بررسی آزمایشگاهی تأثیر پشته‌های رسوبی میانی بر توزیع سرعت و افت انرژی جریان

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری سازه‌های آبی، گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

2 نویسنده مسئول، دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

3 استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

4 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

5 استادیار گروه مهندسی عمران، مؤسسه آموزش عالی میرداماد گرگان، گرگان، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: پشته‌های رسوبی میانی از جمله ساختارهای طبیعی در آبراهه‌ها و رودخانه‌ها هستند که در اثر کاهش تنش برشی و رسوبگذاری در مرکز رودخانه ایجاد شده و موجب دوشاخه شدن آبراهه‌ها و افزایش فرسایش جانبی در دو ساحل راست و چپ رودخانه خواهد شد. هم‌چنین، افت انرژی ناشی از وجود پشته‌ها، از دیگر عواملی است که موجب تشدید رسوبگذاری در رودخانه می‌شود. این پشته‌ها، به‌عنوان زیستگاه آبزیان در رودخانه‌، از اهمیت بسزایی برخوردارند و شناخت دقیق سازوکار جریان پیرامون آن‌ها، از موارد مهم در فرایندهای بهره‌برداری و احیای رودخانه‌هاست. در این پژوهش، الگوی جریان پیرامون پشته‌های رسوبی به‌صورت آزمایشگاهی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، سه پشته‌‌ به شکل‌های لوزی، بیضی و گوه‌ای که از نمونه‌های متداول پشته‌ها در رودخانه‌های آبرفتی طبیعی هستند، در یک کانال آزمایشگاهی به طول 9 و عرض و ارتفاع 4/0 متر، با شیب کف 0007/0 در آزمایشگاه تحقیقات آب و رسوب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ساخته و استفاده شد. سرعت در سه راستای عرضی، طولی و قائم با استفاده از دستگاه سرعت‌سنج الکترومغناطیس با فرکانس 30 هرتز، در 39 نقطه برداشت شد. دبی به کمک دستگاه دبی‌سنج فرکانسی در تمام آزمایشات، 5/4 لیتر بر ثانیه تنظیم شد و رژیم جریان در تمامی آزمایشات، زیربحرانی و آشفته بود.
یافته‌ها: یافته‌ها نشان داد شکل پشته‌ها در سازوکار جریان و میزان افت انرژی، تاثیرات متفاوتی دارد. بررسی و مقایسه‌ی نمودارها نشان‌دهنده‌ی شرایط تقریبا مشابه برای پشته‌های بیضی و گوه‌ای اما قدری متفاوت برای پشته‌ی لوزی است. با وجود اختلاف ساختار تغییرات مؤلفه‌ی عرضی سرعت در مواجهه با پشته‌های بیضی، گوه‌ای و لوزی، در تمامی موارد، دامنه تغییرات بین ۴/۰ تا ۶/۱ برابر مقدار میانگین است. مطابق نتایج به دست آمده، حضور پشته‌ی بیضی منجر به نوسانات قابل توجه مؤلفه‌ی طولی سرعت در هر سه محور (بین حدود ۵/۰ تا ۶/۱ برابر مقدار میانگین در محورهای چپ و راست و بین ۲/۰ تا ۴/۱ برابر مقدار میانگین در محور وسط) می‌شود؛ اما برای پشته‌های گوه‌ای و لوزی، این نوسانات در تمامی محورها چندان چشمگیر نیست (بین ۸/۰ تا ۲/۱ برابر مقدار میانگین در محورهای چپ و راست و بین ۸/۰ تا ۴/۱ برابر مقدار میانگین برای محور وسط). اما تغییرات این مؤلفه در مواجهه با پشته‌های گوه‌ای و بیضی بیشتر و در هر سه محور قابل توجه (بین ۵/۰ تا ۳/۲ برابر مقدار میانگین) می‌باشد. تغییرات مؤلفه قائم سرعت در محور وسط نشان‌دهنده‌ی بیشترین کاهش قبل از مواجهه با پشته‌ی بیضی و شرایطی مشابه برای همین محور در مواجهه با پشته‌ی گوه‌ای است با این تفاوت که آغاز این کاهش منطبق بر نقطه برخورد پشته گوه‌ای است. تاثیر مستقیم مواجهه با پشته‌های رسوبی را علاوه بر مقادیر مؤلفه‌های سرعت، باید بر مقادیر انرژی جریان به عنوان معرف تجمیعی قدرت فرسایندگی جریان نیز جستجو نمود. بررسی جزئی‌تر نمودارها نشان می‌دهد که در محورهای چپ و راست، مواجه شدن با پشته‌ی بیضی منجر به افزایش انرژی نسبی جریان به اندازه ۴/۱ برابر میانگین شده و پس از عبور از پشته، بار انرژی به کمتر از مقدار میانگین کاهش یافته است. اما در محور وسط، وجود پشته، انرژی نسبی جریان را به ۶/۰ مقدار میانگین کاهش داده و پس از عبور از پشته، این مؤلفه روند افزایشی داشته است.
نتیجه‌گیری: مواجهه با پشته‌ی بیضی منجر به بیشترین تغییرات در مقادیر نسبی مؤلفه‌های سه‌گانه‌ی سرعت، در مقایسه با دو پشته‌ی ‌لوزی و گوه‌ای شد. هم‌چنین، تغییرات بار انرژی کل ناشی از حضور دو پشته‌ی لوزی و گوه‌ای ناچیز بوده ولی مشابه با تغییرات سرعت در هر سه مؤلفه‌ی عرضی، طولی و قائم، پشته‌ی بیضی منجر به تغییرات قابل توجه در مقادیر نسبی بار کل انرژی در طول کانال شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Laboratory investigation of the effect of mid-channel bars on the velocity distribution and flow energy loss

نویسندگان [English]

  • Razieh Karimi Demneh 1
  • Mehdi Meftah 2
  • Amirahmad Dehghani 3
  • Abdolreza Zahiri 4
  • Esmaeil Kordi 5
1 Ph.D. Student in Hydraulic Structures, Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
2 Corresponding Author, Associate Prof., Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
3 Professor, Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
4 Associate Prof., Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
5 Assistant Prof., Dept. of Civil Engineering, Mirdamad High Educational Institute, Gorgan, Iran, Iran.
چکیده [English]

Background and Objectives: One of the natural structures in rivers is mid-channel bar that is created due to shear stress decreasing and sediment deposition in the central part of river. Bifurcation and erosion are seen in rivers because of mid-channel bar existence. Also, energy loss is the other impact of mid bars that would intensify the deposition in rivers. Mid-channel bar is known as one of the most important aquatic habitats, so there is necessity to find more information on flow structures around it in operation processes and river restoration. In this research, the flow structures around mid-channel bars are assessed as laboratory study.
Materials and Methods: Three mid-channel bars were made in the shape of rhombic, ellipse and lemniscate in this research. These shapes are common in natural alluvial rivers. This study was established in a laboratory flume by length of 9 meter, and width and height of 0.4 meter. The bed slope was fixed of 0.0007. This flume was located in the water and sediment research laboratory in Gorgan University of agricultural sciences and natural resources. Three-dimensional velocity of flow was collected using an electromagnetic current velocity sensor with a frequency of 30 Hz in 39 data points. The flow discharge was fixed as 4.5 liter per seconds using a frequency flow meter. The flow regime was subcritical and turbulent in all examinations.
Results: Findings showed that bar shapes have different impacts on flow structures and amounts of energy losses. Comparison between plots implied that there are similar conditions in elliptical and lemniscate shapes but a little different in rhombic case. The variation range of transverse velocity was between 0.4 to 1.6 times of average value for all shapes. According to the results, the existence of elliptical bar led to significant tolerance in longitudinal velocity in all axes (between 0.5 to 1.6 times the average in left and right axes and 0.2 to 1.4 times the average value in central line), but these tolerances were not significant for lemniscate and rhombic bars (between 0.8 to 1.2 times the average value in left and right axes and between 0.8 to 1.4 times the average value for central axis). The variation of vertical velocity in middle axis presented the maximum decrease before facing elliptical bar and similar conditions for this axis in facing with lemniscate bar, except that this decrease is started exactly at facing point here. In addition to the values of the velocity components, the direct effect of encountering bars should also be sought on the values of the flow energy as a cumulative indicator of the erosive power of the flow. A more detailed analysis of the graphs shows left that in the and right axes, encountering the elliptical bar has led to an increase in the relative energy of the current by 1.4 times the average, and after passing through the bar, the energy load has decreased to less than the average value. But in the middle axis, the presence of the bar reduced the relative energy of the flow to 0.6 average value and after passing through the bar, this component has an increasing trend.
Conclusion: Exposure to the elliptical bar led to the greatest changes in the relative values of the triple velocity components, compared to the rhombic and lemniscate bars. Also, the changes in the total energy load caused by the presence of two rhombic and lemniscate bars are insignificant, but similar to the changes in all three velocity components, transverse, longitudinal, and vertical, the elliptical bar led to significant changes in the relative values of the total energy load along the channel.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy Loss
  • Mid Channel Bar
  • Velocity Distribution
  • Flow Resistance
  • Sedimentation
1.Mat Salleh, M., & Ariffin, J. (2013). Flow and sediment matrix in mid-channel bar formation. Int. J. Sci. Eng. Res,
4 (5), 1757-1764.2.Carling, P., Orr, H., & Kelsey, A. (2006). The dispersion of magnetite bedload tracer across a gravel point-bar and the development of heavy-mineral placers. Ore Geology Reviews, 28 (4), 402-416.3.Wang, B., & Xu, Y. J. (2018). Dynamics of 30 large channel bars in the Lower Mississippi River in response to river engineering from 1985 to 2015. Geomorphology, 300, 31-44.4.Cardenas, M. B. (2008). The effect of river bend morphology on flow and timescales of surface water–groundwater exchange across pointbars. Journal of Hydrology, 362 (1-2), 134-141.5.Kim, Y. H., & Voulgaris, G. (2005). Effect of channel bifurcation on residual estuarine circulation: Winyah Bay, South Carolina. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 65 (4), 671-686.6.Dey, S. (2014). Fluvial hydrodynamics. 687 Pages. Springer Berlin, Heidelberg.7.Wyrick, J., & Klingeman, P. (2011). Proposed fluvial island classification scheme and its use for river restoration. River research and applications, 27 (7), 814-825.8.Beechie, T. J., Liermann, M., Pollock, M. M., Baker, S., & Davies, J. (2006). Channel pattern and river-floodplain dynamics in forested mountain river systems. Geomorphology, 78 (1-2), 124-141.9.Li, Z., Wang, Z., Pan, B., Zhu, H., & Li, W. (2014). The development mechanism of gravel bars in rivers. Quaternary International, 336, 73-79.10.Ward, J. V., Tockner, K., Edwards, P. J., Kollmann, J., Bretschko, G., Gurnell, A. M., ... & Rossaro, B. (1999). A reference river system for the Alps: the ‘Fiume Tagliamento’. River research and applications, 15 (1‐3), 63-75.11.Wyrick, J. R. (2005). On the formation of fluvial islands: Oregon State University.12.Chen, Y., Lin, B., & Han, H. (2018). Experimental study on mid-channel bar formation in alluvial river. Paper presented at the EGU General Assembly Conference Abstracts.13.Hua, Zu-lin, Gu, Li, & Chu, Ke-jian. (2009). Experiments of three-dimensional flow structure in braided rivers. Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 21 (2), 228-237.14.Komar, P. D. (1983). Shapes of streamlined islands on Earth and Mars: Experiments and analyses of the minimum-drag form. Geology, 11 (11), 651-654.15.Bonakdari, H., Lipeme-Kouyi, G., &
Lal Asawa, G. (2014). Developing turbulent flows in rectangular channels: A parametric study. Journal of applied research in water and wastewater, 1 (2), 51-56.16.Kirkgöz, M. S., & Ardiçlioğlu, M. (1997). Velocity profiles of developing and developed open channel flow. Journal of hydraulic engineering, 123 (1), 1099-1105.17.Nikora, V., Goring, D., & Biggs, B. (1998). Silverstream eco‐hydraulics flume: Hydraulic design and tests. New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research, 3 (4), 607-620.18.Abdolhosseini, M., & Afzalimehr, H. (2005). Comparison of flow determination methods in natural streams using field measurement of flow velocity. The second national conference on watershed management and water and soil resources management. Kerman Shahid Bahonar University. [In Persian]