حل عددي توزيع عرضي رسوب معلق در قوس رودخانه ها

Numerical solution of lateral distribution of suspended sediment in river bends

سابقه و هدف: تغييرات سرعت جريان و به ويژه غلظت رسوب معلق در عرض رودخانه ها در محل قوس از توزيع بسيار غيريكنواختي برخوردار است. براي مديريت بهتر سازه هاي هيدروليكي واقع در قوس رودخانه، آگاهي از تغييرات غلظت رسوب معلق در عرض رودخانه لازم است. تاكنون مدل هاي رياضي دوبعدي و شبه دوبعدي زيادي براي حل توزيع عرضي سرعت در رودخانه ها توسط محققين مختلف توسعه داده شده است كه در اغلب اين مدل ها، مسير رودخانه به صورت مستقيم فرض شده است. همچنين توزيع غلظت رسوب در عرض رودخانه و به ويژه در محل قوس تاكنون فقط با مدل هاي پيچيده دوبعدي و سه بعدي شبيه سازي شده است. با توجه به لزوم سادگي در مطالعات كاربردي مهندسي هيدروليك جريان و رسوب رودخانه ها، استفاده از مدل هاي رياضي ساده شبه دوبعدي اخيراً مورد توجه و استقبال قرار گرفته است. هدف اين مقاله، مدل سازي شبه دوبعدي توزيع عرضي سرعت جريان و غلظت رسوب معلق در محل قوس رودخانه ها مي باشد. مواد و روش ها: براي شبيه سازي توزيع عرضي سرعت و رسوب در محل قوس رودخانه ها، از حل عددي مدل رياضي شيونو و نايت استفاده شد. براي واسنجي ضريب زبري مانينگ در اين مدل از داده هاي توزيع عرضي سرعت اندازه گيري در محل يكي از قوس هاي رودخانه كارون در مجاورت ايستگاه هيدرومتري اهواز استفاده شد. همچنين با انتخاب 3 رابطه تجربي انتقال كل رسوب (معادلات اكرز-وايت، انگلوند-هانسن و يانگ)، بخش رسوبي اين مدل نيز به كمك داده هاي اندازه گيري شده توزيع عرضي غلظت رسوب در محل قوس واسنجي شد. يافته ها: نتايج حل عددي مدل رياضي شيونو و نايت به روش تفاضل هاي محدود نشان داد كه از ميان روابط رسوبي مورد استفاده، رابطه رسوبي يانگ مطابقت خوبي با مقادير غلظت رسوب اندازه گيري شده در عرض رودخانه داشته و نسبت به روابط رسوبي اكرز-وايت و انگلوند-هانسن، از دقت بالاتري برخوردار مي باشد. دو رابطه اخير، مقادير انتقال رسوب را بسيار بيشتر از مقادير اندازه گيري برآورد مي-كنند. با توجه به اينكه پايه و اساس رابطه رسوبي يانگ، قدرت يكه جريان است و در اين نظريه، انتقال هر ذره رسوب مستقيماً متناسب با سرعت ذره است، احتمالاً به همين دليل اين رابطه از دقت بيشتري برخوردار بوده است. با انتگرال گيري عرضي از نتايج توزيع غلظت رسوب در عرض رودخانه، بار كل رسوب رودخانه واقعي و محاسباتي در محل قوس مورد مطالعه به ترتيب 26500 و 16000 تن بر روز بدست آمد كه بيانگر خطاي حدود 40 درصد مي باشد. اين در حالي است كه روش هاي آكرز-وايت و انگلوند-هانسن به ترتيب با خطاي نسبي حدود 265 و 325 درصد، برآوردهايي بسيار بالاتر از واقعيت داشتند. نتيجه گيري: با توجه به نتايج بدست آمده از اين تحقيق، مي توان به كمك مدل رياضي پيشنهادي، توزيع عرضي رسوب در هر دبي جريان به ويژه در دبي هاي سيلابي را محاسبه نموده و براي طراحي آبگيرهاي جانبي در قوس خارجي، از نتايج مدل استفاده نمود.

Background and Objectives: Distribution of lateral velocity and especially suspended sediment concentration in river bends are extremely non-uniform. For better management of hydraulic structures located on river bends، the lateral variation of sediment concentration has high importance. Several two-dimensional and quasi two-dimensional mathematical models have been developed by many researchers which in most of them، the river has been assumed as a straight reach. Also، sediment concentration variations across the river and especially in the case of river bends have been simulated just by complicated two and three dimensional mathematical models. Due to the essence of simplicity for applied studies in flow and sediment transport hydraulics، the simple quasi two-dimensional models have attracted much attention، recently. The aim of this paper is to investigate the quasi-two dimensional modeling of lateral flow velocity and suspended sediment concentration in river bends. Material and Methods: for lateral distribution of flow velocity and sediment transport at the river bends، the Shiono and Knight method has been numerically solved in this paper using the finite difference method. For calibration of Manning roughness coefficient in this model، the field data of lateral velocity distribution at the one of bends in Karoun river at the vicinity of Ahwas hydrometric station have been used. Furthermore، by selecting three empirical sediment transport equations of Ackers-White، Engelund-Hansen and Yang، the sediment transport module of this model has been calibrated with field data of lateral distribution of sediment concentration at the bend. Results: The results of numerical solution of Shiono and Knight model showed that the among the selected sediment transport equations، the Yang equation has very well agreement with the measured lateral suspended sediment concentration، in comparison to the Ackers-White and Engelund-Hanssen equations. The former two equations predict the sediment transport very larger than the measured value. Due to this fact that the unit stream power is the basis of Yang equation derivation and in this theory، the transport of each sediment particle mainly depends to its flow velocity، hence the Yang sediment transport equation has higher accuracy. With lateral integration of sediment concentration across the river bend، the total load has been computed as 16000 tons per day against the measured value of 26500 tons per day which shows nearly 40 percent error. These errors for Ackers-White and Engelund-Hansen equations are 265 and 325 percent، respectively، which are very high predictions comared with the actual value. Conclusion: according to the results obtained in this paper، the sediment concentration distribution in any flow discharge and especially in flood conditions may be computed and used for designing lateral intakes on outer bank of the river bend.