نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد آبخیزداری، دانشگاه ملایر

2 دانشیار دانشگاه ملایر

3 دانشیار، گروه آبخیزداری دانشگاه لرستان

10.22034/gp.2020.40910.2662

چکیده

شبیه‌سازی ‌ظرفیت انتقال رسوب رودﺧﺎﻧﻪ‌ﻫﺎ با ارزیابی پارامترهای هندسی و هیدرولیکی جهت انجام هرگونه فعالیت بسیار مهم می‌باشد. هدف از این پژوهش مدل سازی ظرفیت انتقال رسوب رودخانه خرم‌آباد با استفاده از مدل HEC-RAS و پارامترهای هندسی و هیدرولیکی رودخانه شامل دبی (Q) و عرض (W)، عمق (D)، سطح مقطع (A) و سرعت (V) می‌باشد. ابتدا از‌ رابطه‌ روبی جهت تعیین سرعت سقوط و انتقال رسوبات و از رابطه رگرسیونی بین پارامترها جهت تحلیل آماری و رابطه‌سازی روابط استفاده شد. سپس بر اساس مقادیر سطح معنی‌داری، ضریب تعیین و خطای استاندارد، مدل‌های خطی ساده، درجۀ2، درجۀ3 و نمایی و روابط حاکم بر خصوصیات هندسی و عوامل مربوط به فرآیندهای مؤثر بر فرسایش و رسوبگذاری رودخانة مورد بررسی قرار گرفتند‌. نتایج حاصل از مدل HEC-RAS برای دورة بازگشت 25 ساله‌‌ نشان می‌دهد که‌ وضعیت عرض مقاطع رودخانه از بالادست به پایین‌دست به دلیل تغییرات مکانی الگوی فرسایش و رسوب‌گذاری از روند ثابتی پیروی نمی‌کند. همچنین مدل نمایی به دلایل هم ‌خطی نبودن، P-value کمتر از1 % و خطای استاندارد کمتر نسبت به مدل‌های دیگر، از دقت بیشتری برخوردار است. نتایج نشان داد که مقدار متوسط قدرت جریان در بازه ابتدایی‌، میانی و انتهایی به ترتیب برابر با‌ 862، 678 و463 و تنش برشی 43/ 32‌، 79/28 و 86/22 نیوتن بر مترمربع می باشد و از بالا دست به پایین دست در حال کاهش است. بررسی توابع نمایی نشان می‌دهد که ظرفیت انتقال رسوب، با دبی، سرعت جریان و تنش برشی و دبی با سرعت رابطه مستقیم و با سطح مقطع‌، عرض رودخانه و عمق جریان رابطه معکوس دارد. و بیانگر این است که رواناب بیش‌ترین تأثیر را در فرسایش و رسوبگذاری دارد‌. بررسی تغییر پارامترهای هندسی- هیدرولیکی و قطر ذرات رسوبی نشان داد که در قسمت‌های میانی فرسایش و در ساحل راست بالا و پایین دست رودخانه رسوبگذاری رخ می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Modeling of geometric-hydraulic cross-sectional relationships and transmission capacity Khorramabad river sediment

نویسندگان [English]

  • Azadeh Sheikhipour 1
  • Alireza Ildoromi 2
  • hossein zenivand 3

1 Master of watershed Management, Department of Natural Resources and Environment, University of Malayer

2 Associate Professor of Malayer University

3 Associate professor, department of Rangeland and Watershed Management, College of Natural Resources and Environment Lorestan University, Iran.

چکیده [English]

Introduction
Due to the need for space, high cost, and a long time to perform experiments, the use of physical models is often not recommended. For this reason, many river engineering issues are examined with mathematical models (Azizi et al., ­2019).
Kalami et al. (2019) in detecting geometric-hydraulic relationships of river cross-sections using an inverse solution of Venant equations showed that after identifying the relationships and comparing them, hydraulic-hydrological process methods have high efficiency and accuracy in simulating river floods. Ouda (2019) in modeling and multi-phase reviewing of sediment transport and bed erosion and changes in river morphodynamics using numerical modeling and analysis of sediment production and transfer mechanisms showed that the current numerical model performs well in most cases of Multiphase test shows sediment transport and erosion.
Data and Method
The study area is located in Khorramabad city of Lorestan province in western Iran From Cham-Anjir station, 12 km from Khorramabad, with an area of ​​1650 km2 up to Doab Vissian station with an area of ​​2450 km2, which in this study includes a part of the permanent river of Khorramabad with a length of approximately 40 km. After entering geometric and flow data into the model, boundary conditions including sediment measurement curve for upstream range and discharge-Ashle curve were performed for downstream range in HEC-RAS hydraulic model and sensitivity results were extracted. Then, using SPSS software, the regression relationship between the dependent variable of Discharge (Q) and independent variables (W), river water surface width (D), average and hydraulic depth of flow, (A) flow cross-section, and (V) velocity The average cross-section (flow) was calculated based on the values ​​of significance level, coefficient of determination and standard error. Based on the results, various simple linear models, degree 2, degree 3, and exponential, and the relationships governing the geometric properties and factors related to the processes affecting the river were investigated. Among them, the relationship with the highest coefficient of determination and the lowest standard error was selected as the appropriate relationship.
 
Results and Discussion
Sensitivity analysis of the model shows that with increasing the number of cross-sections, the rate of change of hydraulic parameters along the river has been clearer. Also in Khorramabad River, the number of sections is 421 and the model estimation accuracy is 20.73% for the water level width parameter, 79.65% for the flow depth parameter, and 74.07% for the flow velocity parameter.  In the exponential model, there is no problem with the variables collinearity and the variables do not interact with each other. In models grades 2 and 3, due to the problem of collinearity, these models do not have sufficient validity. In addition, models grades 2 and 3 did not have sufficient validity in terms of both significance level and standard error. Therefore, the exponential model is introduced as a suitable model due to its non-collinearity, P-value less than 1%, and standard error less than other models. In the obtained function, the discharge flow as a dependent variable is directly related to the width of the river. Also has a more direct connection with the flow cross-section. The Discharge also shows a more direct relationship with the flow cross-section. Because the flow cross-section parameter includes two parameters of flow width and depth (geometric variables of the river). In the obtained exponential function, the sediment capacity as a dependent variable has a direct relationship with the average flow velocity, shear stress, and flow rate as an independent variable. According to the relationship obtained between the independent variables of sediment capacity, it is more dependent on the flow rate. As the flow rate increases, the sediment capacity also increases and vice versa.
 
Conclusion
Studies show that Grade 2 and 3 models did not have sufficient validity due to the problem of being co-linearity and significant level and standard error.In the sediment simulation section, the coefficient of determination obtained in the exponential function for V, Q, SH is less than the values ​​of 2 and 3 degrees regression functions and higher than simple linear regression functions and all variables are meaningful at the level of 1% (99% confidence interval). Also in this function, the variables have the lowest standard error and a significant level compared to the simple linear, grade 2, and grade 3 models. Therefore, they are considered suitable models for the river. The results of the study of exponential functions show that the sediment transport capacity is directly related to the flow rate, flow velocity, and shear stress, and also the flow rate is directly related to the flow cross-section, river width, and flow depth inversely.  This means that with increasing flow, the cross-sectional area of the stream, which includes the width of the river and the depth of the stream, gradually decreases, and also with increasing flow and changes in river morphology, flow velocity and shear stress increase, which results in increased sediment transport capacity and vice versa.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Erosion
  • Flow rate
  • Khorram abad River
  • HEC-RAS
اصغری سراسکانرود­، صیاد، (­1396)، تحلیل شکل مجرای رودخانه قرانقو در بازه کوهستانی (حد فاصل روستای خراسانک شهرستان هشترود تا شهرستان میانه)، جغرافیا و برنامه­ریزی، سال 21، شماره 60، صص 19-25 .
 حسین زاده، محمدمهدی، ­خالقی­، سمیه­، رستمی، میلاد، (1398)،  شبیه­سازی فرسایش کرانه­ای رودخانه و مخاطرات آن با استفاده از مدل  BSTEM(مطالعه موردی: رودخانه گلالی قروه)، نشریه جغرافیا و برنامه ریزی، سال 23، شماره 67، صص 129-149­.
خورشیددوست­، علی­محمد، اسفندیاری­، فریبا­، ­حسینی­، سید اسعد، دولتخواه­، پروانه، (­1397)،  برآورد میزان رسوب حوضه رود ارس با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی (مطالعه موردی: زیرحوضه دره رود)،  نشریه جغرافیا و برنامه­ریزی، دوره 22، شماره 65، صص 141-162.
شرفی­، سیامک، ­سکوند­، حبیب،­ کمالی، زهرا، (1398)، بررسی تغییرات مکانی- زمانی مورفولوژی رودخانه سیلاخور در استان لرستان، نشریه پژوهش­های ژئومورفولوژی کمی، دوره 8، شماره 3، پیاپی 31، صص 115-131.
ظهیری، عبدالرضا­، قلی نژاد، جواد، دهقانی، امیر احمد (­1398)، محاسبه ظرفیت انتقال رسوب در رودخانه­ها به کمک مدل ریاضی شبه دوبعدی­، پژوهشنانمه مدیریت حوزه آبخیز، سال 10­، شماره 19­، صص 142- 153.
عزیزی، شهلا، ایلدرمی، علیرضا، نوری، حمید، (1398)، تاثیر تغییر مقاطع عرضی بر طغیان و ظرفیت انتقال رودخانه آبشینه همدان، پژوهش های ژئومورفولوژِ­ی کمی، سال8، شماره 2، صص209-189.
کلامی، سوده، مظاهری، مهدی، محمدولی سامانی، جمال، (1398)، ­تشخیص روابط هندسی- هیدرولیکی سطح مقطع رودخانه­ها با استفاده از حل معکوس معادلات سنت –ونانت و کاربرد آن، نشریه مهندسی عمران شریف، دوره 2، شماره 4، صص33-42. 
یاسی، مهدی، نصیری، لعیا، ­احمدی، سلطان،­ (1396)، شبیه­سازی و ارزیابی جریان در رودخانه‌های با جریان دائمی با دو مدل HEC-RAS و E RubarBE، نشریه آب و خاک، مقاله 17، دوره 27، شماره 2، صص 225-236 .
Choi,  S.U.,  and Lee, J. 2014.  Assessment  of  total  sediment  load  in  rivers  using  lateral  distributionmethod. Journal of Hydro-environment Research, 9(3): 381-387.
Iqbal, M., Ghumman, A. R., Haider, S., Hashmi, H. N., and Khan, M. A. (2019). Application of Godunov type 2D model for simulating sediment flushing in a reservoir. Arabian Journal for Science and Engineering, 44(5): 4289-4307.
Keane,  T.  D., and ­Sass, ­C.­ K.­ (2017). ­Channel  Evolution Models  as Predictors  of  Sediment  Yield,  Journal  of  the  American  Water Resources Association, 53(6):1513-1529.
Klavon, K., Fox, G., Guertault, L., Langendoen, E., Enlow, H., Miller ,­R., Khanal, A.­ (2017).­ Evaluating a process‐based model for use in streambank  stabilization:  insights  on  the  Bank  Stability  and  Toe Erosion Model (BSTEM). Earth Surface Processes and Landforms,­42(1): 191-213.
Lai, Y. G., and Wu, K. (2019). A Three-Dimensional Flow and Sediment Transport Model for Free-Surface Open Channel Flows on Unstructured Flexible Meshes, Fluids, 4(1): 18-28.
McMillan, M., Liebens, J., and Metcalf, C. (2017). Evaluating the BANCS Streambank  Erosion  Framework  on  the  Northern  Gulf  of  Mexico Coastal  Plain,  Journal  of  the  American  Water  Resources Association, 53(6):1393-1408.
Ouda, M. (2019). Multiphase Modelling of Sediment Transport and Bed Erosion for the Study of Coastal Morphodynamics. (KU Leuven, Technology Campus Brugge, Belgium) October 2019.