مطالعه‌ای بر روش‌های تعیین زبری یک بستر شنی

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسنده

محقق/ دانشگاه ترنتو

چکیده

تعیین کمّی زبری یک بستر شنی از اهمیت به سزایی در مطالعات هیدرولیکی برخوردار است. رویکرد سنتی در تعیین زبری بستر بر اساس منحنی توزیع اندازه سنگ‌دانه‌ها استوار است. این در حالی است که در رویکرد نوین، تعیین زبری بر اساس ارتفاع نقطه به نقطه بستر استوار می‌باشد. در این رویکرد، خصوصیات آماری بستر مانند ممان‌های مراتب گوناگون، ارتفاع نقطه به نقطه، توابع ساختار و خاصیت خودمتشابهی در تعیین زبری مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مطالعه آزمایشگاهی حاضر، در ابتدا روش‌های موجود در تعیین زبری بستر بر اساس منحنی توزیع اندازه سنگ‌دانه‌ها با یکدیگر مقایسه می‌شوند. سپس در ادامه، رویکرد ارتفاع نقطه به نقطه در تعیین زبری بستر به تفصیل مورد بحث قرار می‌گیرد. مشاهدات نشان داد که در بین روش‌های موجود بر اساس رویکرد اندازه سنگ‌دانه‌ها، نتایج به دست آمده از اندازه‌گیری سنگ‌دانه‌ها با کولیس کامل‌تر و دقیق‌تر از سایر روش‌ها است. به علاوه قیاس بستر آزمایشگاهی مطالعه حاضر و بستر طبیعی رودخانه‌ها نشان داد، که با وجود تطابق برخی از خواص آماری این دو بستر (مانند ضریب همبستگی و زبری معادل در راستای طولی)، بسیاری از خواص آماری این دو بستر مانند عدم وجود ساختار خاص در تابع ساختار مرتبه سوم و ضریب چولگی منفی توزیع ارتفاع بستر با یکدیگر متفاوت است. این مشاهده بیان‌گر این واقعیت است که بستر زبر بسیاری از مطالعات آزمایشگاهی که بر اساس تنها قطر معادل سنگ‌دانه شبیه‌سازی می‌شوند، در عمل می‌توانند خواص آماری بسیار متفاوتی با بسترهای طبیعی رودخانه‌ها داشته باشند. لذا توصیه می‌شود در این نوع مطالعات، بستر شنی به با روش‌های آماری به طور دقیق تعریف شود، تا حداقل میزان اختلاف با شرایط طبیعی رودخانه مشخص شود.

کلیدواژه‌ها


مهاجری س. ح.، صفرزاده ا. و صالحی نیشابوری س. ع. ا.، (1394). تعیین پروفیل سرعت طولی جریان آشفته در بسترهای زبر به روش متوسط‌گیری دوبل. پذیرفته شده توسط نشریه دانش آب و خاک ایران.

نیکوکار م. و عربزاده م. (1387). آمار و احتمالات مهندسی، نشر آزاده، تهران، ایران.

Aberle J. and Nikora V. (2006). "Statistical properties of armored gravel bed surfaces". Water Resources Research. 42: W11414.

Aberle J. (2007). "Measurements of armour layer roughness geometry function and porosity". Acta Geophysica. 55, pp. 23-32.

American Society for Testing and Materials (ASTM). (2006). Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates. C136 / C136M: 14.

Bathurst J. C. (1985). Theoretical aspects of flow resistance in Gravel-Bed rivers. Edited by R. D. Hey, J. C. Bathurst, and C. R. Thorne, pp. 83-108. John Wiley, New York.

Brunke M. and Gonser T. (1997). "The ecological significance of exchange processes between rivers and groundwater". Freshwater Biology. 37, pp. 1-33.

Buffin-Bélanger T. and Roy A. G. (1998). "Effects of a pebble cluster on the turbulent structure of a depth-limited flow in a gravel-bed river". Geomorphology. 25, pp. 249-267.

Cooper J. and Tait S. (2009). "Water-worked gravel beds in laboratory flumes – a natural analogue?". Journal of Earth Surface Processes and Landforms. 34, pp. 384–397.

Davis A., Marshak A., Wiscombe W. and Cahalan R. (1994). "Multifractal characterizations of non-stationarity and intermittency in geophysical fields: Observed, retrieved or simulated". Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 99, pp. 8055-8072.

Detert M. and Weitbrecht V. (2012). "Automatic object detection to analyze the geometry of gravel grains - a free stand-alone tool". Proceeding of River Flow Conference, Costa-Rica, pp. 595-600.

Fehr R. (1986). "A method for sampling very coarse sediments in order to reduce scale effects in movable bed models". 86th IAHR Symposium on Scale Effects in Modelling Sediment Transport Phenomena, Toronto, Ontario, Canada.

Goring D., Nikora V., and McEwan I. (1999). "Analysis of the texture of gravel beds using 2-D structure functions, in River, Coastal, and Estuarine Morphodynamics". Proceedings of the IAHR Symposium, Vol. 2, pp. 111– 120, Genova, Italy.

Graf W. and Altinakar M. (1998). Fluvial hydraulics, Wiley, New York.

Graham D. J., Reid I. and Rice P. (2005). "Automated sizing of coarse-grained sediments: image-processing procedures". Mathematical Geology, 37(1): 28.

Hey R. D. (1988). "Bar form resistance in gravel-bed rivers", Journal of Hydraulic Engineering. 114(12). pp. 1498-1508.

Lamarre H. and Roy A. G. (2005). "Reach scale variability of turbulent flow characteristics in a gravel-bed river". Geomorphology. 68, pp. 95-113.

Mandelbrot B. (1984). The fractal geometry of nature. W. H. Freeman and company, New York, United States.

Matrox. (2015). revised from http://www.matrox.com/imaging/en/products/software/mil/tools/measurement/.

Mohajeri H., Grizzi S., Righetti M., Romano G. P. and Nikora V. (2015). "The structure of gravel-bed flow with intermediate submergence: a laboratory study". Journal of Water Resources Research (Accepted Manuscript).

Mohajeri S. H. (2014). "Hydrodynamics of gravel bed flows (Implications in colmation)". PhD Thesis, Department of Civil, Mechanics and Environmental Engineering, University of Trento and School of Geography, Queen Mary University of London. 

Nikora V. I., Goring D. G. and Biggs B. F. (1998). "On gravel-bed roughness characterization". Water Resources Research. 34, pp. 517-527.

Nikora V. I. and Goring D. G. (1999). "On the relationship between Kolmogorov’s and generalized structure functions in the inertial subrange of developed turbulence". Journal of Physics A: Mathematical and General. 32, pp. 4963–4969.

Nikora V. I., Koll k., McEwan I. K., McLean S. R. and Dittrich A. (2004). "Velocity distribution in the roughness layer of rough-bed flows". Journal of Hydraulic Engineering. 130(7), pp. 1036-1042.

Nikora V., Goring D., McEwan I. and Griffiths G. (2001). "Spatially averaged open-channel flow over rough bed". Journal of Hydraulic Engineering. 127, 2, pp. 123-133.

Nikora V., Mcewan I., Mclean S., Coleman S., Pokrajac D. and Walters R. (2007). "Double-averaging concept for rough-bed open-channel and overland flows: Theoretical background", Journal of Hydraulic Engineering. 133, 8, pp. 873-883.

Nikora V. and Walsh J. (2004). "Water-worked gravel surfaces: High-order structure functions at the particle scale". Water Resources Research. 40: W12601.

Parker G. and Peterson A. W. (1980). "Bar resistance of gravel bed streams". Journal of the Hydraulics Division (ASCE). 106, 10, pp. 1559– 1575.

Qin J. and Leung S. (2013). "Multifractal characterization of water-worked gravel surfaces". Journal of Hydraulic Research. 49 (3), pp. 345-351.

Tigrek S. and Aras T. (2011). Reservoir Sediment Management, Taylor & Francis.

Webb R. H. and Leake S. A. (2006). "Ground-water surface-water interactions and long-term change in riverine riparian vegetation in the southwestern United States". Journal of Hydrology. 320, pp. 302-323.
Wiberg P. L. and Smith J. D. (1991). "Velocity distribution and bed roughness in high-gradient streams". Water Resources Research. 27(5), pp. 825-838.