برآورد ظرفیت انتقال رسوب رودخانه ها با استفاده از مدل ریاضی شبه دوبعدی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 عضو هیئت علمی دانشگاع آزاد اسلامی واحد شوشتر

چکیده

سابقه و هدف: تخمین مناسب دبی جریان و رسوب در رودخانه‌ها به عنوان اطلاعات پایه برای بسیاری از طرح‌ها و پروژه‌های مهندسی رودخانه دارای اهمیت است. تاکنون از رابطه دبی-اشل و منحنی سنجه رسوب به عنوان ابزار اصلی محاسبه این دو پارامتر استفاده شده است. با وجود اهمیت بسیار زیاد دبی جریان در محاسبات هیدرولیک رودخانه‌ها، تاکنون روش و مدل ریاضی خاصی منظور تعیین دبی ارائه نشده و کماکان مهم‌ترین روش محاسبه دبی جریان، اندازه‌گیری سرعت در عرض رودخانه و سپس انتگرال‌گیری از توزیع سرعت است. اندازه‌گیری میدانی توزیع سرعت در رودخانه‌ها کاری زمان‌بر و پرهزینه بوده و در شرایط وقوع سیلاب، بسیار خطرناک خواهد بود (5). بر خلاف دبی جریان، برای محاسبه رسوب معلق و کل رودخانه‌ها، روش‌ها و مدل‌های ریاضی زیادی توسط محققین پیشنهاد شده است (4، 8، 26). اغلب مدل‌های ریاضی محاسبات رسوبی دارای تئوری و مبانی پیچیده‌ای بوده و به داده‌های ورودی زیادی نیز نیاز دارند. با توجه به شرایط خاص رودخانه‌های کشور و عدم وجود داده‌های هیدرولیکی و رسوبی مناسب، ضروری است راه‌حل‌ها و راهکارهای مناسبی پیشنهاد شوند. یکی از راهکارهای مناسب در این زمینه، استفاده از مدل‌های ریاضی شبه‌دوبعدی است (9، 10، 11، 28). شیونو و نایت (1991) با ارائه یک مدل شبه‌دوبعدی توزیع عرضی سرعت، محاسبه دبی جریان در رودخانه‌های سیلابی را با دقت قبولی امکان‌پذیر نمودند (24).
مواد و روش‌ها: در این پژوهش برای استفاده کاربردی از مدل‌های ریاضی در محاسبات همزمان هیدرولیک جریان و رسوب، از یک مدل ریاضی شبه دوبعدی برای محاسبه دبی جریان و ظرفیت حمل رسوب استفاده شده و در ایستگاه هیدرومتری ملاثانی در رودخانه کارون واسنجی و صحت‌سنجی شده است. برای شبیه‌سازی حمل رسوب در این رودخانه، از سه رابطه تجربی انتقال رسوب شامل انگلوند-هانسن (1967)، ایکرز-وایت (1973) و یانگ (1979) استفاده شده است. تعداد اندک داده‌های ورودی مدل پیشنهادی این پژوهش، مزیت مهم آن نسبت به مدل‌های ریاضی پیچیده دو و سه‌بعدی است.
یافته‌ها: نتایج این پژوهش نشان داد که رابطه دبی-اشل بدست آمده از این مدل در مراحل واسنجی و صحت‌سنجی به ترتیب دارای متوسط خطای نسبی حدود 4/2 و 4 درصد است که برای رودخانه عریضی مثل کارون قابل قبول است. همچنین مشخص شد که از بین روابط تجربی مورد استفاده برای برآورد انتقال کل رسوب در این پژوهش، رابطه یانگ در محدوده دبی-های پایین جریان (کوچکتر از 800 مترمکعب بر ثانیه) دارای کارایی مناسب‌تری است. این در حالی است که روابط رسوبی انگلوند-هانسن و ایکرز-وایت در محدوده دبی‌های پایین جریان، برآورد کمتری از واقعیت ارائه کرده اما در دبی‌های بالا (بزرگتر از 1000 مترمکعب بر ثانیه) نتایج بهتری نشان می دهند.
نتیجه‌گیری: با توجه به اهمیت فراوان انتقال رسوب در شرایط سیلاب، استفاده از روابط انگلوند-هانسن و ایکرز-وایت در این شرایط در ایستگاه ملاثانی منطقی‌تر بوده و نتایج قابل قبول‌تری خواهند داشت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Sediment transport prediction in rivers using quasi-two dimensional model

نویسنده [English]

  • Abdolreza Zahiri 1

چکیده [English]

Background and Objectives: Accurate prediction of flow and sediment discharges, as basic information, is important for many river engineering projects. Flow and sediment rating curves are the main tools for computation of these two parameters, respectively. In spite of great importance of flow discharge in river hydraulic computations, no specific approach or mathematical model has yet been presented and still the field measurement of lateral velocity and then its lateral integration are considered as the main solution. Field measurement of velocity across the river is a time consuming and costly work and during the river flooding, is very dangerous (5). Opposite to the flow discharge, plenty of relationships and mathematical models have been developed by the researchers for computing the suspended and total sediment load in rivers (4, 8, 26). These models have often complex theory and need large input parameters. Due to specific conditions of our countries’ rivers and their lack of hydraulic and sediment transport data with good quality, it’s necessary to propose suitable solutions. One of the key elements in this regards is use of quasi two-dimensional mathematical models (9, 10, 11, 28). Shiono and Knight (1991) by developing a quasi-two-dimensional model for lateral velocity distribution, presented a new method with suitable accuracy for computation of flow discharge in flooded rivers (24).
Materials and Methods: In this study, in order to mathematical models being applied for simultaneous computation of river flow hydraulics and sediment transport, a quasi-two dimensional mathematical model has been selected. This model has been calibrated and then verified in Karoun river at Molasani hydrometric station. For simulation of sediment transport in this river, three well known sediment transport equations including Engelund-Hansen (1967), Ackers-White (1973) and Yang (1979) have been used. Few input data needed is the main advantage of this model against the complicated two and three dimensional models.
Results: The results showed that calculated stage-discharge curves in calibration and validation phases have mean errors of 2.4 and 4.0 percent, respectively. Such accuracy is noticeable for a large river, such as Karoun river. Also, it’s revealed that among the selected empirical equations for total sediment transport capacity, Yang formula gives good predictions in low flow discharges (less than 800 m3/s). On the other hands, Engelund-Hansen and Ackers-White formulas give better predictions of the sediment discharge for high flow discharges (more than 1000 m3/s).
Conclusion: Accordance to the high importance of sediment transport in flood condition, it seems that application of two sediment transport equations of Engelund-Hansen and Ackers-White give more reasonable results for Molasani hydrometric station and hence are recommended.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Karoun River
  • Quasi-Two dimensional model
  • Sediment transport capacity
  • Empirical sediment transport formulae