انجمن هیدرولیک ایران نشریه علمی هیدرولیک 2345-4237 14 4 2020 02 20 The role of urban wastewater on the rate of cohesive sediment erosion in water transfer channels نقش پساب تصفیه شده شهری بر نرخ فرسایش رسوبات چسبنده در کانال‌های انتقال آب 35 49 105496 10.30482/jhyd.2020.105496 FA زهرا طاهری دانشگاه فردوسی مشهد کاظم اسماعیلی هیات علمی 0000-0001-5354-0949 حسین صمدی بروجنی عضو هیات علمی دانشگاه شهرکرد سعید رضا خداشناس عضو هیات علمی- استاد Journal Article 2019 04 01 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).<br /> 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. <br /> 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). <br /> 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:<br /> (1) <br /> <br /> در این رابطه α و β ضرائب تجربی هستند.<br /> Mehta and Partheniades (1982) یک تابع نمایی برای فرسایش بسترهای تازه ته‌نشین شده ارائه نمودند: <br /> (2) <br /> <br /> که در آن ، و ضریب هستند . رابطه اخیر توسط سایر محققان به یک معادله توانی به صورت زیر توسعه یافت. <br /> (3) <br /> <br /> 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) <br /> (4) E=M(τ_b-τ_c )^a <br /> Bui (2000) فرسایش رسوبات از بستر به عنوان جرم رسوبات جابه‌جا شده توسط تنش‌برشی بستر در نظر گرفت و رابطه زیر را ارائه داد:<br /> (5) E=ε(τ_b-τ_s ) <br /> 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:<br /> (6) E=M_e (τ_b-τ_c )<br /> 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:<br /> (7) <br /> <br /> E_0 و K_3 از طریق آزمایشات تعیین شدند و به خصوصیات رسوبات بسیار حساس هستند در حال حاضر بررسی میزان فرسایش رسوبات چسبنده یک بخش مهم در سازه‌های انتقال آب، با استفاده از پیش‌بینی و تعیین رفتار رسوبات می‌باشد. از طرفی در مناطق خشک منابع آب تجدیدپذیر نظیر پساب تصفیه شده شهری به عنوان یک ذخیره آبی مطمئن در برنامه‌ریزی منابع آب به منظور تأمین نیاز بخش صنعت و کشاورزی مورد توجه قرار می‌گیرد. خصوصیات شیمیایی پساب موجب تغییر رفتار رسوبات چسبنده در کانال‌های انتقال آب می‌شود. از این رو در این تحقیق با استفاده از یک فلوم دایره‌ای به بررسی نرخ فرسایش رسوبات چسبنده در دوره‌های تحکیم مختلف پرداخته شد. در این راستا آزمایش‌ها در سه حالت آب خالص، سیال حاوی 30 و 60 درصد پساب انجام و دوره تحکیم رسوبات در بستر فلوم 1، 3، 14 و 28 روز در نظر گرفته شد. نتایج نشان می‌دهد در تمام دوره‌های تحکیم در ابتدای زمان اعمال تنش برشی، نرخ فرسایش به دلیل حضور رسوبات سطحی ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد. بیشترین نرخ فرسایش در سیال حاوی 60 درصد پساب و در تنش برشی 35/2 نیوتن بر مترمربع رخ داد. همچنین با افزایش دوره تحکیم اختلاف نرخ فرسایش در پساب 30 درصد، با آب خالص و 60 درصد پساب افزایش می‌یابد که این امر به دلیل وجود بالاتر بودن شاخص ESP بیشتر در شرایط 30 درصد پساب است. در دوره تحکیم‌های یکسان بیشتر بودن شاخص ESP در سیال حاوی 30 درصد پساب که منجر به پخشیدگی بیشتر ذرات، عمق ته‌نشینی بیشتر و پوکی کمتر گردید. https://jhyd.iha.ir/article_105496_3750ca1490724cf77e0e9888c50874f3.pdf