حل عددی توزیع عرضی رسوب معلق در قوس رودخانه‌ها

سابقه و هدف: تغییرات سرعت جریان و به ویژه غلظت رسوب معلق در عرض رودخانه‌ها در محل قوس از توزیع بسیار غیریکنواختی برخوردار است. برای مدیریت بهتر سازه‌های هیدرولیکی واقع در قوس رودخانه، آگاهی از تغییرات غلظت رسوب معلق در عرض رودخانه لازم است. تاکنون مدل‌های ریاضی دوبعدی و شبه‌دوبعدی زیادی برای حل توزیع عرضی سرعت در رودخانه‌ها توسط محققین مختلف توسعه داده شده است که در اغلب این مدل‌ها، مسیر رودخانه به صورت مستقیم فرض شده است. همچنین توزیع غلظت رسوب در عرض رودخانه و به ویژه در محل قوس تاکنون فقط با مدل‌های پیچیده دوبعدی و سه‌بعدی شبیه‌سازی شده است. با توجه به لزوم سادگی در مطالعات کاربردی مهندسی هیدرولیک جریان و رسوب رودخانه‌ها، استفاده از مدل‌های ریاضی ساده شبه‌دوبعدی اخیراً مورد توجه و استقبال قرار گرفته است. هدف این مقاله، مدل‌سازی شبه دوبعدی توزیع عرضی سرعت جریان و غلظت رسوب معلق در محل قوس رودخانه‌ها می‌باشد. مواد و روش‌ها: برای شبیه‌سازی توزیع عرضی سرعت و رسوب در محل قوس رودخانه‌ها، از حل عددی مدل ریاضی شیونو و نایت استفاده شد. برای واسنجی ضریب زبری مانینگ در این مدل از داده‌های توزیع عرضی سرعت اندازه‌گیری در محل یکی از قوس‌های رودخانه کارون در مجاورت ایستگاه هیدرومتری اهواز استفاده شد. همچنین با انتخاب 3 رابطه تجربی انتقال کل رسوب (معادلات اکرز-وایت، انگلوند-هانسن و یانگ)، بخش رسوبی این مدل نیز به کمک داده‌های اندازه‌گیری شده توزیع عرضی غلظت رسوب در محل قوس واسنجی شد. یافته‌ها: نتایج حل عددی مدل ریاضی شیونو و نایت به روش تفاضل‌های محدود نشان داد که از میان روابط رسوبی مورد استفاده، رابطه رسوبی یانگ مطابقت خوبی با مقادیر غلظت رسوب اندازه‌گیری شده در عرض رودخانه داشته و نسبت به روابط رسوبی اکرز-وایت و انگلوند-هانسن، از دقت بالاتری برخوردار می‌باشد. دو رابطه اخیر، مقادیر انتقال رسوب را بسیار بیشتر از مقادیر اندازه‌گیری برآورد می-کنند. با توجه به اینکه پایه و اساس رابطه رسوبی یانگ، قدرت یکه جریان است و در این نظریه، انتقال هر ذره رسوب مستقیماً متناسب با سرعت ذره است، احتمالاً به همین دلیل این رابطه از دقت بیشتری برخوردار بوده است. با انتگرال‌گیری عرضی از نتایج توزیع غلظت رسوب در عرض رودخانه، بار کل رسوب رودخانه واقعی و محاسباتی در محل قوس مورد مطالعه به ترتیب 26500 و 16000 تن بر روز بدست آمد که بیانگر خطای حدود 40 درصد می‌باشد. این در حالی است که روش‌های آکرز-وایت و انگلوند-هانسن به ترتیب با خطای نسبی حدود 265 و 325 درصد، برآوردهایی بسیار بالاتر از واقعیت داشتند. نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج بدست آمده از این تحقیق، می‌توان به کمک مدل ریاضی پیشنهادی، توزیع عرضی رسوب در هر دبی جریان به ویژه در دبی‌های سیلابی را محاسبه نموده و برای طراحی آبگیرهای جانبی در قوس خارجی، از نتایج مدل استفاده نمود.