پایان نامه با واژه های کلیدی جریان، انرژی، میتوان، دارسی

دشت های بیله ور و میاندربند از دشتهای حاصلخیز و با اهمیت در محدوده استان کرمانشاه بوده که هم از لحاظ آبهای سطحی ( باتوجه به منابع آب سطحی موجود) و هم از لحاظ آب زیرزمینی از غنای خوبی برخوردار است. با احداث شبکه آبیاری و زهکشی سد گاوشان، بررسی میزان نشت از کانال های منطقه در برآورد هدر رفت آب در مدت زمان طولانی بسیار حائز اهمیت است. از آنجا که نشت از کانال امری مهم در از دست دادن آب در طی انتقال است علاوه بر هدر رفتن منابع آبی، باعث میشود که سطح آب زیرزمینی بالا بیاید و میتواند باعث شوری خاک در مناطق با تبخیر بالا شود. از سوی دیگر نشت کانال میتواند به حفظ سطوح آبهای زیرزمینی کمک کند و از رشد گیاه یا منابع آب در مناطق روستایی حمایت کند. بنابراین به طور مفیدی میتوان به فرآیند نشت کانال، عوامل مؤثر برآن وچگونگی نفوذ آب پی برد.
با استفاده از نتایج به دست آمده در این تحقیق و اصلاح ضرائب موجود در روابط تجربی میتوان به ارائه راهکارهای مدیریت بهینه بهرهبرداری از منابع آب و رفع نواقص احتمالی و همچنین استفاده از فرمول های تجربی در منطقه منطقه مورد مطالعه پرداخت.
فصل دوم
کلیات و پیشینه تحقیق
2-1- مقدمه
آب موجود در خاک مانند دیگر اجسام میتواند انرژی را به مقادیر و شکلهای مختلف در خود داشته باشد. فیزیک کلاسیک دو نوع اصلی انرژی را از یکدیگر متمایز میسازد: انرژی جنبشی و انرژی ذخیره ای یا پتانسیل. از آنجا که حرکت آب در خاک به کندی صورت می گیرد و با توجه به اینکه انرژی جنبشی با مجذور سرعت نسبت مستقیم دارد میتوان از انرژی جنبشی آب خاک صرفه نظر کرد. انرژی پتانسیل آب خاک برعکس انرژی جنبشی آن از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در واقع مقدار این انرژی است که حالت و نیز حرکت آب در خاک را تعیین میکند.
تمایل خود انگیز و فراگیر تمام مواد در طبیعت این است که از نقطه ای که انرژی بیشتر است به نقطه ای که انرژی کمتر دارد، حرکت کنند تا زمانیکه جسم با مواد اطراف خود از نقطه نظر انرژی ایجاد تعادل نماید. آب موجود در خاک نیز از این قاعده کلی مستثنی نیست و برای ایجاد چنین تعادلی، دائما در جهت کاهش انرژی (در مقایسه با محیط مجاور) و نه مقدار مطلق آن، در حرکت است.
نیروهای مختلفی بر روی آب خاک تاثیر میگذارند که مقدار و جهت این نیروها در تعیین انرژی پتانسیل آب خاک موثر است. پتانسیل کل آب خاک، h ، بصورت معادله (2-1)، شامل اجزاء زیر است :
(2-1)
که در آن hz پتانسیل ثقلی، hp پتانسیل فشاری وho پتانسیل اسمزی می باشد ( ابن جلال و همکاران 1384) .
2-2- معادلات و قوانین حرکت آب در خاک
2-2-1- مروری بر قانون دارسی
یکی از قوانین اساسی حرکت آب در خاک قانون دارسی1 است. اولین مطالعه تجربی جریان آب زیرزمینی در سال 1856 توسط هنری دارسی انجام شد. وی نتیجه گرفت که جریان یک بعدی آب از میان یک لوله پر از ماسه، متناسب با مساحت سطح مقطع عرضی و افت بار هیدرولیکی در طول لوله بوده و نسبت عکس با طول جریان دارد (شکل2-1 و 2-2 ). قانون دارسی با رابطه (2-2) بیان میشود.
(2-2)
که در این رابطه دبی تخلیه، ثابت تناسب (هدایت هیدرولیکی)، مساحت سطح مقطع عرضی و شیب هیدرولیکی میباشد. این معادله میتواند بر حسب دبی ویژه یا شار دارسی بصورت رابطه (2-3) بیان شود.
(2-3)
رابطه اخیر برای جریان یک بعدی و افقی استفاده میشود، اما بار هیدرولیکی در آبخوان تابعی از سه بعد است شکل سه بعدی فرمول دارسی به صورت رابطه (2-4) است:
(2-4) شکل(2-1) آزمایش قانون دارسی برای جریان یک بعدی افقی
برای جریان در لایه شیبدار رابطه دارسی یک بعدی به صورت رابطه (2-5) میباشد:
(2-5)
شکل(2-2) آزمایش قانون دارسی برای جریان یک بعدی دارای شیب ?
همانگونه که در شکل (2-2) نشان داده شده است، در رابطه دارسی، A کل سطح مقطع عرضی در جهت عمود بر مسیر جریان را که شامل ذرات جامد و خلل و فرج است را نشان میدهد. در این صورت، سرعت به دست آمده سرعت واقعی جریان آب نبوده بلکه سرعت مجازی آن است. بنابراین در مباحث حرکت آب در خاک اصطلاحا سرعت ظاهری2، سرعت تخلیه3 نامیده شده و با علامت مشخص میگردد. پس میتوان بصورت رابطه (2-6) نوشت:
(2-6)
سرعت حقیقی حرکت آب در داخل خلل و فرج و مجاری خاک، سرعت نشت4 نام دارد. بین سرعت نشت و سرعت ظاهری رابطه (2-7) برقرار است :
(2-7)
که در آن n نسبت تخلخل و e درجه پوکی خاک است.
سرعت حقیقی حرکت ذرات آب با هیچ یک از سرعتهای نشت و ظاهری مساوی نخواهد بود اما از آنجاییکه تعیین سرعت حقیقی عملا غیر ممکن است معمولا یکی از سرعت های فوق (عموما سرعت ظاهری) در محاسبات مربوط به جریان آب در خاک مورد استفاده قرار میگیرد (ابن جلال و همکاران 1384).
قانون دارسی در شرایطی معتبر است که جریان از نوع آرام ( ورقه ای)5 باشد، زیرا انرژی که در جریان های متلاطم6 بر اثر تلاطم هدر میرود در این قانون به حساب نیامده اس ت. از آنجا که جریان آب در خاک معمولا از نوع آرام میباشد، بخوبی میتوان از قانون دارسی در اکثر موارد استفاده نمود.
ضریب تناسب k در فرمول دارسی هدایت هیدرولیکی نامیده میشود. این ضریب بیان کننده سهولت انتقال سیال در محیط متخلخل است. بنابراین این ضریب به خصوصیات محیط و مایع عابر از آن بستگی دارد. خصوصیات مورد نظر مایع در این رابطه واحد وزن و لزوجت آن میباشند. از جمله خصوصیات محیط، تخلخل، توزیع اندازه ذرات و شکل ذرات را شامل میشود.
از طریق آنالیز ابعادی یا استخراج معادله دارسی از طریق تحلیلی، رابطه (2-8) برای هدایت هیدرولیکی به دست می آید:
(2-8)
که در آن k (بعدنفوذپذیری ذاتی) از خصوصیات منحصر بفرد محیط متخلخل است (کشکولی 1378). 2-2-2- معادله برنولی
از معادله برنولی برای تعیین انرژی آب در حال حرکت و در نتیجه نیروی محرکه آن میتوان استفاده نمود. انرژی در واحد حجم مایع در امتداد خطوط جریان برای جریان ماندگار و بدون شتاب با معادله زیر بیان
میشود:
(2-9)
که در آنجرم مخصوص مایع، سرعت مایع، فشار مایع، وزن مخصوص مایع و فاصله عمودی از سطح مرجع تا نقطه مورد نظر در مایع میباشد.
جریان ماندگار بدین معناست که سرعت جریان در کلیه نقاط مایع با زمان ثابت است. اگر تابع زمان نباشد میتوان رابطه (2-10) را نوشت :
(2-10) کلیه جملات معادله فوق بصورت انرژی در واحد حجم بیان میشود. جمله اول معرف انرژی جنبشی و دو جمله بعدی انرژی پتانسیل را نشان میدهند. این معادله انرژی به فرضیه برنولی7 معروف است (رحیمی 1389). 2-2-3- رابطه ریچارد
یک منشور بسیار کوچک خاک به ابعاد مطابق شکل (2-3) نشان داده شده است. ابعاد این منشور در جهت محورهای متعامد و انتخابی x، y ، z قرار دارد. اگر مولفه های سرعت جریان در مواقع ورود به این منشوردر جهات مذکور Vx، Vy، Vz باشد، چون درجه تغییرات سرعت در جهات یاد شده برابر بااست، مولفه سرعت در موقع خروج از منشور برابر میشود با :
(2-11) شکل(2-3) منشور مولفه های سرعت در رابطه ریچارد
چنانچه عیار حجم آب موجود در خاک با نشان داده شود، درجه تغییرات آب موجود در خاک منشور مورد نظر نسبت به زمان، برابر میشود با معادله (2-12) :
(2-12)
بنابراین برای این منشور رابطه (2-13) و (2-14) را میتوان نوشت :
(2-13) پس :
(2-14)
عبارتست از درجه تغییرات حجم آب در خاک به زمان. بر اساس قانون دارسی میتوان نوشت : که با قرار دادن در معادله (2-14) خواهیم داشت :
(2-15)
این معادله به معادله عمومی جریان یا معادله ریچارد معروف است. با حل این معادله میتوان پروفیل عمودی آب در خاک و نیز مقدار آبی که جریان پیدا میکند را بدست آورد. برای حل آن باید شرایط مرزی و شرایط اولیه معلوم باشد (رحیمی 1389). 2-2-3-1- بررسی حالتهای مختلف رابطه ریچارد
اگر جریان آب در خاک افقی و فقط در یک جهت باشد، معادله (2-15) بصورت (2-16) ساده تر خواهد بود :
(2-16)
از آنجایکه است و در جریان افقی میباشد میتوان رابطه (2-17) را نوشت :
(2-17)
بار فشاری آب خاک است.
اگر جریان آب خاک فقط عمودی باشد معادله عمومی جریان (معادله ریچارد) بصورت رابطه (2-18) خواهد بود :
(2-18)
در اینجا نیز با توجه به اینکه است و میباشد میتوان رابطه (2-19) را نوشت(رحیمی 1389) :
(2-19) 2-2-3-2- جریان آب در خاک های اشباع
در خاکهای اشباع درجه تغییرات آب موجود در خاک نسبت به زمان برابر با صفر است، یعنی ، بنابراین معادله ریچارد به رابطه (2-20) که به آن معادله پیوستگی8 میگویند تبدیل میشود :
(2-20)
همچنین میتوان معادله عمومی جریان را برای خاکهای همگن و اشباع بصورت رابطه (2-21) نوشت :
(2-21)
در خاک های ایزوتروپ و همگن که است. معادله فوق بصورت (2-22) میباشد :
(2-22)
که به معادله لاپلاس9 معروف است. این معادله در مطالعه حرکت آب در خاک از اهمیت ویژه ای برخوردار است. معادله فوق میتواند بینهایت جواب داشته باشد. برای تعیین جواب مربوطه به یک مساله خاص، چنانچه جریان ثابت باشد، لازم است شرایط مرزی10را داشته باشیم. انواع مختلفی از شرایط مرزی میتواند وجود داشته باشد. بعنوان مثال از مرزهای غیرقابل نفوذ، سطح آزاد آب تحت الارضی، مرزهایی با فشار معلوم و دبی ورودی یا خروجی معین میتوان نام برد (رحیمی 1389). 2-2-4- خاک های غیر اشباع
سیستم آب و خاک ممکن است به صورت دو جزئی و یا سه جزئی باشد. در حالت دو جزئی خاک اشباع و فاقد هواست. بنابراین اگر در چنین شرایطی آب در خاک دارای حرکت باشد آن را حرکت در حالت اشباع گویند. در وضعیت سه فازی علاوه بر آب مقداری هوا نیز در خاک وجود دارد، لذا حرکت آب در چنین خاک هایی بصورت غیر اشباع میباشد. در هر دو حالت آب از لابلای ذرات خاک حرکت میکند. با این تفاوت که در حالت اول قسمت عمده جریان از منافذ درشت عبور میکند و کمتر در برخورد و تماس با دانه های خاک قرار میگیرد. حال آنکه در حالت دوم بسته به اینکه خاک تا چه اندازه غیر اشباع باشد جریان آب از منافذ ریزتر خاک عبور کرده و در نتیجه با اصطکاک بیشتری با ذرات خاک روبرو است. به همین دلیل جریان در حالت اشباع سریع و در حالت غیر اشباع بسته به درجه خشکی خاک آهسته می باشد. با این وجود در هر دو حالت عامل اصلی که باعث حرکت یک مولکول آب میشود اختلاف پتانسیل هیدرولیکی بین دو نقطه است. 2-2-4-1- مدل های منحنی مشخصه رطوبتی در حالت غی ر اشباع
منحنی مشخصه رطوبتی خاک نسبت به زمان و مکان متغیر است و اطلاعات لازم در مورد ویژگی های فیزیکی خاک از قبیل تخلخل، هدایت هیدرولیکی و.. ارائه میکند. از جمله عوامل موثر بر این منحنی میتوان به پدیده پس ماند، بافت و ساختمان خاک، تخلخل، شکل خلل و فرج، تراکم خاک، درجه حرارت و….اشاره کرد. روابط تجربی زیادی برای بیان کمی این منحنی موجود است که در زیر دو مورد که بیشترین استفاده را دارند، آورده شده است (خداوردی لو و همکاران 1381). * رابطه ون گنوختن11
از رایجترین مدل های مشخصه منحنی رطوبتی که بطور گسترده نیز مورد استفاده قرار میگیرد مدل وان گنوختن (1980) بصورت رابطه (2-23) است.
(2-23)
که در آن است و پارامترهای شکل هستند. این پارامتر ها تاثیر زیادی بر شکل منحنی مشخصه رطوبتی و هدایت هیدرولیکی دارند و اغلب موجب جابجایی منحنی رطوبتی در جهات عمودی (بالا و پایین) میشوند. در حالیکه (رطوبت اشباع) و (رطوبت باقی مانده) سبب جابجایی آن در جهت افقی (چپ و راست) میشوند. با دقت در رابطه اگر در رابطه فوق به سمت بی نهایت میل کند و در همان حال کمتر شود بطوریکه حاصلضرب در ثابت بماند، در مخرج کسر در مقایسه با عدد یک خیلی بیشتر خواهد بود و میتوان از عدد یک چشم پوشی کرد.
* مدل وان گنوختن اصلاح شده
اعتقاد بر این است که رابطه وان گنوختن (1980) در مکش های ماتریک نزدیک نقطه اشباع چندان کارایی ندارد. وگل و سیسلرووا12 (1988) طوری رابطه وان گنوختن را اصلاح کردند که در مکش های ماتریک نزدیک ناحیه اشباع دارای انعطاف بیشتری است. رابطه اصلاح شده آن به صورت رابطه های (2-24) و(2-25) است :
(2-24) (2-25)
که در آن و پارامترهای تجربی هستند بطوریکه و است.
رابطه بالا به مقدار مینیمم غیر صفر برای مکش ماتریک معادل رطوبت اشباع و نیز جایگزینی با منجر میشود. بطوریکه قدری بزرگتر از خواهد بود. تغییر به تاثییر چندانی بر منحنی مشخصه رطوبتی خاک ندارد اما تاثیر آن بر مقدار و شکل منحنی زیاد است. در مدل وان گنوختن اصلاح شده، طوری تعیین میشود که مقدار برابر 2- گردد. این مدل برای خاک های خیلی ریز بافت مانند خاک های رسی توصیه شده است. همچنین مقادیر ? وn در رابطه ون گنوختن با استفاده از جدول (2-1) بدست میآیند: (GMS Tutorial 1998)
جدول (2-1) ضرائب رابطه ون گنوختن
n
(1/cm) ?
نوع خاک
09/1
008/0
رس
31/1
019/0
لوم رسی
56/1
036/0
لوم
28/2
124/0
لوم ماسه
37/1
106/0
سیلت
41/1
02/0
لوم سیلت
09/1
005/0
رس سیلتی
23/1
01/0
لوم سیلتی رس
68/2
145/0
ماسه
23/1
027/0
رس ماسه ای
48/1
059/0
لوم رس ماسه ای
89/1
075/0
لوم ماسه ای
همچنین میتوان ضریب ? را از رابطه (2-26) بدست آورد:
(2-26)
پتانسیل ماتریک در نقطه p میباشد. 2-2-4-2- مدل های هدایت هیدرولیکی در حالت غیر اشباع
هدایت هیدرولیکی قدرت و توان خاک را در انتقال آب نشان میدهد. هر چه هدایت هیدرولیکی خاک بیشتر باشد، توانایی خاک در انتقال آب بیشتر خواهد بود. هدایت هیدرولیکی غیر اشباع که به آن هدایت مویینگی نیز میگویند بصورت تابعی از رطوبت یا مکش ماتریک خاک تعیین میشود. عوامل موثر بر آن بطور عمده آنهایی هستند که منحنی مشخصه رطوبتی خاک را تحت تاثیر قرار میدهند. همانند منحنی مشخصه رطوبتی رابطه]]>

Author: mitra1--javid

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *