شبیه سازی پایداری کانال‌های آبرفتی با استفاده از مدل ریاضی GSTARS4.0

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد سازه های هیدرولیکی

2 دانشگاه سیستان وبلوچستان

چکیده

سابقه و هدف: به منظور پیش‌بینی پاسخ رودخانه‌های آبرفتی به تغییرات مصنوعی و طبیعی اعمال شده، شناخت و پیش‌بینی هندسه پایدار رودخانه دارای اهمیت است. تعیین هندسه‌ مقطع عرضی، شیب و معیار پایداری کانال‌ها و رودخانه‌ها موضوع مورد توجه بسیاری از مهندسین عمران در رابطه با طرح‌های آبیاری، مهندسی رودخانه و پروژه‌های هیدرولیکی می‌باشد. هدف از این پژوهش بررسی پارامترهای هندسی، معیارهای تعادل و روند پایداری دینامیکی کانال‌های پایدار می‌باشد.
مواد و روش‌ها: بدین منظور یک کانال آزمایشگاهی توسط نرم‌افزار GSTARS4.0 که یک مدل ریاضی بوده و بر اساس کمینه نمودن قدرت عمل می‌کند، مدل‌سازی شده است. این مدل با استفاده از مفهوم لوله‌‌های جریان، قابلیت شبیه‌سازی جریان توزیع رسوب‌گذاری را به ‌صورت شبه دوبعدی (طولی و عرضی) در رودخانه‌‌ها دارد. واسنجی هیدرو لیکی، مدل به‌ازای دبی‌ها و ضرایب زبری مانینگ مختلف اجرا شده و نتایج پروفیل سطح آب محاسباتی با مقادیر واقعی رقوم سطح آب بر روی پهنه سیلابی مقایسه گردید. بدین ترتیب با داشتن تراز سطح آب به ازای دبی‌های مختلف، مقدار ضریب مانینگ پهنه سیلابی و کانال اصلی در مدل به نحوی انتخاب شده تا به ازای دبی معلوم ورودی و تراز سطح آب، ابعاد محاسبه شده توسط مدل با مقدار واقعی همخوانی داشته باشد. نتایج این مقایسه بیانگر مطابقت رقوم سطح آب محاسباتی با رقوم سطح آب مشاهداتی به‌ازای ضریب زبری مانینگ 014/0است. برای واسنجی هیدرولیک رسوب مدل، زاویه پایداری مصالح بستر برابر مقدار آزمایشگاهی (º33 φ =) قرار گرفت. در ادامه واسنجی، تغییرات مقطع عرضی کانال آزمایشگاهی به‌ازای روابط تجربی مختلف موجود در مدل ریاضی GSTARS شبیه‌سازی شده و با مقطع عرضی آزمایشگاهی مقایسه گردید. معادله انتقال رسوب ماسه یانگ (1979) مطابقت بهتری با مشاهدات آزمایشگاهی دارد.تعدادی از داده‌ها که در واسنجی مدل به کار نرفته بودند به منظور صحت‌سنجی مدل مورد استفاده قرار گرفتند که در این مرحله عرض بالا و پایین کانال‌ها با ضریب همبستگی به ترتیب 975/0 و 942/0 پیش‌بینی شده‌اند.
یافته ها: کانال‌های آبرفتی هندسه هیدرولیکی خودرا به نحوی تنظیم می‌نمایند که بین جریان و انتقال رسوب تعادل برقرار شود. در 2 تا 3 ساعت نخست، فرسایش و ته نشینی جداره ها و بستر کانال شدید بوده و مقدار قابل ملاحظه‌ای انتقال رسوب و عریض شدن کانال مشاهده گردید و سپس کاهش می‌یابد. افزایش عرض بالا، کاهش عرض پایین و نهایتاً افزایش شیب جانبی در همه مقاطع قابل مشاهده است و عمده تغییرات در 2 ساعت اول اتفاق می‌افتد که تغییرات ارتفاع در جهت تنظیم شیب بستر کانال و حفظ یکنواختی پروفیل سطح آب می‌باشد. برای تعیین مستقیم، مستقیم کم عمق و مارپیچ بودن کانال‌ها، مدل‌های تحقیق حاضر در خطوط آکرز-چارلتون و لین ترسیم گردید. این کانال‌ها در پایین این خطوط واقع شده است و مستقیم می‌باشد.
نتیجه گیری: این تحقیق قابلیت و کارایی مناسب مدل ریاضی GSTARS4.0را در پیش‌بینی تغییرات طولی و عرضی تراز بستر رژیم کانال‌ها نشان می‌دهد. در ادامه معیارهای پایداری نظیر تغییرات عرض، تغییرات سطح آب (مستقیم شدن پروفیل سطح آب) و یکنواختی نرخ انتقال رسوب که توسط محققان مختلف ارائه شده است مورد بررسی قرار گرفته و مشاهده گردید سه معیار مذکور در همه‌ی مدل‌ها به وقوع پیوسته است. بنابراین ترکیبی از این معیارها برای پایداری رژیم کانال‌ها پیشنهاد شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Simulation of stability of alluvial channels using GSTARS4.0

نویسندگان [English]

  • Reza Mir 1
  • Reza Bozorgmehr 2

1 M.Sc. , Dept. of Civil Engineering

2 M.Sc., Dept. of Civil Engineering

چکیده [English]

Background and objectives: The first step to predict reaction of alluvial rivers against natural and man-made changes is to know and to predict stable geometry of rivers. One of the most important problems in civil engineering in relation to irrigation projects, river engineering and hydraulic projects is determining of stable cross section geometry, slope and stability criterion for alluvial channels or rivers. The purpose of present paper is to study geometric parameters, equilibrium criteria and stability approaches for stable alluvial channels.
Materials and methods: A laboratory channel has been modeled with GSTARS4.0, which is developed based on theory of total stream power minimization. This mathematical model using concept of stream tubes is able to simulate sedimentation pattern in the rivers quasi two-dimensionally. For hydraulic calibration, the mathematical model is run for different discharges and Manning roughness coefficients. Then, the computational water surface profile is compared with the actual water surface elevation on the channel. Using the water surface elevations for different discharges, the Manning roughness coefficients of the channel are selected such that the channel dimensions calculated by the model are consistent with the actual value for certain discharge and water level. Comparisons demonstrate a good agreement between computational and observed water surface elevations for the Manning roughness coefficients of n=0.014. For sediment calibration of this mathematical model, cross section geometry has been used. For this purpose, the stability angle of the bed materials is considered equal to the experimental value (φ=33 º). Then, the changes in laboratory channel cross-section are simulated for different empirical correlations in GSTARS mathematical model. The simulation results are compared with the experimental cross section. Yang’s sand sediment transport equation (1979) is in good agreement with experimental observations as compared with other correlations. Some of data that had not been used for calibration is used to verify the model. In the final step, the main parameters of top and bottom width of channel are predicted by correlation coefficients of 0.975 and 0.942 respectively.
Results: The alluvial channels adjust the hydraulic geometry to make a balance among flow and sediment. In the first 2 to 3 hours duration of experiment, aggradation and degradation of the channel banks and bed was high and consequently a considerable value of sediment transport and widening rate was observed, then it eventually declined. Increasing the width of the top, decreasing the width of the bottom, and finally raising the side slope at all models can be seen. Major changes, consist of adjustment of the slope of the channel bed and also holding constant uniformity of profile of water surface, happen in the first 2 hours of experiment. In order to distinguish between straight channels, straight channels with shoals and meandering channels, presented models are plotted against Ackers-Charlton and lane lines. The channels are located below the lines and are straight.
Conclusion: The research shows capabilities and good performance of GSTARS4.0 mathematical model to forecast longitudinal and transversal changes of channel regime bed. Afterwards, stability criteria such as width adjustment, water surface adjustment (straight energy slope) and sediment transport rate uniformity which presented by various researchers were studied. It was concluded that all of the mentioned criteria had occurred in all of the models. Therefore a combination of these criteria proposed for stability of regime channels.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Stable channel
  • Channel pattern
  • Bed slope
  • Stream Power
  • GSTARS4.0