بررسی تأثیر طول بدنه سد بر میزان توزیع غلظت رسوبات در مخزن سد پاره‌سنگی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد سازه های آبی، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 استادیار، گـروه مهندسـی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا همدان، همدان، ایران

3 دکتری سازه های آبی، کارشناس معاونت آب وزارت نیرو، تهران، ایران

4 دکتری سازه های آبی، گـروه مهندسـی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا همدان، همدان، ایران

چکیده

احداث سدهای پاره‌سنگی همگن (فاقد هسته) یکی از روش‌های سازه‌ای کنترل سیلاب است. جریان ورودی به مخازن این سدها در مواقع سیلابی حاوی مقدار قابل توجهی از رسوبات است. این موضوع اهمیت بررسی رفتار جریان و غلظت رسوبات را به منظور تعیین میزان رسوب عبوری، رسوبات ته‌نشین شده و مدیریت آن دوچندان می‌کند. دراین راستا، ابتدا براساس حل عددی معادلات سنت ونانت به روش حجم محدود و با رویکرد کاملاٌ ضمنی، مشخصات جریان (سرعت و عمق) محاسبه و سپس با استفاده از گسسته‌سازی معادله انتقال–پخش براساس طرح هیبرید بالاسویه، میزان غلظت رسوبات در نقاط مختلف مخزن تعیین گردید، بدین منظور ابتدا مدل ریاضی معادلات مذکور در محیط متلب تهیه شد، سپس برای ارزیابی عملکرد این مدل از نتایج آزمایش‌های انجام گرفته در آزمایشگاه هیدرولیک دانشکده کشاورزی دانشگاه بوعلی سینا همدان روی سد پاره‌سنگی استفاده شد. بر مبنای مقایسه انجام شده بین داده‌های غلظت رسوب اندازه-گیری شده و محاسباتی در هشت مقطع و در سه لایه عمقی 5، 10 و 15 سانتیمتر در داخل مخازن سد پاره‌سنگی با قطر متوسط سنگدانه 8 سانتیمتر و طول‌های مختلف بدنه شامل طول‌های 50، 80 و 100 سانتیمتر ، مقادیر میانگین خطای‌نسبی غلظت رسوب به ترتیب برابر 6/5 ، 1/7 و 2/8 درصد می‌باشد که حاکی از تطابق مناسب خروجی مدل شبیه‌ساز ریاضی با مقادیر اندازه‌گیری شده در مدل آزمایشگاهی است. و همچنین نتایج حاکی از کاهش درصد خطای نسبی مدل شبیه‌ساز با افزایش قطر سنگدانه‌های مورد استفاده در بدنه سد به دلیل اغناء بهتر فرضیات یک‌بعدی بودن جریان است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of dam body length on the distribution of sediment concentration in the Rockfill dam reservoir

نویسندگان [English]

  • ساسان نجاتی 1
  • Majid Heydari 2
  • Arash Nejati 3
  • Akbar Mohammadiha 4
1 MSc in Water Structures, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Tabriz University, Tabriz, Iran
2 Assistant Professor, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
3 Ph.D in Water structures Engineering, Expert of the Ministry of Energy, Tehran, Iran
4 Ph.D in Water structures Engineering, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Building homogeneous rock-fill dams is certainly one of the most effective methods of controlling floods. In flood situations, the in-flow to these dams typically contains a considerable amount of sediments. This underscores the need to study the flow behavior and sediment concentrations so that one could identify the amount of passed and trapped sediments, and decide on their management. Thus, first, on the basis of numerical solution of Saint-Venant equations, the flow characteristics (e.g. depth and velocity) were calculated, using finite volume method, with a completely implicit approach, and then the concentration of the sediments at different points of the reservoir were determined, using discretization of the convection diffusion equation based on upwind hybrid. For this purpose, first mathematical model of mentioned equations prepared in Matlab and then in order to evaluate the performance of this model used the results of conducted experiments in the hydraulic laboratory of Agriculture faculty of Bu-Ali Sina University of Hamadan on the Rockfill dams. On the basis of the comparison drawn between the data yielded by measurement of sediment concentration and the calculations conducted in eight sections and three layers of 5, 10 and 15cm high in the reservoir of rock-fill dams, mean value of the relative error of sediment concentration was found to be 5.1, 7.1 and 8.2 percent, indicating a good correlation between the output of mathematical simulator and measured sediments in the experimental model. Results also revealed a decrease in the relative error of the simulator with an increase in the diameter of aggregates used in the body of dam due to the better structure of hypotheses of one-dimensional flow.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Unsteady flow
  • finite volume method
  • Upwind Hybrid method
  • Convection diffusion equation
  • Reservoir of rock-fill dams

ابریشمی،ج و حسینی،س.م. 1394، هیدرولیک کانال­های باز. انتشارات دانشگاه امام رضا. 640ص

حیدری،م. 1386، مدل دوبعدی جریان عبوری از داخل و روی سدهای پاره­سنگی و کاربرد آن در کنترل سیلاب. رساله دکتری سازه­های آبی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس.

قادری،ک.، سامانی،ج.، رضایی،د. 1388. مدل ریاضی و فیزیکی روندیابی سیلاب از درون و روی سدهای پاره­سنگی تاخیری. دهمین سمینار آبیاری و کاهش تبخیر. دانشگاه شهید باهنر کرمان.

قدیمی،پ. 1392. دینامیک سیالات محاسباتی کاربردی مبتنی بر روش­های تفاضل محدود، اجزا محدود و حجم محدود. جلد 1و2، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر، 1266ص.

محمودیان شوشتری،م. 1389. هیدرولیک آب­های زیرزمینی. انتشارات دانشگاه شهید چمران.

نجاتی،آ. 1396. بررسی توزیع رسوبات غیر چسبنده در مخزن سد پاره سنگی. رساله دکتری سازه های آبی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی.

Akan,O. 2006. Open Channel Hydraulics. First edition 2006. Butterworth-heinemann. 384p.

Aldrighetti,E. 2007. Computational hydraulic techniques for the Saint Venant Equations in arbitrarily shaped geometry. PhD thesis, Universita degli studi di trento.

Bukata,R.P., Bobba,AG. 2015. Determination of diffusion coefficients associated with the transport of210 pb radio nuclides in lake bed sediments. Environment geology. 5.3:133-141.

Castillo,L., Álvarez,MA. 2014. Numerical modeling of sedimentation and flushing at the Paute-Cardenillo reservoir. ASCE-EWRI, International perspective on water resources and environment quito, January.8-10.

Chandler,I.D. 2012. Vertical variation in diffusion coefficient within sediments. PhD thesis, university of warwick.

Cheng,NS. 1997. Simplified settling velocity formula for sediment particle. Journal of hydraulic engineering. 123.2:149–152.

Esmaeili,T., Sumi,T., Kantoush,S., Kubota,Y., Haun,S. 2015. Three-dimensional numerical modeling of sediment flushing: case study of Dashidaria reservoir, Japan. 38th IAHR world congress: The hague, netherlands. 1-8.

Faghihirad,S.H., Lin,B., Falconer,R.A. 2015. Application of a 3D layer integrated numerical model of flow and sediment transport processes to a reservoir. Water. 7.10:5239-5257.

Kempe,T., Vowinckel,B. 2014. On the relevance of collision modeling for interface-resolving simulations of sediment transport in open channel flow. International journal of multiphase flow. 58: 214-235.

Lin,B., Falconer,R. 2010. Numerical modelling of three-dimensional suspended sediment for estuarine and coastal waters. Journal of hydraulic research. 34.4: 435-456.

Liu,X., Beljadid,A. 2017. A coupled numerical model for water flow, sediment transport and bed erosion, Computers and fluids. 154:273-284.

Rubey,W. 1933. Settling velocities of gravel, sand and silt particles. American journal of science 225:325–338.

Samani,J.M.V., Heydari,M. 2007. Reservoir routing through successive Rockfill detention dams. Journal of agricultural science and technology . 9:317-326.

Samani,J.M., Samani,H.M., Halaghi,M.M., Kouchakzadeh,M. 2010. One-dimensional numerical model of cohesive sediment transport in open channel flow. Journal of agricultural science and technology.12:61-67.

Van Rijn,L.C. 1984. Sediment transport, part II: suspended load transport. Journal of hydraulic engineering .110.11:1613–1641.

Van Rijn,L.C. 1987. Mathematical modelling of morphological processes in the case of suspended sediment transport. Delft hydraulics communication No. 382.

Versteeg,H., Malalasekera,W. 2007. An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method, 2nd edition, pearson education Ltd, harlow, england, 557 pp.

Wang,LA., Tang,X., kong,L., Jiang,L. 2014. A variance-based information diffusion coefficient optimization algorithm and its application in missile effectiveness evaluation.

Wu,W. 2007. Computational river dynamics. Taylor and francis group, london, UK, 509p.

Yeh,K., Chiu,Y., Liao,C., Lo,W., Yo,J., Shih,D. 2016. Assesment of dam removal in dajia river basin with numerical modeling. 12th International conference on hydro science and engineering hydro-science and engineering for environmental resilience november 6-10, 2016, tainan, Taiwan