اصول نظری گسترش سیلاب

ویرانگری سیل ها زاییده سرعت زیاد آنها می باشد، چه مهمترین نیروی مخربه آب در حالت آرامش فشار ناشی از وزن آن است. چنانچه آب روان گردد، جرم پویای آن توانایی انجام کار را دارد، نیروی ضربه ای[1] (و فشار منتجه از آن)، و کار مایه جنبشی[2] دو ویژگی مهم آب روان و توابعی از سرعت آن می باشند. پیامدهای سیلها نه تنها خرابی ساختمان هایی چون خانه ها، پلها، جاده ها، اسکله ها، …، بلکه فرسایش خاکهای زراعی و حمل آنها به اماکن ناخواسته، چون شهرها، کاریزها، کشتزارها و مخازن سدهاست.

نتایج مشاهدات و بررسی هایی بی شمار که درباره علل فرسایش و بالاخص نیروی فرسایندگی آب[3] و ظرفیت آن برای حمل رسوب[4]  صورت گرفته حاکی از آن است که سرعت آب عامل مهم شستگی و جابجایی خاک به شمار می رود. پژوهشگرانی چند نیز فرسایندگی آب پویا را با تنش برشی آن وابسته یافته اند، که این نیرو خود نیز تابعی مستقیم از ارتفاع جریان و شیب خط کار مایه می باشد، که همبستگی شیب و سرعت جریان نیز به ثبوت رسیده است. بنابراین، مهار سیلاب از طریق کاهش سرعت و ارتفاع، و افزایش سطح تاثیر میسر می گردد. شرحی کوتاه از این مطالب، نه به ترتیبی که در بالا یاد شده اند، در صفحات آینده خواهد آمد.

شستن خاک بستر رود و اراضی مجاور آن و انتقال رسوب از مهمترین زیانهای سیل به شمار می روند. دستاورد مشاهدات و پژوهشهای پرشمار محققین هیدرولیک حاکی از آن است که نیروی فرسایندگی آب و ظرفیت آن برای حمل رسوب، تابعی از سرعت جریان می باشند. Branson و همکاران (1972، ص 48، به نقل از Twenhofel ) برآنند که نیروی فرسایندگی و ظرفیت حمل رسوب آب به ترتیب با توانهای پنجم و سه و دو دهم تا چهارم سرعت آن (V⁵ و V^3.2-4 ) بستگی دارند. Bell (1983 ، ص ص 310 – 309) توانهای ششم  و سوم را برای دو عامل مزبور پیشنهاد کرده است. [1] نتایج بررسیهای Mavis (Schwab و همکاران، 1966، ص ص 170 – 169) در مورد آستانه فرسایش بسترها با استفاده از ذراتی دارای قطرهای مساوی (یکدست)، که قطر آنها، d ، و چگالی نسبی آنها، G ، به ترتیب بین 70/5-35/0 میلی متر، و 64/2-83/1 نوسان داشته اند، دلالت بر وجود رابطه تجربی زیرین سرعت آب و جدایی ذرات از بستر می کند.

که در آنV_t سرعت آستانه فرسایش برحسب فوت بر ثانیه می باشد. Strand (1973، به نقل از Mavis و Laushey ) سرعت مزبور را 7/0 میانگین سرعت نهر دانسته است. به عقیده Brater و King (1976، ص ص 27 – 23 : 7) ، پژوهشگرانی از این دست سرعت آب را عامل عمده  فرسایش به حساب آورده، و نقش ژرفای جریان را به هیچ شمرده اند؛ در حالی که، تنش برشی آب، که سبب جدایی ذرات از بستر می گردد، تابعی است از عمق جریان :

که در آن t تنش برشی (نیوتن بر متر مربع) ، W ، وزن مخصوص واحد آب (نیوتن بر مترمکعب)، D  عمق جریان (متر) و q زاویه کف بستر نسبت به افق بوده، و از آن جا که سینوس و ثانژانت زاویای کوچک تقریباً برابرند، معمولاً ، tanq  یعنی شیب کف، S، در رابطه فوق الذکر قرار می گیرد، بدین ترتیب، تنش برشی آب نیز تابعی از شیب بستر می باشد.[2] Sandor (1983، ص 77 به نقل از Leopold و همکاران)، تنش برشی آب را عامل فرسایندگی ، و مقدار آن را متناسب با مجذور سرعت جریان دانسته است.

چنانچه از مطالب بالا و دیگر مطالعات [3] مستفاد می شود، نیروی فرسایندگی آب تابعی است از سرعت و ارتفاع آن، و سرعت ، بر اساس رابطه مانینگ ()، خود تابعی است از : خشونت بستر n ، شیب نهر s ، و شعاع آبی آن، R ؛ بنابراین ، کاهش نیروی فرسایندگی آب از طریق افزایش ضریب خشونت [4] و کاستن شیب، شعاع آبی و ارتفاع جریان میسر می گردد. این فرآیند در شبکه های گسترش سیلاب در حوضچه های آرامشی که، اصطلاحاً نهرهای آبرسانی گسترشی، و گسترشی نامیده می شوند، تحقق می یابد.

گفتنی است که ارائه رابطه ای مشخص برای تعیین فواصل نهرها در حال حاضر، و بنا به دلایل زیر، مسیر به نظر نرسیده و نیاز به پژوهشهایی گسترده دارد :

• نفوذ پذیری محل گسترش سیلاب بر اثر رسوبگذاری کاهش یافته، به خاطر رویش گیاهان فزونی گرفته، و ارتفاع جریان، و در نتیجه سرعت پیشروی جبهه آب، توابعی از نفوذپذیری می باشند.
• رسوبگذاری در شبکه های گسترش سیلاب کاهش شیب و تسطیح نسبی زمین را به دنبال دارد، بدین ترتیب، سرعت جریان سطحی با ادامه کار شبکه ها کمتر گشته، و نیروی فرسایندگی آب روان بر روی آنها کاستی می پذیرد.
• هرچند پیامد تسطیح کاهش ضریب خشونت است، لکن پوشیدگی سطح زمین از گیاه و افزایش رشد آنها بر اثر آبیاری سلابی، و احتمالاً تغذیه بهتر، ضریب مزبور را فزونی می بخشد.
• نوع و غلظت مواد معلق در سیلاب در نیروی فرسایندگی و ظرفیت حمل رسوب آن موثر بوده، و دگرگونی این دو عامل در سیلهای متفاوت تعیین ارقامی مشخص را غیر منطقی جلوه می دهد.
• نیروی فرسایندگی وظرفیت حمل رسوب آب توابعی از دمای آن می باشند، چه، لزوجت آب بر اثر کاهش حرارت افزایش یافته، فرسایشی بیشتر به وسیله آن صورت گرفته، و حمل مواد فرسوده در آب سر آسانتر تحقق می یابد (Graf ، 1971 ، ص ص 238 تا 241 ، به نقل از Colby ) . بر همین روال، پیامد فزونی لزوجت آب، کاستی قابلیت نفوذ آن در خاک است؛ بدین ترتیب، دگرگونیهای حرارت سیلاب در فصول مختلف سال در نفوذ آن در خاک، ارتفاع و سرعت جریان، و فرسایش و رسوبگذاری در شبکه ها موثر می باشند.گفتنی است که ارائه رابطه ای مشخص برای تعیین فواصل نهرها در حال حاضر، و بنا به دلایل زیر، مسیر به نظر نرسیده و نیاز به پژوهشهایی گسترده دارد :
  • نفوذ پذیری محل گسترش سیلاب بر اثر رسوبگذاری کاهش یافته، به خاطر رویش گیاهان فزونی گرفته، و ارتفاع جریان، و در نتیجه سرعت پیشروی جبهه آب، توابعی از نفوذپذیری می باشند.
  • رسوبگذاری در شبکه های گسترش سیلاب کاهش شیب و تسطیح نسبی زمین را به دنبال دارد، بدین ترتیب، سرعت جریان سطحی با ادامه کار شبکه ها کمتر گشته، و نیروی فرسایندگی آب روان بر روی آنها کاستی می پذیرد.
  • هرچند پیامد تسطیح کاهش ضریب خشونت است، لکن پوشیدگی سطح زمین از گیاه و افزایش رشد آنها بر اثر آبیاری سلابی، و احتمالاً تغذیه بهتر، ضریب مزبور را فزونی می بخشد.
  • نوع و غلظت مواد معلق در سیلاب در نیروی فرسایندگی و ظرفیت حمل رسوب آن موثر بوده، و دگرگونی این دو عامل در سیلهای متفاوت تعیین ارقامی مشخص را غیر منطقی جلوه می دهد.
  • نیروی فرسایندگی وظرفیت حمل رسوب آب توابعی از دمای آن می باشند، چه، لزوجت آب بر اثر کاهش حرارت افزایش یافته، فرسایشی بیشتر به وسیله آن صورت گرفته، و حمل مواد فرسوده در آب سر آسانتر تحقق می یابد (Graf ، 1971 ، ص ص 238 تا 241 ، به نقل از Colby ) . بر همین روال، پیامد فزونی لزوجت آب، کاستی قابلیت نفوذ آن در خاک است؛ بدین ترتیب، دگرگونیهای حرارت سیلاب در فصول مختلف سال در نفوذ آن در خاک، ارتفاع و سرعت جریان، و فرسایش و رسوبگذاری در شبکه ها موثر می باشند.

گزینش مکان گسترش سیلاب

فلسفه بهره وری هرچه بیشتر از سیلاب، همگام با کاستن زیان سیل به کمترین اندازه، از عوامل مهم تعیین محل پخش آب به شمار می روند، بدیت ترتیب، گاهی شرایط زمانی و مکانی استفاده از سیلاب را در مناطقی، که از بهترین موقعیتها برخوردار نیستند، ضرور می نمایند. ارائه نمونه های زیر کوششی است در روشنگری این بحث :

سیلابهای دامنه جنوبی البرز زیانهای فراوان را در اراضی شرقی شهرستان دماوند به بار می آورند. گسترش این سیلابها به منظور کاهش خسارت، همراه با تولید علوفه، در زمینهای پرشیب منطقه توصیه گردیده است. گرچه تندترین شیب برای پخش آب در مراتع غنی در استرالیا پنج درصد پیشنهاد شده است، مع ذلک، میانگین شیب علفزارهای دشت کاشت دماوند هشت درصد می باشد. صرف هزینه ای بیشتر از معمول، در مقابل کاستن خطر آب بردگی، حتی بدون در نظر گرفتن خسارات جانی، از نظر اقتصادی در این مکان قابل توجیه است.

آبیاری سیلابی گیاهان چند ساله

گیاهان مزبور، به خاطر دارا بودن ریشه های عمیق و گسترده قادر به جذب آب از حجمی بزرگ از خاک می باشند بنابراین چنانچه عمق خاک 3-2 متر بوده، و هر دو سال یک بار با 3-5 هزار مترمکعب در هکتار آبیرای گردد، کشت گیاهان خشکی پسند، بالاخص علوفه و درخت، معمولا با موفقیت روبرو می شود شایان ذکر است که پیشروان فن گسترش سیلاب جریان دست کم یک یا دو سیل را در سال برای آبیاری مراتع ضروری می دانند (Stokesو همکاران، 1954،French و Hussain،1964)

تغذیه مصنوعی

افت اضطراب انگیز سطح آبهای زیرزمین ایران در سالهای اخیر، که عمدتا ناشی از برداشت بیش از اندازه با کاربرد تلمبه و کاهش تغذیه بر اثر بهره برداری بی مورد از جنگلها و مراتع می باشد سبب ویرانی بسیاری از آبادیهای ما شده است بدین ترتیب اجرای طرحهای تغذیه مصنوعی در گسترده ترین پهنه ممکن از اهمیتی خاص برخوردار است. از آن جا که بیشتر خاکهای حاصلخز ما در دشتهای آبرفتی و بر روی آبخوانهای نسبتا تهی قرار دارند، آبیاری سیلابی کشتزارهای واقع در این جلگه ها به تدریج موجب انباشتگی لایه های آبدار می گردد بدین ترتیب نوع گیاه کاشته شده در شبکه ها تعیین کنننده دوره بازگشت سیل خواهد بود: دست کم سالانه یک بار برای غلات و علوفه یک ساله و دو سال یک بار برای علوفه چند سال و درختان. چنانچه طرحهای تغذیه تغذیه مصنوعی بر روی خاکهای آبرفتی دانه درتش و واریزه ای اجار گردند دوره های بازگشت طولانی تر بایستی مورد توجه وقع شده، و طرح تاسیسات آبی، بویژه سرریزهای ایمنی بر پایه بده هایی صورت گیرد  سطح شبکه ها آن چنان باشد که حجم مورد نظر را در مدت جریان سیل و در فاصله ای کوتاه پس از آن در خاک نفوذ دهد. از آن جا که سهولت اداره و افزایش ایمنی شبکه ها احداث آنها را در سطوحی حدود 100 هکتار منطقی نموده و بیشترین بده مناسب برای این پهنه 10 متر مکعب بر ثانیه است، بنابراین شبکه هایی پر شمر با وسعت و ظرفیت فوق در مناطق مورد نظر ایجاد و رقوم دهانه های آبگیر آنها در ارتفاعهایی قرار داده می شود که با بالا آمدن سطح آب رودخانه یکی پس از دیگری فعال گردند یا رقوم همگی نسبت به کف رودهانه یکسان بوده و سرریزهایی خاکی دارای ارتفاعهایی متفاوت در دهانه ها بنا می شوند افزایش تدریجی ارتفاع آب زمینه ویرانی به نوبت سرریزهای خاکی و به کار افتادن شبکه های مربوطه را فراهم می آورد.

کیفیت سیلاب

سیلابهای معمولا حاوی مواد محلول و معلقی می باشند که پاره ای همراه با نزولات آسمانی به سطح زمین بازگردانده شده برخی بر اثر فرسایش و گروهی به خاطر واکنشهای فیزیکی و شیمیایی آب و بستر رود از محل اصلی انتقال یافته اند بدنی ترتیب سازندهای رخنمون شده آبخیزها عامل عمده آبخیزهای کشور ما پوشانده اند آبهای خروجی از بیشتر آنها فاقد نمکهای مضر بوده و اکثرا جز گچساران،  میشاق و آغاجاری(میوسن- پلیوسن) در استانهای خوزستان، کهگیلویه و بویراحمد، فارس و هرمزگان از یک طرف و بیرون زدگی گنبدهای نمکی ریسه(سری) هرمز(پرکامبرین) در نواحی فوق از طرف دیگر، تنزل کیفیت سیلابهای جاری از این سازندها باعث می گردند.

روانهای سازندهای گچساران و رزک حاوی گچ بوده، و گاهی از آن اشباع می باشند. هر چند چنین آبهایی دشواری چندانی را برای خاک و گیاه ایجاد نکرده بلکه اراضی قلیا را مفید می افتند مع ذلک، وجود گنبدهای نمکی، یا چشمه های شور در پاره ای از آبخیزهای تشکیل یافته در این سازندها شوری سیلاب را بویژه هنگام کمی بده سبب می گردند بدین ترتیب و به خاطر جلوگیری از بروز خطر شوری در زمین های مناسب برای پخش آب کسب اطمینان از کیفیت سیلاب پیش از آاز برنامه گسترش آن ضروری می باشد.

مالکیت سیلاب

هرچند روانابهای اراضی ملی شده متعلق به عموم بوده، و اداره آنها بر عهده وزارت نیرو می باشد، مع ذلک، افرادی به خاطر سکونت در کنار رودهای دایمی و خشکه رودها، یا وابستگی شدید به آنها، دارای حقابه بوده و آبیاری و کشت و زرع، و تغذیه سفره های آب چاهها و کاریزهای ایشان، از سیلاب صورت می پذیرد؛ بنابراین، در برگرداندن رواناب از این بسترها بایستی حقوق صاحبان اولیه آب ملحوظ گردد. برای مثال، زندگی عده ای از ساکنان جلگه ابرکوه وابسته به سیلابی است که از دشت آباده به آن محل رسیده، و سفره های آزاد آب ابرکوه را تغذیه می کند. گرچه دشت آباده نیز با کم آبی شدیدی روبرو می باشد، نگاهداری آن قسمت از سیلاب که به جلگه ابرکوه جریان می یابد به هیچ وجه جایز نیس. از نظر قوانین شرع، زمین بالا دست، که آب در ابتدا بر آن سوار می گردد، بر زمین (های) زیر دست حق تقدم دارد، لکن آبیار تنها مجاز به نگاهداری حجمی معین از آن می باشد. کسب اجازه از وزارت نیرو برای برگرداندن سیلاب ضروری است.

طراحی شبکه های گسترش سیلاب

برای آبیاری سیلابی و تغذیه مصنوعی

طراحی شبکه های پخش آب با توجه به اهداف پیش بینی شده بده سیلاب اراضی موجود برای اجرای برنامه ها و تنگناهای آنها و دیگر نکاتی که در بخشهای پیشین مورد توجه قرار گرفتند، و همچنین با عنایت به انکان تغذیه مصنوعی آبخوانها که موضوع بحث دفتر سوم است صورت می گیرد. هر چند سیلاب در مواردی انگشت شمار چون عملیات تعرضی و تدافعی و کاهش زیانهای سیل بدون در نظر گرفتن ارزشی چندان برای آب گسترش می یابد مع هذا آبیاری سیلابی تغذیه مصنوی و رسوبگیری آبهای گل آلود برای انبارش آنها در مخازن سطحی سه گزینه مهم گسترش سیلابند که پایه طرح و محاسبه شبکه های پخش آب را تشکیل می دهند برآودر بیشینه بده 50 و 15 تا 20 ساله بهترتیب برای محاسبه ظرفیت ساختمانهای گرانبهای ابی و نهرهای خاکی و همچنین تعیین میانگین حجم سیلاب سالانه نخستین گامهای طراحی شبکه ها به شمار می روند. محاسبه وسعت شبکه ها و بر اساس آن تعیین ظرفیت ساختمانهای آبی مربوطه مرحله بعدی کار است گرچه با توجه به استفاده بهینه از آب که اصل مهم گسترش سیلاب است آبیای سیلابی مراتع در بزرگترین پهنه و تغذیه مصنوعی آبخوانها در کوچکترین سطح تحقق می یابد با این وجود اهمیت آبدار کردن آبخوانهای تهی سرزمین ما اصلاح مراتع فرسوده تثبیت شنهای روان و دست آخر حفاظت خاک و کاهش زیانهای سیل از یک طرف و ارزانی احداث شبکه ها و بازده اقتصادی فراوان آنها از دیگر سو، گسترش سیلاب را در بیشترین سطح ممکن منطقی می نماید.

هر چند شرایط گوناگون بوم شناسی کشور پهناور ما و نوپایی پخش سیلاب و پژوهشهای وابسته به آن تدوین دستورالعملهای مناسب را برای طرح و محاسبه شبکه ها بسیار دشوار می سازد. مع ذلک، از آن  جا که گسترش سیلاب ضرورت داشته و دست یازی به اطلاعاتی معتبر نیاز به سالها بررسی دارد، بنابراین راههایی چند برای آغاز کار ارئه می گردند. بدیهی است این پیشنهادها بایستی فعلا از طریق آزمون و خطا با شرایط محل کار هماهنگ گشته و پس از به دست آمدن نتایج پژوهشها بر حسب مورد اصلاح شوند.

[1] . همبستگی سرعت بحرانی کف نهر، که در آن دانه های سازنده بستر از جا کنده می شوند و توان  وزن غوطه ور دانه ها را نخستین بار Brahms ، در سال 1753، عنوان کرده است ( Graf، 1971 ، ص ص 14 و 86 ، به نقل از Forchheimer ) .
[2] . اندازه تنش برشی در محل برخورد سطح بالایی آب و بدنه های نهر، صفر، در کف نهر برابر با WDS ، و در بدنه ها معادل 75/0 مقدار آن در کف نهر می باشد (Graf ، 1971 ، ص 107). ظاهراً تنش لازم برای جداسازی ذرات در بدنه ها، به دلیل شیب زیاد آنها و کمک نیروی جاذبه به غلتاندن دانه ها، کمتر از همگامی است که فرسایش در کف نهر صورت می گیرد.
[3] . نگاه کنید به : «تابع بار متحرک بستر برای حمل رسوب در نهرهای روباز»، تالیف H.A.Einstein ، 1950، و مجموعه رسوبگذاری به ویراستاری Shen ، 1972.
[4] . افزایش ضریب خشونت از طریق شیار زدن اراضی به موازات خطوط تراز در زراعت سیلابی، و توسعه گیاهان علوفه ای و درختکاری در مراتع، صورت می پذیرد.