نشریه آبیاری و زهکشی ایران

نشریه آبیاری و زهکشی ایران

بررسی تاثیر تنه‌های درخت افتاده در مسیر جریان رودخانه بر مشخصات ناحیه هایپریک با استفاده از نرم افزار کامسول(مطالعه موردی رودخانه گرمابدشت گرگان)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محسن برزعلی 1
محسن مسعودیان 2
رامین فضل اولی 2
امیراحمد دهقانی 3
1 دانشجوی دکتری سازه‌های آبی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری و کارشناس شبکه‌های آبیاری و زهکشی شرکت آب منطقه‌ای گلستان
2 دانشیار گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری،ایران
3 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران
چکیده
جریان هایپریک در رودخانه‌ها زمانی شکل می‌گیرد که اختلاط جریان سطحی و جریان زیر سطحی در محیط متخلخل زیر و اطراف رودخانه رخ دهد. برای محاسبه میزان تبادل آب سطحی و زیرسطحی، نیاز به تخمین هدایت هیدرولیکی بین دو منبع آب سطحی و زیرسطحی است. در این تحقیق برای برآورد شیب هیدرولیکی و هدایت هیدرولیکی رسوب‌های کف رودخانه، از مینی پیزومتر و مانومتر استفاده شد. سپس آزمایش‌های فیزیکی در سال 1401 در رودخانه توسکستان گرگان جهت بررسی اثر تنه درختان در مسیر رودخانه به‌عنوان مانع طبیعی جریان در حالت‌های مختلف ارتفاع تنه درخت (ارتفاع 30-60-90 سانتی‌متر) مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور پیزومترهایی در بالادست و پایین‌دست تنه درخت تعبیه شد و سپس با استفاده از مدل عددی در محیط نرم‌افزار کامسول جهت شبیه سازی جریان هایپریک، اختلاف هد هیدرولیکی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد بین داده های مشاهداتی پیزومتر و نتایج شبیه‌سازی 91 درصد همبستگی وجود دارد. بر این اساس، دبی‌های تبادلی محاسباتی از مدل عددی نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از آن بود بیشترین مقدار دبی تعادلی در حالتی که ارتفاع تنه درخت 30 سانتی‌متر(دبی تبادلی، 3/96برابر بدون تنه درخت می‌باشد)، اتفاق می‌افتد.
کلیدواژه‌ها
تبادلات سطحی و زیر سطحی
جریان هایپریک
کامسول

عنوان مقاله English

Investigating the impact of fallen tree trunks on the river flow path on the characteristics of the Hyporheic area using Comsol software (Case study of Garmabdasht River, Gorgan)

نویسندگان English

mohsen barzali 1
Mohsen Masoudian 2
ramin fazloula 2
Amir Ahmad Dehghani 3
1 Ph.D. student of hydraulic structures, Sari Agricultural sciences and Natural Resources University and expert in irrigation and drainage networks of Golestan Regional Water Company
2 ,Associate Professor, Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural resources University, Sari, Iran
3 Associate Prof., Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources., Gorgan., Iran
چکیده English

In rivers, the combination of surface flow and subsurface flow generates Hyporheic flow in the porous environment beneath and surrounding the river. To quantify exchange rate between surface and subsurface water, it is crucial to estimate hydraulic conductivity between the two sources of water. In this study, hydraulic slope and hydraulic conductivity of river bottom sediments were estimated using a mini-piezometer and manometer. Physical experiments were conducted to investigate the impact of natural obstacles on the river path, specifically tree trunks at varying heights (30-60-90 cm), in the year 2022 and Tuskestan River in Gorgan. Piezometers were placed upstream and downstream of the tree trunks, and the resulting hydraulic head difference was assessed through numerical modeling using COMSOL software to simulate hyporheic flow. The study found a 91% correlation between piezometer observation data and numerical solution results, which facilitated further investigation into computational exchange flows. Based on this, the computational exchange flows from the numerical model were also investigated. The results indicated that the highest amount of equilibrium flow occurs in the case where the height of the tree trunk is 30 cm (the exchange flow is 3.96 times without the tree trunk).

کلیدواژه‌ها English

Comsol
Hyporheic flow
Surface and Subsurface Exchanges
شهسواری، ع.ا.، خدایی، ک.، دلخواهی، ب.، هاتفی، ر.، اسدیان، ف. و نجیبی، س.م.ا. 1394. طراحی و ساخت مینی پیزومتر برای اندازه‌گیری میزان تبادل آب سطحی و زیرزمینی. مجله زمین شناسی ایران. 9(35): 73-61.
Bjornn, T. and Reiser, D. W. 1991. Habitat requirements of salmonids in streams. American Fisheries Society Special Publication. 19(837): 138.
Buss, S., Cai, Z., Cardenas, B., Fleckenstein, J., Hannah, D., Heppell, K. and Wood, P. 2009. The Hyporheic Handbook: a handbook on the groundwater-surface water interface and hyporheic zone for environment managers.
Cardenas, M. B. 2015. Hyporheic zone hydrologic science: A historical account of its emergence and a prospectus. Water Resources Research. 51(5): 3601-3616.
Doughty, M., Sawyer, A. H., Wohl, E. and Singha, K. 2020. Mapping increases in hyporheic exchange from channel-spanning logjams. Journal of Hydrology. 587(1): 124931
Elliott, A. H. and Brooks, N. H. 1997. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resources Research. 33(1): 123-136.
Hester, E. T. and Doyle, M. W. 2008. Instream geomorphic structures as drivers of hyporheic exchange. Water Resources Research: 44-47
Liu, S. and Chui, T. F. M. 2020. Optimal In-Stream Structure Design through Considering Nitrogen Removal in Hyporheic Zone. Water. 12(5). http://dx.doi.org/10.3390/w12051399.
Marshall, A., Zhang, X., Sawyer, A. H., Wohl, E. and Singha, K. 2023. Logjam Characteristics as Drivers of Transient Storage in Headwater Streams. Water Resources Research. 59(3): e2022WR033139. https://doi.org/10.1029/2022WR033139.
Orghidan, T. 1959. A new Lebensraum of unterirdischen Waters: der hyporheische Biotop. Arch. Hydrobiol. 55(3): 392-414.
Packman, A. I., Salehin, M. and Zaramella, M. 2004. Hyporheic exchange with gravel beds: basic hydrodynamic interactions and bedform-induced advective flows. Journal of Hydraulic Engineering. 130(7): 647-656.
Sawyer, A. H., Bayani Cardenas, M. and Buttles, J. 2011. Hyporheic exchange due to channel‐spanning logs. Water Resources Research. 471: 47-53.
Tonina, D. and Buffington, J. M. 2009. Hyporheic exchange in Mountain Rivers I: Mechanics and environmental effects. Geography Compass. 3(3): 1063-1086.
Tonina, D. 2005. Interaction between river morphology and intra-gravel flow paths within the hyporheic zone. (Ph.D Dissertation), University of Idaho, Boise. United States.
Vaux, W. G. 1968, Intragravel flow and interchange of water in a streambed, Fish. Bull. 66(3): 479-489.
Wondzell, S. M., LaNier, J., Haggerty, R., Woodsmith, R. D. and Edwards, R. T. 2009. Changes in hyporheic exchange flow following experimental wood removal in a small, low‐gradient stream. Water Resources Research. 451:45-50
Woessner, W. W. 2017. Hyporheic zones. In Methods in Stream Ecology. 81: 129-157.
Cardenas, M. B., J. Wilson. and Zlotnik, V. A. 2004. Impact of heterogeneity, bed forms, and stream curvature on subchannel hyporheic exchange.  40(8).1-13.
Marzadri, A., D. Tonina, A. Bellin, G. Vignoli and Tubino, M. 2010. "Semianalytical analysis of hyporheic flow induced by alternate bars." Water Resources Research 46(7). 1-14.
Tonina, D. and Buffington, J. M. 2011. "Effects of stream discharge, alluvial depth and bar amplitude on hyporheic flow in pool‐riffle channels." Water resources research 47(8). 1-13.
Trauth, N., C. Schmidt, U. Maier, M. Vieweg and Fleckenstein, J. H. 2013. Coupled 3‐D stream flow and hyporheic flow model under varying stream and ambient groundwater flow conditions in a pool‐riffle system. 49(9): 5834-5850.
Trauth, N., C. Schmidt, M. Vieweg, S. E. Oswald and Fleckenstein, J. H. 2015. Hydraulic controls of in‐stream gravel bar hyporheic exchange and reactions. 51(4): 2243-2263
نشریه آبیاری و زهکشی ایران
دوره 18، شماره 1 - شماره پیاپی 103
فروردین و اردیبهشت 1403
صفحه 27-41