مطالعه عددی الگوی جابجایی گودال‌های برداشت شن و ماسه با مدل‌ها‌ی یک بعدی و دوبعدی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه بین المللی امام خمینی قزوین

2 دانشگاه اراک

چکیده

اجرای پروژه‌های عمرانی متعدد مانند طرح‌های سدسازی، راه‌سازی و ساختمان‌سازی باعث تشدید نیاز به مصالح کاربردی شن و ماسه در کشور شده است. در این بین، صرفه اقتصادی، سهل‌الوصول بودن و کیفیت بالای مصالح رودخانه‌ای موجب استفاده بیش از حد ظرفیت آورد رسوبی آنها جهت تامین مصالح در پروژه‌های عمرانی شده است. چنانچه برداشت شن و ماسه تحت اصول فنی مناسب از محل‌های مناسب و نیز تحت مدیریت صحیح صورت گیرد، نه تنها تبعات منفی آن به حداقل می‌رسد بلکه عملکرد رودخانه و پایداری آن نیز افزایش می‌یابد. در این مقاله ابتدا تعدادی سناریو برای برداشت شن و ماسه از بستر رودخانه سرباز طرح‌ریزی و اثرات آن بر روی سیستم جریان رودخانه با استفاده از مدل یک بعدی شبیه‌سازی جریان و رسوب ارزیابی و تحلیل شده است. سپس نسبت به ایجاد یک گودال مصنوعی در مسیر رودخانه و اندازه‌گیری مشخصات هندسی آن در مدت زمانی یک ماه اقدام شده است. هم‌زمان نیز شبیه‌سازی عددی پاسخ سیستم رودخانه با استفاده از مدل‌های یک بعدی و دو بعدی مورد تحلیل قرار گرفته است. نتایج این تحقیق در وهله اول نشان داد که تاثیر الگوی تعمیق در بالادست محل برداشت شن و ماسه بیشتر از تاثیر تعریض رودخانه می‌باشد. یعنی تعریض 80 متری تنها باعث گودافتادگی 5/108 سانتیمتری بستر می‌شود و درمقابل تعمیق یک متری آن موجب گودافتادگی 120 سانتیمتری بستر می‌شود. لذا برداشت مصالح از بستر رودخانه در اعماق زیاد، تغییر تراز بستر رودخانه را شدیدتر خواهد کرد. ثانیاً نتایج شبیه‌سازی عددی نشان داد که مدل دو بعدی بکار رفته در شرایط یکسان از نظر خصوصیات جریان، مصالح و دانه­بندی بستر، توابع انتقال رسوب و دیگر پارامترها، نتایج قابل اعتمادتری را بدست خواهد داد. نتایج این تحقیق نشان داد که می‌توان با مدلسازی عددی گودال‌های برداشت شن و ماسه، با دقت مناسبی پیامدهای آنرا تحلیل و نسبت به انتخاب الگوی مناسب برداشت مصالح اقدام نمود.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Numerical Study of the Movement Pattern of Sand and Gravel Mining using 1D/2D Models

چکیده [English]

Several construction projects such as dam construction, road construction and building, may increased the sand and gravel materials demand in the country. However, cost savings, convenience and high quality of fluvial materials, will lead to excessive use of the sediment capacity of river in construction projects. Non normative utilization of the fluvial materials destroy the lands overlooking the river, aquatic habitats, birds, and animals of the region, and interrupt the natural balance of the rivers, as well. In many cases, the economic value of the damage, which has been done, is much more than the interest earned by the sale of the materials. If we removed sand and gravel materials from good sites, under appropriate technical principles and proper management, not only the negative consequences are minimized, also the performance and stability of the river are increased.
In case the exploitation of rivers exceeds the legal limit, the river restores its balance in response to changes. Hence, the river could be considered as a living organism and must be treated totally carefully to reduce side effects. In other words, even small changes in the structure of river, will lead to a broader range of changes. Therefore, it is necessary to predict how river responds to changes before any action is taken (Hedayatipur et al., 2010). In this research, HEC-RAS one-dimensional and CCHE2D two-dimensional models have been used to evaluate and to compare the existing sediment transport functions. Furthermore, some scenarios have been designed to sand mining at beds and banks of Sarbaz river in Sistan and Balouchestan province and its effects on hydraulic and sediment characteristics of river flow have been investigated using HEC-RAS model. The main reason to choose Sarbaz river had been illegal and successive mining from the river in recent years. Improper and excessive instream mining activities during a seven-year time period (between 2002 and 2009) has caused more than 4 meters degradation on Sarbaz riverbed, riverbanks failure, destruction of agricultural lands near Rask Village and consequent problems. Riverbank excavation has caused water diversion to this part, and riverbank erosion. This poses hazards to bridges and structures on the river.
 
Methodology:
Sand and gravel mining in the studied area of the Sarbaz river has caused disruption of the flow pattern and as a result of the concentration of the river flow, especially in case of flood to the riverbanks. The concentration of flow at the toe of the riverbank caused their erosion and followed by bank failure. Consequently it caused destruction of gardens, agricultural lands and moving to residential buildings located on the riverbank. Considering that the hydrograph with a 2-year return period is usually used for dominant discharge and the hydrograph with a return period of 25 years is used in floodway and flood fringe studies, these two have been used as the main hydrographs. To investigate the effect of various sand and gravel mining patterns on the hydraulic properties of the Sarbaz River, nine hypothetical scenarios, including removal of materials from the bed and the riverbank, were simulated in a 10-kilometer interval by a one-dimensional model, HEC-RAS. The scenarios implemented were:
1- Sand and gravel mining from the bed of the river at depths of 1, 2 and 3 meters,
2- Sand and gravel mining from the banks of the river with a width of 20, 40 and 80 meters,
3- Sand and gravel mining with a depth of 1 m from the bed and a width of 20 m at the bank, a depth of 2 m from the bed and a width of 40 m at the bank and a depth of 3 m from the bed and a width of 80 meters at the bank.
According to the above scenarios, the model was implemented for floods with return periods of 2, 25 and 50 years.
To study how sand and gravel pits moving in Sarbaz river, and to compare the results of field measurements with those of simulation by one-dimensional HEC-RAS and two-dimensional CCHE2D models, an artificial pit with 32 m length, 20 m width and 3 m depth was dug in a reach of Sarbaz river. Dimensions of the pit was surveyed using surveying instruments (theodolite camera and levelling staff) at different times. Measurements done over a period of 31 days in May 2014. The root mean square error (RMSE) has been used to evaluate each function in the selected models. In calibration step, the longitudinal profile obtained from each sediment transport function was compared with observational data, and the function that showed the least difference (using the RMSE function) was considered as the appropriate sediment transport function.
 
Results and Discussion:
The results of this study showed that the effect of degradation pattern in the upstream part of the mining site is more than that of river widening, e.g. the effect of 80 meters river widening is even less than the effect of 1 meter deepening. The maximum bed-level changes due to degradation was also 3 meters. The results of this study showed that sand and gravel removal, reduced the water level upstream of the excavation pits. In addition, due to the reduced groundwater level in the area, the results of previous studies (WCC, 1980; Majnonian, 1999; Femmer, 2003; IWRM, 2005) on the groundwater level decrease due to the decrease in the permeability of the river bed in gravel pits are confirmed. Besides reducing groundwater resources, it causes severe damage to agricultural lands. Moreover, based on the values obtained from the RMSE, two-dimensional CCHE2D model give more reliable results than HEC-RAS one-dimensional model in terms of flow characteristics, grain-size of bed material, sediment transport functions, and other parameters under the same conditions.
 
Conclusion:
The results of this study showed that the influence of degradation pattern in the upstream part of the sand and gravel mining, is more than the effect of river widening and if the material was removed from the river bed at high distances, the river bed level will be changed more severe. Finally, numerical simulation results show that in the same context of flow characteristics, grain-size of bed material, sediment transport functions and other parameters, the 2D model will obtain more reliable results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sand Gravel Mining
  • Sarbaz River
  • Sediment
  • Numerical Model
  • Simulation

اسماعیلی، رضا؛ حسین‌زاده، محمدمهدی؛ اقبالی، رضا، 1392، اثرات برداشت شن و ماسه بر ویژگی‌های ژئومورفیک رودخانه لاویچ، استان مازندران، جغرافیا و مخاطرات محیطی، شماره 6، صص. 57-70.

اصغری سراسکانرود، صیاد، 1393، تحلیل تاثیر برداشت شن و ماسه بر مورفولوژی رودخانه قرنقو (محدوده بعد از سد سهند تا روستای خراسانک)، مجله هیدروژئومورفولوژی، شماره 1، صص. 21-39.

امیری، علی؛ حقی زاده، علی؛ زینی وند، حسین؛ طهماسبی پور، ناصر، 1393، اثرات برداشت شن و ماسه بر مورفولوژی بستر رودخانه با استفاده از مدل HEC-RAS، مطالعه موردی: رودخانه جراحی خوزستان، دومین همایش سراسری کشاورزی و منابع طبیعی پایدار، دانشگاه لرستان.

بهادری خسروشاهی، فیروز، 1379، اصول و مبانی برداشت شن و ماسه از رودخانه‌ها، دفتر مهندسی رودخانه و سواحل، وزارت نیرو.

شایان، سیاوش؛ شریفی‌کیا، محمد؛ دهستانی، هدیه، 1392، استخراج و اندازه‌گیری تغییرات مورفولوژیکی رودخانه کشکان ناشی از برداشت منابع شن و ماسه، فصلنامه فضای جغرافیایی، سال 13، شماره 43، صص. 191-207.

شرکت مدیریت منابع آب ایران، 1384، نشریه شماره 336، راهنمای برداشت مصالح رودخانه‌ای، سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی کشور.

صالحی نیشابوری، سید علی اکبر؛ قدسیان، مسعود، 1381، برداشت شن و ماسه از رودخانه‌ها، سمینار بررسی اثرات برداشت مصالح رودخانه‌ای، وزارت نیرو.

عابدی، طوبی؛ گنجی، مسلم، 1395، بررسی و آسیب شناسی عوامل مؤثر بر برداشت بی رویه شن و ماسه از رودخانه‌ها با استفاده از رویکرد دلفی فازی، نشریه محیط زیست طبیعی (مجله منابع طبیعی ایران)، دوره 69، شماره 4، 1041-1059.

عزیزیان، اصغر، 1389، مطالعات میدانی و نرم‌افزاری تعیین مکان‌های مناسب برداشت مصالح رودخانه‌ای و ارائه بسته نرم‌افزاری کاربردی، پایان نامه کارشناسی ارشد، گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشگاه تهران.

عزیزیان، اصغر؛ امیری تکلدانی، ابراهیم، 1389، تعیین مکان‌های مناسب جهت برداشت مصالح رودخانه‌ای با استفاده از مدل عددی HEC-RAS4.0، پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه فردوسی مشهد، صص. 1-7.

قهرمانی، نرجس؛ غفوری، محمد؛ لشگری پور، غلامرضا؛ غلامی، غلامرضا، 1390، بررسی اثرات مخرب زیست محیطی ناشی از برداشت بی رویه مصالح رودخانه‌ای (شن و ماسه) در محورهای اصلی برداشت شهر مشهد، فصلنامه زمین شناسی کاربردی، سال 7، شماره 1، صص. 53-62.

مجنونیان، هنریک، 1378، حفاظت رودخانه‌ها (ویژگی‌های بیوفیزیکی، ارزش‌های زیستگاهی و ضوابط بهره‌برداری)، سازمان حفاظت محیط زیست کشور.

نوحه‌گر، احمد، و محمودی، فرج‌اله، 1382، بررسی اثرات برداشت مصالح (شن و ماسه) بر شکل بستر و رژیم رودخانه میناب، فصلنامه پژوهش‌های جغرافیایی، 35(2)، صص. 45-58.

هدایتی‌پور، کوردوان، صمدی بروجنی، حسین؛ هنربخش، افشین، 1388، بررسی تاثیر برداشت شن و ماسه از کناره رودخانه‌ها بر خصوصیات هیدرولیکی جریان با استفاده از مدل HEC-RAS (مطالعه موردی رودخانه خشکه رود فارسان)، هشتمین سمینار بین‌المللی مهندسی رودخانه، دانشگاه شهید چمران اهواز.

Ashraf, M.A., Maah, M.J., Yusoff, I., Wajid, A., and Mahmood, K. 2011. Sand mining effects, causes and concerns: A case study from Bestari Jaya, Selangor, Peninsular Malaysia, Scientific Research and Essays, 6(6), 1216-1231.

Brown, A.V. 2002. Impacts of Gravel Mining on Stream Ecosystems. University of Arkansas, USA.

Brunner, G.W. 2010. River Analysis System. Hydraulic Reference Manual, HEC-RAS, v4.1,  Hydrologic Engineering Center, U.S. Army Corps of Engineers, USA.

Brunner, G.W. and CEIWR-HEC 2010. River Analysis System, User’s Manual, HEC-RAS, v4.1, Hydrologic Engineering Center, U.S. Army Corps of Engineers, USA.

Dunn, D.D. 2002. Influence of Sand and Gravel Mining on Sediment Transport in the Brazos River. Texas, US Geological Survey, 8011 Cameron Road, Austin, Texas 78754, USA.

Femmer, S.R. 2003. Instream gravel mining and related issues in Southern Missouri, U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey.

Gavriletea, M.D. 2017. Environmental Impacts of Sand Exploitation. Analysis of Sand Market, Sustainability, 9, 1118; doi:10.3390/su9071118.

Jia, Y., and Wang, S.S.Y. 2001. CCHE2D:two-dimensional hydrodynamic and sediment transport model for unsteady open channel flows over loose bed. Technical Manual, Version 2.0, Technical Report No. NCCHE-TR-2001-1, University of Mississippi.

Martín-Vide, J.P., Ferrer-Boix, C., and Ollero, A. 2010. Incision due to gravel mining: Modeling a case study from the Gállego River, Spain, Geomorphology, 117, 261–271.

Vanoni, V.A. 1975. Sedimentation Engineering. Manuals and Reports on Engineering Practice No. 54, ASCE, New York, 745 pp.

Wishart, D., Warburton, J., and Bracken, L., 2008. Gravel extraction and planform change in a wandering gravel-bed river: The River Wear, Northern England, Geomorphology, 94, 131-152.

Woodward Clyde Consultants. 1980. Gravel removal guidelines manual for arctic and subarctic floodplains, U.S. Fish and Wildlife Service, Report FWS/OBS-80/09, Washington, DC.

Yang, C.T. 1971. Sediment transport: Theory and practice, McGraw-Hill, Inc., New York, 396 pp.