اثر جانمایی سد و قفل کشتیرانی مارد بر هیدرولیک جریان و رسوب‌گذاری رودخانه کارون

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد مهندسی عمران آب و سازه های هیدرولیکی دانشگاه علوم و فنون دریایی خرمشهر

2 دانشیار دانشکده مهندسی دریا دانشگاه علوم و فنون دریایی خرمشهر

3 استادیار گروه فیزیک دریا، دانشکده علوم دریایی و اقیانوسی ، دانشگاه علوم و فنون دریایی خرمشهر، ایران

چکیده

سابقه و هدف: احداث سازه‌های کنترلی در رودخانه‌ها، به‌ویژه رودخانه‌های متأثر از جزرومد، می‌تواند تعادل میان نیروی جریان، ظرفیت انتقال رسوب و پایداری بستر را تغییر دهد. این تغییر در محیط‌های جزرومدی پیچیده‌تر است، زیرا جهت و شدت جریان، تراز سطح آب، برگشت جریان، شوری و رسوبات معلق در زمان‌های مختلف تغییر می‌کند و محل‌های ته‌نشینی و فرسایش را جابه‌جا می‌سازد. رودخانه مارد در جنوب غرب استان خوزستان، به دلیل ارتباط با سامانه کارون و بهمنشیر و نزدیکی به آبادان و خرمشهر، از نظر تأمین آب، کنترل پیشروی شوری، حفاظت از نخلستان‌ها، کشاورزی، مصارف صنعتی و مسیرهای آبی اهمیت زیادی دارد. قفل کشتیرانی سازه‌ای هیدرولیکی است که با ایجاد محفظه کنترل‌شده بین دو تراز آبی، امکان عبور شناورها را فراهم می‌کند. در چنین سازه‌ای، تغییر تراز آب در محفظه قفل و وجود مانع هیدرولیکی می‌تواند بر سرعت جریان، زمان ماند آب و انتقال رسوب اثر بگذارد. احداث سد و قفل کشتیرانی مارد با هدف تنظیم جریان و کنترل شوری مطرح شده است، اما جانمایی آن می‌تواند با کاهش سرعت و افزایش زمان ماند آب، ظرفیت حمل رسوب را کاهش دهد و موجب افت عمق مؤثر کانال شود. نوآوری اصلی این پژوهش، بررسی همزمان اثر جانمایی سد و قفل کشتیرانی بر هیدرولیک جریان، رفتار رسوبات ریزدانه و تغییرات عمق مؤثر مسیر کشتیرانی در یک رودخانه جزرومدی با استفاده از مدل عددی ‎CCHE2D‎ و تحلیل سناریوهای مختلف است. هدف پژوهش، ارزیابی عددی اثر جانمایی سد و قفل کشتیرانی مارد بر میدان جریان، تغییرات بستر و الگوی رسوب‌گذاری رودخانه مارد است.
مواد و روش‌ها: برای انجام پژوهش، داده‌های هندسی، هیدرولیکی و رسوبی گردآوری و برای مدل‌سازی عددی آماده شد. داده‌های هندسی شامل مسیر رودخانه، خط‌القعر، مقاطع عرضی، پروفیل‌های طولی و محدوده کانال محاسباتی بود. داده‌های هیدرولیکی شامل دبی جریان، تراز سطح آب، شرایط مرزی بالادست و پایین‌دست و ضریب زبری مانینگ بود. داده‌های رسوبی نیز شامل رسوبات معلق، منحنی دبی-رسوب، دانه‌بندی مصالح بستر و مشخصات رسوبی ایستگاه سد و قفل کشتیرانی مارد بود. بخشی از اطلاعات از گزارش‌ها و داده‌های سازمان آب و برق خوزستان و بخشی از داده‌های مکانی از برداشت میدانی و تعیین موقعیت ایستگاه‌ها تکمیل شد. منحنی سنجه بار معلق ایستگاه سد و قفل کشتیرانی مارد از داده‌های موجود سازمان آب و برق خوزستان در دوره آماری ۱۳۹۸ تا ۱۳۹۹ استخراج و به‌عنوان شرط مرزی رسوبی به مدل معرفی شد. در این پژوهش منحنی سنجه جدیدی برازش یا تولید نشد، بلکه داده‌های سازمانی موجود برای تعریف بار رسوبی ورودی استفاده گردید. پس از آماده‌سازی داده‌ها، هندسه رودخانه در محیط ‎CCHE-Mesh‎ بازسازی و شبکه محاسباتی ساختاریافته و منطبق بر هندسه رودخانه تهیه شد. در محدوده نزدیک به سازه، به دلیل احتمال تغییر ناگهانی سرعت، جریان‌های موضعی و تغییرات رسوبی، تراکم شبکه افزایش یافت. برای شبیه‌سازی هیدرولیک جریان و فرآیندهای رسوبی از مدل عددی ‎CCHE2D‎ استفاده شد. این مدل با حل معادلات جریان به‌صورت دوبعدی در پلان و با میانگین‌گیری در عمق، امکان تحلیل تغییرات طولی و عرضی سرعت، عمق، تنش برشی و تغییرات بستر را فراهم می‌کند. برای بررسی سناریوهای رسوبی و مقایسه روابط انتقال رسوب، از مدل ‎HEC-RAS‎ نیز استفاده شد. سه سناریوی اصلی تعریف گردید: سناریوی نخست برای بررسی کیفیت شبکه و پارامترهای هیدرولیکی پایه؛ سناریوی دوم برای ارزیابی اثر جانمایی بر انتقال رسوب و تغییرات بستر؛ و سناریوی سوم برای مقایسه روابط انتقال رسوب و شرایط احداث سد. دبی جریان در این پژوهش به‌عنوان شرط مرزی بالادست به مدل معرفی شد و هدف مدل‌سازی، شبیه‌سازی مستقل دبی نبود؛ بلکه بازتولید میدان جریان و تحلیل اثر آن بر الگوی رسوب‌گذاری مدنظر قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج مدل‌سازی نشان داد که جانمایی سد و قفل کشتیرانی مارد اثر مستقیم بر میدان سرعت، تراز سطح آب، تراز بستر و ظرفیت انتقال رسوب دارد. خروجی‌های مکانی مدل نشان دادند که تغییرات تراز بستر و سطح آب در امتداد بازه مدل‌سازی‌شده یکنواخت نیست و نواحی مختلف رودخانه از نظر عمق، شیب انرژی، سرعت و ظرفیت حمل رسوب رفتار یکسانی ندارند. بر اساس خروجی مدل، دامنه سرعت جریان از مقادیر بسیار کم تا حدود ۳٫۷۷ متر بر ثانیه تغییر کرد. تمرکز سرعت‌های بالاتر در برخی بخش‌ها بیانگر افزایش ظرفیت انتقال رسوب و کاهش احتمال ته‌نشینی است، در حالی که پهنه‌های کم‌سرعت می‌توانند محل‌های بالقوه رسوب‌گذاری باشند. مقایسه مکانی تراز بستر، سطح آب و سرعت نشان داد که محل‌های کم‌سرعت الزاماً با محل‌های دارای بیشترین تغییر تراز بستر یکسان نیستند؛ بنابراین تفسیر رسوب‌گذاری باید بر پایه ترکیب چند خروجی هیدرولیکی و رسوبی انجام شود. بررسی دانه‌بندی مصالح بستر نشان داد که مصالح غالب بستر رودخانه مارد از ماسه بسیار نرم و سیلت تشکیل شده است. این اصلاح از نظر علمی اهمیت دارد، زیرا رفتار رسوبات ریزدانه با مصالح درشت‌دانه متفاوت است و ته‌نشینی آن‌ها به کاهش سرعت جریان، افت تنش برشی و افزایش زمان ماند آب وابسته است. در چنین شرایطی، کاهش سرعت در محدوده اثر سازه می‌تواند موجب کاهش ظرفیت انتقال رسوبات ریزدانه و افزایش احتمال ته‌نشینی در کانال شود. نتایج پروفیل طولی نیز نشان داد که تغییرات بستر در طول مسیر یکنواخت نیست و نوسان کف کانال می‌تواند عمق مؤثر مسیر کشتیرانی را تغییر دهد. بر اساس داده‌های گزارش‌شده، عمق مسیر کانال بر پایه هیدروگرافی برابر ۳۰٫۵ متر و عمق حاصل از مدل‌سازی رسوبی برابر ۲۸٫۵ متر به دست آمد؛ بنابراین اختلاف مطلق دو مقدار برابر ۲ متر و اختلاف نسبی آن حدود ۶٫۵۶ درصد کاهش عمق مؤثر کانال است. همچنین نتایج سناریوی مقایسه‌ای نشان داد که اصلاح یا کاهش اثر بازدارندگی سد می‌تواند متوسط سرعت جریان را حدود ۵۰ درصد افزایش دهد و توان رسوب‌گذاری رودخانه را حدود ۴۰ درصد کاهش دهد. این مقادیر به‌صورت شاخص نسبی و بر پایه بازپردازش نتایج سناریوها محاسبه شده‌اند و بیانگر مقایسه وضعیت پایه با وضعیت اصلاح‌شده از نظر اثر هیدرولیکی سازه هستند. مقایسه روابط انتقال رسوب نشان داد که رابطه انگلوند-هانسن نسبت به سایر روابط بررسی‌شده تطابق بهتری با داده‌های اندازه‌گیری‌شده در مقطع سد و قفل کشتیرانی مارد دارد.
نتیجه‌گیری: یافته‌های پژوهش نشان می‌دهد که رسوب‌گذاری در محدوده رودخانه مارد تنها پیامد ورود رسوب یا تغییرات طبیعی رودخانه نیست، بلکه به‌شدت به جانمایی سد و قفل کشتیرانی و اثر هیدرولیکی آن بر میدان جریان وابسته است. کاهش سرعت جریان در محدوده اثر سازه، ظرفیت حمل رسوب را کاهش داده و احتمال ته‌نشینی مصالح ریزدانه بستر را افزایش می‌دهد. در مقابل، اصلاح شرایط هیدرولیکی و کاهش اثر بازدارندگی سازه می‌تواند میدان جریان را فعال‌تر کند، ظرفیت انتقال رسوب را افزایش دهد و احتمال افت عمق کانال را کاهش دهد. با توجه به اینکه مصالح غالب بستر از ماسه بسیار نرم و سیلت تشکیل شده است، مدیریت رسوب در این محدوده باید بر کنترل پهنه‌های کم‌سرعت، پایش تغییرات تراز بستر، بررسی زمان ماند جریان و برنامه‌ریزی لایروبی هدفمند متمرکز باشد. کاهش ۶٫۵۶ درصدی عمق مؤثر کانال و همچنین افزایش ۵۰ درصدی شاخص سرعت و کاهش ۴۰ درصدی شاخص توان رسوب‌گذاری نشان می‌دهد که مسئله رسوب‌گذاری باید پیش از بهره‌برداری و در مرحله انتخاب یا اصلاح گزینه مکانی سازه تحلیل شود. بنابراین، اتکا به لایروبی کافی نیست و مدیریت رسوب باید شامل جانمایی مناسب، کنترل بهره‌برداری، پایش تراز بستر، بررسی دانه‌بندی، مدیریت تراز آب و لایروبی هدفمند باشد. در مجموع، مدل‌سازی عددی دوبعدی همراه با تحلیل سناریوهای جانمایی و مقایسه روابط انتقال رسوب می‌تواند ابزار مؤثری برای کاهش عدم قطعیت در طراحی و مدیریت سازه‌های رودخانه‌ای و حفظ پایداری مسیرهای کشتیرانی در رودخانه‌های جزرومدی جنوب غرب ایران باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Mared Dam and Navigation Lock Siting on Flow Hydraulics and Sedimentation of the Karoon River

نویسندگان [English]

  • Omid Amirkhani abzahali 1
  • Morteza Bakhtiari 2
  • omid mahpeykar 3
1 Master of Science in Water and Hydraulic Structures Engineering, Department of marine structures, Faculty of Marine Engineering, Khorramshahr University of Marine Science and Technology, Khorramshahr, Khuzestan, Iran.
2 Department of marine structures, Faculty of Marine Engineering, Khorramshahr University of Marine Science and Technology, Khorramshahr, Khuzestan, Iran
3 assistant professor oceanography khorramshahr university of marine science and technology
چکیده [English]

Background and objectives: Hydraulic control structures constructed in tidal rivers can modify the balance among flow energy, sediment transport capacity, and bed stability. These modifications are more complex than in ordinary fluvial systems because flow direction, water level, flow reversal, salinity intrusion, and suspended-sediment concentration vary over time and affect erosion and deposition zones. The Mard River, located in southwest Khuzestan Province, Iran, is connected to the Karun and Bahmanshir river systems and is important for water supply, salinity control, agriculture, industrial water use, and navigation in the Abadan-Khorramshahr region. A navigation lock is a hydraulic structure that allows vessels to pass between two different water levels through a controlled chamber. In such a system, lock operation and the presence of a hydraulic obstruction can change local flow velocity, water residence time, and sediment transport conditions. Therefore, the siting of the Mard Dam and navigation lock may reduce flow velocity, increase residence time, decrease sediment transport capacity, and intensify deposition in the navigation channel. The main novelty of this study is the integrated evaluation of dam and navigation lock siting effects on flow hydraulics, fine-sediment behavior, bed variation, and effective navigation depth in a tidal river using the CCHE2D numerical model and scenario-based analysis. The objective of this study was to numerically assess the effect of Mard Dam and navigation lock siting on the flow field, bed variation, and sedimentation pattern of the Mard River.
Materials and methods: Geometric, hydraulic, and sediment data were collected and processed for numerical modeling. The geometric data included river alignment, thalweg, longitudinal profiles, cross sections, and the computational channel domain. Hydraulic data included discharge, water level, upstream and downstream boundary conditions, and Manning's roughness coefficient. Sediment data included suspended-sediment information, sediment-rating data, bed-material gradation, and sediment characteristics at the Mard Dam and navigation lock station. Part of the information was extracted from reports and datasets provided by the Khuzestan Water and Power Authority and from the thesis data, while complementary spatial information was obtained through field surveys. The suspended-load rating curve of the Mard Dam and navigation lock station was extracted from the available data of the Khuzestan Water and Power Authority for the 2019-2020 period and was introduced into the model as the sediment boundary condition. No new sediment-rating curve was fitted or generated; instead, institutional data were used to define the incoming sediment load. After data preparation, the river geometry was reconstructed and meshed in the CCHE-Mesh environment. A structured, non-uniform grid adapted to the river geometry was generated, with a denser grid near the proposed structure because of expected velocity changes, local flow concentration, and possible sedimentation or erosion. The CCHE2D numerical model was used to simulate flow hydraulics and sediment processes. This depth-averaged two-dimensional model solves the governing flow equations in plan view and provides spatial outputs for velocity, depth, water-surface elevation, bed shear stress, and bed variation. HEC-RAS was also used in selected sediment scenarios to compare transport functions, including Ackers-White, Engelund-Hansen, Laursen-Copeland, Meyer-Peter and Muller, Toffaleti, Yang, and Wilcock. Three scenarios were defined. The first examined the mesh and basic hydraulic parameters. The second evaluated the effect of siting on sediment transport and bed variation. The third compared transport functions and assessed sedimentation behavior. Flow discharge was not simulated as an independent variable; rather, it was introduced as the upstream boundary condition, and the modeling focused on reproducing the flow field and analyzing its influence on sedimentation.
Results: The modeling results showed that the siting of the Mard Dam and navigation lock directly affects velocity distribution, water-surface elevation, bed elevation, and sediment-transport capacity. Spatial model outputs indicated that bed elevation and water-surface changes were not uniform along the modeled reach; therefore, different parts of the river show different hydraulic and sediment responses. The velocity-output map showed that flow velocity varied from very low values to approximately 3.77 m/s. Zones with higher velocities indicate greater sediment-transport capacity and a lower probability of deposition, whereas low-velocity zones may act as sedimentation areas. The spatial comparison of bed elevation, water-surface elevation, and velocity maps showed that the lowest-velocity zones do not necessarily coincide with the zones of maximum bed-elevation change. Thus, sedimentation in the Mard River should be assessed by integrating several hydraulic and sediment-related outputs rather than using a single variable. The bed-material gradation analysis indicated that the dominant bed material of the Mard River consists of very fine sand and silt. This correction is scientifically important because fine sediments behave differently from coarse materials and are strongly affected by reductions in flow velocity, decreases in bed shear stress, and increases in water residence time. Under such conditions, low-velocity zones created or intensified by the hydraulic structure can reduce the transport capacity of the flow and promote deposition of fine sediment within the channel. The longitudinal channel profiles also indicated that bed variation is spatially non-uniform, and local bed changes may reduce the effective navigation depth. A quantitative comparison between periodic hydrographic data and sediment-modeling results showed that the hydrographic channel depth was 30.5 m, whereas the sediment-modeling result was 28.5 m. The absolute difference was 2.0 m, corresponding to a relative reduction of approximately 6.56% in effective channel depth. The scenario comparison further showed that modifying or reducing the hydraulic obstruction effect of the dam could increase mean flow velocity by about 50% and decrease sedimentation potential by about 40%. These values were calculated as relative indices based on the reprocessing of scenario results and represent the comparison between the base condition and the modified condition in terms of the hydraulic effect of the structure. In addition, the comparison of sediment-transport functions indicated that the Engelund-Hansen function had the closest agreement with the measured bed profile at the Mard Dam and navigation lock section.
Conclusion: The findings demonstrate that sedimentation in the Mard River is not only the result of sediment supply or natural river behavior; it is strongly controlled by the siting of the dam and navigation lock and by the hydraulic influence of the structure on the flow field. Reduced flow velocity decreases sediment-transport capacity and increases the probability of fine bed-material deposition. Conversely, improving the hydraulic condition and reducing the obstruction effect can activate the flow field, increase sediment transport capacity, and reduce effective channel-depth loss. Considering that the dominant bed material consists of very fine sand and silt, sediment management in this reach should focus on controlling low-velocity zones, monitoring bed-elevation changes, evaluating flow residence time, and planning targeted dredging operations. The quantified results, including a 6.56% reduction in modeled effective channel depth, a 50% increase in relative flow-velocity index, and a 40% decrease in relative sedimentation-potential index, indicate that sedimentation should be assessed during the planning and siting phase. Therefore, relying solely on dredging is not sufficient. A more effective strategy should combine appropriate siting, hydraulic-condition control, periodic monitoring of bed elevation, analysis of bed-material gradation, water-level management, and targeted dredging plans. Overall, two-dimensional numerical modeling combined with siting scenarios and sediment-transport-function comparison provides an effective decision-support tool for reducing uncertainty in the design and management of river control structures, maintaining navigable depth, and improving the sustainable operation of tidal river systems in southwest Iran.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mard Dam
  • Navigation lock
  • CCHE2D
  • Flow hydraulics
  • Sedimentation