شبيه‌سازي پروفيل عرضي سرعت جريان در رودخانه‌ها به روش اجزا محدود(مطالعه موردي: ايستگاه برنطين در رودخانه ميناب)

Simulation of lateral velocity distribution in rivers using Finite Elements Method(Case study: Berentine hydrometric station in Minab River)

پروفيل عرضي سرعت جريان در رودخانه‌ها، مبناي استخراج رابطه دبي- اشل و محاسبه‌هاي هيدروليك جريان و رسوب است. به‌دليل مشكلات اندازه‌گيري پروفيل عرضي سرعت رودخانه‌ها در شرايط سيلابي، استفاده از روش‌هاي محاسباتي مناسب ضروري است. از طرف ديگر ورود جريان سيل به دشت‌هاي سيلابي، باعث اندركنش جريان در دشت سيلابي با مجراي اصلي رودخانه شده و باعث پيچيدگي هيدروديناميك جريان مي‌شود. در اين پژوهش، با استفاده از روش اجزا محدود، پروفيل عرضي سرعت به كمك معادلات ديفرانسيل شبه‌دوبعدي به‌دست آمده است. اين مدل رياضي بر مبناي معادلات ناويه- استوكس بوده و به‌صورت متوسط در عمق ساده شده است. براي ارزيابي دقت مدل رياضي پيشنهادي، اين مدل در ايستگاه هيدرومتري برنطين در رودخانه ميناب واقع در استان هرمزگان براي جريان سيلابي آذر 1374 واسنجي و سپس براي 2 واقعه سيلابي در بهمن 1374 صحت‌سنجي شده است. مقايسه پروفيل عرضي سرعت اندازه‌گيري شده با نتايج محاسباتي در هر دو مرحله واسنجي و صحت‌سنجي، دقت مناسب و قابل‌قبول مدل رياضي پيشنهادي را نشان مي‌دهد. تحليل آماري نتايج مدل رياضي نشان مي‌دهد كه ضريب تعيين (2R) توزيع عرضي سرعت در مرحله واسنجي حدود 97/0 و در مرحله صحت‌سنجي حدود 96/0 مي‌باشد. همچنين مجذور ميانگين مربعات خطا براي اين دو مرحله به‌ترتيب 13/0 و 23/0 به‌دست آمده است. در نهايت رابطه دبي- اشل اين رودخانه به كمك مدل رياضي با دقت مناسبي استخراج شده است.

Lateral profile of flow velocity in rivers is the base of stage-discharge rating curve development and also flow and sediment transport calculations. Regarding to high difficulties in measurement of lateral distribution of velocity in natural rivers, especially in time of floods, using the suitable numerical methods is essential. On the other hand, by entering the flood flow into floodplains, flow interaction induced at the main channel-floodplains interface and causes high complexity in flow hydrodynamics. In this research, using finite element method, velocity lateral profiles have been predicted by solving quasi 2-D differential equations of flow in compound channels. Proposed model is based on the depth-averaged Navier-Stocks equation. For evaluation of accuracy, this model has been calibrated and then validated in Minab River at Berentine hydrometric station, in Hormozegan province, based on measured data obtained during 3 flood events. Comparison of measured and predicted profiles of lateral velocity in two phases of calibration and validation shows acceptable accuracy of the proposed mathematical model. Statistical analysis of numerical results shows that the determination coefficients for calibration and validation phases are 0.97 and 0.96, respectively. Also, the root mean square error of these phases are 0.13 and 0.23, respectively. Finally the stage-discharge curve of this river has been predicted with good accuracy.