مقاومت در برابر جریان یک پارامتر مهم و اولیه در تعیین تراز سطح آب می باشد. انواع شکل بستر مخصوصا تلماسه اثر محسوسی بر روی زبری کانال دارند. به خاطر پیچیدگی ایجاد شکل بستر، روشهای گذشته در تخمین شکل بستر تلماسه تفاوت زیادی با یکدیگر دارند. در این مقاله آزمایشهای طراحی شد تا هندسه تلماسه در کانالهای ماسه ای و اثر آن بر روی مقاومت کل بررسی شود. این آزمایشها با استفاده از ذرات ماسه در یک فلوم در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه شیراز انجام شد. با استفاده از اندازه گیری رابطه ای ساده برای ابعاد تلماسه بدست آمد و روشهای گذشته با داده های جدید مقایسه شدند.

فاکتور اصطکاک نقش بنیادی و مؤثری در محاسبات هیدرولیکی ایفا می کند. در رودخانه های درشت دانه، فاکتور اصطکاک وابسته به اندازه ذرات و شکل بستر است. وجود دامنه وسیعی از اندازه های ذرات در این رودخانه ها و توسعه لایه سپر اثرات قابل توجهی بر فاکتور اصطکاک دارد. بدین منظور در این مطالعه به تعیین فاکتور اصطکاک شکل بستر در حضور لایه سپر پرداخته شد و معادله اصطکاکی مبتنی بر برآورد فاکتور اصطکاک ذره از اصطکاک کل بدست آمد. تحلیل معادله استخراج شده نشان داد که فاکتور اصطکاک مستقل از توزیع اندازه ذرات تشکیل دهنده بستر و حداکثر اندازه آن ها است و پارامتر اصلی کنترل کننده آن شیب خط انرژی می باشد. نتایج، حاصل از ارتباط فاکتور اصطکاک با آستانه حرکت و بازآرایی ذرات درشت دانه در پوشش سپر می باشد. از روش کلگان به منظور صحتسنجی معادله حاصل استفاده شد که نتایج حاکی از توافق 80 درصدی میان دو روش بود. همچنین، تعلق بخش اعظمی از فاکتور اصطکاک کل به فاکتور اصطکاک شکل بستر 40 درصد) نمایانگر تأثیر بالای شکل بستر بر مقاومت جریان است. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که تشکیل و ) توسعه لایه سپر با افزایش ضریب زبری سبب افزایش فاکتور اصطکاک و کاهش سرعت متوسط جریان شده و با کاهش پارامتر شیلدز بحرانی، افزایش پایداری بستر را به دنبال داشت. مشاهدات میدانی به منظور آزمون روش ها استفاده شده است.

سابقه و هدف: در پایین دست سازه های کنترل شیب در مهندسی آبخیزداری نیاز به ایجاد پرش هیدرولیکی برای استهلاک انرژی اضافی برای جلوگیری از تخریب سازه ضروری است. حوضچه های آرامش از نوع پرش هیدرولیکی با بستر زبر جهت افزایش میزان افت انرژی و کاهش طول پرش هیدرولیکی می تواند به صرفه اقتصادی در امور آبخیزداری منجر گردد. در تحقیق حاضر یک نوع جدیدی از زبری، که مشابه ظاهر فرم بستر ریپل در رودخانه های آبرفتی می باشد، جهت کاهش طول پرش هیدرولیکی و افزایش افت انرژی مورد استفاده قرار گرفت. مواد و روشها: آزمایش های این تحقیق در فلوم مستطیلی به عرض، ارتفاع و طول به ترتیب 3/0، 4/0 و 12 متر انجام شد. پنج آرایش مختلف از فرم بستر به همراه فرم بستر شاهد در پنج عدد فرود مختلف از 3. 5 تا 5. 5 انجام شد. یک سرریز از نوع Ogee به ارتفاع 32 سانتی متر در فاصله 3 متری پایین دست ورودی فلوم جهت ایجاد پرش هیدرولیکی نصب شد و حداقل عمق جریان بر روی تاج سرریز بیش از 3 سانتی متر تنظیم شد تا از اثر کشش سطحی جلوگیری شود. در طول آزمایش، پروفیل های سطح آب در محل پرش هیدرولیکی توسط یک عمق سنج با دقت 1±,میلی متر اندازه گیری شد. طی آزمایش، عکس های دیجیتالی نیز گرفته شد و داده های مورد نیاز با دیجیتایز کردن این عکس ها استخراج شد. میانگین عمق جریان اندازه گیری شده و استخراج شده از عکس ها در تجزیه و تحلیل برای کاهش خطا استفاده شد. طول غلطابی، طول پرش و نیمرخ سطح آب در هر آزمایش اندازه گیری شد و سه بار تکرار شد. این طول ها نیز از عکس ها استخراج شده و از مقادیر میانگین در آنالیز استفاده شده است. نتایج و بحث: نتایج بررسی تغییر نسبت اعماق مزدوج نشان داد که با تغییر چیدمان فرم بستر از تیپ 1 الی تیپ 4 تحقیق حاضر، نسبت اعماق مزدوج پرش هیدرولیکی کاهش می یابد. این تغییر به گونه ای است که در فرم بستر نوع 4 در مقایسه با فرم بستر شاهد حداکثر به میزان 2/10 درصد کاهش مشاهده شد. بررسی تغییر افت انرژی نسبی نیز نشان داد با تغییر چیدمان فرم بستر مشابه روند فوق، افت انرژی نسبی افزایش می یابد و در فرم بستر نوع 4 نیز در مقایسه با فرم بستر شاهد حداکثر به میزان 23 درصد افزایش افت انرژی مشاهده شد. در بررسی طول نسبی پرش هیدرولیکی و همچنین طول نسبی غلطابی مشاهده شد با تغییر فرم بستر از نوع 1 الی نوع 4 تحقیق حاضر، طول نسبی پرش هیدرولیکی و طول نسبی غلطابی کاهش یافتند و در فرم بستر نوع 4 به ترتیب حداکثر به میزان 32 و 34 درصد، در مقایسه با بستر صاف، کاهش یافتند.

ناحیه ی هایپریک به ناحیه ی اشباع بلافاصله زیر بستر رودخانه گفته می شود که کارکرد بسیار مهمی در اکولوژی جانداران دارد. در این ناحیه، قسمتی از جریان آب سطحی اکسیژن و مواد مغذی را به جانداران می رساند و پس از طی زمان معینی دوباره به آب سطحی باز می گردد. تبادلات هایپریک بین جریان سطحی و جریان در محیط متخلخل رودخانه می تواند بر اثر وجود شکل های مختلف بستر رودخانه ایجاد شود. خیزاب ها و چالاب ها ویژگی های توپوگرافیکی هستند که در رودخانه های مستقیم، مارپیچی و شاخه ای یافت می شوند. تغییرات فشار روی سطح این فرم بستر به ایجاد تبادل های هایپریک منجر می شود. تخمین دقیق میزان این تبادلات و زمان ماند جریان می تواند در پروژه های احیای رودخانه ها بسیار مفید باشد. بنابراین، در تحقیق حاضر ضمن بررسی آزمایشگاهی تأثیر فرم بستر خیزاب-چالاب بر تبادلات هایپریک، با به کارگیری روش شبیه سازی گردابه های بزرگ، تغییرات فشار روی بستر شبیه سازی عددی شده و سپس مدل آب زیرزمینی و روش ردیابی ذرات برای شبیه سازی جریان در ناحیه ی هایپریک به کار گرفته شد. نتایج نشان داد حل کننده ی اینترفوم با مدل شبیه سازی به روش گردابه های بزرگ به خوبی قادر است شرایط آزمایشگاهی را مدل سازی کند. به طوری که پروفیل سطح آب را برای کل آزمایش های تحقیق حاضر، با درصد خطای متوسط (MPE) 8/1 درصد برآورد می کند که با توجه به میزان اندک خطا در تخمین پروفیل سطح آب، می تواند تخمین دقیقی از فشار روی سطح فرم بستر و به دنبال آن میزان تبادلات هایپریک ارائه کند. بررسی مشخصات ناحیه ی هایپریک نشان می دهد با افزایش عدد رینولدز، تبادلات هایپریک افزایش یافته و زمان ماندگاری کاهش می یابد. همچنین، نتایج تحقیق حاضر نشان داد نمودارهای زمان ماند از توزیع مقادیر حدی تبعیت می کنند. در تحقیق حاضر، به طور متوسط 20 درصد جریان سطحی در تبادل با جریان زیرسطحی است.

سابقه و هدف: فرم بستر یا به عبارتی ناهمواری های بستر به شکل های مختلف در بستر رودخانه اطلاق می شود که در اثر حرکت جریان به وجود می آید و تأثیر مستقیم و مهمی روی زبری بستر و در نتیجه مقاومت در مقابل جریان و تأثیر روی پروفیل سطح آب را در پی دارد. از آن جا که محاسبات دبی-اشل رودخانه و سرعت جریان کاملاً تحت تأثیر زبری قرار دارد، لذا پیش بینی دقیق شکل بستر از اهمیت زیادی برخوردار است. به دلیل تأثیر پارامترهای مختلف در شکل گیری فرم بستر رودخانه ها، تعیین معادلات حاکم بر آن مشکل بوده و مدل های ریاضی نیز از دقت کافی برخوردار نیستند. امروزه استفاده از سیستم های هوش مصنوعی به عنوان راهکاری جدید در تحلیل مسائل آبی، گسترش یافته است. هدف این پژوهش، معرفی روشی است که با استفاده از آن بتوان فرم بستر رودخانه های ماسه ای را با دقت بالایی پیش بینی نمود. مواد و روش ها: در پژوهش حاضر، برای به دست آوردن نتایج بهتر و کاهش پراکندگی داده ها، داده ها به طور تصادفی به دو بخش آموزش (70 درصد) که شامل 1647 داده ی آزمایشگاهی و آزمون (30 درصد) که شامل 560 داده ی آزمایشگاهی است تقسیم شدند. روش هوشمند درخت تصمیم بر روی داده های بخش آزمون در محیط برنامه نویسی وکا کدنویسی شد و در نهایت با استفاده از الگوریتم های (Random Forest) و (Random Tree) واسنجی بر روی داده ها انجام گردید. سپس روش های تجربی وان راین، انگلند هانسن و سیمونز و ریچاردسون بر روی داده های بخش آزمون اجرا گردید. یافته ها: ارزیابی نتایج به دست آمده با استفاده از معیارهای آماری مجذور میانگین مربعات خطا (RMSE)، نرخ دسته بندی صحیح (CCI) و مساحت زیر منحنی (ROC Area) انجام شده است. نتایج نشان داد که الگوریتم(Random Forest) برای داده های آزمایشگاهی با معیارهای آماری 85%CCI= درصد، 17/0RMSE=، 97/0ROC= دارای بهترین عملکرد است. از سوی دیگر با بررسی نتایج روش های تجربی مشخص شد که برای داده های آزمایشگاهی، روش وان راین با نتایج %64CCI= درصد، 07/1RMSE= دارای عملکرد بهتری می باشد. بین متغیرهای مختلف محیطی دبی، عرض، عمق، شیب، قطر متوسط ذرات رسوبی و دما برای داده های آزمایشگاهی دارای بیشترین اهمیت در پیش بینی فرم های بستر بودند. نتیجه گیری: در این پژوهش برتری مدل های محاسباتی نرم در مدل سازی و پیش بینی فرم بستر مشهود بوده و مدل های اجرا شده در محیط وکا عملکرد بهتری داشتند. اصولاً از آن جا که در شکل گیری فرم بستر رودخانه ها، عوامل متعددی دخالت دارند و همچنین به دلیل ماهیت پیچیده ی آن، پیش بینی این پدیده بسیار دشوار و گاهی کم دقت است. از آن جا که روش های هوش مصنوعی برای تحلیل مسائلی به کار می روند که شناخت و توصیف صریح از ماهیت مسئله وجود ندارد، بنابراین بسیاری از مسائل مربوط به فرم های بستر را می توان با این روش ها حل نمود.

پوشش گیاهی در بستر و حاشیه رودخانه موجب افزایش زبری مسیر و کاهش میانگین سرعت جریان، کاهش انرژی آب و تغییر توزیع سرعت لایه ای و به عبارتی پروفیل سرعت جریان در مقطع عرضی رودخانه می شود. در این پژوهش آزمایشگاهی، تأثیر پوشش گیاهی شاخه ای بر جریان و فرم بستر در آبراهه بررسی شد. شبیه سازی جریان در کانال آزمایشگاهی به طول هفت متر، عرض و ارتفاع 25 سانتی متر با دبی های سه، پنج و هفت لیتر بر ثانیه و شیب های یک، سه و پنج در هزار و پوشش گیاهی مصنوعی از نوع شاخه ای با تراکم های 50، 25 و 12 درصد در شرایط مستغرق مورد آزمایش قرار گرفت. با توجه به داده برداری انجام شده، می توان نتیجه گرفت که اختلاف بین رقوم سطح جریان و بستر جریان و همچنین، دبی جریان، تحت تأثیر انواع تراکم پوشش گیاهی قرار دارد. وجود پوشش باعث ایجاد مقاومت در برابر جریان و افزایش عمق می شود. در تمامی آزمایش ها، با افزایش تراکم پوشش مقدار فرسایش بستر نسبت به شرایط اولیه بیشتر شد، به صورتی که در تراکم 50 درصد بیشترین و در تراکم 12 درصد کمترین تغییر مشاهده شد. در شرایط دبی یکسان با افزایش تراکم، عمق جریان افزایش می یابد. جابه جایی ذرات بستر در منطقه دارای پوشش گیاهی با افزایش تراکم، افزایش می یابد که در تراکم 50 درصد، سطح جریان نسبت به تراکم های 12 و 25 درصد بیشتر و همچنین در این تراکم، بستر جریان نسبت به سطح اولیه دچار فرسایش و تغییر فرم بیشتری شده و ته نشینی و تجمع ذرات در انتهای پوشش در شرایط با تراکم کمتر، بیشتر مشاهده شده است.

صنعتی شدن جوامع بشری یکی از عوامل افزایش ورود آلاینده ها به آبهای سطحی میباشد. مدل نگهداشت موقت (TSM) با در نظر گرفتن مساحت ناحیه نگهداشت (As) و همچنین ضریب تبادل ناحیه نگهداشت (α ) یکی از مناسبترین روش های تحلیل انتقال و پراکنش آلودگی در رودخانه های دارای نواحی هایپریک میباشد. در پژوهش حاضر، تاثیر ضخامت بستر رسوبی (db) و همچنین وجود شکل بستر تلماسه با طولهای موج بستر (λ ) و دامنه های بستر (∆ ) متفاوت بر جابجایی آلودگی در بسترهای شنی مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشهای ماده ردیاب (NaCl) در یک کانال آزمایشگاهی با طول 12 متر، عرض 5/0 متر و ارتفاع دیواره 7/0متر در محدوده سرعت متوسط جریان (U) 078/0 تا 361/0 و در محدوده عدد فرود جریان (Fr) 069/0 تا 290/0 انجام شدند. نتایج مدل عددی نشان داد که افزایش پارامتر بی بعد نسبت ضخامت بستر رسوبی به عمق جریان (d_b/d) باعث کاهش ضریب پراکنش طولی (Dx)، کاهش (As) و کاهش (α ) میشود. نتایج این تحقیق نشان داد با افزایش تقریبا 16 تا 32 برابری پارامتر بی بعد (∆ /d)، ضریب α حدودا 65 تا 95 درصد افزایش یافته که مقدار این تغییرات به محدوده عدد رینولدز در نواحی هایپریک (Re*) بستگی داشته است. نتایج نشان داد که تاثیر وجود شکل بستر تلماسه بر تغییرات پارامترهای مدل (TSM) تا محدوده Fr است.

سرریزهای جانبی به شکل وسیعی برای انحراف آب از رودخانه ها به کار می روند. اغلب رودخانه های طبیعی با بستر متحرک هستند که ته نشینی رسوبات در امتداد سرریز جانبی مشکلاتی را در انحراف آب ایجاد می کند. مطالعات بر روی یک فلوم آزمایشگاهی با عرض 0. 9 متر، طول 10 متر، سه مقدار طول سرریز جانبی به ترتیب برابر با 0. 6، 0. 4 و 0. 2 متر، ارتفاع سرریز 0. 08 متر و شیب طولی کانال 0. 001 انجام شده است. تغییرات پروفیل سطح آب بر روی سرریز جانبی به ازاء مقادیر مختلف عدد فرود جریان در بالادست سرریز جانبی در کانال اصلی اندازه گیری شد. نتایج به دست آمده با نتایج حاصله از آزمایش ها بر روی فلوم با بستر ثابت و همچنین، روش تحلیلی مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج نشان می دهد، پروفیل سطح آب بر روی سرریز جانبی تحت تاثیر شکل بستر تشکیل شده در جنب سرریز بوده و در نتیجه در شرایط جریان بر روی سرریز جانبی موثر است. مقادیر دبی جریان عبوری و تغییرات پروفیل سطح آب سرریز جانبی برای کانال با بستر ثابت همبستگی خوبی را با روش حل تحلیلی نسبت به مقادیر مشاهداتی به دست آمده از جریان در کانال با بستر متحرک دارد. خطای نسبی نسبت دبی جریان محاسبه شده برای کانال های با بستر ثابت برابر با 0. 14 درصد بوده، در حالی که این مقدار برای کانال های با بستر متحرک 0. 54 درصد می باشد. این مقادیر برای تغییرات نسبت انرژی در امتداد سرریز جانبی به ترتیب برابر با 1. 28 و 1. 37 درصد به دست آمد.

در آبراهه های آبرفتی، جریان آب دائما بر روی رسوبات در حال حرکت اثر گذاشته و سعی دارد آنها را به پایین دست منتقل نماید. در این حین برروی بستر جریان فرم بسترهایی با ابعاد مختلف و تحت شرایط هیدرولیکی مختلف تولید می شوند.در تحقیق حاضر، آزمایش ها به منظور بررسی اثر تبدیل های کاهش دهنده عرض برروی ارتفاع فرم بستر ریپل تشکیل شده با زوایای مختلف 5، 10 و 15 درجه انجام شد. در این آزمایش ها دبی 10، 12 و 14 لیتربرثانیه بوده و شیب فلوم قابل تنظیم بود. نتایج نشان داد که کاهش عرض کانال به کمک تبدیل ها نقش موثری بر ارتفاع ریپل ها داشته و می توان تا حد زیادی به کمک تغییر در زوایای تبدیل ها، حرکات رسوبات به پایین دست را کنترل نمود. به کمک این نوع تبدیل هاانتقال رسوبات حدود 15 الی 20 درصد کم شد زیرا این تبدیل هامانند یک مانع در حرکت رسوبات عمل می کنند. در دبی های کم دهانه ورودی تبدیل بخشی از انرژی جریان را گرفته و باعث افت انرژی می شود. اما با افزایش بیشتر دبی فرم های بستری با ارتفاع بیشتری ایجاد می کند. اگر چنانچه دبی بیش از 14 لیتربرثانیه در کانال اعمال شود و یا زوایای تندتری در تبدیل ایجاد شود، تبدیل نقش مانع بودن خود را از دست داده و رسوبات بیشتری به پایین دست منتقل می شود.