تحليل جريان در عرض رودخانه به‌روش اجزاء محدود

Analysis of Flow in River Cross Section Using Finite Elements Method

رودخانه­ هاي آبرفتي غالباً داراي دشت­ هاي سيلابي عريضي مي­باشند كه در انتقال سيل، بهبود شرايط زيست­گاه رودخانه، حاصل­خيزي اراضي ساحلي و نيز رونق فعاليت­هاي كشاورزي و تفريحي نقش مهمي دارند. براي محاسبه دبي جريان سيل در مجراي اصلي و دشت­ هاي سيلابي و نيز شناسايي نقاط فرسايش ­پذير رودخانه، تعيين توزيع عرضي سرعت جريان و تنش برشي مرزي داراي اهميت زيادي است. اين­در­حالي است كه در شرايط سيل، اندازه­گيري پروفيل عرضي سرعت جريان و به­ويژه تنش برشي نيازمند تجهيزات پيشرفته و گران­قيمت است. بنابراين، استفاده از مدل­هاي رياضي شبه­ دوبعدي مبتني بر حل معادلات پيوستگي و اندازه حركت جريان به­ عنوان راه­كاري مناسب در طرح­هاي مهندسي رودخانه جايگاه ارزشمندي پيدا نموده است. در اين مقاله با حل عددي مدل رياضي شبه ­دوبعدي شيونو و نايت به­كمك روش اجزاء محدود، ابتدا توزيع عرضي سرعت در رودخانه ميناب (ايستگاه برنطين) با استفاده از داده­هاي صحرايي واسنجي شد. بيشينه خطاي مدل در برآورد دبي جريان سيلاب حدود 13 درصد به­دست آمد. سپس توزيع عرضي تنش برشي براي سيلاب سال 1374 شبيه­ سازي شده و به­ كمك آن تغييرات هندسه مقطع عرضي رودخانه تحليل شد. نتايج اين تحقيق نشان داد كه وضعيت فرسايش و رسوب­گذاري در عرض رودخانه بر اساس تنش­هاي برشي به ­دست آمده از مدل رياضي به واقعيت بسيار نزديك مي­باشد.

Alluvial rivers often have wide floodplains which play an important role in flood passage, enhancement of environmental habitat, soil fertility and extending recreational and agricultural activities. For calculation of flood discharges in main channel and floodplains and recognition of erodible sections of the river, simulation of lateral velocity and bed shear stress distribution are important. In the flooding situation, however, advanced and expensive pieces of equipment are required to measure lateral profile of velocity and specially bed shear stress. Therefore, application of quasi 2-D mathematical models based on solutions of continuity and momentum equations is important in river engineering projects. In this paper, at first, by application of Shiono and Knight model numerical solution and use of finite element method, lateral distribution of flow velocity in Minab river (at Berentin station) was calibrated based on field data. The maximum error was around 13 percent for flood discharge computation. Then, lateral distribution of bed shear stress for a flood event in the year 1374 (Iranian calendar) was simulated, based on which lateral variations of river cross section were analyzed. Results of this research showed that erosion and sedimentation situation in river width computed by mathematical model based on bed shear stress presented good agreement with the actual data.