نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری، گروه مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی عمران- آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

حجم رسوبات انتقالی در حین وقوع سیلاب، یکی از مسائل مهم در حوزه مهندسی رودخانه است. این حجم از رسوبات هرساله خسارت­های بی‌شماری بر سازه‌های هیدرولیکی احداث شده در مسیر رودخانه‌ها به وجود آورده است. هدف پژوهش حاضر بررسی تأثیر پارامتر غیرماندگاری هیدروگراف سیلاب بر میزان انتقال رسوبات بستر است. بدین منظور، با طراحی یک برد واسط بین کامپیوتر و مبدل پمپ، جریان غیرماندگار تولیدی درون کانال شیب‌پذیر به طول m 15 ایجاد شد. 20 حالت هیدروگراف با پارامتر غیرماندگاری متفاوت مورد آزمایش قرار گرفت و آهنگ آبشستگی در طی زمان هیدروگراف به دست آمد. نتایج بیانگر آن است که بیشینه آهنگ آبشستگی همواره نزدیک به اوج هیدروگراف سیلاب رخ می‌دهد و تأخیر زمانی بین آن‌ها به‌صورت مثبت می‌باشد. برای هیدروگراف‌ با نقطه اوج یکسان و زمان پایه متفاوت، بیشینه آهنگ آبشستگی بار بستر در حالت پارامتر غیرماندگاری بیشتر اتفاق افتاده است. بیشینه آهنگ آبشستگی بستر با پارامتر غیرماندگاری رابطه مستقیم دارد و در در حالت کلی می‌توان گفت کاهش 88 درصدی پارامتر غیرماندگاری جریان منجر به کاهش 76 درصدی مقدار بیشینه آهنگ باربستر می‌گردد. همچنین، آهنگ آبشستگی در شاخه صعودی هیدروگراف بیشتر از شاخه نزولی بوده که با کاهش پارامتر غیرماندگاری، فاصله بین دو شاخه در نمودار هیسترزیس رسوب کاهش یافته است.  

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of Bed Scouring Rate in Flood Conditions

نویسندگان [English]

  • Bahman Aghazadeh gharebagh 1
  • Jalal Bazargan 2
  • Mirali Mohammadi 3

1 PhD Alumni, Department of Water and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, University of Zanjan, Zanjan, Iran

2 Assoc. Professor, Department of Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, University of Zanjan, Zanjan, Iran

3 Professor, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Urmia University, Urmia, Iran

چکیده [English]

The volume of sediment transport rate during floods is one of the important issues in river engineering. This volume of sediments has caused countless damages to the hydraulic structures which are built along the rivers, every year. The purpose of this study was to investigate the effects of hydrograph unsteadiness parameter on bedload transport rate. For this purpose, a real unsteady flow hydrograph was created inside a 15 m long tilting flume by installing an interface board between the computer and the pump inverter. 20 cases of hydrographs with different unsteadiness parameters were tested and the scour rate was obtained during the hydrograph time. The results indicate that the maximum scouring rate always occurs near the peak of the flood hydrograph and the time lag between them was positive. For hydrographs with the same peak and different base time, the maximum scouring rate occurs in the hydrograph with more unsteadiness. The maximum scouring rate of the bed has a direct relationship with the unsteadiness parameter, and it can be said that an 88% decrease in the flow unsteadiness parameter leads to a 76% decrease in the maximum bedload rate. Also, the scour rate in the ascending limb of the hydrograph is higher than the descending limb, which by reducing the unsteadiness parameter, the distance between the limbs in the sediment hysteresis diagram decreases.  

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flood
  • Generated Hydrograph
  • Scour Rate
  • Sediment Transport
  • Unsteady Flow
Bai, Y., & Duan, J. G. (2014). Simulating unsteady flow and sediment transport in vegetated channel network. J. Hydrol., 515, 90-10.  DOI: 10.1016/j.jhydrol.2014.04.030
Berta, A. M., & Bianco, G. (2010). An expression for the water‐sediment moving layer in unsteady flows valid for open channels and embankments. Nat. Hazard. Earth Syst. Sci., 10(5), 1051–1059. DOI:  10.5194/nhess-10-1051-2010
Bombar, G., Elçi, Ş., Tayfur, G., Güney, M. Ş., & Bor, A. (2011). Experimental and numerical investigation of bed-load transport under unsteady flows. J. Hydraul. Eng., 137(10), 1276-1282. DOI: 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000412
Brakenridge, G. R. (2016). Global active archive of large flood events. Dartmouth Flood Observatory. University of Colorado. Available online at: http://floodobservatory.colorado.edu/Archives/index.html.
Chang, W. Y., Lai, J. S., & Yen, C. L. (2004). Evaluation of scour depth at circular bridge piers. J. Hydraul. Eng., 130(9), 905-913. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:9(905)
Cheng, N. S. (2011). Revisited vanoni-brooks sidewall correction. Int. J. Sediment Res., 26(4), 524-528. DOI: 10.1016/S1001-6279(12)60010-9
Esmaili, K. (2014). Unsteadiness Parameter Effect on Sediment Transport under Flash Flood. Iran. J. lrrig. Drain., 8(1), 26-34. [In Persian]
Graf, W.H., and Suszka, L. (1985). Unsteady flow and its effect on sediment transport. Proc. 21st IAHR Congress. Mel-bourne, Australia.
Karimiaei Tabarestani, M., & Zarati, A. (2014). Effect of flood hydrograph peak time on local scour around the bridge pier. J. Hydraul., 9(3), 15-32 [In Persian] DOI: 10.30482/jhyd.2014.10173
Lee, H., & Balachandar, S. (2012). Critical shear stress for incipient motion of a particle on a rough bed. J. Geophys. Res. (Earth Surf.) 117, 1026. DOI:  10.1029/2011JF002208
Lee, K. T., Liu, Y. L., & Cheng, K. H. (2004). Experimental investigation of bedload transport processes under unsteady flow conditions. Hydrol. Proces, 18(13), 2439-2454 DOI: 10.1002/hyp.1473
Li, Z. J., Qian, H. L., Cao, Z. X., Liu, H. H., Pender, G., & Hu, P. H. (2018). Enhanced bedload sediment transport by unsteady flows in a degrading channel. Int. J. Sediment Res. 33, 327–339. DOI:  10.1016/j.ijsrc.2018.03.002
Lu, J. Y., Hong, J. H., Su, C. C., Wang, C. Y., & Lai, J. S. (2008). Field measurements and simulation of bridge scour depth variations during floods. J. Hydraul. Eng., 134(6), 810-821. DOI:   0.1061/(ASCE)0733-9429(2008)134:6(810)
Mao, L. (2012). The effect of hydrographs on bedload transport and bed sediment spatial arrangement. J. Geophys. Res., 117(F3). DOI:  10.1029/2012JF002428
Martin, R. L., & Jerolmack, D. J. (2013). Origin of hysteresis in bed form response to unsteady flows. Water Resour. Res., 49(3), 1314-1333. DOI:  10.1002/wrcr.20093
Martinz, J., Reca, J., Morillas, T., & Lopez, J. (2005). Design and Calibration of a Compound Sharp-Crested Weir. J. Hydraul. Eng., 131(2), 112-116. DOI:  10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:2(112)
Maurin, R., Chauchat, J., & Frey, P. (2016). Dense granular flow rheology in turbulent bedload transport. J. Fluid Mechanic, 804, 490-512. DOI: 10.1017/jfm.2016.520
Ockelford, A., Woodcock, S., & Haynes, H. (2019). The impact of inter-flood duration on non-cohesive sediment bed stability. Earth Surf. Proc. Land. 44(14), 2861–2871. DOI:  10.1002/esp.4713
Oliveto, G., & Hager, W. H. (2005). Further results to time-dependent local scour at bridge elements. J. Hydraul. Eng., 131(2), 97-105. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:2(97
Othman Ahmed, K., Amini, A., Bahrami, J., Kavianpour, M. R., & Hawez, D. M. (2021). Numerical Modeling of Depth and Location of Scour at Culvert Outlets under Unsteady Flow Conditions. J. Pipeline Syst. Eng. Practice, 12(4), 04021040. DOI:  10.1061/(ASCE)PS.1949-1204.0000578
Plumb, B. D., Juez, C., Annable, W. K., McKie, C. W., & Franca, M. J. (2020). The impact of hydrograph variability and frequency on sediment transport dynamics in a gravel-bed flume. Earth Surf. Proc. Land. 45(4), 816–830. DOI: 10.1002/esp.4770
Sadeghi S. H. R., Mizuyama T., Miyata S., Gomi T., Kosugi K., Mizugaki T. F., & Onda Y. (2008). Determinant Factors of Sediment Graphs and rating Loops in a Reforested Watershed. J. Hydrol., 356, 271– 282. DOI:   10.1016/j.jhydrol.2008.04.005
Suszka, U. L. (1987). Sediment transport at steady and unsteady flow. EPFL. DOI:  10.5075/epfl-thesis-704
Wang, L., Cuthbertson, A. J., Pender, G., & Cao, Z. (2015). Experimental investigations of graded sediment transport under unsteady flow hydrographs. Int. J. Sediment Res., 30(4), 306-320. DOI:  10.1016/j.ijsrc.2015.03.010
Wang, L., Cuthbertson, A., Pender, G., & Zhong, D. (2019). Bedload sediment transport and morphological evolution in a degrading uniform sediment channel under unsteady flow hydrographs. Water Resour. Res., 55. DOI:  10.1029/2018WR024413
Yen, C.-L. & Lee, K. T. (1995). Bed topography and sediment sorting in channel bend with unsteady flow. J. Hydraul. Eng., 121(8):591-599. DOI:  10.1061/(ASCE)0733-9429(1995)121:8(591)