مدل تحلیلی انتقال بار بستر در کانال‌های با شیب تند با رویکرد احتمالاتی آستانه های حرکت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ولی عصر (عج) رفسنجان، رفسنجان، ایران.

چکیده

تخمین بار بستر در کانال‌های با شیب تند و رودخانه‌های کوهستانی، بعلت پیچیدگی‌های فرآیند احتمالاتی انتقال رسوب و محدودیت تحقیقات در شیب‌های تند، دارای اهمیت ویژه‌ای است. اغلب معادلات باربستر برای کانال‌های با شیب ملایم توسعه یافته‌اند. انتقال باربستر در کانال‌های با شیب تند علاوه بر تاثیر پذیری از مشخصات تصادفی جریان آشفته و توزیع تصادفی ذرات رسوب، تحت تاثیر شیب طولی بستر است. احتمال آستانه حرکت در شیب تند نسبت به شیب ملایم متفاوت است و کمتر به شرایط احتمالاتی آستانه حرکت در آنها پرادخته شده است. در این تحقیق از رویکرد احتمالاتی برای توسعه روابط احتمال آستانه‌های حرکت سه‌گانه غلتش، لغزش و جهش در شیب‌های تند استفاده شده و مدلی تحلیلی احتمالاتی برای تخمین باربستر در رودخانه‌های با شیب تند براساس توزیع احتمال نرمال نوسان سرعت لحظه‌ای ارائه شده است. واسنجی نتایج مدل در مقایسه با نتایج 564 سری داده آزمایشگاهی در کانال‌های با شیب یک تا 20 درصد، نشان داد احتمال کل انتقال رسوب مجموع وزن‌دار سه احتمال آستانه حرکت غلتش، لغزش و جهش است. مقایسه باربستر تخمینی مدل با مقادیر واقعی نشان داد، مدل توسعه یافته با R2=0.92 و RMSE=3.52 دقت مطلوبی در تخمین باربستر در کانال‌های با شیب تند دارد و مقایسه نتایج آن با نتایج شش معادله باربستر، نشان از دقت و عملکرد بهتر رویکرد پیشنهادی دارد. از مهمترین دستاوردهای این پژوهش، توسعه یک رویکرد تحلیل احتمالاتی برای تخمین باربستر است. مدل تحلیلی احتمالاتی توسعه یافته قابلیت کاربرد در تخمین باربستر در آبراهه‌های کوهستانی با شیب تند را دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Analytical model for bed load transport in steep channels by the probabilistic approach of incipient motions

نویسنده [English]

  • Hossien Riahi Madvar
Assistant Professor, Department of Water and Science Engineering, College of Agriculture, Vali-e-Asr University of Rafsanjan, Rafsanjan, Iran.
چکیده [English]

Estimation of Bed load transport in steep channels and mountain rivers, is important due to the complexity probabilistic processes of sediment transport and drawback of research in steep slopes. Most of bed load equations are developed for mild slope channels. Bed load transport in steep channels in additions to the effects of random properties of turbulent flow, and random distribution of grains in bed, also is affected by the steep slope. The probability of incipient motion in these channels is different form mild slope channels, and the conditional entrainment probability of them is less addressed. Therefore, in this study, a probabilistic based approach is used to develop the probability equations of the triple incipient motion thresholds of rolling, sliding and saltation on steep slopes and a probabilistic analytical model for estimating the bed load in steep slope rivers is presented based on the normal probability distribution of velocity fluctuations. Verification of the model results based on 564 experiments in slopes of one up to 20 percent, declares that the motion probability is a weighted summation of rolling, sliding and saltation probabilities. Comparing the bed load estimation in model with observed values indicates that the model with R2=0.92 and RMSE=3.52, have accurate estimation in steep slopes. The comparisons with six bed load equations in previous studies its superiority is confirmed. The main contribution of the study developed an analytical model for bed load transport in steep slopes that can used for bed load estimation in Mountain Rivers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bed load transport
  • Mountain river
  • Rolling probability
  • Saltation probability
  • Sliding probability
  • Steep slope

مراجع

1. Abrahams, A. D. (2003). Bed-load transport equation for sheet flow. Journal of Hydraulic Engineering, 129(2), 159-163.
2. Barati, M. M., Mazaheri, M., & Samani, J. M. V. (2015). One-dimensional pollutant transport model in natural rivers, with emphasis on the role of storage zones. Journal of water and Irrigation Management, 5(2), 169-190. (In Persian).
3. Bose, S. K., & Dey, S. (2013). Sediment entrainment probability and threshold of sediment suspension: exponential-based approach. Journal of Hydraulic Engineering, 139(10), 1099-1106.
4. Cao, Z.(1997). Turbulent Bursting-based sediment entrainment fluctuation. Journal of Hydraulic Engineering, 123(3), 233–236.
5. Chen, X., Ma, J., & Dey, S. (2010). Sediment transport on arbitrary slopes: Simplified model. Journal of Hydraulic Engineering, 136(5), 311-317.
6. Cheng, N.S.,& Chiew,Y.M. (1998). Pickup probability for sediment entrainment. Journal of Hydraulic Engineering, 124(2), 232–235.
7. Damgaard, J. S., Whitehouse, R. J., & Soulsby, R. L. (1997). Bed-load sediment transport on steep longitudinal slopes. Journal of Hydraulic Engineering, 123(12), 1130-1138.
8. Davoodi, L., & Shafai Bejestan, M. (2012). Application of submerged vanes for sediment control at intakes from Irrigation trapezoidal channels. Water and Irrigation Management, 1(2), 59-71. (In Persian).
9. Dey, S. (2003). Threshold of sediment motion on combined transverse and longitudinal sloping beds. Journal of  Hydraulic Research., 41(4), 405–415.
10. Dey, S. (2014). Fluvial hydrodynamics: Hydrodynamic and sediment transport phenomena.  Berlin Heidel berg: Springer-Verlag.
11. Dey, S., & Ali, S. Z. (2017). Mechanics of sediment transport: Particle scale of entrainment to continuum scale of bedload flux. Journal of Engineering Mechanics, 143(11), 04017127.
12. Dwivedi, A., Melville, B. W., Shamseldin, A. Y., & Guha, T. K. (2011). Flow structures and hydrodynamic force during sediment entrainment. Water resources research, 47(1), 1-18.
13. Ebtehaj, I., Bonakdari, H., Safari, M. J. S., Gharabaghi, B., Zaji, A. H., Madavar, H. R., ...& Mehr, A. D. (2020). Combination of sensitivity and uncertainty analyses for sediment transport modeling in sewer pipes. International Journal of Sediment Research, 35(2), 157-170.
14. Einstein, H. A. (1943). Formulas for the transportation of bed load. Transactions on American Society of Civil Engineering, 107(1), 561–577.
15. Einstein, H.A. (1950). The bed-load function for sediment transportation in open channel flows (Technical bulletin number 1026). US Washington, DC: United States Department of Agriculture, Soil Conservation Service.
16. Engelund, F., & Fredsøe J. (1976). A sediment transport model for straight alluvial channels. Nordic Hydrology,7(5), 293-306.
17. Gilbert, G. K. (1914). The transportation of debris by running water. Washington, DC, USA: US Geological Survey.
18. Jafari, N., Mazaheri, M., & Samani, J. M. V. (2019). Analytical evaluation of temporal and spatial sensitivity of longitudinal dispersion coefficient in rivers for unsteady and nonuniform flows. Water and Irrigation Management, 9(1), 155-169. (In Persian).
19. Li, J. D., Sun, J., & Lin, B. (2018). Bed-load transport rate based on the entrainment probabilities of sediment grains by rolling and lifting. International Journal of Sediment Research, 33(2), 126-136.
20. Lim, S. Y., & Cheng, N. S. (1998). Prediction of live-bed scour at bridge abutments. Journal of Hydraulic Engineering, 124(6), 635-638.
21. Meyer-Peter, E., & Müller, R. (1948). Formulas for bed-load transport. In IAHSR 2nd meeting, Stockholm, appendix 2. IAHR.
22. Qasem, S. N., Ebtehaj, I., & Riahi Madavar, H. (2017). Optimizing ANFIS for sediment transport in open channels using different evolutionary algorithms. Journal of Applied Research in Water and Wastewater, 4(1), 290-298.
23. Recking, A., Boucinha, V., & Frey, P. (2004). Experimental study of bed-load grain size sorting near incipient motion on steep slopes. River flow, Napple, 253–258.
24. Riahi-Madvar, H., & Seifi, A. (2018). Uncertainty analysis in bed load transport prediction of gravel bed rivers by ANN / ANFIS. Arabian Journal of Geosciences, 11(21), 688.
25. Rickenmann, D. (1991). Hyper concentrated flow and sediment transport at steep slopes. Journal of hydraulic engineering, 117(11), 1419-1439.
26. Smart, G. M. (1984). Sediment transport formula for steep channels. Journal of Hydraulic Engineering, 110(3), 267-276.
27. Valyrakis, M., Diplas, P., Dancey, C. L., Greer, K., & Celik, A. O. (2010). Role of instantaneous force magnitude and duration on particle entrainment. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 115, 1-18.
28. Van Rijn, L. C. (1984). Sediment transport, part I: bed load transport. Journal of hydraulic engineering, 110(10), 1431-1456.
29. Wang, X., Zheng, J., Li, D., & Qu, Z. (2008). Modification of the Einstein bed-load formula. Journal of Hydraulic Engineering, 134(9), 1363-1369.
30. Wu, F. C., & Chou, Y. J. (2003). Rolling and lifting probabilities for sediment entrainment. Journal of Hydraulic Engineering, 129(2), 110-119.
31. Wu, F. C., & Lin, Y. C. (2002). Pickup probability of sediment under log-normal velocity distribution. Journal of Hydraulic Engineering, 128(4), 438-442.
32. Yalin, M.S.(1977). Mechanics of sediment transport. Oxford, New York: Pergamum Press.
مدیریت آب و آبیاری
دوره 10، شماره 3
دی 1399
صفحه 429-442

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار