مدل ریاضی دوبعدی برای شبیه سازی جریان و انتقال رسوب در مقاطع مرکب مستقیم

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

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

3 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

شناخت شرایط انتقال رسوبات از دیرباز مورد توجه مهندسان هیدرولیک بوده است. بیشترین تغییرات مورفولوژی رودخانه در شرایط سیلاب اتفاق افتاده و معمولاً رودخانه‌ها به فرم مقاطع مرکب ظاهر می شوند. به همین دلیل هیدرولیک جریان و رسوب در آن‌ها متفاوت از مقاطع عادی است. میزان حمل رسوب معلق در رودخانه، تابعی مستقیم از سرعت جریان است. با توجه به تغییرات شدید سرعت جریان در مقاطع مرکب، قطعاً تغییرات حمل رسوب در عرض و عمق رودخانه‌ها در شرایط سیلاب متغیر خواهد بود. با توجه به این واقعیت، بهتر است برای محاسبه ظرفیت حمل رسوب در رودخانه‌ها، به‌جای استفاده از سرعت متوسط از سرعت‌های نقطه‌ای استفاده ‌شده و در فرمول‌های تجربی انتقال رسوب (مانند انگلوند-هانسن، آیکرز-وایت و ...) برای هر سطح از جریان جایگذاری شوند. در این پژوهش، ابتدا با حل عددی یک معادله دیفرانسیل به فرم پواسون، توزیع دوبعدی سرعت جریان در عرض و عمق یک مقطع مرکب آزمایشگاهی محاسبه ‌شد و سپس از این توزیع سرعت، ظرفیت حمل رسوب به‌صورت نقطه‌ای برآورد گردید. از مجموع این ظرفیت‌های نقطه‌ای، ظرفیت کل حمل رسوب برای کانال به دست آمد. در روش انگلند – هانسن در حالت استفاده از سرعت متوسط جریان و تنش برشی کل بستز، خطای متوسط و مجذور میانگین مربعات خطا به ترتیب برابر 58% و 3/63 گرم بر ثانیه به دست آمد اما با جایگذاری مقادیر نقطه‌ای سرعت جریان و تنش برشی بستر، مقادیر خطا به 15% و 1/71 گرم بر ثانیه کاهش یافت. در روش آیکرز – وایت مقادیر خطا در حالت استفاده از سرعت متوسط جریان به ترتیب برابر 164% و 9/36 گرم بر ثانیه به دست آمد که در حالت استفاده از سرعت های نقطه‌ای این مقادیر خطا به 30% و 1/86 گرم بر ثانیه تقلیل یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A two-dimensional model for the simulation of the flow and sediment transport in straight compound channels

نویسندگان [English]

  • Karimi Mohammad reza 1
  • Abdol reza Zahiri 2
  • Mehdi Meftah Halghi 2
  • amirahmad dehghani 3
1 Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resource, Gorgan, Iran
2 Associated Prof., Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural science and Natural Resources., Gorgan., Iran
3 Associate Professor of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
چکیده [English]

Understanding the conditions of sediment transport has been of great interest by hydraulic engineers. The highest changes in the morphology of the rivers have occurred in flood conditions and the rivers usually appear in the form of compound sections. Hence, the flow hydraulics and sediment transport are quite different compared to those of simple sections. The amount of sediment transport in rivers is a direct function of the flow velocity. Due to the intense variations of the flow velocity in compound sections, the variations of sediment transport in lateral and vertical directions are quite different in flood conditions. Due to this fact, it is better to use point velocities instead of mean velocities for the calculation of the sediment transport capacity of the rivers and then replace these point values in the empirical formulas of sediment transport (e.g. Engelund-Hansen, Ackers-White, etc.). In this research, the two-dimensional distribution of flow velocity is first calculated in the width and depth of a straight laboratory compound section by numerically solving a partial differential equation in the form of Poisson. The obtained 2D velocity distribution is then used for computation of the sediment transport capacity. By the summation of these particle capacities, the total sediment transport capacity is obtained for the canal. For Engelund-Hansen formula at the case of using the mean flow velocity and total bed shear stress, the mean error and the root-mean-square error were obtained to be 58% and 3.63 g/s, respectively. However, by replacing the point velocities and shear stresses, the errors reduced to 15% and 1.71g/s, respectively. For Ackers-White formula, these values of errors were obtained 164% and 9.36 g/s for the case of using the mean flow velocity, while for the case of point velocities, the errors were 30% and 1.86 g/s, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Compound channel
  • Velocity Distribution
  • Sediment transport
  • floodplain
  • main channel
امامی،س.ا. 1389. انتقال رسوب (ترجمه). انتشارات جهاد دانشگاهی (واحد صنعتی امیرکبیر).

شفاعی بجستان،م. 1392. هیدرولیک انتقال رسوب. انتشارات دانشگاه شهید چمران اهواز.

میرباقری،س.ا.، بوداقپور،س.، هاشمی منفرد،س.ا. 1386. استفاده از مدل شبیه­ساز رسوب در تعیین عمر مفید مخزنسداکباتان. 2. 2 : 89 – 96.

Chaudhry,M.H. 1998. Comparison of coupled and semi coupled numerical models for alluvial channels. Journal of Hydraulic Engineering. 124.28: 794-802.

Cheng,N.S. 2002. Exponential formula for bed load transport. Journal of Hydraulic Engineering. 128.10: 942-946.

Darby,S.E. 1998. Modelling width adjustment in straight alluvial channels. Journal of Hydrological Processes. 12.8: 1299–1321.

Einsten,H.A. 1950. The bed – load function for sediment transportation in open channel flows, TechnicalBulletin, No 1026, USDA, Soil Conservation Service, Washington D.C.

Fraselle,Q., Bousmar,D and Zech,Y. 2010. Experimental investigation of sedimemt deposition on floodplains. Proceedings of the International Conference on Fluvial Hydraulics, Braunschweig, Germany, River flow. 823-830.

Gill,M.A. 1983. Diffusion model for aggradation. Journal of Hydraulic Research. 21.5: 355-367.

Jaramilo,W.F and Jain,S.C. 1984. Aggradation and degradation of alluvial channel beds.Journal of Hydraulic Engineering. 110.8: 1072-1085.

Julien,Y.P. 2010. Erosion and Sedimentation (Second Edition). Cambridge University Press, New York.

Kean,J.K., Kuhnle,R.A., Smith,J.D., Alonso,C.V., and Langendoen,E.J. 2009. Test of a Method to Calculate Near-Bank Velocity and Boundary Shear Stress. Journal of Hydraulic Engineering. 135.7: 588-601.

Kean,J.W and Smith,J.D. 2004. Flow and boundary shear stress in channels with woody bank vegetation. Pp. 237–252. In: Simon A, Bennett SJ, (eds). Riparian Vegetation and Fluvial Geomorphology. AGU, Washington, D.C.

Lyn,D.A and Altinkar,M. 2002. St. Venant- Exner equations for near-critical and critical flows.
Journal of Hydraulic Engineering. 128.6: 579-587.

Meyer-Peter,E and Muller,R. 1948. Formulas for Bed Load Transport. Pp. 39-64. Proceedings of 2nd meeting of the International Association for Hydraulic Structures Research. 7 June. TU Delft, Netherlands.

Parsaie,A and Haghiabi,A.H. 2017. Mathematical expression of discharge capacity of compound open channels using MARS technique. Journal of Earth System Science. 126:20-35.

Parsaie,A., Najafian,S., Omid,M.H and Yonesi,H. 2017 a. Stage discharge prediction in heterogeneous compound open channel roughness. Journal of Hydraulic Engineering. 23.1: 49-56.

Parsaie,A., Yonesi,H and Najafian,S. 2017 b. Prediction of flow discharge in compound open channels using adaptive neuro fuzzy inference system method. Flow Measurement and Instrumentation. 54 .1: 288-297.

Soni,J.P., Garde,R.J and Raju,K.G.R. 1980. Aggradation in streams due to over loading. Journal of the Hydraulic Division. 106.1: 117-132.

Valerio,C. 2003. Finite volume method for simulating extreme flood events in natural channels. Journal of Hydraulic Research. 41.2: 167-177.