بررسي آزمايشگاهي اندركنش آب سطحي و زيرسطحي در پشتۀ رسوبي مياني

Experimental investigation of surface and sub-surface flow interaction in a middle bar

تبادل هايپريك در مجاري روباز در چرخۀ اكولوژي و هيدرولوژي بسيار تأثيرگذار است. پشته هاي رسوبي از جمله عوامل مورفولوژيكي رودخانه هستند كه جريان هايپريك را تحت تأثير قرار ميدهند. در تحقيق حاضر، جريان ماندگار در اطراف يك پشتۀ رسوبي سه‌بعدي متقارن با قاعدۀ بيضي (m64/0×m2) و ارتفاع 1/0 متر در يك فلوم آزمايشگاهي بررسي شد. براي بررسي آثار استغراق، مطالعات آزمايشگاهي پشتۀ رسوبي در دو حالت غير مستغرق و مستغرق كامل بررسي شد. همچنين، الگوي جريان و ميدان فشار در اطراف پشتۀ رسوبي توسط مدل رياضي شبيه سازي شد. سپس، الگوي فشار محاسبه‌شده از مدل رياضي به عنوان شرايط مرزي روي مرز بالايي پشتۀ رسوبي قرار گرفت و جريان زيرسطحي با استفاده از مدل آب زيرزميني به صورت سه‌بعدي شبيه سازي شد. نتايج تحقيق نشان داد شاخص بيبعد دبي تبادلي بين جريان سطحي و زيرسطحي، با افزايش دبي جريان كاهش داشته و تغييرات آن همبستگي مناسبي با عدد رينولدز محيط متخلخل پشته نشان مي‌دهند. درصد دبي تبادلي به دبي جريان سطحي در محدودۀ 5/3 تا 5/7 است. با افزايش دبي جريان، گسترش فضايي خطوط جريان افزايش داشته و در شرايط غير مستغرق گسترش عرض آن شبيه جريانهاي هايپريك ناشي از فرم بسترهاي ريفل-پول و ديون دوبعدي است. همچنين، نتايج نشان داد توزيع فراواني طول خطوط جريان و زمان ماندگاري ذرات در محيط متخلخل پشته نيز از الگوي لوگ نرمال پيروي ميكند كه با افزايش دبي جريان به توزيع متقارن نزديكتر ميشود. در ضمن، با افزايش دبي جريان، زمان ماندگاري ميانۀ بيبعد ذرات در محيط متخلخل پشته (tm*)، كاهش داشته و در اين آزمايش ها بين 004/0 تا 01/0 است.

Hyporheic exchange has a crucial effect in ecology and hydrology cycle. Hyporheic flows are highly influenced by stream morphologies like Middle-gravel bars. In this study, flows around a three dimensional symmetric middle gravel bar) 2 m length, 0.64 m width and 0.1 meter height) were investigated. To consider the submergence effect, the experiments were conducted in partial and fully submerged cases. Flow and pressure patterns around middle bar were simulated by a CFD model, then the computed pressure along the bed were assigned as a top boundary condition to simulate the three dimensional subsurface flow using groundwater model. The results showed that dimensionless index of exchange flow decreased by increasing surface flow and have a good linear correlation with Reynolds number in porous media of the bar. The ratio of exchange flow to surface flow was 3.5 to 7.5 percents. Spatial expansion of flow paths increased by increasing discharge and in partial submerged cases, flow paths extended like two dimensional pool-riffles and dunes laterally. Residence time and length of Path lines were log normally distributed which tends to symmetric form by increasing discharge. Dimensionless median residence time is decreased by increasing discharge and ranged from 0.004 to 0.01.