تحقیقات مهندسی سازه های آبیاری و زهکشی
سال:1396 | دوره:18 | شماره:68 |تعداد مقالات:10

مدلسازی خصوصیات جریان در کانال های مرکب یکی از مهمترین مسائل مهندسی هیدرولیک است. از مهمترین پارامترهای جریان در کانال های مرکب نیز می توان به تنش برشی ظاهری اشاره کرد که در اثر اختلاف سرعت جریان در کانال اصلی و سیلاب دشت ها در محل اتصال کانال اصلی به سیلاب دشت ها به وجود می آید. تنش برشی ظاهری باعث ایجاد آشفتگی و گردابه های سه بعدی در مرز کانال اصلی و سیلاب دشت ها می شود. اختلاف بین زبری کانال اصلی و سیلاب دشت ها نیز یکی دیگر از عوامل تشدیدکننده تنش برشی ظاهری در مرز بین زیر مقاطع کانال مرکب است. در این تحقیق، خصوصیات جریان در کانال مرکب منشوری با زبری ناهمگن با استفاده از مدلسازی فیزیکی و عددی بررسی شده است. مدلسازی فیزیکی در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه تهران و مدلسازی عددی آن با استفاده از نرم افزار دینامیک سیالاتی محاسباتی Flow3D انجام گرفته است. نتایج هر دو مدلسازی نشان می دهد که افزایش زبری سیلاب دشت ها موجب کاهش سرعت متوسط عمقی و نیز تشدید گرادیان تنش برشی مرزی جریان در محل اتصال مقطع اصلی و سیلاب دشت ها می شود. همچنین، بررسی نتایج مدلسازی عددی نشان می دهد که نرم افزار Flow3D دارای دقت مناسب برای پیش بینی خصوصیات جریان در کانال مرکب با زبری ناهمگن است. ارزیابی عملکرد مدل های آشفتگی موجود در نرم افزار نیز نشان می دهد که مدل آشفتگی RNG، نسبت به سایر مدل های آشفتگی، به دلیل مدلسازی بهتر گردابه ها در محل اتصال کانال اصلی و سیلاب دشت ها در مدلسازی خصوصیات جریان در کانال مرکب دارای عملکرد بهتری است

حدود دو سوم آب رودخانه ها، دریاچه ها و آبخوان های زیرزمینی جهان در بخش کشاورزی به مصرف می رسد. در ایران نیز مانند سایر کشورها، بخش قابل توجهی از منابع آب های سطحی و زیرزمینی در این بخش استفاده می شود. مبنای اساسی برآورد حجم آب مصرفی در بخش کشاورزی تحلیل مولفه های بیلان آب در سطح کشور است. متغیر بودن میزان بارش سالانه منشا مولفه های بیلان آب در چرخه هیدرولوژی و به تبع آن، متغیر بودن حجم آب مصرفی در بخش کشاورزی، مهم ترین دلیلی است که برآورد مجدد مصرف آب در بخش کشاورزی را ضروری می سازد. بنابراین، در این پژوهش حجم آب مصرفی در بخش کشاورزی با رویکرد تفکیک مولفه های بیلان آب در چرخه هیدرولوژی بر مبنای داده های بلندمدت پنجاه ساله و کوتاه مدت هفت ساله بارش در سطح کشور برآورد و تحلیل شده است. میانگین بارش پنجاه ساله و هفت ساله به ترتیب برابر 53±249 و 33±206 میلی متر و میانگین حجم آب مصرفی تعدیل نشده در بخش کشاورزی (بدون احتساب تلفات) برای دو دوره یاد شده به ترتیب برابر 18±67 و 6±83 میلیارد مترمکعب به دست آمده است. میانگین آب مصرفی تعدیل شده (با احتساب تلفات) در این بخش در دوره هفت ساله برابر 6±75 میلیارد مترمکعب معادل حدود 71 درصد آب تجدیدپذیر است. تحلیل ها نشان می دهدکه بر مبنای برازش داده های بلندمدت، حجم آب مصرفی در بخش کشاورزی در مقایسه با حجم آب تجدیدپذیر برابر 50 درصد است. به روز کردن برآورد حجم آب مصرفی در بخش کشاورزی در کشور و تحلیل تغییرات زمانی آن، برجستگی اساسی این پژوهش است. با این همه، استفاده از روش بیلان آب برای برآورد مصرف آب در بخش کشاورزی محدودیت ها و ساده سازی های متعددی دارد و برای اطمینان بخشی به نتایج برآوردها، لازم است آزمایش های میدانی مناسبی صورت گیرد.

بهبود مدیریت بهره برداری کانال اصلی شبکه های آبیاری به منظورتوزیع عادلانه آب کشاورزی در کانال های درجه دو ضروری است. در این تحقیق، به راهکارهای صرفا غیرسازه ای به منظور بهبود وضعیت کنونی بهره برداری کانال اصلی آبیاری پرداخته شده است که با مشکل نوسان های جریان ورودی روبه روست. در این باره و بر اساس قابلیت عملیاتی شدن در بهره برداری کانال اصلی، چهار راهکار به ترتیب با تاکید بر شرایط قابل پیش بینی نوسان های ورودی، شرایط غیر قابل پیش بینی، امکان نوبت بندی تحویل آب به بالادست و پایین دست کانال اصلی و کاهش مدت زمان آبگیری با افزایش ناگهانی دبی ورودی در سراب کانال پیشنهاد شده است. میزان تاثیر هر یک از راهکارهای غیرسازه ای گفته شده در بهره برداری کانال اصلی، با بهره گیری از مدل ریاضی تهیه شده در کانال اصلی شبکه آبیاری رودشت در شبیه ساز هیدرودینامیک ICSS، با استفاده از شاخص های ارزیابی عملکرد بررسی شد. نتایج بررسی ها حاکی از بهبود موثرتر بهره برداری کانال اصلی با استفاده از راهکارهای سوم و چهارم است به طوری که با اجرای آنها، حداکثر خطا در دبی تحویلی، کفایت تحویل و عدالت توزیع بین آب بران پایین دست کانال اصلی و بالادستی ها، به طور متوسط برای تمام آبگیرهای واقع شده در کانال به ترتیب به میزان 25، 18 و 17 درصد بهبود یافته است.

سرریزهای مستغرق در پیچ آبراهه ابزارهایی مهم در اهداف چند منظوره از جمله کنترل فرسایش، احیای آبراهه ها و پروژه های مربوط به بهبود زیستگاه ها هستند. این سازه ها مجموعه ای از موانع با ارتفاع کوتاه هستند که با زاویه بالادست (دافع جریان) برای کنترل و تغییر جهت جریان و سرعت در طول تمام قوس رودخانه یا آبراهه طراحی می شوند. هدف این تحقیق ارزیابی الگوی فرسایش و رسوبگذاری در یک قوس 90 درجه (با شعاع انحنای نسبی 3.3) با حضور سرریزهای مستغرق و بدون وجود سرریزهاست. برای رسیدن به هدف مطالعه، مجموعه ای از سرریزها (7 سرریز) با ارتفاع 30، 50 و 70 درصد عمق جریان ورودی در قسمت ساحل خارجی قوس احداث و در شرایط مختلف هیدرولیکی بررسی شد. زاویه سرریزها 60 درجه و طول سرریزها 30 درصد عرض کانال در نظر گرفته شد، این شرایط در تمامی آزمایش ها ثابت نگه داشته شد. نتایج تحقیق نشان می دهد که در نتیجه احداث سرریزهای مستغرق، خط القعر به اندازه طول موثر سرریزها از سمت قوس خارجی به سمت مرکز کانال و در امتداد دماغه سرریزها انتقال می یابد. حجم آبشستگی در اثر احداث سرریزهای مستغرق با ارتفاع 50 و 70 درصد عمق آب به ترتیب 53 و 120 درصد بیشتر از حجم آبشستگی در حالت بدون سازه است در حالی که مقدار آن در سرریزهای با ارتفاع 30 درصد عمق آب، برابر با حالت بدون سازه است. همچنین، ماکزیمم عمق نسبی آبشستگی در دماغه سرریزهای با ارتفاع 50 و 70 درصد عمق آب در حدود 2 برابر سرریزهای با ارتفاع 30 درصد است.

ارزیابی خصوصیات تحکیمی خاک های رس دار با توجه به این موضوع که نشست خاک در برخی مواقع می تواند خسارت هایی جبران ناپذیری به بار آورد، یکی از گام های مهم در طراحی و ساخت پروژه های عمرانی و به ویژه دراحداث سازه های آبی و... است. رفتار تحکیمی خاک ها معمولا با استفاده از آزمایش ادئومتر در قالب تحکیم یک بعدی سنجیده می شود. اما در مورد خاک های درشت دانه شنی رس دار به علت اندازه کوچک قالب باید دانه بندی اصلاح شود که منجر به تغییرات در نوع دانه بندی خاک می شود. دستگاه تحکیم هیدرولیکی با رفع این محدودیت، امکان کنترل مسیرهای زهکشی و ثبت فشار منفذی نمونه خاک را نیز در حین عمل تحکیم فراهم می کند. هدف اصلی از تحقیق حاضر بررسی تغییرات در رفتار تحکیمی خاک های شنی رس دار در اثر اصلاح دانه بندی است. در این خصوص، دانه بندی خاک های شنی رس دار به روش های جایگزینی و حذفی اصلاح و رفتار تحکیمی نمونه های اصلاح شده با استفاده از آزمایش ادئومتر سنجیده شد. علاوه بر این، نمونه های اصلی نیز با دستگاه تحکیم هیدرولیکی آزمایش شدند. نتایج بررسی ها نشان می دهد که با اصلاح دانه بندی در نمونه ها، ضریب فشردگی 1.5 تا 2.5 برابر افزایش و ضریب تحکیم 30 تا 80 درصد کاهش می یابد. تغییرات این مقادیر در خاک های اصلاح شده به روش حذفی شدیدتر است تا به روش جایگزینی و بنابراین اصلاح دانه بندی به روش جایگزینی در بررسی رفتار تحکیمی خاک های شنی رس دار مناسب تر است و مقادیر نزدیک تری به خاک اصلی دارد.

در این مقاله به بررسی آزمایشگاهی تخلیه زهاب چگال تحت جت سطحی منفرد و متلاطم در جریان های پایدار پرداخته شده است. تاثیر پارامترهای هیدرولیکی شامل دبی تزریق و غلظت جت چگال و پارامترهای هندسی شامل قطر و زاویه همگرایی نازل تخلیه کننده جریان بر پیشروی محدوده جریان جت بررسی شد. جت هیدرولیکی سطحی به قطرهای 5، 8 و 15 میلی متر تحت زاویه های همگرایی مختلف نازل، در آزمایشگاه هیدرولیک آزمایش شد. خصوصیات مهم منحنی های پایین افتادگی جریان جت که شامل حد انتهای پیشروی افقی جریان جت نسبت به محل خروج یا موقعیت نقطه شیرجه (Xp)، حداکثر طول مرز بالایی (Xmax) و حداکثر طول مرز پایینی (Xmin) است، بررسی گردید. نتایج بررسی ها نشان می دهد که توسعه محدوده پیشروی جریان جت سطحی چگال در اعداد فرود فوق بحرانی صورت می پذیرد. همچنین، تحلیل داده ها نشان می دهد که به طور میانگین با افزایش زاویه همگرایی نازل جت، از 15 به 90 درجه، Xp به اندازه 41 درصد، Xmax به اندازه 40 درصد و Xmin در حدود 45 درصد افزایش می یابد. نتایج به دست آمده از این تحقیق با استفاده از تحلیل آماری نشان می دهد که بین خصوصیات منحنی پایین افتادگی با عوامل توسعه جریان جت رابطه غیرخطی با دقت قابل قبولی برقرار است.

در این مطالعه، عملکرد روش های بهینه سازی تکاملی برای طراحی مقطع سدهای خاکی ناهمگن بررسی شده است. این روش ها عبارت اند از: الگوریتم دسته ماهی های مصنوعی (AFSA)، الگوریتم تکامل ترکیبی مجموعه (SCE) و الگوریتم نورد شبیه سازی شده (SA). این مساله به صورت یک تابع بهینه سازی غیرخطی با اعمال قیود متفاوتی نظیر محدودیت های پایداری شیب و ابعاد هندسی فرمول بندی شد. متغیرهای طراحی در فرآیند بهینه سازی، پارامترهای هندسی مقطع سد خاکی هستند و قیود ضرایب اطمینان پایداری از نتایج تحلیل هایی مانند تحلیل تراوش و پایداری شیروانی ها برای مجموعه ای از طرح های نمونه و به کمک مدل های رگرسیونی خطی به صورت توابعی صریح بر حسب متغیرهای طراحی تعیین گردید. کارایی روش های بهینه سازی در تعیین نقطه بهینه سراسری، بر حسب میانگین عملکرد و متوسط زمان لازم برای محاسبات با یکدیگر مقایسه شد. پس از بهینه سازی ابعاد سد برزک با استفاده از روش های SCE، AFSA و SA، حجم سد به میزان 38، 37 و 30 درصد نسبت به طرح اولیه کاهش یافته است. بر اساس نتایج به دست آمده، در دستیابی به ابعاد بهینه مقطع سد خاکی روش SCE نسبت به روش های SA و AFSA کارایی بهتری دارد.

اداره فدرال بزرگراه های آمریکا در بررسی آمار شکست پل ها به این نتیجه رسیده است که دلیل اصلی شکست آنها آبشستگی موضعی اطراف تکیه گاه های جانبی، در مقایسه با آبشستگی پایه های پل، است.. روش هایی مختلف برای کاهش آبشستگی موضعیدر اطراف پایه هاوتکیه گاه هایجانبیپلپیشنهاد شده که یکی از آنها استفاده از پره های مستغرق است. در پژوهش حاضر به بررسی عملکرد استقرار پره های مستغرق در کاهش آبشستگی موضعی تکیه گاه پل با دماغه گرد به صورت آزمایشگاهی پرداخته شده است. آزمایش ها در یک فلوم با مقطع مرکب و با استفاده از رسوبات غیرچسبنده با قطر متوسط 1 میلی متر و در دو مرحله اجرا شدند: بدون حضور پره های مستغرق و با حضور پره های مستغرق. پره ها با طول 10 و ارتفاع 3.33 سانتی متر (L/H=3)، در پنج نوع آرایش دو ردیفه و با زاویه 20 درجه نسبت به جریان در جلو تکیه گاه پل مستقر شدند. نتایج این پژوهش نشان می دهد که عملکرد پره های مستغرق در کاهش آبشستگی اطراف تکیه گاه قابل توجه و موجب حرکت حفره آبشستگی و دور کردن آن از دماغه تکیه گاه به سمت مرکز کانال شده است. همچنین، استفاده از پره های مستغرق با پنج نوع آرایش مختلف نشان می دهد که به طور متوسط این سازه می تواند 60.1 درصد عمق آبشستگی را در اطراف تکیه گاه پل کاهش دهد. نتایج به دست آمده همچنین نشان می دهد که بهترین عملکرد را آرایش دو ردیفه موازی دارد که در آن پره های ردیف اول با فاصله 5 سانتی متر و ردیف دوم با فاصله 15 سانتی متر از تکیه گاه قرار می گیرند و موجب کاهش 71.74 درصد از حداکثر عمق آبشستگی شده اند.

سازه های کنترل تراز بستر را برای جلوگیری از افت بستر رودخانه و حفظ پایداری سواحل و جلوگیری از به خطر افتادن سازه های احداث شده در آن می سازند. یکی از موضوعات مهم در طراحی و ایمن سازی این سازه ها، پیش بینی عمق آبشستگی در پایین دست آنها و روش های کاهش آن است. در این تحقیق تاثیر پارامتر های هیدرولیکی بر مشخصات آبشستگی در پایین دست سازه های کنترل تراز بستر با پلان کنگره ای در آزمایشگاه بررسی شد. سرریز های مورد مطالعه دارای هندسه های مختلف مستطیلی و ذوزنقه ای بودند. آزمایش ها برای شرایط مختلف دبی و عمق پایاب اجرا شد. مقایسه نتایج به دست آمده نشان می دهد که با کاهش طول سیکل در جهت جریان سرریز های کنگره ای- ذوزنقه ای، عملکرد آنها در کاهش عمق آبشستگی بیشتر می شود به گونه ای که کاهش عمق آبشستگی به طور متوسط تا 19 درصد می رسد. در سرریز های کنگره ای- مستطیلی، هرچه سیکل های ورودی عریض تر باشد، عملکرد سرریز بهتر خواهد بود. کاهش عمق آبشستگی، در مقایسه با سازه کنترل تراز بستر خطی، به طور متوسط تا 10 درصد می رسد. در این تحقیق همچنین رابطه جدیدی برای تخمین حداکثر عمق آبشستگی برای سازه کنترل تراز بستر کنگره ای ارائه شده است. نتایج آزمایش ها نشان می دهد که رابطه ارائه شده نتایج مناسبی برای داده های نمونه اصلی دارد و دقت آن نیز مناسب است.

تغییرات نیاز آبی در دوره رشد گیاه، اختلاف ارتفاع در نقاط آبگیری، تطابق نداشتن ساعات آبیاری، تغییر الگوی کشت و عوامل محیطی دیگر باعث می شود تا عملکرد ایستگاه های پمپاژ متاثر از عوامل دینامیکی متعدد باشد. از این رو، کارکرد ایستگاه های پمپاژ عموما دینامیکی است یعنی وابسته به زمان است. در این تحقیق، با توجه به قابلیت های سامانه های پمپاژ دور متغیر در تطبیق با شرایط مختلف بهره برداری، رویکرد به استفاده از پمپ های دور متغیر در یک کشت و صنعت 85 هکتاری زیتون واقع در استان قزوین بررسی شد. در این راستا، مدل دینامیکی سامانه مورد مطالعه با استفاده از نرم افزار MATLAB/SIMULINK ارائه شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی 5 سناریوی بهره برداری حاکی از کاهش مصرف انرژی به میزان 18 درصد در حالت کنترل دور متغیر، نسبت به حالت دور ثابت است. آزمون تحلیل حساسیت مدل نشان می دهد که مهم ترین عامل اثرگذار بر مصرف انرژی در سامانه آبیاری مورد مطالعه، میزان فشار خروجی در محل ایستگاه پمپاژ است.