نیاز انسان به آب باعث شده تا اکثر تمدن های بشری در کنار رودخانه ها شکل بگیرند. انسان های اولیه با زندگی در کنار رودخانه ها بطور فطری و تجربی آموخته بودند که جهت استفاده بهینه از این منابع خدادادی، می باید رودخانه ها را دوست داشت و حتی در بعضی از فرهنگ های کهن آب و رودخانه بعنوان موجودی مقدس و حیات بخش مورد ستایش و احترام بود. با توسعه شهرنشینی و اجرای طرح های عمرانی و دور شدن انسانها از رودخانه این دوستی گسسته شد و انسان با برداشت بی رویه شن و ماسه از بستر رودخانه، خانه و شهرک سازی در حریم و بستر رودخانه، احداث سازه های تقاطعی و غیره اقدام به تعرض به رودخانه و بر هم زدن رژیم متعادل و پایدار آن نمود. رودخانه ها به مثابه موجودات زنده ای هستند که در مقابل این تعارض اقدام متقابل نموده و لذا رژیم هیدرولیکی آن در یک روند برای رسیدن به تعادل مجدد قرار می گیرد. مهندسی رودخانه علمی است که این اعمال اندر کنشی را بطور سیستماتیک هماهنگ و هدایت خواهد نمود و به عبارتی دیگر مهندسی رودخانه شامل تمام مراحل برنامه ریزی، طراحی، اجرا و بهره برداری از عملیات مختلفی است که به منظور بهبود وضعیت رودخانه در جهت استفاده بهتر از آن اعمال می گردد
رودخانه ها شریان های اصلی حیات کلیه سازه های آبی محسوب می شوند و حفاظت و بهره برداری بهینه از آنها و همچنین حراست از بستر و حریم آنها از مهم ترین مسئولیت های وزارت نیرو می باشد.
استفاده بهینه از رودخانه ها به لحاظ اهمیتی که این منابع طبیعی در برآورد نیازهای بشری، از دیرباز تاکنون داشته اند از انگیزه های مهم به وجود آمدن شاخه دیگری از مهندسی آب به نام مهندسی رودخانه بوده است. به علت نزدیکی سازه های تغذیه کننده از آب رودخانه و زمین های کشاورزی اطراف رودخانه نیاز به یک برنامه ریزی علمی جهت حفظ و حراست از این سازه ها اجتناب ناپذیر می باشد. علمی که در مورد کلیه مراحل مطالعه و برنامه ریزی، طراحی، اجرا و بهره برداری جهت بهبود و یا تغییر وضعیت موجود یک رودخانه به منظور برآورد نیازهای عمرانی بحث می کند مهندسی رودخانه نامیده می شود.
علمی که در مورد کلیه مراحل مطالعه و برنامه ریزی، طراحی، اجرا و بهره برداری جهت بهبود و یا تغییر وضعیت موجود یک رودخانه به منظور برآورد نیازهای عمرانی بحث می کند مهندسی رودخانه نامیده می شود
.
رودخانه ها به مثابه موجودات زنده ای هستند که در مقابل تعارض بشر اقدام متقابل نموده و لذا رژیم هیدرولیکی آن در یک روند برای رسیدن به تعادل مجدد قرار می گیرد.
کلیه رودخانه ها در معرض تغییر و تحول قرار دارند و کارهای مهندسی رودخانه برای تغییر بده، مطالعه بده رسوبی، مسیر رودخانه، عمق آبراهه، پهنه سیل گیر و کیفیت آب مورد نیاز می باشد. روش های معمول در راه رسیدن به این اهداف استفاده از سازه های مختلف به تنهایی یا ترکیبی از آنها مثل سد، سیل بند خاکی یا بتنی، پوشش بدنه، آبشکن یا به کار گرفتن راه حل های قدیمی مثل لایروبی می باشد. از جمله مباحث مهم در مهندسی رودخانه شناخت شکل رودخانه (مرفولوژی )، تثبیت، سواحل و بستر رودخانه، کانالیزه کردن و کنترل سیلاب می باشد.
مرفولوژی رودخانه
شناختن شکل و ساختمان رودخانه مرفولوژی رودخانه نامیده می شود به عبارتی به کمک مرفولوژی رودخانه می توان اطلاعاتی از شکل هندسی آبراهه، شکل بستر و پروفیل طولی رودخانه به دست آورد. مرفولوژی یک رودخانه تحت تاثیر عوامل متفاوتی مثل سرعت جریان فرسایش و نحوه رسوب گذاری قرار دارد از نظر مرفولوژی رودخانه ها به دو طریق زمین شناسی و نوع مسیر تقسیم می شوند:
• از نظر زمین شناسی: در این تقسیم بندی با رودخانه های جوان، کامل، مسن مواجه هستیم.
o رودخانه های جوان : رودخانه هایی هستند که در شیبهای تند جریان دارند. دره این رودخانه ها به شکل و فرسایش در این رودخانه ها تا هنگامی که بستر به حالت تعادل نسبی برسد ادامه دارد.
o رودخانه های کامل : این نوع رودخانه ها در دره های پهن تری جریان داشته و از شیب نسبتاً ملایمی برخوردارند. فرسایش دیواره ها در این نوع رودخانه ها جایگزین فرسایش بستر گردیده است، چرا که بستر قبلاً به یک حالت تعادل نسبی رسیده است.
o رودخانه های مسن : این رودخانه ها در دره های بسیار پهن جریان داشته، بسترشان دارای شیب ملایمی است و در مسیر آنها آبشاری وجود ندارد. مسیرهای نعل اسبی در حاشیه رودخانه حاکی از تغییر مسیر پیچ های رودخانه در طول زمان می باشد. رودخانه کارون در ایران مثال خوبی از این نوع رودخانه هاست.
در رودخانه های کامل فرسایش دیواره ها جایگزین فرسایش بستر می‌گردد، چرا که بستر قبلاً به یک حالت تعادل نسبی رسیده است.
• از لحاظ نوع مسیر: رودخانه ها با مسیر مستقیم، پیچان، شریانی، از همدیگر مشخص می شوند.
o رودخانه ها با مسیر مستقیم : بیشتر دربازه های کوتاه، رودخانه ها این شکل را پیدا می کنند که خود یک حالت ناپایدار و انتقالی است و پس از برخورد با مانع در مسیر رودخانه این حالت از بین می رود.
o رودخانه ها با مسیر پیچان : نمای بالای این رودخانه ها شامل یک رشته پیچ های پی در پی می باشد که با مسیرهای مستقیم به یکدیگر وصل شده اند. رودخانه های پیچان دارای شیب ملایم می باشند و غالباً ناپایداری در مسیر آنها دیده می شود. در ساحل بیرونی پیچ، سرعت جریان زیاد شده که همین امر باعث ایجاد فرسایش در این سمت و در نتیجه رسوبگذاری در ساحل مقابل می گردد. این فعل و انفعالات به مرور زمان باعث پیش روی پیچ به سمت ساحل بیرونی و هم زمان با آن به طرف پایین دست رودخانه می گردد.
o رودخانه ها با مسیر شریانی : این رودخانه ها شامل یک تعداد آبراهه می باشند که در طول مسیر از هم جدا شده و دو مرتبه به یکدیگر می پیوندند.
تثبیت بستر رودخانه ها
این نوع فرسایش بیشتر در رودخانه های جوان که بستر آنها به حالت تعادل نرسیده دیده می شود و بستر رودخانه به علت شیب تند و سرعت زیاد جریان فرسایش یافته و مواد شسته شده به پایین رودخانه منتقل می گردد.
راه حل معمولی برای تثبیت بستر رودخانه احداث شیب شکن در طول بازه مورد نظر می باشد. این شیب شکن ها می توانند از جنس بتنی یا گابیونی ساخته شوند. ارتفاع متوسط شیب شکن ها و فاصله آنها از یکدیگر پس از انجام مطالعات هیدرولیکی دقیق با توجه به شرایط و جنس خاک قابل طراحی می باشد.
شیب شکن ها را با توجه به شرایط جریان بر روی بستر رودخانه و یا در زیر بستر رودخانه می توان احداث کرد که با مرور زمان رسوبات بین این سدهای کوتاه ته نشین می شود و در نتیجه یک شیب ملایم در کف رودخانه ایجاد می گردد.
راه حل معمولی برای تثبیت بستر رودخانه احداث شیب شکن در طول بازه مورد نظر می باشد
تثبیت دیواره رودخانه ها
فرسایش دیواره رودخانه ها که در رودهای مسن با آنها مواجه هستیم باعث بروز خسارات زیادی در زمین های اطراف رودخانه و سازه ها شده و حریم کاذبی برای رودخانه ها به وجود می آورد که به این ترتیب از پتانسیل زمین های قابل استفاده اطراف رودخانه ها می کاهد.
علل فرسایش دیواره ها
اگر جنس مصالح دیواره ها ریزدانه رسی و یا چسبنده باشد به علت نفوذپذیری کم، در زمان فروکش سیلاب، سطح آب سریع پایین آمده، امکان زهکش سریع موجود نبوده و کاهش نیروی برشی بین ذرات سبب فرو ریختن دیواره ها خواهد شد.
اگر جنس مصالح دیواره ها ریزدانه غیرچسبنده باشد در اثر برخورد امواج با دیواره ها فرسایش سطحی به وقوع می پیوندد.
در حالتی که مصالح دیواره ها انواعی از مصالح فوق باشند بالا آمدن سطح آب زیرزمینی و زهکشی آب از دیواره ها به سمت رودخانه، ذرات ریز را شسته، باعث ریزش ذرات درشت بالایی میشود.
انواع فرسایش
• فرسایش پنجه: بخش زیرین دیواره ها در اثر برخورد با امواج فرسایش پیدا کرده و بالای دیواره ها فرو می ریزند.
• لغزش کناره: اگر مصالح دیواره ها از جنس ریزدانه بوده و قدرت زهکشی را بعد از فروکشی سیلاب نداشته باشد با لغزش کناره و ریزش این قسمت مواجه خواهیم بود.
• لغزش سیالی: زمانی که خاک کناره ها از سیلت یا ماسه بوده و تراکم بالایی نداشته باشد در اثر اشباع شدن ریزش می کند.
راه حل های جلوگیری از فرسایش دیواره ها
روند فرسایش تاکنون در جهان به صورت مدل ریاضی در نیامده است و پی بردن به اینکه فرسایش بعدی در کجا و در چه مقطعی به وقوع خواهد پیوست جز با مطالعه رفتار طولانی مدت رودخانه از طریق تفسیر عکسهای هوایی در مقاطع زمانی مختلف و جمع آوری اطلاعات محلی از طریق افراد ذی صلاح بومی امکان پذیر نمی باشد. ساختن مدل فیزیکی رودخانه در مقاطعی که در معرض تخریب بیشتر قرار دارند نیز می تواند اطلاعاتی کیفی به ما بدهد، با علم به این مطالب گفتنی است که تاکنون راه حل های شناخته شده جهانی جهت جلوگیری از فرسایش دیواره ها عبارتند از: تثبیت سواحل و کانالیزه کردن.
• تثبیت سواحل
بعد از تشخیص نسبی سواحل فرسایش پذیر به گونه ای که گفته شد می توان اقدام به تثبیت سواحل به دو روش مستقیم و غیرمستقیم نمود.
o روش مستقیم (ایجاد سازه های طولی ): در این روش از سازه تثبیت کننده به طور مستقیم و به شکل پوشش بدنه بر روی ساحل استفاده می کنند. پوششهای بدنه را می توان بنا به جنس مصالح قابل دسترس در انواع گوناگون طراحی نمود به عنوان مثال یک روش معمول در اروپا و آمریکا استفاده از ماشین های قراضه و تایرهای فرسوده اتومبیل می باشد که پس از ایجاد یک شیب ملایم در ساحل آنها را به صورت آجر چینی در کنار هم قرار می دهند ولی با توجه به شرایط فعلی در ایران، استفاده از پوشش های بدنه از جنس سنگریزه (سنگ لاشه) ، تورسنگ (گابیون)، بلوک های بتنی و یا کیسه های مخلوط سیمان و ماسه پیشنهاد می شود. پوشش بدنه باید حتماً قابلیت عبور زه آبهای اراضی حاشیه رودخانه را داشته باشد، در غیر این صورت در اثر اشباع شدن خاک، احتمال از بین رفتن سازه وجود دارد. در زیر پوشش بدنه باید حتماً یک لایه فیلتر از جنس شن و ماسه و یا فیلتر غشایی (ژئوتکستایل ) در نظر گرفت تا از شسته شدن مواد ریزدانه از پشت پوشش بدنه جلوگیری به عمل آید. کاشتن درختچه ها بعد از ایجاد شیب لازم در سواحل نیز یکی دیگر از راههای تثبیت سواحل رودخانه هاست. با جمع بندی مطالب فوق تثبیت سواحل رودخانه ها به شیوه مستقیم(ایجاد سازه های طولی) را می توان به انواع زیر تقسیم بندی کرد:
ساحل سازی توسط پوشش بدنه ای سنگریزه ای
ساحل سازی توسط روکش تور سنگی
ساحل سازی توسط کیسه های مخلوط ماسه و سیمان یا بتن خشک
ساحل سازی توسط روش بیولوژیکی یا کاشتن درختچه هایی مانند توسکا
راه حل های شناخته شده جهانی جهت جلوگیری مستقیم از فرسایش دیواره ها عبارتند از: تثبیت سواحل و کانالیزه کردن
o روش غیرمستقیم : تثبیت رودخانه ها در روش غیرمستقیم توسط احداث سازه های عرضی یا آبشکن که اپی هم نامیده می شود در طول ساحل فرسایش پذیر انجام می گیرد. در این روش یک سری آبشکن به طور متوالی و عمود بر مسیر جریان رودخانه ساخته می شوند. این آب شکن ها از یک سمت به ساحل رودخانه متصل شده و تا مسافتی در داخل بستر رودخانه به جلو می آیند. آبشکن ها بسته به نوع مصالح به کار رفته در ساختمان به انواع مختلف سنگریزه ای، گابیونی، شمع فلزی یا چوبی تقسیم می شوند.
سرعت آب هنگام برخورد با اپی ها گم شده و جریان پس از چرخش به آبشکن بعدی برخورد می کند و بدینوسیله نیروی فرسایش آب مستهلک می شود از طرفی به علت کم شدن سرعت آب، رسوبات حل شده توسط رودخانه بین هر جفت از اپی ها ته نشین شده و به مرور زمان فواصل بین اپی ها با این رسوبات پر می شود. در مورد فاصله بین اپی ها فرمول خاصی وجود ندارد البته به تجربه ثابت شده که فاصله بین دو آبشکن باید طوری باشد که تنها یک جریان چرخشی بین هر جفت اپی ایجاد شود و بنابراین فاصله باید یک تا دو برابر عرض متوسط رودخانه در طول فرسایش پذیر باشد. با توجه به مطالب گفته شده طول آبشکن ها نیز معمولا ُ1 تا 4 برابر فاصله بین دو آبشکن توصیه می شود. اپی ها را معمولاً با زاویه 90 درجه می سازند.
آبشکن ها یا سربسته اند یا باز، در آبشکن های سربسته از نفوذ آب بر بدنه جلوگیری می شود ولی در داخل آبشکن های باز که غالباً به صورت شمع های فلزی یا چوبی هستند آب جریان دارد. از نظر نحوه جوابگویی آبشکن های سربسته در جهت تثبیت سواحل سریع تر عمل می کنند.
تثبیت رودخانه ها در روش غیرمستقیم توسط احداث سازه های عرضی یا آبشکن که اپی هم نامیده میشود در طول ساحل فرسایش پذیر انجام می‌گیرد
• کانالیزه کردن رودخانه
در پیچ های با درجه چرخش زیاد در رودخانه، که به این دلیل رودخانه دائماً در حال فرسایش می باشد، کانالیزه کردن رودخانه می تواند مطرح باشد. در حالت طبیعی این روند فرسایش آنقدر ادامه می یابد تا انرژی رودخانه مستهلک شود. در نتیجه ی این فرآیند دو سمت گلوگاه پیچ به مرور زمان به یکدیگر نزدیک می شوند تا در نهایت به یکدیگر متصل شوند به صورتی که پیچ به صورت یک مسیر نعل اسبی، بیرون از مسیر اصلی و جدید رودخانه باقی می ماند. در چنین پیچ هایی راه حل کانالیزه کردن رودخانه است که جهت نیل به اهداف زیر صورت می گیرد:
o جلوگیری از تخریب تاسیساتی که در کناره بیرونی پیچ قرار گرفته اند و تثبیت این مواضع برای جلوگیری از فعالیت مجدد آنها.
o کنترل روند طبیعی فرسایش رودخانه جهت کنترل و هدایت درست آن برای رسیدن به اهداف پیش بینی شده.
o کاهش هزینه تثبیت در آینده چرا که مسیر کانالیزه شده جدید به مراتب کوتاهتر از تمامی طول فرسایش پذیر پیچ می باشد.
o افزایش بده رودخانه به علت کوتاهتر شدن مسیر و افزایش شیب بستر رودخانه.
انواع روش های کانالیزه کردن رودخانه به دو صورت زیر ممکن است:
o روش اول احداث مسیر جدید یا مقطع عرضی کامل می باشد. در این روش پس از طراحی مسیر جدید مقطع عرضی کامل رودخانه با تثبیت متوسط بین رقوم دو گلوگاه پیچ احداث می شود و سپس دهانه رودخانه در مسیر قبلی با خاکریز مسدود می گردد.
o روش دوم به کمک احداث کانال هادی می باشد. کانال هادی آبراهه کوچکی است که پس از مسیر یابی (طراحی مسیر جدید بر روی نقشه) با مقطع عرضی که حداقل ده درصد از دبی طراحی را بتواند عبور دهد با خاکبرداری احداث می شود.در این حالت با توجه به فعال بودن پیچ رودخانه، مقداری از دبی جریان به مرور زمان وارد کانال هادی شده و با توجه به شیب بستر این آبراهه به مرور زمان و در اثر فرسایش عریض تر شده و ظرفیت مطلوب را جهت انحراف رودخانه به وجود می آورد.در دبی های کم چون امکان بسته شدن کانال هادی به علت رسوب گذاری وجود دارد لذا در آغاز، باید یک سد کوتاه خاکی طراحی شود تا مانع ورود جریان آب با سرعت کم به داخل کانال شود و در عوض در دبی های سیلابی با عبور آب از روی آن این سد کوچک شسته شده و جریان آب، مقطع عرضی واقعی خود را به مرور زمان ایجاد کند.
کنترل سیلاب
از میان روش های کتترل سیلاب مانند احداث سد مخزنی ،آبخیز داری ،احداث سیل بند های خاکی یا بتنی و انحراف سیلاب، دو مورد آخر یعنی احداث سیل بندهای بتنی یا خاکی و انحراف سیلاب جزو مباحث مهندسی رودخانه است.
• کنترل سیلاب به کمک احداث سیل بند های خاکی یا بتنی: در این روش ابتدا دبی طراحی یا در حقیقت دبی با دوره بازگشت مورد نظر انتخاب می گردد. دوره بازگشت با توجه به درجه اهمیت مورد نظر و یا ملاحظات اقتصادی انتخاب می شود.
سپس با توجه به دبی طراحی، محاسبات پروفیل سطح آب در رودخانه انجام می گیرد. این محاسبات (با توحه به حجم زیاد چنین محاسباتی ) می تواند به کمک مدلهای ریاضی جریان ماندگار انجام گیرد که یکی از معروفترین این مدلها در کشور ما مدل ریاضی HEC-2 می باشد.این مدل ریاضی به ازای یک سری اطلاعات از وضعیت مثل شکل مقطع عرضی رودخانه در مقاطع مختلف، ضریب زبری، شرایط حدی پایین دست و غیره می تواند رقوم سطح آب بعلاوه سرعت جریان و یک سری اطلاعات دیگر از چگونگی وضعیت جریان را برای هر مقطع عرضی از رودخانه محاسبه و به صورت جداولی ارائه نماید.
با توجه به رقوم سطح آب و سرعت جریان و سایر ملاحظات و مبانی طراحی، مسیر سیل بندها در جناحین رودخانه و ارتفاع آنها در بخش های گوناگون رودخانه تعیین و با توجه به جنس مصالح قابل دسترسی در محل، بدنه سیل بندها طراحی می گردد.
• کنترل سیلاب به کمک انحراف از رودخانه: این روش در مواردی قابل استفاده است که محلی برای تخلیه سیلاب مثل دریاچه، باتلاق و یا یک فرورفتگی بزرگ و طبیعی در حوالی منطقه مورد مطالعه وجود داشته باشد. در این روش برای صرفه جویی در احداث سیل بند در تمامی طول رودخانه در محلی مناسب، سیلاب منحرف می گردد اما در هر حال با کسب اطمینان از این امر که محل مورد نظر، قابلیت ذخیره حجم سیلاب را دارا می باشد محل انحراف در رودخانه مشخص می گردد. سپس سیلاب مازاد بر کشش طبیعی رودخانه یا به طور طبیعی و یا به کمک یک سازه انحرافی در محل مورد نظر به داخل یک کانال سیلاب بر منحرف و سرانجام به محل دریاچه یا فرورفتگی انتقال می یابد. در این روش باید هزینه احداث سازه انحرافی و کانال سیلاب بر از هزینه های احداث سیل بند در پایین دست محل انحراف تا انتهای رودخانه ارزان تر باشد تا اجرای چنین طرحی از لحاظ اقتصادی موجه تلقی گردد.
برای فعالیت در مهندسی رودخانه تسلط بر با مباحثی چون هیدرولوژی ،هیدرولیک رودخانه ها، مدل های هیدرولیکی، مکانیک خاک و سازه های هیدرولیکی نقش اساسی را ایفا می کنند.
