حل عددی توزیع عرضی رسوب معلق در قوس رودخانه‌ها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیئت علمی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد شوشتر

3 کارشناس ارشد اداره منابع طبیعی بهبهان

چکیده

سابقه و هدف: تغییرات سرعت جریان و به ویژه غلظت رسوب معلق در عرض رودخانه‌ها در محل قوس از توزیع بسیار غیریکنواختی برخوردار است. برای مدیریت بهتر سازه‌های هیدرولیکی واقع در قوس رودخانه، آگاهی از تغییرات غلظت رسوب معلق در عرض رودخانه لازم است. تاکنون مدل‌های ریاضی دوبعدی و شبه‌دوبعدی زیادی برای حل توزیع عرضی سرعت در رودخانه‌ها توسط محققین مختلف توسعه داده شده است که در اغلب این مدل‌ها، مسیر رودخانه به صورت مستقیم فرض شده است. همچنین توزیع غلظت رسوب در عرض رودخانه و به ویژه در محل قوس تاکنون فقط با مدل‌های پیچیده دوبعدی و سه‌بعدی شبیه‌سازی شده است. با توجه به لزوم سادگی در مطالعات کاربردی مهندسی هیدرولیک جریان و رسوب رودخانه‌ها، استفاده از مدل‌های ریاضی ساده شبه‌دوبعدی اخیراً مورد توجه و استقبال قرار گرفته است. هدف این مقاله، مدل‌سازی شبه دوبعدی توزیع عرضی سرعت جریان و غلظت رسوب معلق در محل قوس رودخانه‌ها می‌باشد.
مواد و روش‌ها: برای شبیه‌سازی توزیع عرضی سرعت و رسوب در محل قوس رودخانه‌ها، از حل عددی مدل ریاضی شیونو و نایت استفاده شد. برای واسنجی ضریب زبری مانینگ در این مدل از داده‌های توزیع عرضی سرعت اندازه‌گیری در محل یکی از قوس‌های رودخانه کارون در مجاورت ایستگاه هیدرومتری اهواز استفاده شد. همچنین با انتخاب 3 رابطه تجربی انتقال کل رسوب (معادلات اکرز-وایت، انگلوند-هانسن و یانگ)، بخش رسوبی این مدل نیز به کمک داده‌های اندازه‌گیری شده توزیع عرضی غلظت رسوب در محل قوس واسنجی شد.
یافته‌ها: نتایج حل عددی مدل ریاضی شیونو و نایت به روش تفاضل‌های محدود نشان داد که از میان روابط رسوبی مورد استفاده، رابطه رسوبی یانگ مطابقت خوبی با مقادیر غلظت رسوب اندازه‌گیری شده در عرض رودخانه داشته و نسبت به روابط رسوبی اکرز-وایت و انگلوند-هانسن، از دقت بالاتری برخوردار می‌باشد. دو رابطه اخیر، مقادیر انتقال رسوب را بسیار بیشتر از مقادیر اندازه‌گیری برآورد می-کنند. با توجه به اینکه پایه و اساس رابطه رسوبی یانگ، قدرت یکه جریان است و در این نظریه، انتقال هر ذره رسوب مستقیماً متناسب با سرعت ذره است، احتمالاً به همین دلیل این رابطه از دقت بیشتری برخوردار بوده است. با انتگرال‌گیری عرضی از نتایج توزیع غلظت رسوب در عرض رودخانه، بار کل رسوب رودخانه واقعی و محاسباتی در محل قوس مورد مطالعه به ترتیب 26500 و 16000 تن بر روز بدست آمد که بیانگر خطای حدود 40 درصد می‌باشد. این در حالی است که روش‌های آکرز-وایت و انگلوند-هانسن به ترتیب با خطای نسبی حدود 265 و 325 درصد، برآوردهایی بسیار بالاتر از واقعیت داشتند.
نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج بدست آمده از این تحقیق، می‌توان به کمک مدل ریاضی پیشنهادی، توزیع عرضی رسوب در هر دبی جریان به ویژه در دبی‌های سیلابی را محاسبه نموده و برای طراحی آبگیرهای جانبی در قوس خارجی، از نتایج مدل استفاده نمود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical solution of lateral distribution of suspended sediment in river bends

نویسنده [English]

  • Abdolreza Zahiri 1
چکیده [English]

Background and Objectives: Distribution of lateral velocity and especially suspended sediment concentration in river bends are extremely non-uniform. For better management of hydraulic structures located on river bends, the lateral variation of sediment concentration has high importance. Several two-dimensional and quasi two-dimensional mathematical models have been developed by many researchers which in most of them, the river has been assumed as a straight reach. Also, sediment concentration variations across the river and especially in the case of river bends have been simulated just by complicated two and three dimensional mathematical models. Due to the essence of simplicity for applied studies in flow and sediment transport hydraulics, the simple quasi two-dimensional models have attracted much attention, recently. The aim of this paper is to investigate the quasi-two dimensional modeling of lateral flow velocity and suspended sediment concentration in river bends.
Material and Methods: for lateral distribution of flow velocity and sediment transport at the river bends, the Shiono and Knight method has been numerically solved in this paper using the finite difference method. For calibration of Manning roughness coefficient in this model, the field data of lateral velocity distribution at the one of bends in Karoun river at the vicinity of Ahwas hydrometric station have been used. Furthermore, by selecting three empirical sediment transport equations of Ackers-White, Engelund-Hansen and Yang, the sediment transport module of this model has been calibrated with field data of lateral distribution of sediment concentration at the bend
Results: The results of numerical solution of Shiono and Knight model showed that the among the selected sediment transport equations, the Yang equation has very well agreement with the measured lateral suspended sediment concentration, in comparison to the Ackers-White and Engelund-Hanssen equations. The former two equations predict the sediment transport very larger than the measured value. Due to this fact that the unit stream power is the basis of Yang equation derivation and in this theory, the transport of each sediment particle mainly depends to its flow velocity, hence the Yang sediment transport equation has higher accuracy. With lateral integration of sediment concentration across the river bend, the total load has been computed as 16000 tons per day against the measured value of 26500 tons per day which shows nearly 40 percent error. These errors for Ackers-White and Engelund-Hansen equations are 265 and 325 percent, respectively, which are very high predictions comared with the actual value.
Conclusion: according to the results obtained in this paper, the sediment concentration distribution in any flow discharge and especially in flood conditions may be computed and used for designing lateral intakes on outer bank of the river bend.

کلیدواژه‌ها [English]

  • River bend
  • Numerical modeling
  • Shiono and Knight model
  • suspended sediment