تعمیم روش ون‌راین برای برآورد مشخصات شکل‌های بستر رودخانه‌های درشت‌دانه (مطالعه موردی: بابلرود، بهشت‌آباد و کاج)

STUDENT

DEGREE

YEAR

River surface is rarely found plane and the bed configuration usually displays somewhat distinctive geometric features called bedforms. Although the dimensions of bedforms are viewed as a complex function of hydraulic and sediment parameters, many studies have been conducted to establish relationships between bedforms’ dimensions and flow parameters. Among the existing bedform dimension predictors, van Rijn’s method has widely used for determination of bedforms’ height and length. Van Rijn’s method is based on flume and field observations with particle diameters ranging 0.19-3.6 mm . The present investigation aims to extend van Rijn’s method in three coarse-bed rivers (Babolroud River in northern and Behesht Abad and Kaj Rivers in central Iran) with particle diameters ranging 21-38 mm . Six straight reaches were selected with total length of 463 m, average width of 23 m and 22 cross sections to measure hydraulic parameters of flow. Also 128 velocity profiles were measured by current-meter and 5 with ADV. Double-averaging method was used to calculate a unite value of hydraulic parameters over each bedform. To describe differences of this study to van Rijn’s method, ADV and quadrant analysis were used for the selected reach of Kaj River. To calculate traort stage parameter using van Rijn’s method, the boundary-layer characteristics method was used to determine shear stress. To find bedforms’ dimensions, 15266 points were surveyed with density of 1.2 points/m 2 in the selected networks with dimensions of 0.5 0.5 m 2 , 1 1 m 2 and 2 1 m 2 . Van Rijn found low positive traort stage parameter for plane bed conditio however, negative values were obtained in the three selected rivers, showing that bedforms have been generated in higher flow rates than those of var Rijn. Prediction of the flow parameters using van Rijn’s method shows that for Babolroud River, flow depth has to change between 2 m and 7 m , however, banks of this river doesn’t confirm it. Based on the field observations in Babolroud, the bed elevation changed during a period of 80 days, showing the geometric of bedforms generates in different seasons of a year. For Behesht Abad River existence of vegetation and different mechanism of bedforms prevent to apply van Rijn’s method in this river. Using the data collected along Babolroud and Behesht Abad to calculate the traort stage parameter, it is found that the prediction of either the flatness or bedform shape using the van Rijn’s method is not reasonable and bedform dimensions are under-estimated, showing more effort to extend this method for such rivers. However, for Kaj River the mechanism of generating bedforms is the same as sand-bed rivers, therefore, van Rijn’s method can properly predict bedforms dimensions in this river. Keywords: ADV, Bedforms, Boundary-Layer Characteristics, Coarse-Bed Rivers, Double-Averaging Method, Quadrant Analysis, van Rijn Method.

بستر رودخانه به ندرت دارای سطحی مسطح است و ساختار آن معمولاً به صورت عوارضی با مشخصات هندسی است که به آن ها شکل‌های بستر می‌گویند. اگرچه ابعاد این شکل‌های بستر به عنوان تابع پیچیده‌ای از پارامترهای رسوبی و هیدرولیکی در نظر گرفته می‌شوند، با این حال مطالعات زیادی انجام شده که رابطه‌ای بین ابعاد شکل‌های بستر و مشخصات جریان ارائه می‌کند. از میان روش‌های پیش‌بینی ابعاد شکل‌های بستر، روش ون‌راین به طور گسترده‌ای برای تعیین ارتفاع و طول شکل‌های بستر مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش ون‌راین بر اساس داده‌های آزمایشگاهی و صحرایی با اندازه ذرات بستر بین 19/0 تا 6/3 میلی‌متر ارائه شده است. هدف انجام این مطالعه تعمیم روش ون‌راین در سه رودخانه درشت‌دانه (بابلرود در شمال و بهشت‌آباد و کاج در مرکز ایران) با اندازه ذرات بستر بین 21 تا 38 میلی‌متر است. شش بازه مستقیم با مجموع طول 463 متر، عرض متوسط 23 متر و 22 مقطع عرضی برای اندازه‌گیری پارامترهای هیدرولیکی انتخاب شده. همچنین 128 پروفیل سرعت با استفاده از دستگاه مولینه و 5 پروفیل با دستگاه ADV برداشت شده‌اند. از روش میانگین‌گیری دوگانه نیز برای محاسبه مقداری واحد برای پارامترهای هیدرولیکی هر شکل بستر استفاده شده است. برای تشریح بیشتر تفاوت مطالعه حاضر با مطالعه ون‌راین، از دستگاه ADV و آنالیز کوادرانت نیز برای بازه برداشت شده در رودخانه کاج استفاده شده است. همچنین برای اندازه‌گیری پارامتر انتقالی در روش ون‌راین، از روش مشخصات لایه مرزی برای تعیین تنش برشی استفاده شده. به منظور تعیین ابعاد شکل‌های بستر، 15266 نقطه با تراکم 2/1 نقطه در هر متر مربع از بستر رودخانه با شبکه‌بندی با اندازه‌های 5/0*5/0 متر مربع، 1*1 متر مربع و 2*1 متر مربع نقشه‌بردای شد. ون‌راین برای بستر مسطح مقادیر مثبت و کم پارامتر انتقالی را در نظر گرفته است در حالی که برای سه رودخانه انتخاب شده این پارامتر دارای مقدار منفی است که نشان می‌دهد شکل های بستر در شرایط بیشتر جریان نسبت به شرایط ون‌راین تشکیل شده‌اند. پیش‌بینی پارامترهای جریان با استفاده از روش ون‌راین نشان می‌دهد که برای رودخانه بابلرود، عمق جریان باید در محدوده 2 متر تا 7 متر تغییر کند، اگرچه سواحل این رودخانه این موضوع را تأیید نمی‌کنند. با توجه به داده‌های صحرایی برداشت‌شده از رودخانه بابلرود، تراز بستر این رودخانه در یک بازه زمانی 80 روزه دارای نوسان است که این امر نشان می‌دهد مشخصات هندسی شکل‌های بستر در فصول مختلف سال تشکیل شده‌اند. برای رودخانه بهشت‌آباد، وجود پوشش گیاهی و مکانیزم متفاوت تشکیل شکل‌های بستر باعث می‌شود نتوان از روش ون‌راین در این رودخانه استفاده کرد. استفاده از داده‌های برداشت‌شده از رودخانه‌های بابلرود و بهشت‌آباد برای محاسبه پارامتر انتقالی نشان می‌دهد پیش‌بینی مسطح بودن یا وجود شکل‌های بستر با استفاده از روش ون‌راین امکان‌پذیر نبوده و این روش ابعاد شکل‌های بستر را به درستی پیش‌بینی نمی‌کند که این امر نشان می‌دهد برای تعمیم روش ون‌راین در این دو نوع رودخانه‌های درشت‌دانه مطالعات بیشتری باید انجام شود. هرچند برای رودخانه کاج مکانیزم تشکیل شکل‌های بستر مانند رودخانه‌های شنی است، بنابراین روش رون‌راین می‌تواند به خوبی ابعاد شکل‌های بستر این رودخانه را پیش‌بینی کند. کلمات کلیدی: ADV ، شکل‌های بستر، مشخصات لایه مرزی، رودخانه‌های درشت‌دانه، روش میانگین‌گیری دوگانه، آنالیز کوادرانت، روش ون‌راین.