برآورد ظرفيت انتقال رسوب رودخانه‌ها با استفاده از مدل رياضي شبه‌دوبعدي

Sediment transport prediction in rivers using quasi-two dimensional model

سابقه و هدف: تخمين مناسب دبي جريان و رسوب در رودخانه‌ها به‌عنوان اطلاعات پايه براي بسياري از طرح‌ها و پروژه‌هاي مهندسي رودخانه داراي اهميت است. تاكنون از رابطه دبي- اشل و منحني سنجه رسوب به‌عنوان ابزار اصلي محاسبه اين دو پارامتر استفاده شده است. با وجود اهميت بسيار زياد دبي جريان در محاسبات هيدروليك رودخانه‌ها، تاكنون روش و مدل رياضي خاصي منظور تعيين دبي ارايه نشده و كماكان مهم‌ترين روش محاسبه دبي جريان، اندازه‌گيري سرعت در عرض رودخانه و سپس انتگرال‌گيري از توزيع سرعت است. اندازه‌گيري ميداني توزيع سرعت در رودخانه‌ها كاري زمان‌بر و پرهزينه بوده و در شرايط وقوع سيلاب، بسيار خطرناك خواهد بود (5). بر خلاف دبي جريان، براي محاسبه رسوب معلق و كل رودخانه‌ها، روش‌ها و مدل هاي رياضي زيادي توسط پژوهشگران پيشنهاد شده است (4، 8، 26). اغلب مدل‌هاي رياضي محاسبات رسوبي داراي تيوري و مباني پيچيده‌اي بوده و به داده‌هاي ورودي زيادي نيز نياز دارند. با توجه به شرايط خاص رودخانه هاي كشور و عدم وجود داده‌هاي هيدروليكي و رسوبي مناسب، ضروري است راه‌حل‌ها و راهكارهاي مناسبي پيشنهاد شوند. يكي از راهكارهاي مناسب در اين زمينه، استفاده از مدل هاي رياضي شبه‌دوبعدي است (9، 10، 11، 28). شيونو و نايت (1991) با ارايه يك مدل شبه‌دوبعدي توزيع عرضي سرعت، محاسبه دبي جريان در رودخانه‌هاي سيلابي را با دقت قبولي امكان پذير نمودند (24). مواد و روش‌ها: در اين پژوهش براي استفاده كاربردي از مدل هاي رياضي در محاسبات همزمان هيدروليك جريان و رسوب، از يك مدل رياضي شبه دوبعدي براي محاسبه دبي جريان و ظرفيت حمل رسوب استفاده شده و در ايستگاه هيدرومتري ملاثاني در رودخانه كارون واسنجي و صحت‌سنجي شده است. براي شبيه‌سازي حمل رسوب در اين رودخانه، از سه رابطه تجربي انتقال رسوب شامل انگلوند- هانسن (1967)، ايكرز- وايت (1973) و يانگ (1979) استفاده شده است. تعداد اندك داده هاي ورودي مدل پيشنهادي اين پژوهش، مزيت مهم آن نسبت به مدل هاي رياضي پيچيده دو و سه‌بعدي است. يافته‌ها: نتايج اين پژوهش نشان داد كه رابطه دبي- اشل به‌دست آمده از اين مدل در مراحل واسنجي و صحت‌سنجي به‌ترتيب داراي متوسط خطاي نسبي حدود 4/2 و 4 درصد است كه براي رودخانه عريضي مثل كارون قابل‌قبول است. همچنين مشخص شد كه از بين روابط تجربي مورد استفاده براي برآورد انتقال كل رسوب در اين پژوهش، رابطه يانگ در محدوده دبي هاي پايين جريان (كوچك‌تر از 800 مترمكعب بر ثانيه) داراي كارايي مناسب تري است. اين در حالي است كه روابط رسوبي انگلوند- هانسن و ايكرز- وايت در محدوده دبي هاي پايين جريان، برآورد كم‌تري از واقعيت ارايه كرده اما در دبي هاي بالا (بزرگ‌تر از 1000 مترمكعب بر ثانيه) نتايج بهتري نشان مي دهند. نتيجه‌گيري: با توجه به اهميت فراوان انتقال رسوب در شرايط سيلاب، استفاده از روابط انگلوند- هانسن و ايكرز- وايت در اين شرايط در ايستگاه ملاثاني منطقي‌تر بوده و نتايج قابل‌قبول‌تري خواهند داشت.

Background and Objectives: Accurate prediction of flow and sediment discharges, as basic information, is important for many river engineering projects. Flow and sediment rating curves are the main tools for computation of these two parameters, respectively. In spite of great importance of flow discharge in river hydraulic computations, no specific approach or mathematical model has yet been presented and still the field measurement of lateral velocity and then its lateral integration are considered as the main solution. Field measurement of velocity across the river is a time consuming and costly work and during the river flooding, is very dangerous (5). Opposite to the flow discharge, plenty of relationships and mathematical models have been developed by the researchers for computing the suspended and total sediment load in rivers (4, 8, 26). These models have often complex theory and need large input parameters. Due to specific conditions of our countries’ rivers and their lack of hydraulic and sediment transport data with good quality, it’s necessary to propose suitable solutions. One of the key elements in this regards is use of quasi two-dimensional mathematical models (9, 10, 11, 28). Shiono and Knight (1991) by developing a quasi-two-dimensional model for lateral velocity distribution, presented a new method with suitable accuracy for computation of flow discharge in flooded rivers (24). Materials and Methods: In this study, in order to mathematical models being applied for simultaneous computation of river flow hydraulics and sediment transport, a quasi-two dimensional mathematical model has been selected. This model has been calibrated and then verified in Karoun River at Molasani hydrometric station. For simulation of sediment transport in this river, three well known sediment transport equations including Engelund-Hansen (1967), Ackers-White (1973) and Yang (1979) have been used. Few input data needed is the main advantage of this model against the complicated two and three dimensional models. Results: The results showed that calculated stage-discharge curves in calibration and validation phases have mean errors of 2.4 and 4.0 percent, respectively. Such accuracy is noticeable for a large river, such as Karoun River. Also, it’s revealed that among the selected empirical equations for total sediment transport capacity, Yang formula gives good predictions in low flow discharges (less than 800 m3/s). On the other hands, Engelund-Hansen and Ackers-White formulas give better predictions of the sediment discharge for high flow discharges (more than 1000 m3/s). Conclusion: Accordance to the high importance of sediment transport in flood condition, it seems that application of two sediment transport equations of Engelund-Hansen and Ackers-White give more reasonable results for Molasani hydrometric station and hence are recommended.