بررسي آزمايشگاهي و عددي تبادلات هايپريك در حضور فرم بستر خيزاب و چالاب

Laboratory and Numerical Investigation of Hyporheic Flow in Riffle-pool Bed Form

ناحيۀ هايپريك به ناحيۀ اشباع بلافاصله زير بستر رودخانه گفته ميشود كه كاركرد بسيار مهمي در اكولوژي جانداران دارد. در اين ناحيه، قسمتي از جريان آب سطحي اكسيژن و مواد مغذي را به جانداران مي‌رساند و پس از طي زمان معيني دوباره به آب سطحي باز ميگردد. تبادلات هايپريك بين جريان سطحي و جريان در محيط متخلخل رودخانه ميتواند بر اثر وجود شكلهاي مختلف بستر رودخانه ايجاد شود. خيزابها و چالابها ويژگيهاي توپوگرافيكي هستند كه در رودخانه هاي مستقيم، مارپيچي و شاخهاي يافت ميشوند. تغييرات فشار روي سطح اين فرم بستر به ايجاد تبادل‌هاي هايپريك منجر ميشود. تخمين دقيق ميزان اين تبادلات و زمان ماند جريان ميتواند در پروژه هاي احياي رودخانه ها بسيار مفيد باشد. بنابراين، در تحقيق حاضر ضمن بررسي آزمايشگاهي تأثير فرم بستر خيزاب- چالاب بر تبادلات هايپريك، با به‌كارگيري روش شبيه سازي گردابه هاي بزرگ، تغييرات فشار روي بستر شبيه سازي عددي شده و سپس مدل آب زيرزميني و روش رديابي ذرات براي شبيه سازي جريان در ناحيۀ هايپريك به‌كار گرفته شد. نتايج نشان داد حل‌كنندۀ اينترفوم با مدل شبيه سازي به روش گردابه هاي بزرگ به‌خوبي قادر است شرايط آزمايشگاهي را مدلسازي كند. به‌طوري كه پروفيل سطح آب را براي كل آزمايش هاي تحقيق حاضر، با درصد خطاي متوسط (MPE) 8/1 درصد برآورد ميكند كه با توجه به ميزان اندك خطا در تخمين پروفيل سطح آب، ميتواند تخمين دقيقي از فشار روي سطح فرم بستر و به دنبال آن ميزان تبادلات هايپريك ارائه كند. بررسي مشخصات ناحيۀ هايپريك نشان ميدهد با افزايش عدد رينولدز، تبادلات هايپريك افزايش يافته و زمان ماندگاري كاهش مييابد. همچنين، نتايج تحقيق حاضر نشان داد نمودارهاي زمان ماند از توزيع مقادير حدي تبعيت ميكنند. در تحقيق حاضر، به طور متوسط 20 درصد جريان سطحي در تبادل با جريان زيرسطحي است.

Hyporheic zone is related to the saturated zone beneath the river which has an important role in ecology. In this zone, part of surface water, transfer oxygen and nutrients to the organism and then returns to the surface water after certain amount of time. Hyporheic exchanges between surface flow and flow in porous media can be created due to the different bed forms of river. Riffle-pools are topographical features found in straight, meander and braided rivers. Variation of pressure along these bed forms lead hyporheic exchanges. The precise estimation of hyporheic exchanges and residence time can be useful for rivers restoration projects. So, in this paper, in addition to laboratory investigation of hyporheic exchanges along riffle-pool bed forms, the variation of pressure along bed surface has been simulated numerically by Large Eddy Simulation (LES) model and then a groundwater model and particle tracking method have been applied to simulate the flow within the hyporheic zone. The results show that the interFoam solver with LES model is able to model laboratory conditions accurately. The mean percentage error of water surface profile was 1.8% for present laboratory study, which leads to an accurate estimation of pressure along the bed form and as a result an accurate prediction of hyporheic exchanges. The results of hyporheic characteristics show that as Reynolds number increases, the hyporheic exchanges increase and the residence time decreases. The results also show that the residence time distribution follows generalized extreme value distribution. In this study, on average, 20 percent of surface flow exchange with sub-surface flow.