شبیه سازی پایداری کانال های آبرفتی با استفاده از مدل ریاضی GSTARS4.0

سابقه و هدف: به منظور پیش بینی پاسخ رودخانه های آبرفتی به تغییرات مصنوعی و طبیعی اعمال شده، شناخت و پیش بینی هندسه پایدار رودخانه دارای اهمیت است. تعیین هندسه مقطع عرضی، شیب و معیار پایداری کانال ها و رودخانه ها موضوع مورد توجه بسیاری از مهندسین عمران در رابطه با طرح های آبیاری، مهندسی رودخانه و پروژه های هیدرولیکی می باشد. هدف از این پژوهش بررسی پارامترهای هندسی، معیارهای تعادل و روند پایداری دینامیکی کانال های پایدار می باشد. مواد و روش ها: بدین منظور یک کانال آزمایشگاهی توسط نرم افزار GSTARS4.0 که یک مدل ریاضی بوده و بر اساس کمینه نمودن قدرت عمل می کند، مدل سازی شده است. این مدل با استفاده از مفهوم لوله های جریان، قابلیت شبیه سازی جریان توزیع رسوب گذاری را به صورت شبه دوبعدی (طولی و عرضی) در رودخانه ها دارد. واسنجی هیدرو لیکی، مدل به ازای دبی ها و ضرایب زبری مانینگ مختلف اجرا شده و نتایج پروفیل سطح آب محاسباتی با مقادیر واقعی رقوم سطح آب بر روی پهنه سیلابی مقایسه گردید. بدین ترتیب با داشتن تراز سطح آب به ازای دبی های مختلف، مقدار ضریب مانینگ پهنه سیلابی و کانال اصلی در مدل به نحوی انتخاب شده تا به ازای دبی معلوم ورودی و تراز سطح آب، ابعاد محاسبه شده توسط مدل با مقدار واقعی همخوانی داشته باشد. نتایج این مقایسه بیانگر مطابقت رقوم سطح آب محاسباتی با رقوم سطح آب مشاهداتی به ازای ضریب زبری مانینگ 014/0است. برای واسنجی هیدرولیک رسوب مدل، زاویه پایداری مصالح بستر برابر مقدار آزمایشگاهی (º33 φ =) قرار گرفت. در ادامه واسنجی، تغییرات مقطع عرضی کانال آزمایشگاهی به ازای روابط تجربی مختلف موجود در مدل ریاضی GSTARS شبیه سازی شده و با مقطع عرضی آزمایشگاهی مقایسه گردید. معادله انتقال رسوب ماسه یانگ (1979) مطابقت بهتری با مشاهدات آزمایشگاهی دارد.تعدادی از داده ها که در واسنجی مدل به کار نرفته بودند به منظور صحت سنجی مدل مورد استفاده قرار گرفتند که در این مرحله عرض بالا و پایین کانال ها با ضریب همبستگی به ترتیب 975/0 و 942/0 پیش بینی شده اند. یافته ها: کانال های آبرفتی هندسه هیدرولیکی خودرا به نحوی تنظیم می نمایند که بین جریان و انتقال رسوب تعادل برقرار شود. در 2 تا 3 ساعت نخست، فرسایش و ته نشینی جداره ها و بستر کانال شدید بوده و مقدار قابل ملاحظه ای انتقال رسوب و عریض شدن کانال مشاهده گردید و سپس کاهش می یابد. افزایش عرض بالا، کاهش عرض پایین و نهایتا افزایش شیب جانبی در همه مقاطع قابل مشاهده است و عمده تغییرات در 2 ساعت اول اتفاق می افتد که تغییرات ارتفاع در جهت تنظیم شیب بستر کانال و حفظ یکنواختی پروفیل سطح آب می باشد. برای تعیین مستقیم، مستقیم کم عمق و مارپیچ بودن کانال ها، مدل های تحقیق حاضر در خطوط آکرز-چارلتون و لین ترسیم گردید. این کانال ها در پایین این خطوط واقع شده است و مستقیم می باشد. نتیجه گیری: این تحقیق قابلیت و کارایی مناسب مدل ریاضی GSTARS4.0را در پیش بینی تغییرات طولی و عرضی تراز بستر رژیم کانال ها نشان می دهد. در ادامه معیارهای پایداری نظیر تغییرات عرض، تغییرات سطح آب (مستقیم شدن پروفیل سطح آب) و یکنواختی نرخ انتقال رسوب که توسط محققان مختلف ارائه شده است مورد بررسی قرار گرفته و مشاهده گردید سه معیار مذکور در همه ی مدل ها به وقوع پیوسته است. بنابراین ترکیبی از این معیارها برای پایداری رژیم کانال ها پیشنهاد شد.

Keywords:

کانال پایدار , الگوی کانال , شیب بستر , قدرت جریان , GSTARS4.0