ارزیابی ارتباط عوامل مؤثر بر ضریب زبری مانینگ و سرعت برآوردی جریان‌آب در رودخانه قره‌سو، اردبیل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم اجتماعی، دانشگاه محقق اردبیلی

2 دانشیار گروه منابع طبیعی و عضو پژوهشکده مدیر یت آب، دانشگاه محقق اردبیلی

3 استادیار گروه زمین‌شناسی، دانشگاه نفت امیدیه

4 کارشناسی‌ارشد ژئومورفولوژی، دانشکده علوم اجتماعی، دانشگاه محقق اردبیلی.

10.22034/gmpj.2022.197570.1081

چکیده

سرعت جریان تحت‌تأثیر مقاومت پوشش‌گیاهی درختچه‌ای، بوته‌ای و علفی در بستر و سواحل رودخانه‌ها و سیلاب‌دشت‌ها قرار دارد. با کاهش سرعت جریان، عمق جریان در مسیر افزایش می‌یابد که نتیجه آن، طغیان جریان در سیلاب‌دشت رودخانه است. در پژوهش حاضر، تأثیر پوشش‌گیاهی و عوامل مؤثر بر ضریب زبری مانینگ و برآورد سرعت جریان آب رودخانه‌ای مورد ارزیابی قرار گرفت. برای انجام این پژوهش به‌صورت برداشت میدانی، خصوصیات پوشش‌گیاهی و سرعت جریان در 24 مقطع عرضی در بازه‌ای به‌طول 70/16 کیلومتر از رودخانه قره‌سو اردبیل (محدوده روستای انزاب تا پل‌سامیان)، اندازه‌گیری شد. سپس ضریب ‌زبری مانینگ با روش کوان برای هر یک از مقاطع رودخانه محاسبه شد. هم‌چنین به‌منظور بررسی ارتباط بین متغیرها و تأثیر آن‌ها بر یکدیگر، از آزمون همبستگی پیرسون در محیط نرم‌افزار SPSS، استفاده شد. نتایج پژوهش نشان می‌دهد که عمق جریان به‌ترتیب با سرعت جریان و عرض جریان رابطه معکوس معنی‌دار (889/0- r=، 934/0- r= و 01/0>p) و با ضریب زبری مانینگ رابطه مستقیم معنی‌دار (357/0- r= و 05/0 >p)، دارد. هم‌چنین، عرض‌جریان نیز به‌ترتیب با ضریب زبری مانینگ، رابطه معکوس معنی‌دار (387/0- r= و 05/0>p)، با سرعت جریان رابطه مستقیم معنی‌دار (941/0r= و 01/0 >p) دارد. ضریب زبری مانینگ به‌ترتیب با سرعت جریان، دبی رودخانه، شعاع هیدرولیکی و عرض جریان رابطه معکوس معنی‌دار (347/0- r=، 474/0- r=، 412/0- r=، 387/0- r=، و 05/0>p دارد. هم‌چنین نتایج پژوهش نشان داد که همبستگی مقادیر سرعت برآورد شده و اندازه‌گیری شده، نشان‌دهنده صحت قابل قبول معادله کوان در برآورد ضریب زبری و سرعت جریان در بازه‌های رودخانه موردمطالعه است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of the relationship between factors affecting Manning roughness coefficient and estimated water flow velocity in Gharasoo river, Ardabil

نویسندگان [English]

  • Fariba Esfandiyari Darabad 1
  • Raoof Mostafazadeh 2
  • Ahmad Abyat 3
  • Ahmad Naseri 4
1 Associate Professor, Department of Natural Geography, Faculty of ُSocial Sciences, University of Mohaghegh Ardabili
2 Assistant Professor, Department of Natural resources and member o Water Management Research Center, University of Mohaghegh Ardabili
3 Assistant Professor, Geology Department, Islamic Azad University, Omidiyeh Branch
4 M.Sc. student of Geomorphology, Faculty of Humanities, University of Mohaghegh Ardabili
چکیده [English]

Extended Abstract

Introduction:

The main effect of vegetation in the rivers course is on the flow velocity. The velocity is affected by different vegetation type such as shrub, bush and grass-like in the bed, river side and floodplain. The water velocity at a river channel cross-section tends to decrease, due to the effects of vegetation stems and leaves by the flow resistance. As the flow velocity decreased, the water depths increase, which results the backwater and flooding of the floodplains. The regular and irregular (typical of many natural channels) geometric shape are different cross section types within the reach, which affect the flow characteristics especially during floods. The Manning’s n is a coefficient which characterizes the roughness of the river channel cross section and longitudinal variations. Manning’s n-values are often defined from tables, but can be estimated from field measurements. The selection of a Manning’s roughness coefficient value is depending on the expert judgment and can strongly affect computational results of the river flow velocity and discharge. In the present study, the effect of vegetation cover and the affecting factors of Manning roughness coefficient and flow velocity estimation were investigated. The aim of this work is to study the variation of Manning roughness coefficient (n) with the distance and flow river geometry along a river flowing in a low-lying plain.

Methodology

In order to conduct this research, the characteristics of the vegetation and water flow velocity were recorded through field survey in 24 cross sections. The study area was a reach of the Qarehsou River, (from Anzab to Poleh Samian locations in a 16.70 km river length). Field measurements of flow velocity and evaluation of Qharahsoo riverbed were performed in May 2016. It should be noted that in the mentioned season, the river flow has a moderate flow that is fed through tributaries that originate from the forest area of Fandolo, Abi Begloo and upstream of Namin. The type and density of vegetation in the studied periods is different and is a combination of shrubs (turmeric), herbaceous plants (grasses, weeds) and in some cases natural trees (willow) or plantation (poplar). In the present study, the effect of vegetation on flow velocity has been evaluated through the instructions in the standard table for estimating vegetation conditions in calculating the roughness coefficient. Then the manning coefficient were estimated using the Cowan method for each river cross-section. Also, the relationship between vegetation related and flow depended variables inter-relationship were tested using Pearson correlation method in the SPSS software.

Results and Discussion

The values of Manning’s roughness coefficient, n found in this study is in the range of 0.0275 to 0.0831. According to the results, the flow depth had a significantly inverse relationship (r=-0.889, r=-0.934, p<0.01) with the velocity and the channel width. While, a negative significant correlation (r=-0.375, p<0.05) exists between the flow depth and manning roughness coefficient. Also, stream width had a negative correlated with Manning coefficients (r =-0.387, p<0.05), and had a direct relationship with flow velocity (r =0.941 and p<0.01). The value of manning roughness coefficient decrease, the amount of flow velocity, discharge, hydraulic radius, and flow width increases (r=-0.347, r=-0.474, r= -0.412, r=-0.387, with p<0.05 significance level). The variations of n manning roughness is due to changes of the river cross-sections, the flow depth and velocity, and the irregularities of the bed forms which affect the estimated flow velocity.

Conclusions

Also, the results showed that the estimated and measured velocity had an acceptable agreement, which is proved using the Pearson correlation coefficient. The accuracy of the velocity estimation indicates the ability of the Cowan method in manning roughness coefficient estimation and flow velocity. River channel geometry and stream flow characteristics are inter-related in natural channels with irregular condition. Variations in the geometry and vegetation of the river channel can impact stream velocity and resulted discharge estimation. In general, based on the results of the range of computational values, the minimum and maximum Manning roughness coefficients of 0.0275 and 0.0836 show that the values presented in the range are close to the roughness coefficient of natural rivers. It should be noted that the studied Qharahsoor River reaches passes through the agricultural lands of Ardabil plain, so the impact of agricultural land use and human interventions in the destruction of vegetation is evident and is one of the cases that has changed the dynamics of flow and erosion. In many cases, agricultural lands have been plowed along the river, and the removal of vegetation has caused sloping shores and intensified erosion. The relationship between discharge variables and the rate of erosion along the river bank and the bed is one of the items that can be studied in future research. According to the results, Manning's coefficient variations is influenced by the river morphometry and the vegetation characteristics in the cross section of the river. The manning equation in the studied meander river provide reliable results for flow velocity estimation, flood routing and inundation simulation studies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Qarehsou river
  • River morphology
  • Manning roughness
  • Vegetation cover
  • Hydraulic radius
ابراهیمی، ن.، فتحی‌مقدم، م.، کاشفی‌پور، س.م.، ابراهیمی، ک.، و صانعی، م. 1387. مطالعه تأثیر پوشش‌گیاهی مستغرق بر ضریب زبری رودخانه‌ای، آب، گیاه و خاک در کشاورزی، جلد 8، شماره 1 (ب)، صص 87-79.
ابراهیمی، نادر قلی.، ؛ فتحی‌مقدم، م.، کاشفی‌پور، س.م.، ابراهیمی، ک. 1388. بررسی رابطه ضریب زبری مانینگ با عمق و سرعت نسبی جریان تحت‌تأثیر تراکم پوشش‌گیاهی، هشتمین سمینار بین‌المللی مهندسی رودخانه، اهواز، صص 9-1.
ابراهیمی ن.، شیردلی، ع.، نیکخواه جوان، ا.، و حسینی، م. 1395. تأثیر پوشش گیاهی بستر آبراهه بر هیدرولیک جریان و فرم بستر. مهندسی و مدیریت آبخیز، دوره 8، شماره 2، صص 192-182.
اسفندیاری درآباد، ف.، بخشنده، ر.، رحیمی، م.، حاجی، خ.، مصطفی‌زاده، ر. 1399. طبقه‌بندی و تحلیل ژئومورفولوژیکی بخشی از رودخانه حمزه‌خانلو با استفاده از مدل رزگن. هیدروژئومورفولوژی، دوره 7، شماره 29، صص 39-59.
اسفندیاری درآباد، ف.، حمزه‌ای، م.، علائی، ن.، مصطفی‌زاده، ر. 1399. تغییرات مکانی سنجه های سیمای سرزمین در پوشش گیاهی جوامع حاشیه متاثر از نوع کاربری اراضی در رودخانه قره سو استان اردبیل. آمایش جغرافیایی فضا. دوره 10، شماره 38، صص 234-219.
اسفندیاری درآباد، ف.، مصطفی‌زاده، ر.، ناصری، ا.، عبیات، ا. (1400). تعیین الگوی پیچان‌رودی رودخانه‌ قره‌سو با استفاده از شاخص‌های ضریب ‌خمیدگی و زاویه ‌مرکزی (محدوده روستای‌ انزاب تا پل‌سامیان). تحقیقات کاربردی علوم جغرافیایی، دوره 21، شماره 61، صص 131-119.
افخمی، م.، و فرزین نصیری صالح، ف. 1394. ارزیابی عملکرد مدل‌های هیدرولوژیکی توزیعی و یکپارچه در شبیه‌سازی متوسط روزانه دبی جریان درحوضه آبریز رودخانه قره‌سو ـ اردبیل، مهندسی عمران مدرس، دوره 15، صص 40-31.‎
آفریدگان، ا.، و خلیلیان، س. 1397. تاثیر پوشش گیاهی بستر رودخانه در آنالیز مولفه‌های آشفتگی جریان. کنفرانس ملی تحقیقات بنیادین در عمران،معماری و شهرسازی، تهران.
باقری، س.ا. 1387. بررسی اثر پوشش گیاهی در دیواره‌ها و قلوه‌سنگ با تراکم‌های مختلف در بستر بر مولفه‌های جریان آشفته. پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان.
حاج‌غنی، م.، گلستانی، س.، ذونعمت کرمانی، م.، و بارانی، غ.ع. 1401. بررسی آزمایشگاهی اثر تراکم پوشش گیاهی بستر کانال بر رفتار هیدرولیکی جریان. مهندسی آبیاری و آب ایران. دوره 12، شماره 3، صص 18-1.
حاجی، خ.، میرزایی، ش.، مصطفی‌زاده، ر.، و نظرنژاد، ح. 1396. تغییرات ماهانه شدت و تمرکز رواناب سطحی در رودخانه‌های حوزه گرگانرود استان گلستان، هیدروژئومورفولوژی، دوره 4، شماره 13، صص 146-121.
شفاعی بجستان، م. 1378. هیدرولیک رسوب. انتشارات دانشگاه شهید چمران اهواز. 496 ص.
عباسی، ع.ا.، و ملک نژادیزدی، م. 1391. بررسی عوامل مؤثر بر ضریب مانینگ در رودخانه‌ها و ارائه رابطه‌ای جدید جهت تخمین آن (مطالعه موردی: رودخانه فریزی)، آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، دوره 26، شماره 5، صص 1317-1308.
فتحی‌مقدم، م.، شمال‌نسب، ب.، و مسجدی، ع. 1387. تأثیر پوشش‌گیاهی غیر مستغرق در آبگذری رودخانه‌ها، چهارمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه ‌تهران، صص 111-96.
فلاحتگر، م.، بهره‌مند، ع.، شیخ، و.ب.، و اترک چالی، ع. 1389. بررسی تأثیر وجود پوشش‌گیاهی بر ضریب زبری مانینگ دامنه در مراتع آق‌قلا گرگان، حفاظت آب و خاک جلد 17، شماره 3، صص 141-125.
کرمی، م.، و مجدزاده‌طباطبایی، م. 1388. توسعه مدل تحلیلی اثر پوشش‌گیاهی در تعیین هندسه پایدار رودخانه‌های شنی، نشریه مهندسی عمران و نقشه برداری-دانشکده فنی، دوره 34، شماره 1، صص 115 -105.
کریمی، ر. 1394. راهنمای آسان تحلیل آماری با SPSS، انتشارات هنگام، چاپ اول، تابستان 1394، ص 314.
محسنی، م.، و توکلی، ف. 1400. برآورد پروفیل سطح آب در کانال مرکب با وجود پوشش‌گیاهی در سیلابدشت. آبیاری و آب ایران، دوره 11، شماره 3، صص 19-1.
معاونت برنامه‌ریزی و نظارت راهبردی. 1391. راهنمای مطالعات ریخت شناسی رودخانه‌ها. نشریه شماره 592. 166ص.
میرزایی، س.، اسدزاده، ف.، و نظرنژاد، ح. 1396. برآورد ضرایب زبری مانینگ و دارسی-ویسباخ در سطح یک خاک لسی تحت پوشش‌های متفاوت سنگریزه سطحی، پژوهشنامه مدیریت حوزه آبخیز، سال 8، شماره 15، صص 81-73.
نیک‌منش م.ر. 1390. پیش‌بینی تاثیر پوشش گیاهی بر ضریب زبری هیدرولیکی کرانه و بستر رودخانه خشک شیراز. علوم و مهندسی آب. دوره 1، شماره 3، صص 54-41.
نیکوبخت، ا.، حمیدی فر، ح.، و کشاورزی، ع. 1397. تأثیر پوشش گیاهی غیرمستغرق سیلاب دشت بر تغییرات بستر رودخانه های مئاندری ملایم با مقطع مرکب. اکوهیدرولوژی، دوره 5، شماره 2، 470-461.
Barenes, H.H. (1967). Roughness Characteristics of Natural Channels, U.S. Geological Survey, Water-Supply. https://doi.org/10.3133/wsp1849
Boiten, W., (2003), Hydrometry, A.A., Balkema Publishers, Swets and Zeitlinger B.V., Lisse, The Netherlands, pp: 248.
Cavalcante, D.M, Chaves, M.T.L., Campos, G.M., Cantalice, J.R.B., Junior, G.B. 2021. Sediment transport and roughness coefficients generated by flexible vegetation patches in the emergent and submerged conditions in a semiarid alluvial open-channel. Ecological Indicators, 125: 107472.
Chiew, Y., and Tan, member ASCE (1992), Friction resistance of overland flow on tropical turfed slop, Jornal of Hydraulic Engineering, Vol. 118, No. 1, PP. 92-97.
Chow, V.T., (1959), Open channel hydraulics. McGraw-Hill Book Company, Inc, New York, pp: 3-127.
Copeland, R., (2000), Determination of Flow resistance coefficients due to shrubs and woody vegetation, US Army Corps of Engineers, ERDC/CHL CHETN-VIII-3, pp. 1-8.
Cowan, W.L., (1956), Estimating hydraulic roughness coefficients, Agricultural Engineering, No. 377, pp. 473- 475.
Crosato, A., and Saleh, M., (2010), Numerical study on the effects of floodplain vegetation on river planform style, Article first published online: 28 SEP 2010, DOI: 10.1002/esp.2088.
Dunkerley, D.L., (2002), Surface tension and friction coefficients in shallow, laminar overland flows through organic litter, Earth Surface Processes and Landforms, No. 27, pp. 45-58.
Jarvela, J., (2002), Flow resistance of flexible and stiff vegetation: A Flume study whit natural plants, Journal of Hydrology, Vol. 269, No. (1-2), pp. 44-54.
Kim, J.S., Lee, C.J., Kim, W., Kim, Y.J. (2010). Roughness coefficient and its uncertainty in gravel-bed river. Water Science and Engineering, 3(2): 217-232.
Landau, S., (2004), A handbook of statistical analyses using SPSS, CRC Press. ‏pp: 339.
Luppi, L., Rinaldi, M., Teruggi, L.B., Darby, S.E., and Nardi, L., (2009), Monitoring and numerical modelling of riverbank erosion processes: a case study along the Cecina River (central Italy), Earth Surface Processes and Landforms, Vol. 34, No. 4, pp. 530-546.‏
Merry, M.A., (2017), Experimental study for determine Manning's coefficient with different slopes and channel bed materials, Kufa Journal of Engineering, Vol. 8, No. 3, pp. 76-88.
Samani, J.M.N., and Kouwen, N., (2002), Stability and erosion in grassed channels, Jornal of Hydraulic Engineering, ASCE. Vol. 128, No. 1, pp. 40-45.
Simon, A., and Collison, A., (2002), Quantifying the mechanical and hydrologic effects of riparian vegetation on streambank stability, Earth Surface Processes Landforms, Vol. 27, pp. 527-546.