تحقیقات مهندسی سازه های آبیاری و زهکشی
سال:1395 | دوره:17 | شماره:67 |تعداد مقالات:10

با افزایش جمعیت و محدودیت منابع آبی، بهره برداری صحیح و مناسب از شبکه های آبیاری ضروری است. یکی از دلایل کاهش عملکرد شبکه های آبیاری، توزیع نامناسب آب در سطح اراضی و انشعابات است. با گسترش رایانه و روش های عددی امکان توسعه مدل های شبیه سازی جریان و بهینه سازی توزیع آب در شبکه های آبیاری فراهم شده است. در این پژوهش، از الگوریتم ژنتیک به منظور تهیه برنامه بهینه توزیع آب در کانال BLMC شبکه بیله وار واقع در استان کرمانشاه استفاده شده است. برنامه تحویل و توزیع بهینه به صورت تک هدفی که شامل حداقل نمودن اختلاف حجم آب تحویلی و مورد نیاز هر مزرعه است، ارائه شد. در ابتدا با استفاده از تحلیل حساسیت تاثیر پارامترها و عملگرهای الگوریتم ژنتیک بر تابع هدف مورد بررسی قرار گرفت. مقدار بهینه برای تعداد نسل، اندازه جمعیت، احتمال تلاقی و جهش برای بهینه سازی توزیع آب به ترتیب 250، 200، 90% و 1% تعیین شد. در حالتی که روشن و خاموش شدن پمپ مزارع هر 24 ساعت یکبار اتفاق افتد، اختلاف حجم آب تحویلی و مورد نیاز کل مزارع شبکه بیله وار برای دهه دوم فروردین و دهه اول خرداد به ترتیب 28910 و 14130 مترمکعب است.

یکی از دلایل اصلی تخریب شیب های ساحلی و کناره رودخانه ها، وقوع پدیده جوشش در سطوح شیب دار، پس از بالا آمدن سطح آب زیرزمینی و در زمان نزول سطح آب کانال است. در این پژوهش، تاثیر تغییرات سطح آب زیرزمینی و آب کانال بر وقوع جوشش در شیب های ساحلی و نیز اثر دیوار آب بند بر این پدیده در شرایط مذکور مطالعه بررسی شده است. آزمایش ها در تانک نشت با مدل فیزیکی یک مقطع ذوزنقه ای با شیب دیواره 1.5 و قطر متوسط ذرات 0.58 میلی متر اجرا شد. دیوار آب بند در عمق های نسبی (Z/d) برابر 0.5، 0.67، 0.83 و 1 نصب گردید (Z عمق دیوار آب بندو dعمق کانال). در شرایط صعود تراز سطح ایستابی و در آزمایش شاهد در همه عمق های نسبی آب کانال به غیر از عمق نسبی (y/d) برابر 0.7، پدیده جوشش مشاهده شده است. در آزمایش دیوار آب بند با عمق نسبی (Z/d) برابر 1، در حالت وقوع نیافتن پدیده جوشش، گرادیان جریان خروجی نسبت به نمونه شاهد تقریبا 41 درصد کاهش نشان می دهد و جوشش صرفا در عمق نسبی آب (y/d) برابر 0.167 مشاهده می شود. در شرایط نزول سطح آب کانال نتیجه بررسی ها نشان می دهد که در آزمایش شاهد در تمام ترازهای سطح ایستابی جوشش اتفاق افتاده است. در آزمایش های دیوار آب بند، در نمونه های با تراز سطح ایستابی بالا، با وجود نصب دیوار آب بند، افزایش گرادیان جریان خروجی ناشی از افزایش بار هیدورلیکی سبب وقوع جوشش در تمام نمونه ها شده است. در عمق نسبی آب زیرزمینی (h/d) برابر 0.933، در تمامی عمق های دیوار آب بند، جوشش اتفاق افتاده است.

سرریزهای لبه تیز و دریچه های کشویی از نظر سهولت ساخت، قابلیت کنترل سطح آب و اندازه گیری شدت جریان همواره مورد توجه بوده و مطالعات گسترده ای روی آنها صورت گرفته است. از آنجا که ماهیت جریان روی سرریز لبه تیز بسیار پیچیده است، رابطه های استخراج شده همواره با در نظر گرفتن یک سری فرضیات ساده کننده بوده و بر اساس آزمایش های تجربی در شرایط متفاوت به دست آمده اند. از طرف دیگر اغلب سرریزها باعث ایجاد منطقه ای دارای آب نسبتا ساکن در بالادست خود می شوند که می تواند محل ته نشینی رسوبات و مواد زائد موجود در آب گردد و از معایب این سازه محسوب می گردد. با انباشت رسوبات در بالادست، شرایط جریان تغییر یافته و روابط استخراج شده دقت خود را از دست می دهند. در این مورد ترکیب سرریز با دریچه می تواند به عنوان یک راه حل مفید برای عبور مواد شناور از روی سرریز و انتقال مواد رسوبی از زیر دریچه مطرح گردد. در این تحقیق خصوصیات هیدورلیکی 18 مدل ترکیبی سرریز- دریچه ذوزنقه ای در سه گروه متفاوت با سه بازشدگی مختلف دریچه در انتهای کانال باز با مقطع دایره ای مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از روش آنالیز ابعادی و حل تحلیلی و با بهره گیری از آنالیزهای آماری، معادله ای برای دبی ترکیبی مدل ترکیبی سرریز- دریچه ارائه گردیده و با داده های آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد ضریب دبی حاصله مطابقت خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد.

استهلاک انرژی در سازههای هیدرولیکی از مسائل مهم در مهندسی هیدرولیک است. عملکرد سازههای هیدرولیکی از نظر استهلاک انرژی می تواند پایداری سازه و بستر رودخانه را تامین کند. در این پژوهش به ارزیابی آزمایشگاهی عملکرد صفحات مشبک به عنوان مستهلک کننده انرژی جریان فوق بحرانی پرداخته شده است. پارامترهای مورد بررسی عبارتند از: عدد فرود، درصد روزنه صفحات مشبک، محل قرارگیری صفحات مشبک. عدد فرود جریان فوق بحرانی در بازه 2.5 تا  8.5تغییر کرده و درصد روزنه صفحات مشبک 40 و 50 درصد بوده است. همچنین محل قرارگیری صفحات در فواصل 62.5، 125 و 250 سانتی متری بعد از دریچه مولد جریان فوق بحرانی در نظر گرفته شده است. نتایج تحقیق نشان داد درصد روزنه صفحات، فاصله قرارگیری صفحه مشبک از دریچه مولد جریان فوق بحرانی و همچنین عدد فرود جریان فوق بحرانی، بر عملکرد صفحات مشبک تاثیر گذار بوده است. در تمامی حالات مورد بررسی نیز، استهلاک انرژی سیستم از استهلاک انرژی پرش هیدرولیکی آزاد بیشتر بوده است. نتایج به دست آمده نشان داد افزایش عدد فرود موجب افزایش عملکرد صفحات مشبک (افت انرژی نسبی) و کاهش بازده صفحات مشبک (اختلاف بین افت انرژی نسبی سیستم از افت انرژی پرش هیدرویکی آزاد) شده است. همچنین نتایج نشان داد صفحه مشبک با درصد روزنه 50 درصد که در فاصله 125 سانتی متری دریچه قرار گرفته، عملکرد بهتری داشته است.

سرریزهای کنگره ای اغلب گزینه ای مطلوب برای تنظیم تراز آب بالادست و افزایش دبی جریان می باشند. اگرچه طراحی بهینه آن ها به علت ویژگی های پیچیده جریان و شمار زیادی از متغیرهای هندسی و هیدرولیکی طراحی دشوار است. از جمله پارامترهای اثرگذار بر ضریب دبی جریان در سرریزها، وضعیت رسوب گذاری در بالادست و استغراق در پایین دست آن ها می باشد که در نتیجه آن، عملکرد این سازه ها تحت تاثیر قرار می گیرد. در این پژوهش تاثیر افزایش ترازهای مختلف پایاب (یک سوم و دو سوم ارتفاع سرریز) بر تغییر ضریب دبی جریان در سرریز کنگره ای پلان ذوزنقه ای با هندسه های مختلف در شرایط بدون رسوب و تراز رسوب گذاری 90 درصد ارتفاع سرریز به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. تجزیه و تحلیل نتایج حاکی از آن است که تراز پایاب یک سوم ارتفاع سرریز تاثیری بر ضریب دبی جریان در سرریزهای مورد مطالعه نداشت اما با افزایش تراز بستر پایاب به دو سوم ارتفاع سرریز، به دلیل کاهش حجم توده هوای محبوس در زیر سفره های ریزشی جریان و در نتیجه تغییر الگوی ریزشی جریان از حالت جهنده به چسبنده که افت هد جریان در بالادست این سرریزها را به دنبال دارد، ضریب دبی جریان در سرریزهای کنگره ای ذوزنقه ای در شرایط بدون رسوب بین 3.3تا 12.2 درصد و تراز رسوب گذاری 90 درصد ارتفاع در بالادست سرریز بین 2.1 تا 9.2 درصد نسبت به شرایط پایاب غیرمستغرق در دبی حداکثر افزایش می یابد. هم چنین معادله ای، برای برآورد ضریب دبی جریان سرریزهای کنگره ای پلان ذوزنقه ای در شرایط رسوب گذاری در بالادست و پایاب مستغرق ارائه گردید.

تحکیم پذیری و پایداری خاک متاثر از وجود املاح در خاک و به ویژه در رابطه با رطوبت می باشد و این موضوع یکی از مشکلات در احداث کانال های آبیاری و زهکشی است. در این تحقیق تاثیر گچ طبیعی بر خصوصیات خاک محل اجرای کانال آبیاری و زهکشی مورد بررسی قرار گرفت. به منظور دستیابی به جواب های منطبق با شرایط بهره برداری، نمونه ها از خاک منطقه و محل اجرای کانال، که دارای گچ طبیعی می باشند، تهیه گردید. نمونه ها بر اساس ترکیب وزنی خاک و گچ طبیعی با درصد های 1%، 4%، 10% و 15% با انجام آزمایش شیمیایی استاندارد تعیین درصد گچ انتخاب و به منظور تعیین برخی ویژگی های عمومی خاک، آزمایش های شناسایی انجام گرفت.برای بررسی نرخ انحلال از آزمایش تحکیم نیز، بدین گونه استفاده شد که بر روی نمونه های آب خروجی حاصل از فرآیند تعویض آب مقطر در جام دستگاه تحکیم با پریود زمانی یک روزه، و تحت تنش های1، 4 و 8کیلوگرم بر سانتی متر مربع، اندازه گیری EC به مدت یک ماه انجام گرفت. نتایج آزمایش ها نشان داد که با افزایش مقدار گچ، نشانه خمیری و وزن مخصوص خشک نمونه های خاک، کاهش یافته ولی نرخ نفوذپذیری و نشست افزایش می یابد.از آنجا که در محاسبه میزان نشست خاک های گچ دار علاوه بردرصد گچ پارامترهایی مانند ضریب فشردگی حجمی و تنش موثر هم تاثیر گذار ند. از این رو در این تحقیق این عوامل مورد بررسی قرار گرفت و با لحاظ آنها رابطه ای پیشنهاد شده است.

روندیابی سیلاب یکی از پیچیده ترین مسائلی است که در علم هیدرولیک کانال های باز و مهندسی رودخانه مورد بررسی قرار می گیرد. در میان روش های مختلف روندیابی سیلاب، روش ماسکینگام به عنوان پر کاربردترین روش هیدرولوژیکی اهمیت زیادی در مطالعات سیلاب رودخانه ها داشته و از دقت بالایی برخوردار است. تخمین صحیح پارامترهای موجود در مدل غیر خطی ماسکینگام همواره مورد توجه محققین بوده و از روش های مختلفی بدین منظور استفاده شده است. در مقاله حاضر، از الگوریتم جدید جستجوی گرگ (WSA) بدین منظور استفاده شده است. برای ارزیابی مقادیر بهینه پارامترهای مدل ماسکینگهام، تابع هدف به صورت کمینه سازی مجموع مربعات باقیمانده ها (SSQ) بین حجم خروجی های مشاهداتی و روندیابی شده در نظر گرفته شد. به منظور بررسی میزان مطلوبیت یافته های تحقیق، نتایج حاصل از الگوریتم جستجوی گرگ با نتایج سایر روش های فرا ابتکاری شامل الگوریتم ژنتیک (GA)، الگوریتم گروه ذرات (PSO)، الگوریتم جستجوی هارمونی (HS) و الگوریتم رقابت استعماری (ICA) مقایسه گردید. از شش تابع محک استاندارد با ابعاد متفاوت برای بررسی کارآمدی این الگوریتم ها استفاده شد. همچنین تحلیل حساسیت بر روی اندازه جمعیت برای الگوریتم های مورد استفاده صورت پذیرفت. نتایج این تحقیق حاکی از آن بود که در میان الگوریتم های مذکور، الگوریتم جستجوی گرگ قادر است برآورد مناسب تری از مقادیر بهینه پارامترهای مدل ماسکینگام غیرخطی ارائه نماید به طوری که مقادیر ضریب تبیین و جذر میانگین مربعات خطا برای رودخانه کارده به ترتیب برابر با 0.778425و 0.712358 بدست آمد.

نتایج حاصل از بررسی های مزرعه ای در سامانه ها و شبکه های مختلف آبیاری (سنتی و پایین دست سدها) در سطح کشور طی سال های 94-1370جمع آوری و تحلیل شد. طبق نتایج، راندمان کاربرد آب آبیاری در کشور از 22.5 تا  85.5درصد متغیر و میانگین آن 56.0 درصد است. متوسط این راندمان در سامانه های کرتی، نواری و جویچه ای به ترتیب 55.3، 52.9 و 52.2 درصد است. همچنین از بین روش های بارانی، روش رول لاین و کلاسیک ثابت به ترتیب بیشترین ( 66.9درصد) و کمترین ( 52.1درصد) راندمان کاربرد را داشته و در آبیاری قطره ای این کمیت  71.1درصد بوده است. متوسط راندمان کاربرد آب آبیاری در سامانه های آبیاری تحت فشار و سطحی به ترتیب  66.6و  53.6درصد است. همچنین با مقایسه روشهای مختلف آبیاری تحت فشار نیز ملاحظه میشود که میانگین راندمان کاربرد آب آبیاری در روش های آبیاری بارانی 62.1 و در روشهای آبیاری قطره ای 71.1 درصد است. بررسی روند تغییرات راندمان طی سالهای مختلف نشان داد که راندمان کاربرد آبیاری در دو دهه 80-71 و 90-81 و نیم دهه 94-91 به ترتیب 52، 58.4 و  58.8درصد بوده است. همچنین بررسی ها نشان داد راندمان انتقال و توزیع نیز در دهه های مذکور به ترتیب 67، 68.5 و 74.2 درصد بوده است. بدین ترتیب راندمان کل در دهه های یاد شده به ترتیب 34.8، 40و 43.6 درصد برآورد میشود.

جریان غلیظ زمانی اتفاق می افتد که اختلاف چگالی بین دو سیال وجود داشته باشد. این نوع جریان یکی از مکانیزم های مهم در انتقال و رسوبگذاری مواد غیرچسبنده در مخازن با دره های باریک و عمیق هستند. در تحقیق حاضر 63 آزمایش جریان غلیظ رسوبی اجرا شد تا تاثیر دو شکل و سه ارتفاع زبری مصنوعی روی رفتار این جریان نسبت به بستر صاف بررسی شود. پروفیل های قائم سرعت و غلظت در بدنه جریان برداشت شد. نتایج بررسی ها نشان می دهد که وجود زبری باعث افزایش ضخامت بدنه جریان غلیظ به مقدار متوسط 47 درصد، کاهش سرعت حداکثر به مقدار متوسط 29 درصد، و افزایش فاصله سرعت حداکثر از بستر به مقدار متوسط 163 درصد می شود. همچنین، برای زبری های مختلف در شرایط خاص هیدرولیکی و تحت تاثیر عوامل عدد فرود جریان، زبری نسبی و عامل انسداد پدیده برخاستگی مشاهده گردید. این رفتار پروفیل سرعت را در بدنه جریان تحت تاثیر می دهد به نحوی که با وقوع برخاستگی مقدار سرعت حداکثر 5 تا 25 درصد در طول جریان افزایش می یابد. با بررسی مقدار رسوبگذاری در طول جریان، مشخص گردید که وجود زبری ها، به شرط وقوع نیافتن برخاستگی، رسوبگذاری را به طور متوسط 223 درصد افزایش می دهد.

یکی از مشکلاتی که در اکثر آبگیرها به وجود می آید، تجمع و ورود رسوبات به دهانه آبگیر و کاهش راندمان آبگیری است. کنترل رسوب در آبگیرها از مسائل پیچیده مهندسی رودخانه است. برای کاهش رسوب ورودی به دهانه آبگیر می-توان از مجموعه روش های کنترل کننده ورود رسوب به آبگیر استفاده نمود. در این تحقیق تاثیر زاویه و فاصله آبشکن از دهانه آبگیر همراه با دیوار جداکننده بر روی کنترل رسوب و راندمان آبگیری به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. تاثیر چهار زاویه (30، 45، 60 و 90) درجه و چهار جانمایی آبشکن (2b, 2.5b, 3b و b) درساحل مقابل آبگیر بررسی شده است (b عرض کانال آبگیر می باشد). نتایج نشان داد آبشکن با زاویه 60 درجه و در فاصله 2b از مرکز دهانه آبگیر نسبت به زاویه 30، 45 و 90 درجه، به ترتیب 27، 14 و 12 درصد عملکرد بیشتری در کاهش رسوب و 53، 45 و 16درصد افزایش دبی انحرافی به آبگیر داشته است. همچنین با افزایش پارامتر نسبت فاصله آبشکن به عرض آبگیر، نسبت دبی انحرافی به آبگیر برای زاویه های 30، 45، 60 و 90 درجه و  u/uc=10.5 به ترتیب 5، 13، 2 و 23 درصد، u/uc=10.8 به ترتیب 2، 3، 3 و 2 درصد و u/uc=1.11 به ترتیب 17، 24، 2 و 10 درصد افزایش می یابد.