حل عددی توزیع عرضی رسوب معلق در قوس رودخانه ها

سابقه و هدف: تغییرات سرعت جریان و به ویژه غلظت رسوب معلق در عرض رودخانه ها در محل قوس از توزیع بسیار غیریکنواختی برخوردار است. برای مدیریت بهتر سازه های هیدرولیکی واقع در قوس رودخانه، آگاهی از تغییرات غلظت رسوب معلق در عرض رودخانه لازم است. تاکنون مدل های ریاضی دوبعدی و شبه دوبعدی زیادی برای حل توزیع عرضی سرعت در رودخانه ها توسط محققین مختلف توسعه داده شده است که در اغلب این مدل ها، مسیر رودخانه به صورت مستقیم فرض شده است. همچنین توزیع غلظت رسوب در عرض رودخانه و به ویژه در محل قوس تاکنون فقط با مدل های پیچیده دوبعدی و سه بعدی شبیه سازی شده است. با توجه به لزوم سادگی در مطالعات کاربردی مهندسی هیدرولیک جریان و رسوب رودخانه ها، استفاده از مدل های ریاضی ساده شبه دوبعدی اخیراً مورد توجه و استقبال قرار گرفته است. هدف این مقاله، مدل سازی شبه دوبعدی توزیع عرضی سرعت جریان و غلظت رسوب معلق در محل قوس رودخانه ها می باشد. مواد و روش ها: برای شبیه سازی توزیع عرضی سرعت و رسوب در محل قوس رودخانه ها، از حل عددی مدل ریاضی شیونو و نایت استفاده شد. برای واسنجی ضریب زبری مانینگ در این مدل از داده های توزیع عرضی سرعت اندازه گیری در محل یکی از قوس های رودخانه کارون در مجاورت ایستگاه هیدرومتری اهواز استفاده شد. همچنین با انتخاب 3 رابطه تجربی انتقال کل رسوب (معادلات اکرز-وایت، انگلوند-هانسن و یانگ)، بخش رسوبی این مدل نیز به کمک داده های اندازه گیری شده توزیع عرضی غلظت رسوب در محل قوس واسنجی شد. یافته ها: نتایج حل عددی مدل ریاضی شیونو و نایت به روش تفاضل های محدود نشان داد که از میان روابط رسوبی مورد استفاده، رابطه رسوبی یانگ مطابقت خوبی با مقادیر غلظت رسوب اندازه گیری شده در عرض رودخانه داشته و نسبت به روابط رسوبی اکرز-وایت و انگلوند-هانسن، از دقت بالاتری برخوردار می باشد. دو رابطه اخیر، مقادیر انتقال رسوب را بسیار بیشتر از مقادیر اندازه گیری برآورد می-کنند. با توجه به اینکه پایه و اساس رابطه رسوبی یانگ، قدرت یکه جریان است و در این نظریه، انتقال هر ذره رسوب مستقیماً متناسب با سرعت ذره است، احتمالاً به همین دلیل این رابطه از دقت بیشتری برخوردار بوده است. با انتگرال گیری عرضی از نتایج توزیع غلظت رسوب در عرض رودخانه، بار کل رسوب رودخانه واقعی و محاسباتی در محل قوس مورد مطالعه به ترتیب 26500 و 16000 تن بر روز بدست آمد که بیانگر خطای حدود 40 درصد می باشد. این در حالی است که روش های آکرز-وایت و انگلوند-هانسن به ترتیب با خطای نسبی حدود 265 و 325 درصد، برآوردهایی بسیار بالاتر از واقعیت داشتند. نتیجه گیری: با توجه به نتایج بدست آمده از این تحقیق، می توان به کمک مدل ریاضی پیشنهادی، توزیع عرضی رسوب در هر دبی جریان به ویژه در دبی های سیلابی را محاسبه نموده و برای طراحی آبگیرهای جانبی در قوس خارجی، از نتایج مدل استفاده نمود.