مهندسی رودخانه
مهندسی رودخانه   نياز انسان به آب باعث شده تا اكثر تمدن هاي بشري در كنار رودخانه ها شكل بگيرند. انسان هاي اوليه با زندگي در كنار رودخانه ها بطور فطري و تجربي آموخته بودند كه جهت استفاده بهينه از اين منابع خدادادي، مي بايد رودخانه ها را دوست داشت و حتي در بعضي از فرهنگ هاي كهن آب و رودخانه بعنوان موجودي مقدس و حيات بخش مورد ستايش و احترام بود. با توسعه شهرنشيني و اجراي طرح هاي عمراني و دور شدن انسانها از رودخانه اين دوستي گسسته شد و انسان با برداشت بي رويه شن و ماسه از بستر رودخانه، خانه و شهرك سازي در حريم و بستر رودخانه، احداث سازه هاي تقاطعي و غيره اقدام به تعرض به رودخانه و بر هم زدن رژيم متعادل و پايدار آن نمود. رودخانه ها به مثابه موجودات زنده اي هستند كه در مقابل اين تعارض اقدام متقابل نموده و لذا رژيم هيدروليكي آن در يك روند براي رسيدن به تعادل مجدد قرار مي گيرد. مهندسي رودخانه علمي است كه اين اعمال اندر كنشي را بطور سيستماتيك هماهنگ و هدايت خواهد نمود و به عبارتي ديگر مهندسي رودخانه شامل تمام مراحل برنامه ريزي، طراحي، اجرا و بهره برداري از عمليات مختلفي است كه به منظور بهبود وضعيت رودخانه در جهت استفاده بهتر از آن اعمال مي گردد.   رودخانه ها شريان هاي اصلي حيات كليه سازه هاي آبي محسوب مي شوند و حفاظت و بهره برداري بهينه از آنها و همچنين حراست از بستر و حريم آنها از مهم ترين مسئوليت هاي وزارت نيرو مي باشد.   استفاده بهينه از رودخانه ها به لحاظ اهميتي كه اين منابع طبيعي در برآورد نيازهاي بشري، از ديرباز تاكنون داشته اند از انگيزه هاي مهم به وجود آمدن شاخه ديگري از مهندسي آب به نام مهندسي رودخانه بوده است. به علت نزديكي سازه هاي تغذيه كننده از آب رودخانه و زمين هاي كشاورزي اطراف رودخانه نياز به يك برنامه ريزي علمي جهت حفظ و حراست از اين سازه ها اجتناب ناپذير مي باشد. علمي كه در مورد كليه مراحل مطالعه و برنامه ريزي، طراحي، اجرا و بهره برداري جهت بهبود و يا تغيير وضعيت موجود يك رودخانه به منظور برآورد نيازهاي عمراني بحث مي كند مهندسي رودخانه ناميده مي شود.       علمي كه در مورد كليه مراحل مطالعه و برنامه ريزي، طراحي، اجرا و بهره برداري جهت بهبود و يا تغيير وضعيت موجود يك رودخانه به منظور برآورد نيازهاي عمراني بحث مي كند مهندسي رودخانه ناميده ميشود       رودخانه ها به مثابه موجودات زنده اي هستند كه در مقابل تعارض بشر اقدام متقابل نموده و لذا رژيم هيدروليكي آن در يك روند براي رسيدن به تعادل مجدد قرار مي گيرد       كليه رودخانه ها در معرض تغيير و تحول قرار دارند و كارهاي مهندسي رودخانه براي تغيير بده، مطالعه بده رسوبي، مسير رودخانه، عمق آبراهه، پهنه سيل گير و كيفيت آب مورد نياز مي باشد. روش هاي معمول در راه رسيدن به اين اهداف استفاده از سازه هاي مختلف به تنهايي يا تركيبي از آنها مثل سد، سيل بند خاكي يا بتني، پوشش بدنه، آبشكن يا به كار گرفتن راه حل هاي قديمي مثل لايروبي مي باشد. از جمله مباحث مهم در مهندسي رودخانه شناخت شكل رودخانه (مرفولوژي )، تثبيت، سواحل و بستر رودخانه، كاناليزه كردن و كنترل سيلاب مي باشد.     كليه رودخانه ها در معرض تغيير و تحول قرار دارند     به كمك مرفولوژي رودخانه مي توان اطلاعاتي از شكل هندسي آبراهه، شكل بستر و پروفيل طولي رودخانه به دست آورد   مرفولوژي رودخانه : شناختن شكل و ساختمان رودخانه مرفولوژي رودخانه ناميده مي شود به عبارتي به كمك مرفولوژي رودخانه مي توان اطلاعاتي از شكل هندسي آبراهه، شكل بستر و پروفيل طولي رودخانه به دست آورد. مرفولوژي يك رودخانه تحت تاثير عوامل متفاوتي مثل سرعت جريان فرسايش و نحوه رسوب گذاري قرار دارد از نظر مرفولوژي رودخانه ها به دو طريق زمين شناسي و نوع مسير تقسيم مي شوند:       از نظر زمين شناسي: در اين تقسيم بندي با رودخانه هاي جوان، كامل، مسن مواجه هستيم.   رودخانه هاي جوان : رودخانه هايي هستند كه در شيبهاي تند جريان دارند. دره اين رودخانه ها به شكل و فرسايش در اين رودخانه ها تا هنگامي كه بستر به حالت تعادل نسبي برسد ادامه دارد.   رودخانه هاي كامل : اين نوع رودخانه ها در دره هاي پهن تري جريان داشته و از شيب نسبتاً ملايمي برخوردارند. فرسايش ديواره ها در اين نوع رودخانه ها جايگزين فرسايش بستر گرديده است، چرا كه بستر قبلاً به يك حالت تعادل نسبي رسيده است.   رودخانه هاي مسن : اين رودخانه ها در دره هاي بسيار پهن جريان داشته، بسترشان داراي شيب ملايمي است و در مسير آنها آبشاري وجود ندارد. مسيرهاي نعل اسبي در حاشيه رودخانه حاكي از تغيير مسير پيچ هاي رودخانه در طول زمان مي باشد. رودخانه كارون در ايران مثال خوبي از اين نوع رودخانه هاست.         در تقسيم بندي زمين شناسي با رودخانه هاي جوان، كامل، مسن مواجه هستيم                 در رودخانه هاي كامل فرسايش ديواره ها جايگزين فرسايش بستر مي‌گردد، چرا كه بستر قبلاً به يك حالت تعادل نسبي رسيده است.           از لحاظ نوع مسير: رودخانه ها با مسير مستقيم، پيچان، شرياني، از همديگر مشخص مي شوند.   رودخانه ها با مسير مستقيم : بيشتر دربازه هاي كوتاه، رودخانه ها اين شكل را پيدا مي كنند كه خود يك حالت ناپايدار و انتقالي است و پس از برخورد با مانع در مسير رودخانه اين حالت از بين مي رود.   رودخانه ها با مسير پيچان : نماي بالاي اين رودخانه ها شامل يك رشته پيچ هاي پي در پي   مي باشد كه با مسيرهاي مستقيم به يكديگر وصل شده اند. رودخانه هاي پيچان داراي شيب ملايم مي باشند و غالباً ناپايداري در مسير آنها ديده مي شود. در ساحل بيروني پيچ، سرعت جريان زياد شده كه همين امر باعث ايجاد فرسايش در اين سمت و در نتيجه رسوبگذاري در ساحل مقابل مي گردد. اين فعل و انفعالات به مرور زمان باعث پيش روي پيچ به سمت ساحل بيروني و هم زمان با آن به طرف پايين دست رودخانه مي گردد.   رودخانه ها با مسير شرياني : اين رودخانه ها شامل يك تعداد آبراهه مي باشند كه در طول مسير از هم جدا شده و دو مرتبه به يكديگر مي پيوندند.         رودخانه ها با مسير مستقيم، پيچان، شرياني، از همديگر مشخص مي شوند   تثبيت بستر رودخانه ها: اين نوع فرسايش بيشتر در رودخانه هاي جوان كه بستر آنها به حالت تعادل نرسيده ديده مي شود و بستر رودخانه به علت شيب تند و سرعت زياد جريان فرسايش يافته و مواد شسته شده به پايين رودخانه منتقل مي گردد.   راه حل معمولي براي تثبيت بستر رودخانه احداث شيب شكن در طول بازه مورد نظر مي باشد. اين شيب شكن ها مي توانند از جنس بتني يا گابيوني ساخته شوند. ارتفاع متوسط شيب شكن ها و فاصله آنها از يكديگر پس از انجام مطالعات هيدروليكي دقيق با توجه به شرايط و جنس خاك قابل طراحي مي باشد. شيب شكن ها را با توجه به شرايط جريان بر روي بستر رودخانه و يا در زير بستر رودخانه مي توان احداث كرد كه با مرور زمان رسوبات بين اين سدهاي كوتاه ته نشين مي شود و در نتيجه يك شيب ملايم در كف رودخانه ايجاد مي گردد.       راه حل معمولي براي تثبيت بستر رودخانه احداث شيب شكن در طول بازه مورد نظر مي باشد   تثبيت ديواره رودخانه ها: فرسايش ديواره رودخانه ها كه در رودهاي مسن با آنها مواجه هستيم باعث بروز خسارات زيادي در زمين هاي اطراف رودخانه و سازه ها شده و حريم كاذبي براي رودخانه ها به وجود مي آورد كه به اين ترتيب از پتانسيل زمين هاي قابل استفاده اطراف رودخانه ها مي كاهد   علل فرسايش ديواره ها اگر جنس مصالح ديواره ها ريزدانه رسي و يا چسبنده باشد به علت نفوذپذيري كم، در زمان فروكش سيلاب، سطح آب سريع پايين آمده، امكان زهكش سريع موجود نبوده و كاهش نيروي برشي بين ذرات سبب فرو ريختن ديواره ها خواهد شد.   اگر جنس مصالح ديواره ها ريزدانه غيرچسبنده باشد در اثر برخورد امواج با ديواره ها فرسايش سطحي به وقوع مي پيوندد.   در حالتي كه مصالح ديواره ها انواعي از مصالح فوق باشند بالا آمدن سطح آب زيرزميني و زهكشي آب از ديواره ها به سمت رودخانه، ذرات ريز را شسته، باعث ريزش ذرات درشت بالايي ميشود.   انواع فرسايش فرسايش پنجه : بخش زيرين ديواره ها در اثر برخورد با امواج فرسايش پيدا كرده و بالاي ديواره ها فرو مي ريزند.   لغزش كناره : اگر مصالح ديواره ها از جنس ريزدانه بوده و قدرت زهكشي را بعد از فروكشي سيلاب نداشته باشد با لغزش كناره و ريزش اين قسمت مواجه خواهيم بود.   لغزش سيالي : زماني كه خاك كناره ها از سيلت يا ماسه بوده و تراكم بالايي نداشته باشد در اثر اشباع شدن ريزش مي كند.   راه حل هاي جلوگيري از فرسايش ديواره ها   روند فرسايش تاكنون در جهان به صورت مدل رياضي در نيامده است و پي بردن به اينكه فرسايش بعدي در كجا و در چه مقطعي به وقوع خواهد پيوست جز با مطالعه رفتار طولاني مدت رودخانه از طريق تفسير عكسهاي هوايي در مقاطع زماني مختلف و جمع آوري اطلاعات محلي از طريق افراد ذي صلاح بومي امكان پذير نمي باشد. ساختن مدل فيزيكي رودخانه در مقاطعي كه در معرض تخريب بيشتر قرار دارند نيز مي تواند اطلاعاتي كيفي به ما بدهد، با علم به اين مطالب گفتني است كه تاكنون راه حل هاي شناخته شده جهاني جهت جلوگيري از فرسايش ديواره ها عبارتند از: تثبيت سواحل و كاناليزه كردن.   تثبيت سواحل : بعد از تشخيص نسبي سواحل فرسايش پذير به گونه اي كه گفته شد مي توان اقدام به تثبيت سواحل به دو روش مستقيم و غيرمستقيم نمود.   روش مستقيم (ايجاد سازه هاي طولي ) : در اين روش از سازه تثبيت كننده به طور مستقيم و به شكل پوشش بدنه بر روي ساحل استفاده مي كنند. پوششهاي بدنه را مي توان بنا به جنس مصالح قابل دسترس در انواع گوناگون طراحي نمود به عنوان مثال يك روش معمول در اروپا و آمريكا استفاده از ماشين هاي قراضه و تايرهاي فرسوده اتومبيل مي باشد كه پس از ايجاد يك شيب ملايم در ساحل آنها را به صورت آجر چيني در كنار هم قرار مي دهند ولي با توجه به شرايط فعلي در ايران، استفاده از پوشش هاي بدنه از جنس سنگريزه (سنگ لاشه ) ، تورسنگ (گابيون )، بلوك هاي بتني و يا كيسه هاي مخلوط سيمان و ماسه پيشنهاد مي شود. پوشش بدنه بايد حتماً قابليت عبور زه آبهاي اراضي حاشيه رودخانه را داشته باشد، در غير اين صورت در اثر اشباع شدن خاك، احتمال از بين رفتن سازه وجود دارد. در زير پوشش بدنه بايد حتماً يك لايه فيلتر از جنس شن و ماسه و يا فيلتر غشايي (ژئوتكستايل ) در نظر گرفت تا از شسته شدن مواد ريزدانه از پشت پوشش بدنه جلوگيري به عمل آيد. كاشتن درختچه ها بعد از ايجاد شيب لازم در سواحل نيز يكي ديگر از راههاي تثبيت سواحل رودخانه هاست. با جمع بندي مطالب فوق تثبيت سواحل رودخانه ها به شيوه مستقيم ( ايجاد سازه هاي طولي ) را مي توان به انواع زير تقسيم بندي كرد:   ¨ ساحل سازي توسط پوشش بدنه اي سنگريزه اي   ¨ ساحل سازي توسط روكش تور سنگي   ¨ ساحل سازي توسط كيسه هاي مخلوط ماسه و سيمان يا بتن خشك   ¨ ساحل سازي توسط روش بيولوژيكي يا كاشتن درختچه هايي مانند توسكا       راه حل هاي شناخته شده جهاني جهت جلوگيري مستقيم از فرسايش ديواره ها عبارتند از: تثبيت سواحل و كاناليزه كردن       روش غيرمستقيم : تثبيت رودخانه ها در روش غيرمستقيم توسط احداث سازه هاي عرضي يا آبشكن كه اپي هم ناميده مي شود در طول ساحل فرسايش پذير انجام مي گيرد. در اين روش يك سري آبشكن به طور متوالي و عمود بر مسير جريان رودخانه ساخته مي شوند. اين آب شكن ها از يك سمت به ساحل رودخانه متصل شده و تا مسافتي در داخل بستر رودخانه به جلو مي آيند. آبشكن ها بسته به نوع مصالح به كار رفته در ساختمان به انواع مختلف سنگريزه اي، گابيوني، شمع فلزي يا چوبي تقسيم مي شوند. سرعت آب هنگام برخورد با اپي ها گم شده و جريان پس از چرخش به آبشكن بعدي برخورد مي كند و بدينوسيله نيروي فرسايش آب مستهلك مي شود از طرفي به علت كم شدن سرعت آب، رسوبات حل شده توسط رودخانه بين هر جفت از اپي ها ته نشين شده و به مرور زمان فواصل بين اپي ها با اين رسوبات پر مي شود. در مورد فاصله بين اپي ها فرمول خاصي وجود ندارد البته به تجربه ثابت شده كه فاصله بين دو آبشكن بايد طوري باشد كه تنها يك جريان چرخشي بين هر جفت اپي ايجاد شود و بنابراين فاصله بايد يك تا دو برابر عرض متوسط رودخانه در طول فرسايش پذير باشد. با توجه به مطالب گفته شده طول آبشكن ها نيز معمولاُ1تا 4 برابر فاصله بين دو آبشكن توصيه مي شود. اپي ها را معمولاً با زاويه 90 درجه مي سازند.   آبشكن ها يا سربسته اند يا باز، در آبشكن هاي سربسته از نفوذ آب بر بدنه جلوگيري مي شود ولي در داخل آبشكن هاي باز كه غالباً به صورت شمع هاي فلزي يا چوبي هستند آب جريان دارد. از نظر نحوه جوابگويي آبشكن هاي سربسته در جهت تثبيت سواحل سريع تر عمل مي كنند.       تثبيت رودخانه ها در روش غيرمستقيم توسط احداث سازه هاي عرضي يا آبشكن كه اپي هم ناميده مي‌شود در طول ساحل فرسايش پذير انجام مي‌گيرد   كاناليزه كردن رودخانه : در پيچ هاي با درجه چرخش زياد در رودخانه، كه به اين دليل رودخانه دائماً در حال فرسايش مي باشد، كاناليزه كردن رودخانه مي تواند مطرح باشد. در حالت طبيعي اين روند فرسايش آنقدر ادامه مي يابد تا انرژي رودخانه مستهلك شود. در نتيجه ي اين فرآيند دو سمت گلوگاه پيچ به مرور زمان به يكديگر نزديك مي شوند تا در نهايت به يكديگر متصل شوند به صورتي كه پيچ به صورت يك مسير نعل اسبي، بيرون از مسير اصلي و جديد رودخانه باقي مي ماند. در چنين پيچ هايي راه حل كاناليزه كردن رودخانه است كه جهت نيل به اهداف زير صورت مي گيرد:   _ جلوگيري از تخريب تاسيساتي كه در كناره بيروني پيچ قرار گرفته اند و تثبيت اين مواضع براي جلوگيري از فعاليت مجدد آنها.   _ كنترل روند طبيعي فرسايش رودخانه جهت كنترل و هدايت درست آن براي رسيدن به اهداف پيش بيني شده.   _ كاهش هزينه تثبيت در آينده چرا كه مسير كاناليزه شده جديد به مراتب كوتاهتر از تمامي طول فرسايش پذير پيچ مي باشد.   _ افزايش بده رودخانه به علت كوتاهتر شدن مسير و افزايش شيب بستر رودخانه.   انواع روش هاي كاناليزه كردن رودخانه به دو صورت زير ممكن است:   روش اول احداث مسير جديد يا مقطع عرضي كامل مي باشد. در اين روش پس از طراحي مسير جديد مقطع عرضي كامل رودخانه با تثبيت متوسط بين رقوم دو گلوگاه پيچ احداث مي شود و سپس دهانه رودخانه در مسير قبلي با خاكريز مسدود مي گردد.   روش دوم به كمك احداث كانال هادي مي باشد. كانال هادي آبراهه كوچكي است كه پس از مسير يابي (طراحي مسير جديد بر روي نقشه ) با مقطع عرضي كه حداقل ده درصد از دبي طراحي را بتواند عبور دهد با خاكبرداري احداث مي شود. در اين حالت با توجه به فعال بودن پيچ رودخانه، مقداري از دبي جريان به مرور زمان وارد كانال هادي شده و با توجه به شيب بستر اين آبراهه به مرور زمان و در اثر فرسايش عريض تر شده و ظرفيت مطلوب را جهت انحراف رودخانه به وجود مي آورد. در دبي هاي كم چون امكان .بسته شدن كانال هادي به علت رسوب گذاري وجود دارد لذا در آغاز، بايد يك سد كوتاه خاكي طراحي شود تا مانع ورود جريان آب با سرعت كم به داخل كانال شود و در عوض در دبي هاي سيلابي با عبور آب از روي آن اين سد كوچك شسته شده و جريان آب، مقطع عرضي واقعي خود را به مرور زمان ايجاد كند.   كنترل سيلاب: از ميان روش هاي كتترل سيلاب مانند احداث سد مخزني _ آبخيز داري _ احداث سيل بند هاي خاكي يا بتني و انحراف سيلاب، دو مورد آخر يعني احداث سيل بندهاي بتني يا خاكي و انحراف سيلاب جزو مباحث مهندسي رودخانه است.   كنترل سيلاب به كمك احداث سيل بند هاي خاكي يا بتني: در اين روش ابتدا دبي طراحي يا در حقيقت دبي با دوره بازگشت مورد نظر انتخاب مي گردد. دوره بازگشت با توجه به درجه اهميت مورد نظر و يا ملاحظات اقتصادي انتخاب مي شود.   سپس با توجه به دبي طراحي، محاسبات پروفيل سطح آب در رودخانه انجام مي گيرد. اين محاسبات (با توحه به حجم زياد چنين محاسباتي ) مي تواند به كمك مدلهاي رياضي جريان ماندگار انجام گيرد كه يكي از معروفترين اين مدلها در كشور ما مدل رياضي Hec-2 مي باشد. اين مدل رياضي به ازاي يك سري اطلاعات از وضعيت مثل شكل مقطع عرضي رودخانه در مقاطع مختلف، ضريب زبري، شرايط حدي پايين دست و غيره مي تواند رقوم سطح آب بعلاوه سرعت جريان و يك سري اطلاعات ديگر از چگونگي وضعيت جريان را براي هر مقطع عرضي از رودخانه محاسبه و به صورت جداولي ارائه نمايد.   با توجه به رقوم سطح آب و سرعت جريان و ساير ملاحظات و مباني طراحي، مسير سيل بندها در جناحين رودخانه و ارتفاع آنها در بخش هاي گوناگون رودخانه تعيين و با توجه به جنس مصالح قابل دسترسي در محل، بدنه سيل بندها طراحي مي گردد.   كنترل سيلاب به كمك انحراف از رودخانه: اين روش در مواردي قابل استفاده است كه محلي براي تخليه سيلاب مثل درياچه، باتلاق و يا يك فرورفتگي بزرگ و طبيعي در حوالي منطقه مورد مطالعه وجود داشته باشد. در اين روش براي صرفه جويي در احداث سيل بند در تمامي طول رودخانه در محلي مناسب، سيلاب منحرف مي گردد اما در هر حال با كسب اطمينان از اين امر كه محل مورد نظر، قابليت ذخيره حجم سيلاب را دارا مي باشد محل انحراف در رودخانه مشخص مي گردد. سپس سيلاب مازاد بر كشش طبيعي رودخانه يا به طور طبيعي و يا به كمك يك سازه انحرافي در محل مورد نظر به داخل يك كانال سيلاب بر منحرف و سرانجام به محل درياچه يا فرورفتگي انتقال مي يابد. در اين روش بايد هزينه احداث سازه انحرافي و كانال سيلاب بر از هزينه هاي احداث سيل بند در پايين دست محل انحراف تا انتهاي رودخانه ارزان تر باشد تا اجراي چنين طرحي از لحاظ اقتصادي موجه تلقي گردد.   براي فعاليت در مهندسي رودخانه تسلط بر با مباحثي چون هيدرولوژي _ هيدروليك رودخانه ها_ مدل هاي هيدروليكي _ مكانيك خاك _ سازه هاي هيدروليكي نقش اساسي را ايفا مي كنند.           منبع: مرکز مقالات کشاورزی AKE( بزرگترین وبلاگ کشاورزی ایران )