The role of urban wastewater on the rate of cohesive sediment erosion in water transfer channels

Document Type : Research Article

Authors

1 Ferdosi Mashhad University

2 water and science engineering Dept. Ferdowsi university of mashhad

3 shahrekord university

4 Professor

Abstract

در حال حاضر به دلیل پیچیدگی رفتار رسوبات چسبنده، پروسه انتقال این رسوبات به طور کامل شناخته شده و قابل درک نیست. به طور کلی انتقال رسوبات چسبنده را می‌توان شامل فرآیندهای فرسایش، رسوبگذاری و تحکیم داست (Krishnappan 2006). رفتار رسوبات چسبنده تحت تأثیر پیوندهای بین ذره‌ای است که این پیوندها به شدت به تعامل بین پارامترهای فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و بیولوژیکی وابسته است. به دلیل وجود جاذبه بین ذره‌ای در رسوبات چسبنده که تحت تاثیر عوامل محیطی نظیر میزان موارد ارگانیک، pH، شوری، میزان رطوبت و حتی بیوفیلم‌ها قرار دارد؛ پیش‌بینی رفتار این نوع رسوبات همچون فرآیند فرسایش‌پذیری، با مشکل مواجه شده است (Black et al.2002; winterwerp and Van Kestern.2004; Grobowski.2011).
از طرفی در سال‌های اخیر که استفاده از منابع آب تجدیدپذیر نظیر پساب‌های تصفیه شده شهری رواج یافته است لذا استفاده از پساب در زمینه کشاورزی نیز گسترش یافته که منجر به جریان آن در کانال‌های انتقال آب گردیده و لذا به خاطر دارا بودن خصوصیات شیمیایی بر پروسه رسوب‌گذاری در کانال‌ها نیز تاثیرگذار بوده است.
رسوبات چسبنده به دلیل ویژگی‌های فیزیکی‌-شیمیایی و وجود یون‌های قوی در سطح ذرات تمایل به تشکیل توده‌‌های بزرگتری به نام فلوک‌ها دارند که این پدیده تحت عنوان هماوری‌شدن شناخته می‌شود. فلوک‌ها سریعتر از اجزای تشکیل دهنده خودشان سقوط می‌کنند و به واسطه اینکه دارای میزانی رطوبت می‌باشند لذا پس از ته‌نشینی یک بستر نرم را ایجاد می‌نمایند. قابل ذکر است که میزان رطوبت فلوک‌ها به طور مستقیم با اندازه آن‌ها در ارتباط است (winterwerp and Van Kestern. 2004). در بستر تازه تشکیل شده که فرآیند تحکیم در آن آغاز شده است مشخصاتی مانند، دانسیته، چسبندگی و مقاومت‌برشی ته‌نشینی افزایش می‌یابد که مقاومت ذرات بستر در برابر فرسایش را به همراه دارد (Chein et al.1999). مطالعات آزمایشگاهی مختلفی برای تعیین نرخ فرسایش رسوبات چسبنده توسط جریان با استفاده از کانال‌های دایره‌ای (Parchure and Mehta 1985; Kuijper et al 1989; Amos et al 1992) و کانال‌های مستقیم (Orvain et al 2003; Robert et al 1998; Le Hir 2008; Abrele 2003; Parteniades 2003) صورت گرفته است. مهمترین نتیجه حاصل از این آزمایش‌ها وجود یک تنش‌برشی آستانه فرسایش است که تنش برشی بحرانی بستر برای فرسایش ( ) نامیده شد که در تنش‌های جریان فراتر از آن، رسوبات فرسایش می‌یابند. تنش‌برشی آستانه فرسایش یکی از پارامترهای مهم در مدل‌های انتقال رسوبات چسبنده است. برای رسوبات چسبنده مقدار تنش-برشی بحرانی برای فرسایش بزرگ‌تر از تنش‌برشی بحرانی ته‌نشینی است (Huang et al. 2006). بر اساس نظر محققان فرسایش رسوبات چسبنده را می‌توان در سه حالت فرسایش فلوک، فرسایش سطحی و فرسایش جرمی در نظر گرفت. فرسایش فلوک در شرایطی که تنش برشی بستر بیشتر از چسبندگی بین فلوک‌ها و بستر باشد به صورت جدا شدن فلوک به صورت مجزا از بستر رخ می‌دهد. فرسایش سطحی به شرایطی گفته می‌شود که ذرات منفرد به‌صورت آشکار شروع به حرکت از سطح بستر رسوبات چسبنده می‌کنند. Jacobs (2011) فرسایش فلوک را یک خصوصیت تصادفی از شرایط جریان و مقاومت سطح رسوبات است در حالیکه فرسایش سطحی با شاخص خمیری در ارتباط است. فرسایش توده‌ای در مقادیر بزرگتر تنش برشی (سرعت) رخ می‌دهد و مشخصه آن جدا شدن توده‌های بزرگ رسوب از بستر می‌باشد و جدا شدن توده‌ای از ذرات، فرسایش جرمی معرفی شد (winterwerp and Van Kestern. 2004).
در حال حاضر دو دیدگاه مختلف فکری در مورد آستانه فرسایش رسوبات چسبنده وجود دارد. اولین دیدگاه، بر عدم وجود آستانه فرسایش رسوبات چسبنده معتقد است چرا که برخی از ذرات در هر مقدار از تنش‌برشی بستر دچار فرسایش می‌‌شوند (به عنوان مثال Lovelle et al. 1984 and Parchure et al. 1985). Lovelle et al (1984) میزان نرخ فرسایش (ε) را با استفاده از مفهوم عدم وجود آستانه فرسایش به صورت زیر ارائه کردند:
(1)

در این رابطه α و β ضرائب تجربی هستند.
Mehta and Partheniades (1982) یک تابع نمایی برای فرسایش بسترهای تازه ته‌نشین شده ارائه نمودند:
(2)

که در آن ، و ضریب هستند . رابطه اخیر توسط سایر محققان به یک معادله توانی به صورت زیر توسعه یافت.
(3)

که در آن : تنش برشی بحرانی بستر برای فرسایش، : تنش برشی بستر و : یک تابع توانی از ترکیب رسوبات : پارامتر رسوب . Baptiste et al (2017)ضریب n را تابعی توانی از ترکیب‌بندی رسوبات معرفی کرده و مقدار آن را برای رسوبات چسبنده یک و برای رسوبات غیر چسبنده 5/1 در نظر گرفتند. در شرایطی که خواص بستر نسبتاً یکنواخت باشد معادله زیر برای پروسه فرسایش رسوبات چسبنده ارائه گردید (Mitchener 1996; Mei 1997)
(4) E=M(τ_b-τ_c )^a
Bui (2000) فرسایش رسوبات از بستر به عنوان جرم رسوبات جابه‌جا شده توسط تنش‌برشی بستر در نظر گرفت و رابطه زیر را ارائه داد:
(5) E=ε(τ_b-τ_s )
در این معادله E نرخ فرسایش، ε ضریب فرسایش،τ_b تنش‌برشی بستر وτ_s تنش مقاومتی بستر است.Zhu (2006) با تقسیم معادله (4) بر دانسیته رسوبات و قرار دادان نمایه 1a= فرمول زیر را پیشنهاد کرد:
(6) E=M_e (τ_b-τ_c )
E نرخ فرسایش در طول بر واحد زمان (m/s) ، M_e=M⁄ρ_s ضریب توصیف قابلیت فرسایش رسوبات. عبارات M_e یا M و τ_c پارامترهای رسوب هستند در حالیکه τ_b یک پارامتر هیدرولیکی است. Parchure and Mehta (1985) برای بسترهای چسبنده‌ای که دارای روند افزایش دانسیته با عمق هستند، رابطه‌ای را برای نرخ فرسایش پیشنهاد کردند:
(7)

E_0 و K_3 از طریق آزمایشات تعیین شدند و به خصوصیات رسوبات بسیار حساس هستند

Keywords


Akbari, N. (2012). Setteling of Erosion Threshold of cohesive sediment by annular flume. Master Thesis, Shahrekord University.
Alizadeh, A. (2005). Draining of land. University of Ferdowsi Press.
Ariathurai, R., Arulanandan, K. (1978). Erosion rates of cohesive soils. J Hydr Div, ASCE, 104(2), 279-283.
Amos, C. L., Daborn, G. R., Christian, H. A., Atkinson, A. and Robertson, A. (1992a). In situ erosion measurements on fine-grained sediments from the Bay of Fundy, Mar. Geol., 108, 175-196
Barbosa, R. N. and Overstreet, C. (2011). What is soil electrical conductivity. Baton Rouge. LA, USA: LSU Ag Center publication pub. 3185.
Baptiste, M., Pierre, L. H., Florence, C. and Thierry, G. (2017). Modeling fine sediment dynamic: towards a common erosion law for fine sand, mud and mixture. Water, doi: 10.3390/w9080564.
Bui, T.D. (2000). Cohesive Sediment Transport in Natural Streams. Journal of Water Resources 129.97.146.103.
Black, K.S. (2002). Working with natural cohesive sediments. Journal of Hydraulic Engineering, 128(1), 2–8.
Droppo, I.G. (2009). Biofilm structure and bed stability of five contrasting freshwater sediments. Marine and Freshwater Research. 60, 690-699.
Glasbergen, K. (2014). The Effect of Coarse Gravel on Cohesive Sediment Entrapment in an Annular Flume, presented to the University of Waterloo in fulfillment of the thesis requirement for the Degree of Master of Science in Geography, Waterloo, Ontario, Canada.
Grabowski, R.C., Droppo, I.G. and Wharton, G., (2011). Erodibility of cohesive sediment: The importance of sediment properties. Earth-Science Reviews, 105(3-4), 101-120.
Hosseini, K. and Kheirkhahn, M. (2015). Developing a Regression Relation for Erosion Rate of Cohesive Sediments Using Experimental Data and Numerical Modeling. Journal of Water and Soil Science, 18(70), 351-361. (in Persian)
Huang, J., Hilldate, R.C. and Greiman, B.P. (2006). Erosion and sedimentation manual. U.S. Department of the interior. United States Bureau of Reclamation.
Jacobs, W. (2011). Sand-mud erosion from a soil mechanical perspective. PhD Thesis, TU Delft.
Kandiah, A. (1974). Fundamental aspects of surface erosion of cohesive soils, Ph.D. thesis, Univ. of Calif., Davis, Calif.
Khastar, M., Esmaili, K., Samadi, H. and Ziaei, A. N. (2018). Wastewater effect on the deposition of cohesive sediment. Journal of Environmental Engineering (ASCE), ISSN 0733-9372.
Kimiaghalam, N., Shawn, P. C. and Ahmari, H. (2015). An experimental study on the effect of physical, mechanical and electrochemical properties of natural cohesive soils on critical shear stress and erosion rate. International Journal of Sediment Research. http://dx.doi. org/10.1016/j.ijsrc
Krishnappan, B. G. (2006). Cohesive sediment transport studiesusing a rotating circular flum. The 7th Int. Conf. on Hydroscience and Engineering (ICHE), Sep10-13, Philadelphia, USA.
Kuijper, C., Cornelisse, J. M. and Winterwerp, J. C. (1989). Research on erosive properties of cohesive sediments, J. Geophys. Res., 94, 14,341– 14,350.
Lavelle, J.W., Mofjeld, H.O. and Baker, E.T. (1984). An in situ erosion rate for a fine-grained marine sediment. J. Geopys. Res. 89 (C4), 6543-6552.
Le Hir, P., Cann, P., Waeles, B., Jestin, H. and Bassoullet, P. (2005). Erodability of natural sediments: Experiments on sand/mud mixtures from laboratory and field erosion tests, in Sediment and Ecohydraulics: Intercoh 2005, Proc. Mar. Sci. Ser., vol. 9, edited by T. Kusuda et al., 137-154, Elsevier, Amesterdam.
MAST (1993). On the methodology and accuracy of measuring physical-chemical properties to characterize cohesive sediments. G6M report, EU marine science and technology programme project.
Mehta, A.J. and Parthenaides, E. (1982). Resuspension of Deposited Cohesive Sediment Beds. Coastal Engineering, Cape Town, South Africa. ASCE, Reston, VA, 1569-1588.
Mei, C. C., Fan, S. J. and Jin, K. R. (1997). Resuspension and transport of fine sediments by waves. J Geophys Res, 102 (C7), 15807-15821.
Milburn, D. and Krishnappan, B.G. (2003). Modelling erosion and deposition of cohesive sediments from Hay River, Northwest Territories, Canada. Nordic Hydrology, 34(1-2), 125-138.
Mitchener, H. and Torfs, H. (1996). Erosion of mud/sand mixtures, Coastal Engineering, 29, 1-25.
Orvain, F., le Hir, P. and Sauriau, P. G. (2003). A model of fluff layer erosion and subsequent bed erosion in the presence of the bioturbator, Hydrobia ulvae, J. Mar. Res., 61, 823-851.
Pant, H.R. (2013). Erosional resistance of cohesive sediments in coastal saltmarshes, Master Thesis, Department of Civil and Environmental Engineering, Louisiana State University.
Parchure, T.M. and Mehta, A.J. (1985). Erosion of soft cohesive sediment deposits. Journal of Hydraulic Engineering, 111 (10), 1308-1326.
Partheniades, E. (2007). Engineering Properties and Hydraulic Behavior of Cohesive Sediments. CRC, Boca Raton. 338 p.
Roberts, J., Jepsen, R., Gotthard, D. and Lick, W., (1998). Effects of particle size and bulk density on erosion of quartz particles. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 124 (12), 1261-1267.
Samadi-Boroujeni, H., Khastar-Boroujeni, M., Fatahi, R., Ghasemi, M. and Taheri, Z. (2017). Laboratory experiment Shear stress of erosion threshold of fine sediments (Case study of Karkheh reservoir sediments). Journal of Hydraulics, 13(3). (in Persian)
Stone, M. and Krishnappan, B.G. (1997). Transport characteristics of tile-drain sediments from an agricultural watershed. Water, Air and Soil Pollution, 99, 89-103.
Winterwerp, J.C. and van Kesteren, W.G.M. (2004). Introduction to the physics of cohesive sediment in the marine environment. Elsevier, Amsterdam, 466 p.
Zhu, Y. H. (2006). Breach Growth in clay-dikes. Dissertation for the Doctoral Degree. Delft: Delft University‌ of‌ Technology, ISBN:978-90-9020964-7.
  • Receive Date: 01 April 2019
  • Revise Date: 08 February 2020
  • Accept Date: 22 February 2020
  • First Publish Date: 22 February 2020