تحقیقات مهندسی سازه های آبیاری و زهکشی
سال:1397 | دوره:19 | شماره:73 |تعداد مقالات:10

در این پژوهش از یک راه حل غیر سازه ای و دوستدار محیط زیست برای کاهش عمق آبشستگی پایین دست صفحات مشبک استفاده شده است. بالادست صفحات مشبک که حوضچه آرامش نامیده می شود، به طور کلی در برابر فرسایش محافظت می شود ولی پایین دست صفحات همواره در معرض آبشستگی جریان قرار دارد. از آنجا که رس و ماده ی نانوساختار رس از نظر زیست محیطی قابلیت سازگاری مناسبی با سیستم رودخانه و اکولوژی آن دارد، رسوب بستر پایین دست صفحات مشبک با رس و ماده ی نانوساختار رس مخلوط و پس از تزریق، تأثیر آن در کاهش آبشستگی سه نوع جریان مختلف ارزیابی شد. نتایج آزمایش ها از تأثیر مثبت رس و ترکیب آن با نانو رس در کاهش عمق آبشستگی پایین دست صفحات مشبک حکایت دارد. بهترین عملکرد به هنگام ترکیب رس و نانو رس مونت موریلونیتی اتفاق افتاده است که با به کارگیری آن، طول آبشستگی 33 درصد کاهش یافته است. همچنین، با افزودن رس و ترکیب رس-نانو مونت موریلونیت، کاهش میانگین به ترتیب 39 و 46 درصد در عمق آبشستگی نیز دیده شده است. با توجه به نتایج به دست آمده از این تحقیق می توان گفت که استفاده از ترکیب رس و نانو رس مونت موریلونیتی تأثیری مثبت در کنترل آبشستگی دارد و در مواردی می تواند بسیار مفید باشد که از دیدگاه عملی، از جمله در رودخانه ها، نتوان با مصالحی نظیر بتن از بستر آنها محافظت کرد.

بخش عمده ی تحقیقات پیشین مرتبط با دریچه های قطاعی، بر ارائه روش هایی برای تخمین دبی عبوری از این سازه ها متمرکز است و تعیین بازشدگی دریچه ها به عنوان سازه های تنظیم به منظور عبور دبی خاص، کمتر مورد توجه قرار گرفته است. مطالعه ی حاضر، معادلاتی نظری برای تعیین صریح دبی عبوری از دریچه های قطاعی (مسئله نوع اول) و نیز بازشدگی دریچه (مسئله نوع دوم) با مشخص بودن سایر پارامترها در هر مسئله و به تفکیک شرایط جریان آزاد و مستغرق بر پایه ی ترکیب معادلات انرژی و مومنتم ارائه می کند. در هر مسئله، معیارهایی برای تشخیص شرایط جریان معرفی شده است. به منظور واسنجی و صحت سنجی معادلات نظری پیشنهادی، از 2657 سری داده آزمایشگاهی روی سه نوع مختلف دریچه ی قطاعی استفاده شد. نتایج تحقیقات نشان می دهد که میانگین قدر مطلق خطای نسبی در تعیین دبی و بازشدگی دریچه-های قطاعی از روش پیشنهادی به ترتیب 94/1 و 67/2 درصد است. همچنین، رویکرد پیشنهادی در تشخیص شرایط جریان، به طور متوسط در 6/99 و 8/98 درصد از موارد به ترتیب در تعیین دبی و بازشدگی، صحیح عمل شده است. نتایج بررسی ها همچنین نشان می دهد که با افزایش زاویه ی انحراف دریچه ی قطاعی و نیز افزایش نسبت محور به شعاع دریچه تمایل به استغراق، افزایش می یابد. همچنین دریچه لاستیکی سخت نیز نسبت به دو نوع دیگر در محدوده بیشتری به صورت آزاد عمل می کند.

وجود هرگونه تغییر هندسی مانند تبدیل در مسیر کانال های با جریان فوق بحرانی، موجب تغییر ناگهانی عمق و سرعت جریان و تشکیل امواج ضربه ای می شود. در این تحقیق، ارتفاع و سرعت امواج ضربه ای در تبدیل های همگرای کانال روباز با مقاطع ذوزنقه ای و مستطیلی با به کارگیری مدل های آزمایشگاهی بررسی شد. زاویه ی شیب جانبی دیواره ها 45، 60، 70 و 90 درجه و نسبت همگرایی 1 به 2، 1 به 3 و 1 به 4 به عنوان متغیرهای هندسی و همچنین چهار عدد فرود مختلف در محدوده 23/9-25/3 به عنوان متغیر هیدرولیکی آزمایش ها در نظر گرفته شد. تحلیل پروفیل های سرعت و سطح آزاد امواج ضربه ای نشان می دهد که در حالت کلی، افزایش زاویه ی شیب جانبی دیواره ی تبدیل، کاهش نسبت همگرایی و افزایش عدد فرود جریان رابطه ای مستقیم دارد با افزایش ارتفاع و سرعت امواج. نتایج تحقیق همچنین نشان می دهد که بیشینه ی ارتفاع امواج ضربه ای در تبدیل های همگرا با مقاطع ذوزنقه ای، به ازای نسبت همگرایی 1 به 2 و زاویه های شیب جانبی 45، 60 و 70 درجه، در مقایسه با مقطع مستطیلی، به طور میانگین به ترتیب به میزان 34/59، 27/44 و 04/24 درصد کاهش می یابد. همچنین، بیشینه ی سرعت امواج ضربه ای به ازای شرایط مذکور به ترتیب به میزان 51/37، 23/25 و 67/14 درصد کاهش می یابد. نظر به اینکه کانال های اجرایی عمدتاً با مقطع ذوزنقه ای ساخته می شوند، یافته های پژوهش حاضر برای مهندسان طراح می تواند بسیار سودمند باشد.

کنترل نشت از پی سد خاکی و محاسبة جریان نشت از پی به منظور کنترل پایداری و رفتارنگاری سد خاکی اهمیت بالایی دارد. سددرودزنازنوعخاکیسنگریزه ایرویرودخانةکردر شمالغربشیراز قرار دارد. در این تحقیق با استفاده از نتایج رفتارنگاری و دبی نشت، مدل عددی سد درودزن در Seep/w واسنجی و صحت سنجی انجام شد. تحت گزینه های مختلف کنترل نشت از پی (شامل روش های استفاده از پتوی رسی و پردة آب بند) با تغییر پارامترهای مختلف (فاصله و ارتفاع پرده آب بند و طول پتوی رسی) و پارامترهای ژئوتکنیکی، هیدرولیکی و هندسی (مانند نفوذپذیری پی، ارتفاع لایة نفوذپذیر و رقوم آب مخزن) تغییرات دبی نشت از پی مدل بررسی شد. نتایج بررسی ها نشان می دهد که کاهش بار آبی مخزن، افزایش طول پتوی رسی و استفاده از دیوار آب بند در میانه و ابتدای سد سبب کاهش دبی نشت از پی خواهد شد. همچنین، استفادة هم زمان از دیوار آب بند (به خصوص در میانه و ابتدای پی سد) و پتوی رسی تأثیر بیشتری در کاهش دبی نشت از پی دارد. با استفاده از نرم افزار SPSS رابطة رگرسیونی بر اساس مؤثرترین اعداد بی بعد ارائه گردید. مقایسة مقادیر تخمینی دبی نشت از پی با روابط قبلی نشان می دهد که دقت تخمین این رابطه بسیار بیشتر از دقت تخمین سایر روش هاست.

ایستگاه های پمپاژ آب کشاورزی به دلیل کاربردشان در اغلب شبکه های آبیاری و زهکشی، عضوی مهم در انتقال و توزیع آب و افزایش بهره وری آب و انرژی در کشاورزی به شمار می روند. بروز هرگونه مشکل برای این تأسیسات، مشکلات بهره برداری و تلفات منابع را در کل شبکه به دنبال خواهد داشت. در این تحقیق، تأمین نشدن رقوم مناسب در قسمت مکش پمپاژ یکی از مهمترین مشکلات بهره برداری ایستگاه های پمپاژ شناسایی شده است که از پیامدهای آن می توان به از کارافتادگی پمپ ها، کاهش ظرفیت پمپاژ، زیان های اقتصادی و نارضایتی بهره برداران اشاره کرد. کاهش رقوم آب در قسمت مکش به دلایل مختلف روی می دهد مانند: بی توجهی به شرایط هیدرولیکی، نامناسب بودن موقعیت ایستگاه، یا تغییر در شرایط طبیعی رودخانه. به هنگام بهره برداری، برخی از این مشکلات به کمک روش های هیدرولیکی مناسب و منطبق با شرایط منطقه قابل اصلاح و باز طراحی هستند. در این تحقیق، به طور موردی برای ایستگاه پمپاژ ویس، پس از شبیه سازی هیدرولیکی آبگیری از رودخانه به کمک مدل هیدرودینامیک سوبک، روش های علاج بخشی مناسب با تغییر در توپوگرافی رودخانه پیشنهاد و با روش اصلاحی در محل مقایسه شده است. تأثیر پارامترهای هیدرولیکی مؤثر در زمان طراحی، مانند شیب کانال آبگیر، فاصله ی ایستگاه پمپاژ از دهانه ی آبگیر، تغییرات منحنی سطح آب در زمان مکش پمپ و تغییرات رژیم دبی رودخانه بر میزان افزایش رقوم سطح آب در کانال آبرسان به ایستگاه پمپاژ نیز بررسی شده است. بدین ترتیب، مشکل فرآیند آبگیری ایستگاه پمپاژ ویس در زمان طراحی و بهره برداری ارزیابی و معیارهای مناسب برای روش اصلاحی مورد نظر ارائه شده است.

سرریزهای کنگره ای به عنوان گزینه مناسب برای رفع مشکل سرریزها در مقابل حداکثر دبی عبوری مطرح می باشند. در این پژوهش 5 مدل سرریز کنگره ای مستطیلی با 4 شیب مختلف در 2 وجه بالا دست و پایین-دست، به صورت آزمایشگاهی بررسی شد. زاویه شیب سرریز ها از حالت سرریز کنگره ای مستطیلی بدون شیب به زاویه های 15، 30 و 45 درجه نسبت به رأس تاج سرریز تغییر یافت. نتایج پژوهش حاضر حاکی از آن است که در سرریز کنگره ای مستطیلی با شیب وجه های بالا دست و پایین دست با افزایش پارامتر بدون بعد Ht/P، از میزان ضریب دبی سرریز کاسته می شود. همچنین نتایج نشان داد با ایجاد شیب تاج سرریز کنگره ای مستطیلی در وجه بالا دست، ضریب دبی سرریز نسبت به حالت بدون شیب کاهش می یابد. در وجه پایین دست سرریز کنگره ای مستطیلی متناسب با میزان شیب نسبت به تاج سرریز، ضریب دبی افزایش می یابد. علاوه بر آن مشخص شد که در محدوده آزمایش، در مدل سرریز کنگره ای مستطیلی با وجه های بالا دست و پایین دست شیب دار، افزایش طول مؤثر سرریز باعث کاهش ضریب دبی می شود. همچنین افزایش ارتفاع سرریز کنگره ای مستطیلی با وجه های بالا دست و پایین دست شیب دار، ضریب دبی سرریز را افزایش می دهد. در نهایت معادله ضریب دبی بر اساس پارامترهای بدون بعد مؤثر در این پژوهش ارایه شد.

حوضچه ی آرامش از جمله سازه های مستهلک کننده انرژی است که در پایین دست سرریزها، دریچه ها و تنداب ها کاربرد فراوانی دارد. استهلاکانرژیدرپرش هیدرولیکی در نتیجه گرداب های تلاطمی بزرگ مقیاسمی باشد که با نوسانات شدید فشار همراه است و باید در طراحی حوضچه به آن توجه کرد. در این مطالعه، آزمایش ها در یک فلوم با مقطع مستطیلی به عرض 3/0 متر و ارتفاع دیواره ها 4/0 متر و در محدوده ی اعداد فرود بین 3 تا 12 اجرا شده است. تغییرات فشار در بستر فلوم با دستگاه ترانسدیوسر (مبدل) فشار و ارتفاع آب نیز با پیزومترهایی در کف فلوم ثبت شد. نتایج بررسی ها نشان می دهد که شدت نوسانات فشار در پرش هیدرولیکی وابسته به عدد فرود و موقعیت نسبی از پنجه ی پرش است. ماکزیمم ضریب شدت نوسانات فشار در زیر پرش هیدرولیکی از 08/0 تا 28/0 متغیر است که در فاصله ی 17 تا 33 درصد از طول پرش رخ داده است. حداکثر مقدار برابر با 2 و حداکثر قدر مطلق ضریب () برابر با 2/1 است که در محدوده ی رخ داده است. علاوه بر ضرایب بدون بعد نوسانات فشار، توزیع طولی فشار تعیین شده و مقادیر بحرانی در طول پرش به دست آمده است.

جداشدگی جریان و شکل گیری جریان های چرخشیدر آبگیر منجر به آبشستگی و رسوب گذاری در قسمت هایی از کانال اصلی و آبگیر می شود و در نتیجه توپوگرافی بستر تغییر می یابد. در ناحیه ی جداشدگی، جریان به صورت چرخشی با سرعت پایین است که باعث تجمع رسوب در این ناحیه می شود و کاهش راندمان آبگیری را به دنبال خواهد داشت. تعیین شرایط بهینه ی آبگیری یکی از موضوع های مورد توجه محققان بوده است. در این تحقیق، اثر توپوگرافی بستر بر ابعاد جداشدگی جریان در آبگیر 55 درجه با ورودی تیزگوشه و گردگوشه در چهار نسبت دبی انحرافی 2/0، 4/0، 6/0 و 8/0 به صورت آزمایشگاهی بررسی و نتایج آن با نتایج تحقیقات پیشین محققان مقایسه شد. تأثیر زبری و وجود صفحه های مستغرق بر مقدار تنش برشی داخل آبگیر در حالت ورودی تیزگوشه و گردگوشه نیز بررسی گردید. نتایج تحقیقات نشان می دهد در نسبت دبی انحرافی بالا و ورودی گردگوشه، ابعاد جداشدگی تا حدود 97 درصد نسبت به حالت تیزگوشه کاهش می یابد. در حالت تیزگوشه، با افزایش نسبت دبی انحرافی، طول ناحیه ی جداشدگی 20 درصد افزایش و عرض آن حدود 70 درصد کاهش می یابد. علاوه بر این، وجود رسوب باعث کاهش طول و به خصوص عرض جداشدگی جریان می شود. مقدار تنش برشی در حالت ورودی گردگوشه کمتر است تا در حالت ورودی تیزگوشه. در حالت بدون نصب صفحه˓ تنش برشی بیشتر است تا در حالت با نصب صفحه؛ و با نصب صفحه ی مستغرق با آرایش موازی و زیگزاگی و زاویه های 10 و 30 درجه، تنش برشی در نقاط عرضی یکنواخت می شود که نشان می دهد صفحات به کاهش جریان های چرخشی و کاهش تغییرات سرعت کمک کرده اند.

کانال های U شکل به همراه سرریز های جانبی به عنوان مقطع مبدل کانال های مستطیلی به دایره ای دریچه های آدم رو (Manhole) در شبکه های دفع فاضلاب شهری مورد استفاده مهندسان علم هیدرولیک قرار می گیرند. در تحقیق حاضر، آشفتگی میدان جریان و تغییرات سطح آزاد واقع در کانال های U شکل دارای سرریز جانبی با استفاده از مدل آشفتگی RNG k-ε و طرح VOF شبیه سازی شده است. مقایسه ی بین نتایج عددی و آزمایشگاهی نشان می دهد که مدل عددی تغییرات سطح آزاد جریان، ضریب دبی، انرژی مخصوص و مقادیر مختلف دبی گذرنده از روی سرریز جانبی با طول های مختلف را با دقت مناسبی شبیه سازی می کند. اثر تغییر طول سرریز جانبی بر سطح آزاد و الگوی جریان واقع در کانال های U شکل نیز بررسی شده است. در بالادست سرریز جانبی تغییرات سطح آزاد جریان برای سرریز کوتاه تر ناچیز و اثر آن قابل چشم پوشی است. برای سرریزهای جانبی با طول مختلف، مقدار سرعت عرضی از ابتدای سرریز تا وسط دهانه ی سرریز در حال افزایش است و با پیشروی به سوی انتهای پایین دست سرریز جانبی این سرعت با کاهش روبه رو م ی شود. با افزایش طول سرریز جانبی، مقدار حداقل زاویه ی ریزشی جت جریان کاهش می یابد. برای کانال های دارای سرریز جانبی با طول متفاوت، جریان ثانویه ی بعد از سرریز جانبی به وجود می آید که سلول جریان ثانویه مذکور با پیشروی به سمت پایین-دست کانال اصلی توسعه می یابد. اختلاف انرژی مخصوص در بالادست و پایین دست سرریز جانبی برای سرریزهای جانبی کوتاه و بلند به ترتیب 18/1 و 94/2 درصد محاسبه شده است.

با وجود اهمیت تعیین و تدقیق شاخص ها و فراسنج های مدیریت مصرف آب در بخش کشاورزی برای استفاده در برنامه-ریزی های کلان کشوری، تاکنون شاخص های مدیریت مصرف آب (حجم آب مصرفی، بهره وری آب و راندمان کاربرد آب در مزارع) در پایاب شبکه های آبیاری مدرن و سنتی در تولید محصولات زراعی و باغی کمتر مقایسه شده است. هدف از این پژوهش، مقایسه ی شاخص های مدیریت مصرف آب در پایاب شبکه های آبیاری مدرن و سنتی در تولید ذرت علوفه ای در برخی نقاط کشور است. داده های پژوهش با اندازه گیری های گسترده و مستقیم از مزارع استان های البرز، تهران، فارس، خوزستان، خراسان رضوی، اردبیل، اصفهان و قزوین که حدود 70 درصد از سطح زیرکشت ذرت علوفه ای در کشور را پوشش می دهند در بیش از 100 مزرعه در پایاب شبکه های آبیاری مدرن و سنتی به دست آمده است. نتایج تحقیق نشان می دهد تفاوت شاخص های حجم آب مصرفی و بهره وری آب در تولید محصول در پایاب شبکه های مدرن و سنتی معنی دار ولی تفاوت عملکرد در دو شبکه معنی دار نشده است. در پایاب شبکه های مدرن و سنتی، میانگین عملکرد ذرت علوفه ای به-ترتیب 50/54 و 54/32 تن بر هکتار، میانگین حجم آب مصرفی به ترتیب 6983 و 9085 مترمکعب بر هکتار، میانگین بهره وری آب به ترتیب 7/46 و 6/26 کیلوگرم به ازای هر مترمکعب آب و میانگین راندمان کاربرد آب به ترتیب 73 و 68 درصد به دست آمده است. یافته های این پژوهش نشان می دهد که توسعه ی شبکه های مدرن می تواند در ارتقای بهره وری آب، در عملیاتی کردن برنامه های پنج ساله ی توسعه ای کشور و برنامه ی اقتصاد مقاومتی مفید باشد.