کاربرد مدل Mike3 در شبیه‌سازی جریان گل آلود در مخازن سدها (مطالعه موردی: مخزن سد سفیدرود)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی سابق کارشناسی ارشد رشته سازه های آبی، گروه مهندسی آب، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 استادیار گروه مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی قم، قم، ایران

3 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

یکی از عوامل رسوب­گذاری مخازن سدها جریان­های گل­آلود است که با افزایش غلظت رسوبات معلق در رودخانه­های ورودی، وارد مخازن سدها شده و ظرفیت آب مخازن و عمر مفید سدها را کاهش می­دهند. گشودن دریچه­های تحتانی سد روش متداول تخلیه این جریان­ها می­باشد. در انجام این عملیات اطلاع از نحوه حرکت و زمان رسیدن این جریان ها به بدنه سد در مدیریت بهینه زمان باز و بسته شدن دریچه­ها نقش مهمی دارد. در این تحقیق، پیشروی جریان گل­آلود در مخزن سد سفیدرود با مدل Mike3 در حالت مش­بندی نامنظم شبیه­سازی شد. نتایج نشان داد که با شروع سیلاب، اولین زبانه­های جریان گل­آلود از طریق شاخه شاهرود سریع­تر به سد رسیده و زمان باز شدن دریچه­ها را تعیین می­کند و معیار واسنجی مدل در نظر گرفته شد. بررسی پروفیل غلظت رسوبات معلق در مقاطع عرضی نشان داد که حداکثر غلظت در عمق اتفاق می افتد و با پیشروی به سمت سطح آب کاهش می­یابد و غلظت رسوبات در جریان گل­آلود ورودی از طریق رودخانه­های قزل اوزن و شاهرود به ترتیب kg/m3 11/10 و kg/m3 52/12 می­باشد و با رسیدن به سد تا kg/m3 93/3 کاهش می­یابد. نتایج پروفیل غلظت رسوبات معلق حاصل از مدل عددی با داده­های میدانی در سه مقطع عرضی مقایسه شد و اعتبارسنجی مدل انجام گرفت. مقادیر بالای ضریب تبیین و مقادیر کم­تر شاخص­های خطا، نشان از توانایی مدل در شبیه­سازی جریان گل آلود در مخزن سد سفیدرود دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Application of Mike3 Model in the Simulation of Turbidity Current in the Reservoirs of Dams (Case Study: Sefid-Rud Reservoir Dam)

نویسندگان [English]

  • Nafiseh orkamanzad 1
  • Biramali Mohammadnezhad 2
  • Javad Behmanesh 3
1 Former MSc Student of Water Structures, Department of Water Engineering, Urmia University., Urmia., Iran
2 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Qom University of Technology., Qom., Iran
3 Associate Professor, Department of Water Engineering,Urmia University., Urmia., Iran
چکیده [English]

The turbidity currents are one of agents in sedimentation of dam reservoirs which are entered in the reservoirs of dams through the increase in suspended sediments concentration in river flows. This process decreases water capacity of reservoirs and useful life of dams. Opening lower gates is a conventional method of this currents evacuation. To open the gates, having information about manner of movement and the arrival time to the dam body of these currents, plays an important role in optimal time management of the gates opening and closing. In this research, advancing the turbidity current in Sefid-Rud reservoir dam was simulated by using Mike3 Model and an unstructured mesh. The results showed that after starting the flood, the first traces of turbidity currents reached the dam through the Shah-Rud branch and determined the exact opening of the dam lower gates and was considered as the calibration model. Investigation of suspended sediments concentration profile in cross-sections showed that the maximum concentration is occurred in the depth and as moving towards the surface of water, decreases and the concentration of sediments in turbidity current entering from Gezel-Ozan and Shahroud rivers is 10.11 kg/m3 and 12.52 kg/m3, respectively and by reaching the dam is decreased to 3.93 kg/m3. The results of suspended sediments concentration profile are compared with field data in three cross-sections and the model validation was performed. High values of coefficient of determination and low values of error coefficients show the ability of model in simulation of turbidity current in Sefid-Rud reservoir dam.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Reservoir Sedimentation
  • Turbidity Currents
  • Sefid-Rud Dam
  • numerical simulation
رمضانی،ی و قمشی م. 1390. بررسی میزان تأثیر جریان­های غلیظ بر روند رسوب­گذاری مخزن سد سفیدرود. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، 4:25، 880-874.
شفیعی،ع.و خانجانی،م.ج. 1376. بررسی تخلیه رسوب در مخازن سدها به وسیله یک مدل فیزیکی. نشریه دانشکده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد، 1:9، 43-36.
صمدی بروجنی،ح و محمد ولی سامانی،ی.ح. 1381. ارزیابی تأثیر رسوب­شویی سد دز بر کاهش ظرفیت مخزن سد تنظیمی دزفول با مدل Mike11. مجموعه مقالات ششمین کنفرانس مهندسی رودخانه، دانشگاه شهید چمران اهواز، 1285-1277.
گروه مطالعات میدانی و محیط زیست موسسه تحقیقات آب. 1386. مطالعات فرآیند رسوب­گذاری و رسوب­زدایی در مخازن سدها و ارائه مدل ریاضی برای پیش بینی الگوی رسوب­گذاری در آن­ها همراه با مطالعه موردی مخزن سد سفیدرود. گزارش نهایی عملیات میدانی سد سفیدرود، موسسه تحقیقات آب.
محمد نژاد ب و شمسایی ا. 1382. مدل­سازی رسوب­گذاری مخازن سدها در اثر جریان چگال. ششمین کنفرانس بین المللی مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان.
محمد نژاد،ب و شمسایی،ا. 1387. مدل­سازی عددی حرکت جریان­های زیرسطحی در مخازن سدها. هفتمین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشگاه صنعت آب و برق.
Altinakar,M.S., Graf,W.H and Hopfinger,E.J. 1993. Water and Sediment Entrainment in Weakly Depositing Turbidity Current on Small Slopes. Proc., XXV Congr., International Association Hydraulic Research, V.2.
Bell,H.S. 1942. Density currents as agents for transporting sediments. Journal of Geology. Vol. 50.
Choi,S.U. 1999. Layer-averaged modeling of two-dimensional turbidity currents with a dissipative-Galerkin finite element method, Part II: Sensitivity analysis and experimental verification. Journal of Hydraulic Research. 37.2: 257-271.
De Cesare,G., Schleiss,A and Hermann,F. 2001. Impact of Turbidity Current on Reservoir Sedimentation. Journal of Hydraulic Engineering. 127.1: 6-16.
De Cesare,G., Muller,P  and Schleiss,A. 2009. Experiments on the entrainment of sediment into suspension by a dense bottom current. Journal of Geophysical Research (Oceans). 98.C3: 4793-4807.
DHI Software. 2011. MIKE 3 flow model FM manual, Hydrodynamic Module, scientific documentation, DHI Water & Environment.
Fan,J and Morris,G.L. 1992. Reservoir Sedimentation. II: Reservoir Desiltation and Long-Term Storage Capacity. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE. 118.3: 354-369.
Farrell,G.J and Stefan,H.G. 1988. Mathematical modeling of plunging reservoir flows. Journal of Hydraulic Research. 26.5: 525-537.
Ford,D.E and Johnson,M.C. 1981. Field Observation of Density Currents in Impoundments. Proceedings Symposium on Surface Water Impoundments, ASCE. V.2, New York ,USA.
Forel,F.A. 1892. Theorie du ravin sous-lacustre, Le leman, Vol. 1, F. Rouge, Lausanne. Switzerland. 381-386.
Graf,W.H. 1971. Hydraulics of Sediments Transport, McGraw- Hill, New York, Water Res. Publ., Littleton, CO, USA.
Heidarnejad,M., Halvai,D and Bina,M. 2011. The proper option for Discharge the turbidity current and Hydraulic Analysis of Dez Dam Reservoir. World Applied Sciences Journal. 13.9: 2052-2056.
Heimsund,S., Hansen,E. W. M., and Nemec, W. 2002. Computational 3D fluid-dynamics model for sediment transport, erosion and deposition by turbidity currents. In: KnoperM, Cairncross B(eds) Abstracts, international association of sedimentologists 16th international sedimentological congress, Rand Afrikaans University, Johannesburg. 151–152.
Huang,H., Imran,J and Pirmez,C. 2005. Numerical model of turbidity currents with a deforming bottom boundary. Journal of Hydraulic Engineering. 131.4: 283–293.
Jacobsen,T. 1999. Sustainable reservoir development: The challenge of reservoir sedimentation, Hydropower into the next century-III, Gmunden. Austria. Conference Proceedings, pp. 719-728.
Lavelli,A., Boillat,J.L and De Cesare,G. 2002. Numerical 3D modeling of the vertical mass exchange induced by turbidity currents inLake Lugano (Switzerland). In: Proceedings 5th international conference on hydro science and engineering. ICHE.
Lee,H.Y and Yu,W.S. 1997. Experimental Study of Reservoir Turbidity Current. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE. 123.6: 520-528.
Middleton,G.V. 1966. Experiments on density and turbidity currents: I. Motion of the head. Canadian Journal of Earth Sciences. 3: 523-546.
Oehy,C.D and Schleiss,A.J. 2007. Control of turbidity currents in reservoirs by solid and permeable obstacles. Journal of Hydraulic Engineering. 133.6: 637-648.
Sequeiros,O.E., Cantero,M.I and Garcia,M.H. 2009. Sediment management by jets and turbidity currents with application to a reservoir for flood and pollution control in Chicago, Illinois. Journal of Hydraulic Research. 47.3: 340-348.
Wang,Z.Y and Hu,C.H. 2009. Strategies for managing reservoir sedimentation. International Journal of Sediment Research. 24.4: 369-384.