شبيه‌سازي پايداري كانال‌هاي آبرفتي با استفاده از مدل رياضي GSTARS4.0

Simulation of stability of alluvial channels using GSTARS4.0

سابقه و هدف: به‌منظور پيش‌بيني پاسخ رودخانه‌هاي آبرفتي به تغييرات مصنوعي و طبيعي اعمال شده، شناخت و پيش‌بيني هندسه پايدار رودخانه داراي اهميت است. تعيين هندسه مقطع عرضي، شيب و معيار پايداري كانال‌ها و رودخانه‌ها موضوع مورد توجه بسياري از مهندسين عمران در رابطه با طرح‌هاي آبياري، مهندسي رودخانه و پروژه‌هاي هيدروليكي مي‌باشد. هدف از اين پژوهش بررسي پارامترهاي هندسي، معيارهاي تعادل و روند پايداري ديناميكي كانال‌هاي پايدار مي‌باشد. مواد و روش‌ها: بدين منظور يك كانال آزمايشگاهي توسط نرم‌افزار GSTARS4.0 كه يك مدل رياضي بوده و براساس كمينه نمودن قدرت عمل مي‌كند، مدل‌سازي شده است. اين مدل با استفاده از مفهوم لوله‌‌هاي جريان، قابليت شبيه‌سازي جريان توزيع رسوب‌گذاري را به‌‌صورت شبه دوبعدي (طولي و عرضي) در رودخانه‌‌ها دارد. واسنجي هيدروليكي، مدل به‌ازاي دبي‌ها و ضرايب زبري مانينگ مختلف اجرا شده و نتايج پروفيل سطح آب محاسباتي با مقادير واقعي رقوم سطح آب بر روي پهنه سيلابي مقايسه گرديد. بدين ترتيب با داشتن تراز سطح آب به‌ازاي دبي‌هاي مختلف، مقدار ضريب مانينگ پهنه سيلابي و كانال اصلي در مدل به‌نحوي انتخاب شده تا به‌ازاي دبي معلوم ورودي و تراز سطح آب، ابعاد محاسبه شده توسط مدل با مقدار واقعي همخواني داشته باشد. نتايج اين مقايسه بيانگر مطابقت رقوم سطح آب محاسباتي با رقوم سطح آب مشاهداتي به‌ازاي ضريب زبري مانينگ 014/0 است. براي واسنجي هيدروليك رسوب مدل، زاويه پايداري مصالح بستر برابر مقدار آزمايشگاهي (?33?=) قرار گرفت. در ادامه واسنجي، تغييرات مقطع عرضي كانال آزمايشگاهي به‌ازاي روابط تجربي مختلف موجود در مدل رياضي GSTARS شبيه‌سازي شده و با مقطع عرضي آزمايشگاهي مقايسه گرديد. معادله انتقال رسوب ماسه يانگ (1979) مطابقت بهتري با مشاهدات آزمايشگاهي دارد. تعدادي از داده‌ها كه در واسنجي مدل به‌كار نرفته بودند به‌منظور صحت‌سنجي مدل مورد استفاده قرار گرفتند كه در اين مرحله عرض بالا و پايين كانال‌ها با ضريب همبستگي به‌ترتيب 975/0 و 942/0 پيش‌بيني شده‌اند. يافته‌ها: كانال‌هاي آبرفتي هندسه هيدروليكي خودرا به‌نحوي تنظيم مي‌نمايند كه بين جريان و انتقال رسوب تعادل برقرار شود. در 2 تا 3 ساعت نخست، فرسايش و ته‌نشيني جداره‌ها و بستر كانال شديد بوده و مقدار قابل ملاحظه‌اي انتقال رسوب و عريض شدن كانال مشاهده گرديد و سپس كاهش مي‌يابد. افزايش عرض بالا، كاهش عرض پايين و در نهايت افزايش شيب جانبي در همه مقاطع قابل مشاهده است و عمده تغييرات در 2 ساعت اول اتفاق مي‌‌افتد كه تغييرات ارتفاع در جهت تنظيم شيب بستر كانال و حفظ يكنواختي پروفيل سطح آب مي‌باشد. براي تعيين مستقيم، مستقيم كم‌عمق و مارپيچ بودن كانال‌ها، مدل‌هاي اين پژوهش در خطوط آكرز- چارلتون و لين ترسيم گرديد. اين كانال‌ها در پايين اين خطوط واقع شده است و مستقيم مي‌باشد. نتيجه‌گيري: اين پژوهش قابليت و كارايي مناسب مدل رياضي GSTARS4.0 را در پيش‌بيني تغييرات طولي و عرضي تراز بستر رژيم كانال‌ها نشان مي‌دهد. در ادامه معيارهاي پايداري نظير تغييرات عرض، تغييرات سطح آب (مستقيم شدن پروفيل سطح آب) و يكنواختي نرخ انتقال رسوب كه توسط پژوهشگران مختلف ارايه شده است مورد بررسي قرار گرفته و مشاهده گرديد سه معيار مذكور در همه مدل‌ها به وقوع پيوسته است. بنابراين تركيبي از اين معيارها براي پايداري رژيم كانال‌ها پيشنهاد شد.

Background and Objectives: The first step to predict reaction of alluvial rivers against natural and man-made changes is to know and to predict stable geometry of rivers. One of the most important problems in civil engineering in relation to irrigation projects, river engineering and hydraulic projects is determining of stable cross section geometry, slope and stability criterion for alluvial channels or rivers. The purpose of present paper is to study geometric parameters, equilibrium criteria and stability approaches for stable alluvial channels. Materials and Methods: A laboratory channel has been modeled with GSTARS4.0, which is developed based on theory of total stream power minimization. This mathematical model using concept of stream tubes is able to simulate sedimentation pattern in the rivers quasi two-dimensionally. For hydraulic calibration, the mathematical model is run for different discharges and Manning roughness coefficients. Then, the computational water surface profile is compared with the actual water surface elevation on the channel. Using the water surface elevations for different discharges, the Manning roughness coefficients of the channel are selected such that the channel dimensions calculated by the model are consistent with the actual value for certain discharge and water level. Comparisons demonstrate a good agreement between computational and observed water surface elevations for the Manning roughness coefficients of n=0.014. For sediment calibration of this mathematical model, cross section geometry has been used. For this purpose, the stability angle of the bed materials is considered equal to the experimental value (?=33?). Then, the changes in laboratory channel cross-section are simulated for different empirical correlations in GSTARS mathematical model. The simulation results are compared with the experimental cross section. Yang’s sand sediment transport equation (1979) is in good agreement with experimental observations as compared with other correlations. Some of data that had not been used for calibration is used to verify the model. In the final step, the main parameters of top and bottom width of channel are predicted by correlation coefficients of 0.975 and 0.942 respectively. Results: The alluvial channels adjust the hydraulic geometry to make a balance among flow and sediment. In the first 2 to 3 hours duration of experiment, aggradation and degradation of the channel banks and bed was high and consequently a considerable value of sediment transport and widening rate was observed, then it eventually declined. Increasing the width of the top, decreasing the width of the bottom, and finally raising the side slope at all models can be seen. Major changes, consist of adjustment of the slope of the channel bed and also holding constant uniformity of profile of water surface, happen in the first 2 hours of experiment. In order to distinguish between straight channels, straight channels with shoals and meandering channels, presented models are plotted against Ackers-Charlton and lane lines. The channels are located below the lines and are straight. Conclusion: The research shows capabilities and good performance of GSTARS4.0 mathematical model to forecast longitudinal and transversal changes of channel regime bed. Afterwards, stability criteria such as width adjustment, water surface adjustment (straight energy slope) and sediment transport rate uniformity which presented by various researchers were studied. It was concluded that all of the mentioned criteria had occurred in all of the models. Therefore a combination of these criteria proposed for stability of regime channels.