سابقه و هدف: بررسی ضریب مقاومت در جریان ها به ویژه در جریان های آزاد، کانال ها و رودخانه ها از اهمیت زیادی برخوردار است. یکی از عوامل تاثیر گذار بر مقاومت جریان شکل بستر در آبراهه ها می باشد. ریزساختار های کلاستری از جمله شکل های بستر در رودخانه های مناطق کوهستانی می باشند که از نظر بیولوژیک و همچنین هیدرولیک ریزجریان ها (جریان های ثانویه) حائز اهمیت هستند. مطالعه در زمینه شناخت و تاثیرات کلاستر ها در سرتاسر دنیا بسیار نوپا بوده است. هدف پژوهش حاضر بررسی آزمایشگاهی تاثیر شکل کلاستر و اندازه ذرات سازنده کلاسترها بر ضریب زبری جریان می باشد. مواد و روشها: برای بررسی تاثیر شکل و اندازه ذرات تشکیل دهنده کلاسترها، آزمایشهایی در یک کانال آزمایشگاهی به طول 20 متر، عرض6/0 متر و ارتفاع 6/0 متر انجام گرفت. با استفاده از ذرات سنگریزه با سه اندازه متفاوت 5/9، 5/12، 5/15 میلی متری درفلوم آزمایشگاهی، کلاسترهای با شکل های کپه ای، خطی و حلقه ای ساخته و مورد بررسی قرار گرفتند. دو ضریب زبری دارسی ویسباخ و مانینگ با استفاده از اندازه گیری شیب سطح آب محاسبه گردیدند. یافته ها: نتایج پژوهش حاضر نشان داد که کلاسترهای خطی شکل دارای کمترین تاثیر بر میزان ضریب مقاومت جریان هستند. کلاسترهای حلقه ای و کپه ای دارای ضریب زبری بیشتری نسبت به کلاستر خطی هستند لیکن هر دو تقریبا دارای تاثیر یکسانی بر مقاومت جریان هستند. نتایج این دو شکل از کلاستر، برای ذرات 5/9 و 5/12 میلی متری بسیار نزدیک به هم بوده ولی برای ذرات 5/15 میلی متری ضریب زبری کلاستر کپه ای بالاتر از ضریب زبری اشکال دیگر است. همچنین با افزایش قطر ذرات سنگریزه سازنده کلاسترها میزان ضریب زبری مانینگ افزایش پیدا می کند. با انجام آزمایش ها با ذرات سنگریزه با قطرهای مختلف، درصد تغیرات ضریب زبری نسبت به حالت بدون کلاستر برای کلاستر کپه ای در ذرات 5/9، 5/12 و 5/15 میلی متر به ترتیب 47، 52 و 75 بوده است. برای کلاسترهای حلقه ای شکل و ذرات5/9، 5/12و 5/15 میلی متری درصد تغییرات به ترتیب 48، 49 و 75درصد بدست آمدند و این درصد برای کلاسترهای خطی شکل برای ذرات 5/9 میلی متری19 درصد و ذرات 5/12 و 5/15میلی متری به ترتیب 37 و 67درصد مشاهده شدند که نشان دهنده افزایش مقاومت جریان با افزایش اندازه قطر ذرات است. همچنین نتایج نشان داد که در آزمایش ها افزایش عدد فرود موجب کاهش ضریب زبری می گردد. نتیجه گیری: نتایج بدست آمده از آزمایش ها این نکته را به خوبی روشن ساخت که بسترهای کلاستری با اثر گذاری بر روی جریان باعث افزایش ضریب مقاومت می گردد. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که کلاسترهای کپه ای دارای بیشترین اثر بر مقاومت جریان هستند.

در بررسی و تحلیل هیدرولیکی کانال های باز، تعیین مقاومت جریان امری ضروری است. مقاومت جریان در کانال های با بستر درشت دانه بیشتر از نوع زبری ذره می باشد. تاکنون مطالعات زیادی در رابطه با برآورد مقدار ضریب مقاومت جریان از طریق اندازه ذرات پیشنهاد شده است که در این مطالعات اثر شکل ذرات چندان مشخص نیست. بنابراین هدف از این تحقیق انجام آزمایشاتی برای تعیین اهمیت نوع و اندازه رسوبات درشت دانه می باشد. در این مطالعه برای تعیین ضریب مقاومت جریان از هشت نوع رسوب درشت دانه شامل 4 نوع رسوب طبیعی نسبتا گرد گوشه و 4 نوع رسوب شکسته تیز گوشه استفاده شد. آزمایش ها در فلومی به طول 10 متر و عرض 25 سانتیمتر و ارتفاع 50 سانتیمتر با شیب کف ثابت 0.0005 انجام شد. نتایج نشان می دهد که علاوه بر پارامتر استغراق نسبی (R/Ks) پارامترهای دیگری مانند عدد فرود (Fr) و ضریب شکل مقطع (ψ) در برآورد هر چه دقیق تر مقاومت جریان تاثیر بسزائی دارند. همچنین نشان داده شد که در رودخانه های با بستر شنی روابط نیمه لگاریتمی و توانی مقاومت جریان را تقریبا با دقت یکسانی تخمین می زنند. در این تحقیق رابطه ای برای تعیین ضریب مقاومت جریان ارائه گردید.

ضریب مانینگ از مهم ترین پارامترهایی است که باعث افت انرژی در کانال ها و رودخانه ها می شود و نقش بسیار مهمی در ارتفاع سطح آب در مقطع عرضی دارد. روش های مختلفی برای تخمین ضریب مانینگ ارائه شده است که بیشتر منشأ آزمایشگاهی دارند. در هیدرولیک رودخانه ها به دلیل متحرک بودن بستر، مقاومت در مقابل جریان یا ضریب مانینگ متغیر می باشد. در این حالت نمی توان یک فرمول مقاومت جریان را به طور مستقیم و بدون آگاهی از نحوه تغییر ضریب مقاومت، در شرایط مختلف جریان و رسوب بکار برد. در تحقیق حاضر رودخانه بابلرود در استان مازندران انتخاب گردید و نتایج حاصل از روابط تجربی مختلف برای تعیین ضریب مانینگ با استفاده از عملیات صحرایی و خصوصیات مختلف رودخانه و مقطع عرضی آن و همچنین جنس مصالح بستر و کناره ها به دست آمد و با ضریب به دست آمده از روش مستقیم مقایسه گردید. طبق نتایج به دست آمده روش کاون که دارای کمترین درصد خطای نسبی 6.17% و 3.46% و همچنین کمترین جذر میانگین توان دوم خطا 2.7 و 3.2 به ترتیب در ایستگاه های هیدرومتری پاشاکلا و قرآن طالار است به عنوان بهترین روش برای برآورد ضریب مانینگ در این رودخانه پیشنهاد می گردد. پس از روش کاون، روش جارت با درصد خطای نسبی 10.11% و 5.41% و همچنین جذر میانگین توان دوم خطا 4.5 و 4.5 به ترتیب در ایستگاه های هیدرومتری پاشاکلا و قرآن طالار به عنوان روش دوم برای تعیین ضریب مانینگ انتخاب می شود.

مطالعه و تحقیق در زمینه مقاومت جریان در کانال های روباز و رودخانه ها پیشینه ای طولانی دارد. بکارگیری نتایج حاصل از تحقیقات انجام گرفته در همین راستا، جهت اعمال مدیریت مهندسی در رودخانه ها یا کانال های روباز با مشخصات هیدرولیکی متفاوت امری ضروری است. هم چنین تعیین مقدار بهینه و مناسب ضریب زبری مانینگ تاثیر مستقیم روی تخمین دبی جریان در رودخانه دارد که مهم ترین عامل در تصمیم گیری برای توسعه پروژه های آبی است. در تحقیق حاضر، با اعمال تغییرات در شرایط هیدرولیکی رودخانه، عوامل موثر بر مقاومت جریان بررسی شده است. مقدار بهینه ضریب زبری مانینگ رودخانه "شهرچای" با استفاده از مشخصات هیدرولیکی و دانه بندی بستر رودخانه برآورد شده است. ضریب زبری بدست آمده با استفاده از روش های مختلف و همچنین مقایسه تصاویر رودخانه شهرچای با رودخانه هایی با مشخصات مشابه و زبری معین، واسنجی گردید. با تهیه نقشه های سه بعدی منطقه با استفاده از نرم افزار ArcGIS و ایجاد مقاطع عرضی توسطHEC-GEORAS، مشخصات ژیومتری رودخانه شهرچای محاسبه گردید و به عنوان اطلاعات ورودی به منظور شبیه سازی هیدرولیکی در مدل HECRAS بکار گرفته شد. به ازای ضرایب زبری مانینگ حاصل از روش های مختلف شبیه سازی انجام گرفت و مشخصات هیدرولیکی خروجی از مدل سازی با مشخصات هیدرولیکی برداشت شده از منطقه، مورد مقایسه قرار گرفت و مقدار بهینه ضریب زبری برای بازه کشتیبان برابر با 032/0 تعیین گردید. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که تعیین ضریب زبری مانینگ به سه روش چاو، کاون و مقایسه با تصاویر به لحاظ عوامل متعدد در تخمین ضریب زبری، از دقت زیادی برخوردار هستند.

انجام عملیات استخراج در معادن روباز مستلزم شناخت خواص هیدرولیکی توده سنگ به ویژه هدایت هیدرولیکی است. هدایت هیدرولیکی، میزان توانایی توده سنگ برای انتقال سیالات است که در بررسی مشکلات نشت، زهکشی و پایداری دیواره های کاواک معادن روباز اهمیت زیادی دارد. از این رو، محققان در جستجوی روش مناسبی برای تعیین هدایت هیدرولیکی توده سنگ تشکیل دهنده مناطق معدنی اند. در این مطالعه، برای تعیین رابطه تجربی هدایت هیدرولیکی بر اساس پارامترهای حاصل از گمانه های اکتشافی و ژئوتکنیکی شامل شاخص کیفی توده سنگ (RQD)، فاصله داری درزه ها و مقاومت فشاری، ابتدا تصویر مغزه های گمانه های ژئوتکنیکی حفر شده در آنومالی A کانسار غربی معدن سنگ آهن سنگان بررسی و با نمودارنگاری مجدد مقدار RQD برای هر نوبت حفاری محاسبه شد و با بررسی تصاویر مغزه های حفاری، هدایت هیدرولیکی هر ران حفاری در طول گمانه با متغیرهای کیفی ارزیابی شد. سپس با استفاده از روابط تجربی با شرایط زمین شناسی مشابه و ضرایب هدایت هیدرولیکی ارایه شده بر اساس جنس سنگ متغیرهای کیفی به کمی تبدیل شدند. در نهایت نمودار پراکندگی تغییرات هدایت هیدرولیکی نسبت به هر یک از فاکتورهای RQD، عمق، فاصله داری درزه ها و مقاومت فشاری سنگ رسم و منحنی رگرسیون بر هر یک از نمودارها برازش شده و مشخص شد با افزایش هر یک از فاکتورهای عمق، فاصله داری درزه ها و مقاومت فشاری سنگ، هدایت هیدرولیکی کاهش می یابد اما همبستگی بالایی بین تغییرات هدایت هیدرولیکی با هر یک از این فاکتورها وجود ندارد. نتایج نشان می دهد که رابطه هدایت هیدرولیکی بر اساس RQD ضریب تعیین بسیار بالایی دارد (R2=0.8247)، بنابراین این رابطه تجربی می تواند برای تخمین هدایت هیدرولیکی محدوده مورد مطالعه بسیار مفید واقع شود.

برای کاهش هزینه های اندازه گیری ضریب زبری جریان در کانال های خاکی می توان از متغیرهای کمکی مانند قطر ذرات بستر استفاده نمود. روابط مبتنی بر قطر ذرات خاک کف و جدار کانال های خاکی، به طور غالب برای بسترهای بدون پوشش گیاهی ارائه شده اند. بنابراین پژوهش حاضر با هدف الف) تعیین ضریب زبری کانال های خاکی دارای پوشش گیاهی در شبکه آبیاری و زهکشی مغان، ب) مقایسه ضریب زبری حاصل از روابط مبتنی بر قطر ذرات بستر با مقادیر واقعی و ج) ارائه مدل های جدید برای ضریب زبری کانال های خاکی بر مبنای قطر ذرات بستر انجام شد. برای انجام آزمایش ها 181 مقطع از کانال های خاکی در شبکه آبیاری و زهکشی مغان انتخاب شدند. سرعت جریان آب در مقاطع مختلف کانال ها با استفاده از مولینه و مختصات نیمرخ عرضی مقاطع کانال ها بهوسیله دوربین نقشه برداری (ترازیاب) و یک شاخص مدرج تعیین شد. مقدار ضریب زبری با توجه به ابعاد و سرعت جریان آب در کانال های خاکی از رابطه مانینگ به دست آمد. میانگین ضریب زبری در بستر های خاکی دارای پوشش گیاهی 0.076 به دست آمد. کاربرد رابطه های استریکلر، هندرسون، گارد و راجو و برآی و رابطه های رودکیوی، برآی، لئین و کارلسون و هندرسون) به مقادیر قابل قبولی برای ضریب زبری کانال های خاکی با پوشش گیاهی منجر نشد. به منظور ارائه و توسعه مدل های مبتنی بر قطر ذرات بستر برای برآورد ضریب زبری بستر های خاکی دارای پوشش گیاهی، از اندازه های D50، D65 و D75 ذرات بستر استفاده گردید. ضریب همبستگی ضریب زبری با این اندازه قطرها به ترتیب برابر 0.91، 0.83 و 0.66 بود. علاوه بر دقت قابل قبول مدل های پیشنهادی، سهولت کاربرد و سادگی مدل ها، مزیت دیگر آن ها می باشد.

سرریزها یکی از انواع سازه­های هیدرولیکی هستند که­ در سیستم­های انتقال آب به منظور اهداف خاصی مانند افزایش عمق جریان در بالادست سازه جهت آب گیری و یا اندازه­گیری دبی جریان به کار گرفته می­شوند. در این تحقیق به بررسی پارامترهای هیدرولیکی جریان و چگونگی وقوع جریان موجکی در سرریزهای لبه پهن مستطیلی به روش عددی با استفاده از روش حجم محدود (FVM) پرداخته شد و نتایج آن با روش آزمایشگاهی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که محدوده ضریب دبی برای داده­های آزمایشگاهی بین 321/0 تا 332/0 است و با استفاده از مدل عددی این محدوده بین 301/0 الی 354/0 می­باشد. هم چنین مشاهده گردید که در صورتی که عدد فرود جریان در مقطعی که حداقل عمق در روی تاج (dmin) اتفاق می­افتد، کمتر از مقدار 5/1 باشد (5/1>(Fr1، در بالای تاج سرریز موجک­هایی به فرم سینوسی تشکیل می­شود، که می­تواند دقت در قرائت اشل را کاهش و باعث ایجاد خطا در برآورد دبی عبوری گردد. برای جلوگیری از وقوع جریان موجکی، عمق جریان نباید از حد معینی کمتر گردد. در تحقیق حاضر جریان موجکی در شرایطی که نسبت عمق آب روی تاج سرریز به طول تاج سرریز در جهت جریان بزرگ تر از 1/0 باشد (1/0   H/L)، مشاهده نشد. بنابراین می­توان گفت برقراری جریان موجکی در سرریزهای لبه پهن طولانی (1/0   H/L) مستعدتر از سرریزهای لبه پهن حقیقی (4/0  H/L   1/0) است. هم چنین با استفاده از روش رگرسیونی، رابطه­ای برای تعیین ضریب دبی سرریزهای لبه پهن حقیقی با دقت مناسب و بالا ارائه شد.

با توجه به حساسیت دبی به مقدار ضریب زبری جریان، انتخاب مقدار آن در طراحی کانال های خاکی، از اهمیت و حساسیت زیادی برخوردار است. بنابراین پژوهش حاضر با هدف تحلیل آماری و تدقیق مقادیر ضریب زبری کانال های خاکی بدون پوشش گیاهی در شبکه آبیاری و زهکشی مغان انجام شده است. برای انجام آزمایش ها پنجاه مقطع از کانال های خاکی در شبکه انتخاب گردید. سرعت جریان آب در مقاطع مختلف کانال های خاکی با مولینه، مختصات نیمرخ عرضی مقاطع کانال ها با دوربین نقشه برداری (ترازیاب) و یک شاخص مدرج اندازه گیری گردید. میانگین ضریب زبری برابر 0.06 به دست آمد. نتایج نشان داد به احتمال 90، 80، 60 و 40 درصد، ضریب زبری به ترتیب برابر 0.014، 0.020، 0.033 و 050. و بیشتر از آن بود. توزیع سرعت جریان، شعاع هیدرولیکی، سطح مقطع جریان، پیرامون ترشده و ضریب زبری در کانال های خاکی بدون پوشش گیاهی با توزیع لاگ نرمال منطبق بود. نتایج نشان داد جریان در مقاطع کانال های خاکی، به صورت آشفته بوده و با افزایش عدد رینولدز، ضریب زبری در کانال ها، کاهش می یابد. تحلیل حساسیت نشان داد با دو و سه برابر شدن اندازه ضریب زبری، دبی جریان به ترتیب نصف و یک سوم دبی نظیر میانگین ضریب زبری بود. به منظور حذف متغیرهای کم اثر بر روی ضریب زبری، یک رابطه ساده رگرسیونی برای برآورد ضریب زبری در کانال های بدون پوشش گیاهی در شبکه آبیاری و زهکشی مغان به صورت تابعی از دو متغیر سرعت جریان و شیب کانال ارائه گردید.

تخمین دقیق مقاومت جریان در لوله های انتقال آب یکی از مهمترین موضوعات در زمینه مهندسی آب و هیدرولیک می باشد. به دلیل پیچیدگی پدیده های هیدرولیکی مقاومت جریان تخمین وتعیین معادلات حاکم بر آن مشکل است. مدل های کلاسیک ریاضی در این راستا از دقت کافی برخوردار نیستند. در این مقاله با استفاده از 300 داده آزمایشگاهی ضریب زبری در لوله های جمع آوری آب باران با شرایط مرزی متفاوت (بستر صلب و بستر رسوبگذاری شده) تخمین زده شده است. سه سناریو بر اساس پارامترهای هیدرولیکی، و مشخصات ذرات رسوبی بدون و با در نظر گرفتن دبی رسوبی به عنوان پارامتر ورودی) با استفاده از روش برنامه ریز بیان ژن تخمین زده شده و نرخ تأثیر پارامترهای ورودی در هر حالت مورد تجزیه و تحلیل قرارگرفت. مشاهده گردید که در حالت بستر صلب مدل با پارامترهای ورودی شامل عمق نسبی جریان، اندازه بدون بعد ذرات، عدد فرود معین و دبی رسوبی و در حالت بستر رسوبگذاری شده مدل با پارامترهای ورودی عمق و عرض نسبی بستر رسوبی، عدد فرود معین دبی رسوبی نتایج مطلوب تری را ارائه می دهند. بهترین نتایج برای سری داده های آزمون برای حالت بستر رسوبگذاری شده با مقادیر R=0. 9، DC=0. 73 و RMSPE=10. 9 بدست آمد. یکی از قابلیت های برنامه ریزی بیان ژن ارائه فرمول صریح برای ضریب زبری می باشد. لذا، برای مدل برتر سناریوهای در نظر گرفته شده روابط صریحی ارائه گردید. همچنین مطابق نتایج حاصله، آنالیز سری داده ها به صورت جداگانه منجر به جواب های دقیق تری نسبت به ترکیب داده ها گرددید.