مطالعۀ الگوي جريان هايپريك پايين دست موانع صلب رودخانه اي

Study of Hyporheic flow pattern downstream of river steps

منطقۀ هايپريك ناحيه‌اي بلافاصله زير بستر رودخانه است كه اختلاط آب‌هاي سطحي پايين‌رونده با آب زيرسطحي در آن اتفاق مي‌افتد. اين منطقه نقش بسيار حياتي در اكولوژي رودخانه دارد و سبب خودپالايي جريان رودخانه مي‌شود. موانع تخته‌سنگي موجود در بستر رودخانه‌ها معمولاً مانند موانع نفوذناپذير عمل مي‌كنند و در بالادست و پايين‌دست اين سازه‌ها اختلاف‌ هد هيدروليكي ايجاد مي‌شود و پرش هيدروليكي در پايين‌دست آنها اتفاق مي‌افتد. از آنجا كه معمولاً در پايين‌دست اين موانع حفرۀ آب‌شستگي نيز شكل مي‌گيرد، ‌هدف از اين تحقيق تعيين الگوي حركتي تبادلات هايپريك با وجود موانع صلب رودخانه‌اي در سه حالت جريان ريزشي، جريان متغير سريع و جريان متغير سريع‌ـ آب‌شستگي است. براي بررسي نتايج، از يك فلوم آزمايشگاهي با شيب كف 1 درصد، طول 5 متر، عرض 0/3 متر و ارتفاع 0/5 متر براي مشخص كردن مسيرهاي خطوط جريان هايپريك استفاده شد. مصالح بستر استفاده‌شده در اين فلوم داراي قطر ميانۀ 6/8 ميلي‌متر بودند. ضخامت رسوبات بالادست مانع برابر 30 سانتي‌متر و ضخامت رسوبات پايين‌دست مانع برابر با 16 سانتي‌متر در نظر گرفته شد. در اين آزمايش‌ها از يك مانع صلب 30 سانتي‌متري كه به صورت نفوذ كامل درون بستر رسوبات نصب شده بود، استفاده شد. همچنين، از مدل آب زيرزميني براي شبيه‌سازي عددي الگوي جريان زيرسطحي استفاده شد. نتايج نشان داد تطابق مناسبي بين الگوي جريان مشاهداتي و محاسباتي در منطقۀ هايپريك براي دو حالت ايجاد پرش و ريزشي وجود دارد و در حالت ايجاد پرش‌ـ آب‌شستگي فقط در محدودۀ بين ديوارۀ عمودي مانع تا جايي كه بيشترين آب‌شستگي شكل گرفته بود، در مدل آزمايشگاهي جريان بالادست رو به بالا ( ) ‌و در مدل عددي جريان پايين‌دست رو به بالا ( ) مشاهده شد. همچنين، با بررسي دبي تبادلي كل (Qex)، زمان ماندگاري (Rt) و درصد دبي تبادلي ‌(Qp) و مقايسۀ هريك با عدد رينولدز به‌ترتيب رابطۀ تواني با ضريب همبستگي 94 و 84 و 77 درصد به دست آمد كه از اين روابط مي‌توان تخمين مناسبي از پارامترهاي جريان هايپريك داشت.

The Hyperic region is an area immediately below the riverbed in which the mixing of downwelling surface water with subsurface flow occurs. This area plays a very vital role in the ecology of the river and causes self-purification of the river flow. Rockboulders in riverbeds usually act as impermable barriers, creating a hydraulic head difference upstream and downstream of these structures, and a hydraulic jump occurs downstream. Since scour hole is usually formed downstream of these barriers, so the purpose of this study was to determine the different pattern of hyperic exchanges around rigid river barriers in three different flow conditions(i.e., clinging nappe, rapid variable flow and hydraulic jump-scouring. To evaluate the results, a laboratory flume was used to determine the flowpaths of hyperic streamlines. The numerical model was also used for simulation of hyporheicflow. The results showed that there was a good agreement between the observed and computational flowpattern in the hyperic area for both clinging nappe and hydraulic jump, and Upstream Directed Upwelling(UDU) was observed in the area between the vertical barrier wall and the point of maximum scour depth and downstream Directed Upwelling(DDU) was observed in the numerical model. Also, the results showed that there are a power relations between total exchange rate(Qex), the residence time(Rt) and the percentage of exchange rate(Qp) against Reynolds number and correlation coefficient of 95, 81 and 86% was obtained for Qex, Rt and Qp, respectively. The accuracy of estimation shows that these relations can be used for estimation of hyporheic characteristics.