برآورد ضرايب انتشار طولي رسوبات معلق درون محيط هاي متخلخل درشت دانه

Estimation of longitudinal dispersion coefficient of suspended sediments through the large porous Medias

سابقه و هدف: به دليل اينكه رواناب خروجي از حوضه هاي آبريز همواره شامل مقدار زيادي از رسوبات ريزدانه و معلق مي باشد كارايي سدهاي سنگريزه اي كه از مصالح سنگي درشت دانه ساخته مي شوند براي تنظيم سيلاب هاي عبوري به مرور زمان و به دليل ترسيب ذرات رسوبي در منافذ درشت دانه بدنه سد كاهش مي يابد. به دليل اينكه بخشي از سازه هاي ساخته شده با استفاده از مصالح سنگي درشت دانه جريان هاي حاوي رسوبات معلق را از خود عبور مي دهند لذا فرايند رديابي اين نوع جريان ها از درون محيط هاي متخلخل مورد توجه قرار گرفته است. بررسي فرايند انتقال و انتشار رسوبات معلق از درون محيط هاي درشت دانه معمولاً با استفاده منحني هاي رخنه انجام مي گردد. اين فرايند بيشتر براي آلودگي ها و در رودخانه ها، مجاري فاضلاب رو و محيط هاي متخلخل ريزدانه متداول بوده و محققان قبلي از تكنيك هاي زيادي از جمله حل تحليلي، تكنيك تخمين پارامتر و روش هاي عددي براي مسائل فوق الذكر استفاده نموده اند ولي هنوز در رابطه با رسوبات معلق تحقيقات متقني انجام نشده است. منحني هاي رخنه خروجي از محيط متخلخل در بسياري از مواقع متقارن نبوده و داراي چولگي مي باشد لذا تعدادي از محققان پس از برداشت داده هاي صحرائي پي به اين مساله برده و مدل جديد تري را تحت عنوان مدل ذخيره موقت ارائه نمودند. بعضي از محققان با در نظر گرفتن مساله عدم تقارن در منحني هاي رخنه خروجي اقدام به تركيب رابطه مرتبه اول تبادل جرم با معادلات انتقال و انتشار نموده و با اعمال شرايط اوليه و مرزي متنوع حل هاي تحليلي خاصي را استخراج نموده اند. نكته مهم در اين خصوص اين است كه در شرايط مشابهي از شرايط اوليه و مرزي مي بايستي اقدام به استفاده از حل هاي تحليلي نمود. به همين دليل در بسياري از موارد محققان اقدام به استفاده از روش هاي گشتاور هاي زماني و مكاني بر اساس داده هاي آزمايشگاهي برداشت شده مي نمايند. با تاكيد بر موارد اشاره شده و نيز با توجه به اينكه تاكنون تحقيقات آزمايشگاهي منسجم و كاملي در زمينه مطالعه رفتار رسوبات معلق درون محيط هاي متخلخل درشت دانه انجام نشده است در اين پزوهش در اين زمينه تمركز گرديد. مواد و روش ها: در اين پژوهش با ساخت نمونه آزمايشگاهي از محيط متخلخل درشت دانه و استفاده از رسوبات ريز دانه در محدوده بار معلق سعي شد تا يك سري داده آزمايشگاهي به منظور رديابي فرايند انتقال و انتشار طولي رسوبات معلق برداشت شود. در اين پژوهش با انتخاب دو قطر سنگدانه، چهار دبي درون گذر، و با اعمال گراديان هاي متفاوت بر روي محيط، منحني هاي رخنه رسوبات معلق خروجي از بدنه سازه هاي سنگريزه اي استخراج گرديد. روش استخراج منحني هاي رخنه به صورت برداشت نمونه آب از انتهاي محيط بوده و پس از رد نمودن از كاغذ صافي و خشك كردن رسوبات، منحني هاي غلظت زمان استخراج گرديد. همچنين با استفاده از تكنيك تخمين پارامتر براي معادله كلاسيك انتقال-انتشار و نيز روش گشتاورگيري زماني ضريب انتشار طولي رسوبات معلق استخراج شد. يافته ها: نتايج بدست آمده نشان داد كه به دليل ويژگي هاي ذاتي منحني رخنه خروجي از درون بدنه سنگدانه اي، روش گشتاورگيري زماني داراي دقت بهتري نسبت به معادله كلاسيك انتقال-انتشار بوده و همچنين با استفاده از روش پارامتر هاي ابعادي يك رابطه براي تخمين ضريب انتشار طولي بدست آمد كه متوسط خطاي نسبي آن براي تخمين ضريب انتشار 30 درصد مي باشد و اين مقدار در تحقيقات رسوبي قابل اطمينان مي باشد. نتايج مربوط به آناليز منحني هاي رخنه خروجي از محيط متخلخل نيز نشان داد كه منحني هاي رخنه خروجي از محيط داراي دو بال صعودي و نزولي نامتقارن بوده كه اين به دليل ذخيره موقت رسوبات درون محيط متخلخل درشت دانه مي باشد.

Background and objectives: Applicability of rockfill dams which has been made from large rock materials for purpose of flood detention reduces over the time because of siltation of pore system with sediment contained basin outflow. Since some of structures which were built with large rock materials should convey suspended sediment contained flows therefore routing process of these type flows have been investigated. The investigation around advection and dispersion of sediments particles through the large porous media usually is being done with breakthrough curve. This investigation is usually common for pollutants in rivers، sewer system and fine porous media. Previous researchers used from various techniques like numerical solving، parameter estimation and exact solution for solving of above mentioned problems. But unfortunately any general inquiry about suspended sediments was not accomplished yet. The exit breakthrough curves in many cases are asymmetrical and have Skewness in their falling limbs. Therefore some researchers after collecting the series of field data have discovered it and have presented a new model named transient storage model. Some investigators by considering Asymmetry in exit breakthrough curve have joined first order mass transfer equation with ADE equations and have extracted exact solutions with various primary and boundary conditions. The important criterion in this regard is to use them in similar primary and boundary conditions. Therefore in many cases the investigators are using from temporal and spatial moment technique according to experimental data series. By emphasis to above mentioned criteria and as regards to this fact that any coherent research in the investigation of behavior of suspended sediments through the large porous media were not accomplished yet therefore in this research tried to focus on it. Materials and Methods: In this research by creating a laboratory model of large porous media and employing suspended sediment particles، tried to acquire an experimental data series in order to investigate longitudinal convection and dispersion phenomenon of suspended sediments through the large porous media. In this investigation by application of 2 media diameters، 4 inflow discharges and different hydraulic gradients over the media، the breakthrough curves of suspended sediments were extracted. The BC curves were extracted with water sampling from media end and then the samples have been passed from filter paper and dried. The concentration-time graphs were extracted after weighting of dried sediment particles. Also by using of parameter estimation technique for classical advection dispersion equation and temporal moments method، the longitudinal dispersion coefficients were extracted. Results: The results showed that due to the inherent properties of exit breakthrough curve، the temporal moments method has a better estimation accuracy rather than classical advection dispersion equation. Additionally by dimensional analysis method a relationship has been acquired for estimation of longitudinal dispersion coefficient with average relative error of 30% which is reliable in sediment transport studies. Furthermore، the results of analysis of BC curves exhibited that the curve has an Asymmetric limbs in rising and falling stages which this observation is because of temporary storage of sediments and gradual release of them through the downstream flow.