نشریه آبیاری و زهکشی ایران

نشریه آبیاری و زهکشی ایران

بررسی عددی-آزمایشگاهی تاثیر پره های متقاطع در طرح های احیای رودخانه بر تبادلات هایپریک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
محمد میرناصری
استادیار مهندسی آب، گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران.
چکیده
سازه های کنترل تراز بستر از مهمترین اقدامات بازسازی رودخانه ها و آبراهه های کوچک هستند. پره های متقاطع در انواع I شکل، U شکل، W شکل، J شکل و A شکل از چوب یا الوار، تخته سنگها و یا ترکیبی از هردو میتوانند از جمله این سازه ها باشند که به اصلاح و بازسازی رودخانه کمک میکنند. وجود این سازه ها می توانند علاوه بر تاثیرات سازنده در جلوگیری از فرسایش و تخریب رودخانه ها موجب تغییرات اکولوژی رودخانه ها نیز شوند. لذا در این پژوهش با تعبیه دو نوع سازه پره متقاطع I شکل و U شکل در دو ارتفاع (hst) 25/5 و 50/10 سانتیمتر ساخته شده از تخته سنگ در یک کانال آزمایشگاهی مستطیلی به طول 12 متر، عرض 5/0 متر و ارتفاع 7/0 متر به بررسی تاثیر وجود این سازه ها بر مشخصه های تبادلات هایپریک پرداخته شد. از تزریق محلول کلرید سدیم (NaCl) به عنوان ماده ردیاب در ناحیه اصلی جریان و محلول پرمنگنات پتاسیم (KMnO4) به عنوان ماده ردیاب رنگی در تبادلات هایپریک ناحیه بستر رسوبی استفاده شدند. نتایج نشان دادند که افزایش عدد فرود چگالی ذره بستر رسوبی (Fd) موجب کاهش پارامترهای حداکثر طول نفوذ جریان هایپریک (LHZ)، حداکثر عمق نفوذ جریان هایپریک (dHZ) و میانگین مدت زمان ماند جریان هایپریک (RT) در ناحیه بستر رسوبی شده است. همچنین نتایج نشان دادند افزایش hst در سازه پره متقاطع I شکل سبب افزایش 8 تا 115 درصدی مقدار LHZ شد اما از سوی دیگر، یک روند ثابت بین LHZ با hst در پرههای متقاطع U شکل مشاهده نشد.
کلیدواژه‌ها
اکولوژی رودخانه
پرمنگنات پتاسیم
زمان ماند
I-شکل
U-شکل

عنوان مقاله English

Numerical-Experimental Investigation of the Effect of Cross-Vanes in River Restoration Projects on Hyporheic Exchanges

نویسنده English

Mohammad Mirnaseri
Assistant Professor of Water Engineering, Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran.
چکیده English

Grade Control Structures are one of the most important measures to restore rivers and small waterways. Cross-Vanes in I-shaped, U-shaped, W-shaped, J-shaped and A-shaped types made of wood or logs, boulders or a combination of both are among these structures that help to restore rivers. These structures can cause changes in river ecology in addition to constructive effects in preventing river erosion and destruction. Therefore, in this research, two types of I-shaped and U-shaped Cross-Vane structures in two different heights (hst) 5.25 and 10.50 cm are made of boulders in a rectangular flume with a length of 12 meters, a width of 5 meters and a height of 7 meters were installed to investigate the effect of the presence of these structures on the characteristics of hyporheic exchanges. Sodium chloride solution (NaCl) was used as a tracer in the main channel area and potassium permanganate solution (KMnO4) was used as a color tracer in the hyporheic exchanges of the storage zone area.The results showed that increasing densimetric particle Froude number (Fd) decreased hyporheic exchange parameters including length (LHZ), depth (dHZ) and residence time (RT). Also, the results showed that the increase of hst in the I-shaped Cross-Vane structures caused an increase of 8 to 115% in the value of LHZ. On the other hand, a consistent trend between LHZ and hst was not observed in the U-shaped Cross-Vane.

کلیدواژه‌ها English

River Ecology
Potassium Permanganate
Residence Time
I-Shaped
U-Shaped
آبشوری، ع.ر.، دهقانی، ا.ا. و ظهیری، ع.ر. 1400. مطالعۀ الگوی جریان هایپریک پایین­دست موانع صلب رودخانه­ای. اکوهیدرولوژی. 8(4): 1145-1127. 
برزعلی، م.، مسعودیان، م.، فضل اولی، ر. و دهقانی، ا.ا. 1403.  بررسی تاثیر تنه‌های درخت افتاده در مسیر جریان رودخانه بر مشخصات ناحیه هایپریک با استفاده از نرم‌افزار کامسول (مطالعه موردی رودخانه گرمابدشت گرگان). نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 18(1): 41-27.
غلامی، ف.، عمادی، ع.ر. و میرناصری، م. 1403. بررسی آزمایشگاهی تأثیر نواحی نگهداشت آبشکن‌های متخلخل بر شبیه­سازی عددی انتقال آلودگی در رودخانه­ها. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 18(1): 70-55.
محمدعلیزاده، م.، مفتاح هلقی، م.، دهقانی، ا.ا.، ظهیری، ع.ر. و  قربانی، خ. 1402. بررسی آزمایشگاهی تاثیر سازه‌های تثبیت‌کننده گابیونی بر روی تبادلات هایپریک. نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران. 14(2): 94-77.
نیکبخت، ز.، عمادی، ع.ر. و میرناصری، م. 1401. بررسی آزمایشگاهی و عددی اثر سدهای اصلاحی گابیونی بر پارامترهای مدل نگهداشت موقت (TSM) در انتقال آلودگی در رودخانه­ها. تحقیقات مهندسی سازه­های آبیاری و زهکشی. 23(87): 144-119.
Bencala, K.E. and Walters, R.A. 1983. Simulation of solute transport in a mountain pool-and riffle stream: a transient storage model. Water Resource Research. 19(3): 112–124.
Boano, F., Harvey, J. W., Marion, A., Packman, A. I., Revelli, R., Ridolfi, L., and Wörman, A. 2014. Hyporheic flow and transport processes: Mechanisms, models, and biogeochemical implications. Reviews of Geophysics. 52(4): 603-679.
Cardenas, M.B., and Wilson, J.L. 2007. Dunes, turbulent eddies, and interfacial exchange with permeable sediments. Water Resources Research. 43(8): 1-16. 
Findlay S., Strayer D., Goumbala C. and Gould K. 1993. Metabolism of stream water dissolved organic carbon in the shallow hyporheic zone. Limnology and Oceanography. 38(7):1493–1499.
Gillilan, S., Boyd, K., Hoitsma, T. and Kauffman, M. 2005. Challenges in developing and implementing ecological standards for geomorphic river restoration projects: a practitioner’s response to Palmer et al. (2005). Journal of Applied Ecology. 42(2): 223–227.
Hickman, E.L. and Thompson. 2010. Stream Restoration Series: Cross Vane. Maryland Department of Natural Resources, US Environmental Protection Agency, and the Chesapeake Bay Trust, Fact Sheet Number 1, 8 p, Virginia Tech.
Karamouz, M., Ahmadi, A. and Akhbari, M.  2011. Groundwater hydrology: engineering, planning, and management: CRC Press.
Kim, B.K.A., Jackman, A.P., and Triska, F.J. 1992. Modeling biotic uptake by periphyton and transient hyporheic storage of nitrate in a natural stream. Water Resources Research. 28(10): 2743–2752.
Pagliara, S. and Kurdistani, S.M. 2013. Scour downstream of cross-vane structures. Journal of hydro environment research. 7(4): 236-242.
Pagliara, S. and Kurdistani, S.M. 2017. Flume experiments on scour downstream of wood stream restoration structures. Geomorphology. 279: 141-149.
Pal, D. and Galelli, S. 2019. A numerical framework for the multi-objective optimal design of check dam systems in erosion-prone areas. Environmental modelling & software. 119(3): 21-31.
Rao, L., Wang, P.F., Dai, O.S. and Wang, C. 2018. The coupling between hydrodynamic and purification efficiencies of ecological porous spur-dike in field drainage ditch. Journal of Hydrodynamics. 30(3): 373-383.
Rosgen, D.L., 2001. The cross-vane, W-Veir and J-Hook vane structures: their description, design and application for stream stabilization and river restoration. Wetland Engineering and River Restoration Conf.
Runkel, R.L. 1998. One-dimensional transport with inflow and storage (OTIS): A solute transport model for streams and rivers. U.S. Geological Survey, Water-Resources investigations, Report 98 4018. 73 p, Denver, Colorado.
Scurlock, S.M., Cox, A.L., Thornton, C.I., Baird, D.C., 2012a. Maximum velocity effects from vane-dike installations in channel bends. World Environmental and Water Resources Congress.
Scurlock, S.M., Thornton, C.I. and Abt, S.R. 2011. One-dimensional modeling techniques for Energy dissipation in U-weir grade-control structures. World Environmental and Water Resources Congress.
Scurlock, S.M., Thornton, C.I. and Abt, S.R. 2012b. Equilibrium scour down-stream of three dimensional grade control structures. J. Hydraul.Eng. 138(2): 167-176.
Tonina, D. and Buffington, J.M. 2007. Hyporheic exchange in gravel Bed Rivers with pool‐riffle morphology: Laboratory experiments and three‐dimensional modeling. Water Resources Research. 43(1): 1-16.
Watson, C.C., Biedenharn, D.S. and Scott, S.H. 1999. Channel rehabilitation: Processes, design and implementation, U.S. Army Engineer Research and Development Center, Vicksburg, Mississippi.
نشریه آبیاری و زهکشی ایران
دوره 19، شماره 1 - شماره پیاپی 110
فروردین و اردیبهشت 1404
صفحه 29-45