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