبات رودخانهای به دو صورت منتقل میشوند یا این مواد درون جریان آب غوطهور هستند و همراه با آب در حرکت میباشند که به آنها مواد رسوبی معلق گفته میشود و میزان مواد رسوبی معلق[4] را که در واحد زمان از یک مقطع رودخانه عبور می کند بارمعلق مینامند. از طرفی مواد رسوبی ممکن است در نزدیکیهای بستر به یکی از صور لغزش، غلتیدن و پرش حرکت نمایند که به آنها بار بستر[5] میگویند. نوع حرکت به صورت بارمعلق یا بار بستر، بستگی به خصوصیات مواد رسوبی، شرایط جریان و خصوصیات رودخانه دارد. در رودخانههای با شیب تند تحت شرایط سرعت بالا، ذرات شنی هم ممکن است بصورت معلق حرکت کنند، در حالیکه در رودخانههای با شیب ملایم و سرعت کم، تنها ذرات بسیار ریزدانه و لای به صورت معلق متحرکاند. از مسائلی که ذرات رسوبی در حین انتقال میتوانند به وجود آورند میتوان خسارات وارد به توربینها، پمپها، پایه های پل، پوشش کانالها و غیره را نام برد (شفاعی بجستان،1390).
عوامل مهم در رسوبگذاری و راهکارها
متأسفانه بسیاری از فعالیتهای بشری سبب تشدید فرایندهای فرسایش، انتقال و رسوبگذاری میگردد، بطور مثال با از بین بردن پوشش گیاهی (جنگلها) فرسایش اراضی تشدید و حجم زیادی از مواد رسوبی وارد رودخانهها میشود. تغییر بدون مطالعه رژیم رودخانه، بطور مثال از بین بردن قوسهای رودخانه، باعث تشدید فرسایش مصالح کف رودخانه میگردد. احداث سد بر روی رودخانه سبب خواهد شد تا رسوبات در پشت سد انباشته شوند و علاوه بر آن تا کیلومترها پایین دست سد، بستر رودخانه به تدریج عمیق شود. احداث پل بر روی رودخانه باعث خواهد شد تا کف و سواحل رودخانه در اطراف محل پل شسته شود. معادن تولید شن و ماسه باعث میشوند تا شرایط تعادلی به وجود آمده از بین بروند و در نتیجه فرسایش و رسوبگذاری شدت یابد. از آنجا که خسارات وارد شده توسط رسوبات رودخانهای به طبیعت، کشاورزی و سازههای آبی ساخته شده بر روی یا در کنار رودخانهها بسیار گسترده و وسیع و زیان آور است، شناخت دقیق این علم برای متخصصان و مهندسان آب ضروری میباشد (شفاعی بجستان، 1390).
برای جلوگیری و یا به حداقل رساندن خسارات وارد شده باید سه فرایند فرسایش، انتقال و نهشته شدن مواد رسوبی را مورد مطالعه قرار داد. این فرایندها دارای پیچیدگی خاصی میباشند، زیرا عوامل موثر در به وجود آوردن این فرایندها بسیار زیاد میباشند. در فرایند فرسایش، ذرات رسوبی در اثر ضربهی قطرههای باران و یا در اثر حرکت آب از بستر خود جدا میشوند. سپس ذرات جدا شده در آستانهی حرکت قرار میگیرند و در صورتی که نیروهای وارد شده از سوی جریان آب بیشتر از نیروهای مقاوم باشد، ذره همراه با جریان آب منتقل میشود. شرایط شروع آستانهی حرکت ذرات و میزان انتقال آنها، به خصوصیات مواد رسوبی چون اندازه، شکل و چگالی ذره، به خصوصیات جریان، نظیر 
سرعت و عمق، به خصوصیات سیال نظیر لزجت و جرم واحد حجم سیال و نیز به خصوصیات شکل کانال یا رودخانه نظیر شعاع هیدرولیکی، شیب و غیره بستگی دارد. چنانچه در مسیر انتقال به هر دلیلی نیروهای وارد شده از طرف جریان آب کاهش یابد، ذرات رسوبی ترسیب (رسوب گذاری) خواهند شد (شفاعی بجستان، 1390).
هر یک از فرایندهای سه گانهی فرسایش، انتقال و رسوب گذاری میتوانند مشکلاتی را به وجود آورند. بطور مثال فرسایش باعث از بین بردن زمینهای کشاورزی، تخریب سازههای کنار رودخانهها، تخریب پلها و سایر بناهای مجاور رودخانهها و همچنین موجب عمیقتر شدن بستر رودخانهها میشود.
برای مقابله با مشکلاتی از قبیل رسوبگذاری در بستر رودخانهها و در نتیجه ایجاد جزایر، رسوب گذاری در محل ورود رودخانه به دریا و پیآمد آن تشکیل دلتا، رسوبگذاری در مخازن سدها و در نتیجه کاهش ظرفیت آن و مشکلات غیر مستقیم دیگری که توسط فرسایش، انتفال و نهشته شدن رسوبات به وجود میآیند، در مرحلهی اول باید طبیعت و چگونگی حرکت رسوب شناخته شود، در مرحلهی دوم عوامل موثر در فرسایش شناسایی گردد و در مرحلهی سوم مقدار و میزان مواد رسوبی منتقل شده را بتوان بطور دقیق تعیین و محاسبه کرد تا بتوان در طراحی سازههای آبی مورد استفاده قرار داد (شفاعی بجستان، 1390).
اهداف و ضرورتهای انجام تحقیق
از جمله ضرورتهای موضوع برآورد بارمعلق و آثار انتقال رسوبات و همچنین اهمیت و پیآمد استفاده از روشهای آماری، میتوان موارد زیر را یادآور شد:
فرسایش سطح حوضه، حمل ذرات رس[6] و لای[7] و فرسایش بستر و کنارهها مهم ترین عوامل تشکیل دهندهی بار رسوبی رودخانهها به شمار میآیند. چنانچه به هر دلیلی در مسیر، سرعت جریان و یا پتانسیل حمل رسوبات کاهش یابد، ذرات رسوبی که روشهای متعددی جهت برآورد بار رسوبی و در نتیجه دیگر امکان حمل آنها توسط جریان وجود ندارد در بستر رودخانه بر جای مانده و با تغییر در شیب، شکل مقطع عرضی و یا پلان، موجب تغییر مورفولوژی رودخانه میشوند. در نتیجه در پیش بینی تغییر مورفولوژی رودخانه، تعیین بیلان رسوبی از اهمیت خاصی برخوردار است (جواهری و همکاران، 1384).
ذرات معلق در آب رودخانهها که تبدیل به رسوب میشوند از مشکلات اصلی مدیریت سدها میباشند. لذا پیش از احداث سدها و سایر تأسیسات هیدرولیکی نیاز به مطالعه بارمعلق رودخانهها میباشد. بدیهی است که با توجه به محدود بودن دورههای آماری و تغییرات گستردهی شرایط هیدرولوژیکی و حفاظتی حوزه آبریز و رودخانه، عموماً استفاده از روشهای درون یابی یا برون یابی ضروری میشود که طبعاً احتمال خطا را افزایش میدهد (پوراغنائی و همکاران، 1386).
آب و خاک از منابع اصلی حیات بشر هستند و نقشی که این دو مادهی مهم در توسعهی اقتصادی و پیشرفت جوامع داشته اند بر کسی پوشیده نیست، لیکن از همان هنگامیکه دست بشر در اکوسیستم متعادل حیاتی وارد شد، پارههایی از همین طبیعت رو به فنا و نابودی گذاشت. رودخانههای کشور ما در مقایسه با رودخانههای جهان رسوب بالایی را حمل می کنند. این امر نشان دهندهی شدت فرسایش و وضعیت نامناسب منابع طبیعی (فشار بیش از حد به مراتع، تخریب اراضی جنگلی و بهره برداری نامناسب از اراضی کشاورزی) میباشد. میزان رسوب بالا علاوه بر اینکه ما را به تفکری برای ارائه راه حلهایی جهت کاهش فرسایش ویژه رهنمون می کند، شناخت وضعیت رسوبدهی حوزه و برآورد دقیق میزان رسوب خروجی را نیز ضروری میسازد (مساعدی و همکاران، 1388).
طول عمر سدها بیشتر تابع نرخ رسوب گذاری در مخزن آن میباشد تا مسائل سازهای، اغلب سدهایی که تا کنون با مشکل رسوب و کاهش عمر مفید مواجه بوده اند به گونهای که در بعضی موارد مانند سد سفیدرود حجم مفید مخزن در کمتر از 20 سال بهره برداری به میزان قابل ملاحظهای کاهش یافته است. از آنجایی که انباشته شدن رسوبات در مخازن سدها به دلیل عمق آب زیاد روی آنها با تراکم فوقالعاده زیاد و چسبندگی ذرات همراه میباشند، لذا خارج نمودن رسوبات از مخزن جهت تجدید ظرفیت آن مستلزم صرف هزینه های زیاد است که در بعضی موارد هزینه بازیابی حجم از دست رفته برابر و یا حتی بیشتر از احداث سد جدید خواهد بود (شفاعی بجستان، 1390).
از مطالعات و تحقیقات گذشته بدیهی است که هرچه دبی جریان بیشتر باشد، دبی رسوب نیز بیشتر خواهد بود، یعنی دبی رسوب به صورت یک رابطه مستقیم نسبت به دبی آب تغییر می کند، لذا در زمانهای سیلابی همواره شاهد افزایش بی رویهی انتقال رسوبات خواهیم بود که شناخت و آگاهی از روشهای مهار و انتقال رسوبات را به خصوص در مواقع سیلابی که میتوانند اثرات جبران ناپذیری به بار آورند را امری حیاتی و ضروری میسازد. به گونهای که همانطور که از شکل (1-1) پیداست، گاهی شاهد خواهیم بود در مواقع طغیان سیل، با رسم شکل دبی آب و دبی رسوب، منحنی دبی رسوب از دبی آب نیز پیشی گرفته که ضرورت مطالعات برآورد رسوب را دوچندان می کند:
شکل زیر که برگرفته از مطالعه روویرا و باتالا[8] (2006) میباشد، نشان دهندهی چگونگی تغییرات دبی آب و رسوب نسبت به هم در حوزه آبخیز مدیترانه، توردرای پایین (اسپانیا) میباشد:
شکل (1-1): تغییرات دبی رسوب نسبت به دبی آب در حوزه اسپانیا
(برگرفته از روویرا و باتالا، 2006)
شکل (1-2) نیز نشان دهندهی تغییرات دبی رسوب نسبت به دبی آب میباشد که مربوط به یکی از حوزههای قرهسو استان کرمانشاه میباشد (یوسفوند و همکاران، 1383):
شکل (1-2): تغییرات دبی رسوب نسبت به دبی آب در حوزه آبخیز قرهسو
(برگرفته از یوسفوند و همکاران، 1383)
استان کهگیلویه و بویراحمد بعد از استانهای شمالی و حاشیهی دریای خزر، دومین منطقهی پربارش کشور ایران میباشد که در برخی سالها میزان نزولات جوی حتی به بیش از 1000 میلیمتر میرسد. سدهای مهمی چون کوثر، مارون و مجموعه سدهای کارون از رودخانههای این استان تغذیه میشوند. طبعاً با توجه به پتانسیل قابل توجه بارندگی در حوضههای بالادست استان، حجم قابل توجهی رسوب به وسیلهی سیلاب در فصلهای پربارش و حتی در بهار در اثر ذوب برف در مسیر رودخانهها و به سمت پاییندست جریان مییابند که اهمیت مطالعات برآورد رسوبات معلق را بیشتر می کنند. تاکنون تحقیق جامعی در مورد مطالعه روابط و شناخت رفتار رسوبات معلق و ارتباط هیدرولوژیکی آن با دبی جریان رودخانهای و رواناب سیلابها در این منطقه انجام نشده است.
لذا پژوهش حاضر برای تشریح رفتار هیدرولوژیکی رسوبات معلق در رودخانههای مهم استان انجام میشود و نتایج آن میتوانند در پیشبینیهای بعدی مورد استفاده قرار گیرند.
ساختار پایان نامه
کلیهی مطالب این پایان نامه 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: کلیات
در این فصل چگونگی تشکیل و انتقال رسوبات به همراه اهداف و ضرورتهای انجام تحقیق ذکر میشوند.
فصل دوم: پیش زمینه و سابقهی پژوهش
در این فصل روشهای برداشت بارمعلق به همراه نقد و بررسی نتایج سایر محققین در زمینه برآورد رسوبات معلق ارائه خواهند شد.
فصل سوم: مواد و روشها
در این فصل حوضههای آبخیز استان معرفی میگردند و سپس مشخصات ایستگاههای هیدرومتری انتخاب شده به همراه تشریح روشهای هیدرولوژیکی مورد استفاده در پایان نامه و معرفی پارامترها و معیارهایی که پایه و اساس انتخاب مدل بهینه میباشند، ارائه خواهند شد.
فصل چهارم: بحث و نتایج
