برآورد ضريب زبري مانينگ به روش حل معكوس با استفاده از داده‌هاي مشاهداتي (مطالعه موردي: رودخانه سانيج - يزد)

مقدمه و هدف: ضريب زبري هيدروليكي رودخانه ‎ها يكي از مهم‌ترين عوامل در ايجاد طرح، طراحي، بهره‌برداري و نگهداري از پروژه‌هاي منابع آب در مطالعات مهندسي رودخانه مي‎ باشد. مقدار ضريب زبري هيدروليكي در شرايط متنوع و پيچيده رودخانه‌ها متغير بوده و از عوامل مختلفي متأثر مي‌باشد، معمولاً در مدل‌هاي هيدروليكي ضريب زبري بيشترين حساسيت را نسبت به ساير پارامترها نشان مي‌دهد. تخمين صحيح ضريب زبري مي ‎تواند به بررسي دقيق‎ تر هيدروليك جريان و شرايط رودخانه كمك كند. باوجود تلاش هاي بسيار، عدم توانايي تخمين دقيق ضريب زبري و استفاده از مقدار ثابت مانينگ (n)، عامل اصلي خطا در شبيه‌سازي سيل و محاسبه عمق جريان است. معمولاً ضريب زبري جريان ثابت نيست و با تغييرات عمق آب به‌صورت پويا تغيير مي‌كند. بهترين روش براي تعيين زبري، اندازه‌گيري دبي و محاسبه n مانينگ از طريق حل معكوس معادله مانينگ مي ‎باشد. هدف اصلي مطالعه حاضر تعيين دقيق‎تر ضريب زبري رودخانه سانيج در محل بالادست ايستگاه هيدرومتري فيض ‎آباد در استان يزد مي‎ باشد. مواد و روش‎ ها: منطقه موردمطالعه در تحقيق حاضر حوزه آبخيز سانيج در 30 كيلومتري شهر يزد در شهرستان تفت، استان يزد قرار دارد. اين حوضه 153.173 كيلومترمربع مساحت دارد. براي دستياب به اهداف تحقيق پس از انجام مطالعات ميداني از ايستگاه هيدرومتري فيض‌آباد در خروجي حوضه آبخيز سانيج جهت جمع ‎آوري داده ‎هاي دبي سيلاب و دبي- اشل موردنياز در منطقه مطالعاتي استفاده شد؛ بنابراين از طريق حل معكوس روابط مربوطه و تعيين ساير پارامترهاي هيدروليكي از قبيل سرعت، شيب، شعاع هيدروليكي، مقدار ضريب زبري مانينگ برآورد شد. اندازه‎ گيري شيب با دستگاه شيب‎ سنج و همچنين ترازياب انجام شد. يافته ‎ها: بررسي‎ ها نشان داد، كمترين ضريب زبري معادل 0/034، مربوط به دبي 180 مترمكعب در ثانيه و بيشترين مقدار آن مربوط به دبي 2/083 مترمكعب در ثانيه معادل 0/119 مي‎باشد. با كاهش دبي ضريب زبري افزايش مي‎يابد. تابع تغييرات ضريب زبري نسبت به دبي با2R  معادل 0/80 بيانگر رابطه معكوس و معني دار دبي و ضريب زبري و تابع شعاع هيدروليكي و دبي با مقدار2R  معادل 0/944 بيانگر رابطه معني‎ دار و مستقيم دبي و شعاع هيدروليكي است. همچنين ضريب زبري با شعاع هيدروليكي داراي رابطه معكوس در سطح پايين‎ تر معني‌داري است. هر سيل با رسوب‎ گذاري متفاوت، زبري متفاوتي ايجاد مي‎ كند؛ بنابراين ضريب زبري مانينگ بسته به تغييرات قطر ذرات متفاوت خواهد بود. معمولاً مسيل‎ ها يا رودخانه ‎هاي مناطق خشك كه به‌صورت موقتي هستند، در شاخه نزولي هيدروگراف و پايان سيل، قطعات درشت ‎تر بر سطح بستر باقي‌مانده و در برآورد ضريب زبري مانينگ به‌صورت تجربي و بازديد محلي خطا ايجاد مي‎ كند. خطاي ظاهري ناشي از به‌جا ماندن قطرهاي بزرگ‌تر ذرات در سطح بستر و حمل ذرات ريز توسط جريان مي ‎باشد. از سوي ديگر در حين جريان جهت‎ يافتگي رسوبات عموماً در راستاي مسير حركت سيل مي‎ باشد كه كمترين زبري هيدروليكي را ايجاد مي‎ نمايد؛ ولي با كاهش شدت سيل و به‌جا ماندن ذرات درشت‎ دانه علاوه ‎بر افزايش زبري هيدروليكي، زبري تصادفي ذرات كه در ضريب زبري مانينگ نقش مؤثري دارد افزايش مي‎ يابد. در دبي ‎هاي كه عمق جريان پايين‎ تر از90D باشد، يا از قطر قلوه ‎سنگ‎هاي بزرگ در بستر كمتر است، ضريب زبري مانينگ تحت شرايط استاتيكي- هيدروليكي به بيشترين مقدار خود مي‎رسد و در دبي‎هايي با عمق بيشتر از D90  به ‎دليل شرايط خاص هيدروديناميكي، كمترين مقدار ضريب زبري مانينگ مشاهده شد. به‎ عبارتي در دبي‎ هاي بالا ارتباط ضريب زبري بر كل جريان كاهش‌يافته و لذا با افزايش عمق جريان مقدار n كاهش مي‎ يابد و شعاع هيدروليكي افزايش مي ‎يابد. اين پديده بيشتر در مسيل‎ ها و رودخانه ‎هاي سنگلاخي ديده مي ‎شود. تحقيق حاضر نشان داد كه در رودخانه‎ هاي مناطق خشك و قلوه ‎سنگي معمولاً به‎ خاطر وجود قلوه ‎سنگ‎ هاي درشت در كف بستر خشك با مقادير بيش برآوردي ضريب زبري مانينگ مواجه مي ‎شويم. اين پديده به‌خصوص در سيلاب‎ هايي با دبي كمتر به‌خوبي ديده مي‎ شود و علت اين امر را مي ‎توان با كاهش زبري هيدروليكي در بستر حين جريان سيل مرتبط دانست. اين پديده مي‎ تواند در بيش برآوردي يا كم ‎برآوردي ضريب زبري مؤثر باشد. نتيجه‌گيري: نتايج نشان داد ضريب زبري در محدوده مطالعاتي از 0/034 تا 0/119 تغيير مي‎كند و با دبي رابطه معكوس و معنادار با2  0/8دارد. همچنين ضريب زبري با شعاع هيدروليكي رابطه معكوس باR2  معادل 0/59 دارد. ضريب زبري ثابت نيست و در رخدادهاي مختلف تغيير مي‎ كند. نتايج نشان داد، دبي‎ هايي كه عمق آن كمتر از90  D باشد ضريب زبري مانينگ به بيشترين مقدار خود معادل 0/11 مي‎ رسد و در دبي ‎هايي با عمق بيش از90  Dكه ارتفاع سيل از 50 سانتي ‎متر بالاتر است كمترين مقدار ضريب زبري مانينگ را داريم، چنانچه در دبي 115 مترمكعب در ثانيه مقدار ضريب زبري n تا مرز 0/034 كاهش پيدا مي ‎كند. ضريب زبري در رخدادهاي مختلف ناپايدار است، زيرا در حين عبور جريان و يا در شاخه ‎هاي صعودي و نزولي هيدروگراف سيل بسته به سرعت و قدرت جريان دانه ‎بندي بستر به‌صورت ديناميكي در حال تغيير بوده و ضريب زبري مانينگ (n) به‌صورت لحظه‎ اي تغيير مي ‎كند. در هنگام اوج جريان درك ضريب زبري هيدروديناميكي مشكل بوده و مي‎ تواند بيش برآوردي يا كم ‎برآوردي ضريب زبري را در پي داشته باشد؛ بنابراين بهتر است اين مورد جهت دست‎يابي به مقادير دقيق ‎تر ضريب زبري در مطالعات مهندسي رودخانه در نظر گرفته شود.