مطالعه‌اي بر روش‌هاي تعيين زبري يك بستر شني

An Investigation on Gravel-Bed Roughness Characterization

تعیین كمّی زبری یك بستر شنی از اهمیت به سزایی در مطالعات هیدرولیكی برخوردار است. رویكرد سنتی در تعیین زبری بستر بر اساس منحنی توزیع اندازه سنگ­دانه­ها استوار است. این در حالی است كه در رویكرد نوین، تعیین زبری بر اساس ارتفاع نقطه به نقطه بستر استوار می­باشد. در این رویكرد، 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 یكدیگر مقایسه می­شوند. سپس در ادامه، رویكرد ارتفاع نقطه به نقطه در تعیین زبری بستر به تفصیل مورد بحث قرار می­گیرد. مشاهدات نشان داد كه در بین روش­های موجود بر اساس رویكرد اندازه سنگ­دانه­ها، نتایج به دست آمده از اندازه­گیری سنگ­دانه­ها با كولیس كامل­تر و دقیق­تر از سایر روش­ها است. به علاوه قیاس بستر آزمایشگاهی مطالعه حاضر و بستر طبیعی رودخانه­ها نشان داد، كه 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 یكدیگر متفاوت است. این مشاهده بیان­گر این واقعیت است كه بستر زبر بسیاری از مطالعات آزمایشگاهی كه 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.

The accurate and quantitative description of gravel bed roughness is essential in hydraulic studies. Traditional approach for characterization of random bed roughness relies on grain size distribution curve. However, in recent years, as an alternative approach, gravel bed is considered as a random field of bed elevations which varies point by point in longitudinal and transversal directions. In fact, in new approach, a more comprehensive description of the gravel bed is provided by the statistical analysis (e.g. correlations, spectra, structure functions) of bed elevations. In present laboratory study, the results of employing these two approaches to an artificial gravel bed are reported. Existing methods for estimation of grain size distribution curve (sieve analysis, image analysis and caliper measurements) are reviewed and their results are compared. The comparison shows that grain size measurement using caliper is the most suitable method. Moreover, comparison between characteristics of artificial gravel bed in present study and natural water-worked gravel bed in rivers, obtained from statistical analysis, shows that despite the simplicity of the employed method for creating our laboratory gravel bed, most of their characteristics are different. This observation highlights the importance of statistical characterization of roughness. Therefore, in laboratory study of gravel bed, it is recommended to precisely determine roughness characteristics. This will quantify the difference of natural river beds and artificial rough bed in experimental flumes.