دوره 15، شماره 1 - ( بهار و تابستان 1403 )
جلد 15 شماره 1 صفحات 130-118 |
برگشت به فهرست نسخه ها
Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
barzali M, Masoudian M, Fazloula R, dehghani A A. (2024). The Impact of Fallen Tree Trunks on the River Flow Path on the Characteristics of the Hyporheic Area Using Comsol Software (Case Study: Garmabdasht River, Gorgan). J Watershed Manage Res. 15(1), 118-130. doi:10.61186/jwmr.15.1.118
URL: http://jwmr.sanru.ac.ir/article-1-1257-fa.html
URL: http://jwmr.sanru.ac.ir/article-1-1257-fa.html
برزعلی محسن، مسعودیان محسن، فضل اولی رامین، دهقانی امیر احمد. بررسی تاثیر تنه‌های درخت افتاده در مسیر جریان رودخانه بر مشخصات ناحیه هایپریک در فصول تابستان و زمستان با استفاده از نرم افزار کامسول (مطالعه موردی رودخانه گرمابدشت گرگان) پژوهشنامه مديريت حوزه آبخيز 1403; 15 (1) :130-118 10.61186/jwmr.15.1.118
1- دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران و سازه‌های آبی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
2- گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران & گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
3- گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران و گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
4- گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران و گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران
2- گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران & گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
3- گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران و گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران
4- گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران و گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران
چکیده: (1347 مشاهده)
چکیده مبسوط
مقدمه و هدف: رودخانهها سیستم‌های پیچیده‌ای هستند که انواع فرآیندهای شیمیائی، بیولوژیکی و فیزیکی در آنها اتفاق افتاده و تحت تأثیر عوامل و متغیرهای مختلف از نظر ابعاد، شکل، راستا و الگو در تغییر هستند. تغییراتی که در شرایط رودخانهها رخ می‌دهد، تأثیرات فراوانی در اکوسیستم رودخانه بوجود می‌آورد. انجام هرگونه فعالیت در رودخانهها مستلزم شناخت قواعد حاکم بر رودخانه و پیش بینی عکس‌العمل رودخانه نسبت به آن است تا از پیامدهای زیان‌بار مربوطه جلوگیری شود. شناخت فرآیندهای رودخانهها با اندازه‌گیری پارامترهای هیدرولیکی در مقیاس واقعی معمولاً دشوار می‌باشد. از سوی دیگـر مدل‌سـازی انتقال رسوب نیز امری کاملاً پیچیده و مشکل می‌باشد، بدلیل اینکه اطلاعاتی که جهت پیش‌بینی تغییرات بسـتر به کار می‌رود، اساساً دارای عدم قطعیت بوده و تئوری‌های به کـار رفتـه نیـز تجربـی بـوده و حساسـیت شدیدی نسبت به دامنه وسیعی از متغیرهای فیزیکی از خود نشان می‌دهند. بالا بودن هزینه‌های مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیـری، از جملـه دلایلـی دیگر اسـت کـه استفاده از روش‌های فیزیکی را محدود ساخته و باعـث سـوق یـافتن متخصصـان بـه سـمت مدل‌سـازی ریاضی و عددی برای شبیه‌سازی جریان داخل مجاری آبی شده است. تغییر مستمر جزو اصول حاکم بر هر رودخانه است، تغییر در شرایط جریان ، تغییر و جابه‌جایی در سایر مشخصات هندسی رودخانه را نیز سبب می‌شود. با توجه به اینکه غالباً رودخانهها در بسترهای آبرفتی خود درحال حرکت هستند، در اثر وجود تنش برشی درکف بستر، انواع مختلفی از شکل‌های بستر درکف رودخانهها شکل گرفته است. اشکال شکل گرفته باعث می‌شود، قسمتی از جریان آب سطحی در رودخانه به محیط متخلخل زیرآن وارد شده و پس از اکسیژن‌رسانی و تغذیه جانداران کفزی دوباره به جریان آب سطحی باز می‌گردد. به این نوع از جریان‌ها که از اختلاط جریان‌سطحی و جریان زیرسطحی در محیط متخلخل زیر و اطراف رودخانه بوجود می‌آیند، جریان هایپریک گفته می‌شود. سیستم آب های‌سطحی، زیرسطحی، زیرزمینی و تبادلات بین آنها در سه سطح نقطه‌ای، بازه و حوزه آبریز می‌باشد. تنه‌های درخت افتاده در مسیر رودخانهها از ساختارهای متداول در رودخانهها هستند. یکی از عوامل ایجاد تبادل هایپریک، وجود گرادیان فشار در مرز جریان سطحی و محیط متخلخل است. گرادیان فشار در اثر عوامل مختلفی مانند موانع موجود در سر راه جریان و یا فرم‌های بستر بوجود می‌آید. بسته به بزرگی این عوامل، بر روی مقدار تبادل و عمق گستردگی هایپریک تأثیر خواهد گذاشت.اولین گام در شناخت پدیده هایپریک و کاربرد آن، بررسی تغییرات خصوصیات این منطقه شامل مقدار تبادل جریان، عمق و زمان ماندگاری است. بنابراین اهداف تحقیق حاضر عبارتند از: بررسی اثر وجود موانع طبیعی ایجاد شده توسط تنه درختان بر مشخصه‌های هایپریک و تاثیر چیدمان موانع طبیعی ایجاد شده توسط تنه‌های درختان بر مشخصات هایپریک می‌باشد.
مواد و روش‌ها: تحقیق میدانی حاضر در فصل‌های تابستان و زمستان سال 1400 در رودخانه گرمابدشت گرگان جهت بررسی اثر تنه‌های درختان افتاده در مسیر رودخانه به‌عنوان مانع طبیعی جریان درحالت‌های مختلف ضخامت تنه درخت (ضخامت 30-60-90 سانتی‌متر) مورد بررسی قرار گرفت. رودخانه گرمابدشت بعنوان یکی از مهم ترین منابع تامین کننده اب شرب شهر گرگان از دامنه‌های کوه بلند یزدکی در نقطه‌ای به فاصله 27 کیلومتری جنوب شرقی گرگان سرچشمه گرفته و در ادامه درجهت شمال جاری می‌شود. سپس از میان ارتفاعات بلند و به هم پیچیده می‌گذرد و وارد دشت های شرقی گرگان می‌شود. جهت انجام تحقیق حاضر، پیزومترهایی در بالادست و پایین‌دست تنه درختان تعبیه شده سپس با استفاده از مدل عددی در محیط نرم‌افزار کامسول، نسبت به شبیه سازی جریان هایپریک جهت برآورد میزان دبی تبادلی مورد ارزیابی قرار گرفت.
یافته‌ها: این مطالعه یافته‌های قانع‌کننده‌ای در مورد همبستگی بین داده‌های مشاهده‌ای پیزومتر و نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی را به دست آورد. بررسی‌ها نشان داد، بین داده‌های مشاهداتی پیزومتر و نتایج شبیه‌سازی 91 درصد همبستگی وجود دارد. بر این اساس، دبی‌های تبادلی محاسباتی از مدل عددی مورد بررسی قرار گرفت. یافته‌ها نشان داد، میزان جریان مبادله شده در شرایط انسداد، بیشتر از شرایط بدون انسداد است. این مسئله نشان می‌دهدکه تنه درختان می‌تواند تأثیر قابل توجهی بردینامیک جریان هایپریک داشته باشند، پیامد مهم آن، تاثیر مستقیم بر اکوسیستم‌های رودخانه‌ای به ویژه در رابطه با حفظ پوشش گیاهی ساحلی و زیستگاه‌های آبی است. همچنین بررسی زمان ماندگاری خطوط جریان در سه حالت مانع‌دار نشان می‌دهد، افزایش مانع در مسیر جریان، افزایش زمان ماندگاری را به همراه داشته است، زیرا با افزایش ارتفاع مانع، خطوط جریان عمیق‌تر شده و طول آن افزایش پیدا کرده است، از این رو زمان ماندگاری نیز افزایش پیدا کرده است.
نتیجه‌گیری: نتایج حاکی ازآن بود بیشترین مقدار دبی تعادلی در حالتی که ضخامت تنه درخت30 سانتی‌متر در زمستان می‌باشد، اتفاق می‌افتد. همچنین مقدار دبی تبادلی با ایجاد مانع، بیشتر از مقدار دبی تبادلی درحالت بدون مانع می‌باشد. مقدار دبی تعادلی در زمستان بیشتر از مقدار دبی تبادلی درتابستان می‌باشد. همچنین بررسی نفوذ خطوط جریان نشان می‌دهد، با افزایش ضخامت مانع، میزان نفوذ خطوط جریان افزایش یافته است. با توجه به گستردگی زمینه تحقیق، شایسته است تحقیقات بیشتری برای کشف فهم بیشتر از مکانیسم آن انجام گیرد.
مقدمه و هدف: رودخانهها سیستم‌های پیچیده‌ای هستند که انواع فرآیندهای شیمیائی، بیولوژیکی و فیزیکی در آنها اتفاق افتاده و تحت تأثیر عوامل و متغیرهای مختلف از نظر ابعاد، شکل، راستا و الگو در تغییر هستند. تغییراتی که در شرایط رودخانهها رخ می‌دهد، تأثیرات فراوانی در اکوسیستم رودخانه بوجود می‌آورد. انجام هرگونه فعالیت در رودخانهها مستلزم شناخت قواعد حاکم بر رودخانه و پیش بینی عکس‌العمل رودخانه نسبت به آن است تا از پیامدهای زیان‌بار مربوطه جلوگیری شود. شناخت فرآیندهای رودخانهها با اندازه‌گیری پارامترهای هیدرولیکی در مقیاس واقعی معمولاً دشوار می‌باشد. از سوی دیگـر مدل‌سـازی انتقال رسوب نیز امری کاملاً پیچیده و مشکل می‌باشد، بدلیل اینکه اطلاعاتی که جهت پیش‌بینی تغییرات بسـتر به کار می‌رود، اساساً دارای عدم قطعیت بوده و تئوری‌های به کـار رفتـه نیـز تجربـی بـوده و حساسـیت شدیدی نسبت به دامنه وسیعی از متغیرهای فیزیکی از خود نشان می‌دهند. بالا بودن هزینه‌های مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیـری، از جملـه دلایلـی دیگر اسـت کـه استفاده از روش‌های فیزیکی را محدود ساخته و باعـث سـوق یـافتن متخصصـان بـه سـمت مدل‌سـازی ریاضی و عددی برای شبیه‌سازی جریان داخل مجاری آبی شده است. تغییر مستمر جزو اصول حاکم بر هر رودخانه است، تغییر در شرایط جریان ، تغییر و جابه‌جایی در سایر مشخصات هندسی رودخانه را نیز سبب می‌شود. با توجه به اینکه غالباً رودخانهها در بسترهای آبرفتی خود درحال حرکت هستند، در اثر وجود تنش برشی درکف بستر، انواع مختلفی از شکل‌های بستر درکف رودخانهها شکل گرفته است. اشکال شکل گرفته باعث می‌شود، قسمتی از جریان آب سطحی در رودخانه به محیط متخلخل زیرآن وارد شده و پس از اکسیژن‌رسانی و تغذیه جانداران کفزی دوباره به جریان آب سطحی باز می‌گردد. به این نوع از جریان‌ها که از اختلاط جریان‌سطحی و جریان زیرسطحی در محیط متخلخل زیر و اطراف رودخانه بوجود می‌آیند، جریان هایپریک گفته می‌شود. سیستم آب های‌سطحی، زیرسطحی، زیرزمینی و تبادلات بین آنها در سه سطح نقطه‌ای، بازه و حوزه آبریز می‌باشد. تنه‌های درخت افتاده در مسیر رودخانهها از ساختارهای متداول در رودخانهها هستند. یکی از عوامل ایجاد تبادل هایپریک، وجود گرادیان فشار در مرز جریان سطحی و محیط متخلخل است. گرادیان فشار در اثر عوامل مختلفی مانند موانع موجود در سر راه جریان و یا فرم‌های بستر بوجود می‌آید. بسته به بزرگی این عوامل، بر روی مقدار تبادل و عمق گستردگی هایپریک تأثیر خواهد گذاشت.اولین گام در شناخت پدیده هایپریک و کاربرد آن، بررسی تغییرات خصوصیات این منطقه شامل مقدار تبادل جریان، عمق و زمان ماندگاری است. بنابراین اهداف تحقیق حاضر عبارتند از: بررسی اثر وجود موانع طبیعی ایجاد شده توسط تنه درختان بر مشخصه‌های هایپریک و تاثیر چیدمان موانع طبیعی ایجاد شده توسط تنه‌های درختان بر مشخصات هایپریک می‌باشد.
مواد و روش‌ها: تحقیق میدانی حاضر در فصل‌های تابستان و زمستان سال 1400 در رودخانه گرمابدشت گرگان جهت بررسی اثر تنه‌های درختان افتاده در مسیر رودخانه به‌عنوان مانع طبیعی جریان درحالت‌های مختلف ضخامت تنه درخت (ضخامت 30-60-90 سانتی‌متر) مورد بررسی قرار گرفت. رودخانه گرمابدشت بعنوان یکی از مهم ترین منابع تامین کننده اب شرب شهر گرگان از دامنه‌های کوه بلند یزدکی در نقطه‌ای به فاصله 27 کیلومتری جنوب شرقی گرگان سرچشمه گرفته و در ادامه درجهت شمال جاری می‌شود. سپس از میان ارتفاعات بلند و به هم پیچیده می‌گذرد و وارد دشت های شرقی گرگان می‌شود. جهت انجام تحقیق حاضر، پیزومترهایی در بالادست و پایین‌دست تنه درختان تعبیه شده سپس با استفاده از مدل عددی در محیط نرم‌افزار کامسول، نسبت به شبیه سازی جریان هایپریک جهت برآورد میزان دبی تبادلی مورد ارزیابی قرار گرفت.
یافته‌ها: این مطالعه یافته‌های قانع‌کننده‌ای در مورد همبستگی بین داده‌های مشاهده‌ای پیزومتر و نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی را به دست آورد. بررسی‌ها نشان داد، بین داده‌های مشاهداتی پیزومتر و نتایج شبیه‌سازی 91 درصد همبستگی وجود دارد. بر این اساس، دبی‌های تبادلی محاسباتی از مدل عددی مورد بررسی قرار گرفت. یافته‌ها نشان داد، میزان جریان مبادله شده در شرایط انسداد، بیشتر از شرایط بدون انسداد است. این مسئله نشان می‌دهدکه تنه درختان می‌تواند تأثیر قابل توجهی بردینامیک جریان هایپریک داشته باشند، پیامد مهم آن، تاثیر مستقیم بر اکوسیستم‌های رودخانه‌ای به ویژه در رابطه با حفظ پوشش گیاهی ساحلی و زیستگاه‌های آبی است. همچنین بررسی زمان ماندگاری خطوط جریان در سه حالت مانع‌دار نشان می‌دهد، افزایش مانع در مسیر جریان، افزایش زمان ماندگاری را به همراه داشته است، زیرا با افزایش ارتفاع مانع، خطوط جریان عمیق‌تر شده و طول آن افزایش پیدا کرده است، از این رو زمان ماندگاری نیز افزایش پیدا کرده است.
نتیجه‌گیری: نتایج حاکی ازآن بود بیشترین مقدار دبی تعادلی در حالتی که ضخامت تنه درخت30 سانتی‌متر در زمستان می‌باشد، اتفاق می‌افتد. همچنین مقدار دبی تبادلی با ایجاد مانع، بیشتر از مقدار دبی تبادلی درحالت بدون مانع می‌باشد. مقدار دبی تعادلی در زمستان بیشتر از مقدار دبی تبادلی درتابستان می‌باشد. همچنین بررسی نفوذ خطوط جریان نشان می‌دهد، با افزایش ضخامت مانع، میزان نفوذ خطوط جریان افزایش یافته است. با توجه به گستردگی زمینه تحقیق، شایسته است تحقیقات بیشتری برای کشف فهم بیشتر از مکانیسم آن انجام گیرد.
فهرست منابع
1. Boano, F., Harvey, J.W., Marion, A., Packman, A.I., Revelli, R., Ridolfi, L., & Wörman, A. 2014. Hyporheic flow and transport processes: Mechanisms, models, and biogeochemical implications. Reviews of Geophysics. 52(4): 603-679. [DOI:10.1002/2012RG000417]
2. Buss, S., Cai, Z., Cardenas, B., Fleckenstein, J., Hannah, D., Heppell, K., & Wood, P. 2009. The Hyporheic Handbook: a handbook on the groundwater-surface water interface and hyporheic zone for environment managers. http://publications.environment-agency.gov.uk/
3. Cardenas, M. B. 2015. Hyporheic zone hydrologic science: A historical account of its emergence and a prospectus. Water Resources Research. 51(5): 3601-3616. [DOI:10.1002/2015WR017028]
4. Doughty, M., Sawyer, A. H., Wohl, E., & Singha, K. 2020. Mapping increases in hyporheic exchange from channel-spanning logjams. Journal of Hydrology. 587(1): 124931. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124931 [DOI:10.1016/j.jhydrol.2020.124931]
5. Elder, K. and Kattelman, R. 1990. Refinements in dilution gauging for mountain stream, Hydrology in Mountainous Regions. 193(1). : 247- 254. http://www.forrex.org/streamline
6. Elliott, A. H., and Brooks, N. H. 1997. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Theory. Water Resources Research. 33(1): 123-136. [DOI:10.1029/96WR02784]
7. Gees, A. 1990, Flow measurement under difficult measuring conditions: field experience with the salt dilution method, Hydrology in Mountainous Regions. 193: 255-262. https://api.semanticscholar.org/CorpusID:126419937
8. Hester, E. T., & Doyle, M. W. 2008. Instream geomorphic structures as drivers of hyporheic exchange. Water Resources Research: 44-47 . [DOI:10.1029/2006WR005810]
9. Johnston, D.E. 1988, Some Recent Developments of Constant- Injection Salt Dilution Gauging in River, Journal of Hydrology (N. Z.). 27(2): 128- 153. https://www.jstor.org/stable/43944616
10. Liu, S., & Chui, T. F. M. (2020). Optimal In-Stream Structure Design through Considering Nitrogen Removal in Hyporheic Zone. Water, 12(5). http://dx.doi.org/10.3390/w12051399 [DOI:10.3390/w12051399]
11. Marshall, A., Zhang, X., Sawyer, A. H., Wohl, E., & Singha, K. (2023). Logjam Characteristics as Drivers of Transient Storage in Headwater Streams. Water Resources Research, 59(3), e2022WR033139. [DOI:10.1029/2022WR033139]
12. Moor, R.D. 2005, Introduction to Salt Dilution Gauging for Stream flow Measurement Part III: Slug Injection Using Salt in Solution, Streamline Watershed Management Bulletin. 8(2): 1-6. http://www.forrex.org/streamline
13. Moore, R. D. 2005. Slug injection using salt in solution. Streamline Watershed Management Bulletin. 8(2), 1-6. http://www.forrex.org/streamline
14. Orghidan, T. 1959. A new Lebensraum of unterirdischen Waters: der hyporheische Biotop. Arch. Hydrobiol, 55(3): 392-414. http://dx.doi.org/10.1127/1863-9135/2010/0176-0291 [DOI:10.1127/1863-9135/2010/0176-0291]
15. Packman, A. I., Salehin, M., and Zaramella, M. 2004. Hyporheic exchange with gravel beds: basic hydrodynamic interactions and bedform-induced advective flows. Journal of Hydraulic Engineering. 130(7): 647-656. http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:7(647) [DOI:10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:7(647)]
16. Stewardson, M., Datry, T., Lamouroux, N., Pella, H., Thommeret, N., Valette, L., & Grant, S. 2016. Variation in reach-scale hydraulic conductivity of streambeds. Geomorphology. 2591: 70-80. Stewardson, M., Datry, T., Lamouroux, N., Pella, H., Thommeret, N., Valette, L., & Grant, S. 2016. Variation in reach-scale hydraulic conductivity of streambeds. Geomorphology. 2591: 70-80. [DOI:10.1016/j.geomorph.2016.02.001]
17. Sawyer, A. H., Bayani Cardenas, M., & Buttles, J. 2011. Hyporheic exchange due to channel‐spanning logs. Water Resources Research. 471: 47-53. [DOI:10.1029/2011WR010484]
18. Shahsavari, A.A., Khodaei, K., Delkhahi, B., Hatefi, R., Asadian, F., & Najibi, S.M.A.. 2015. Design and construction of minipiezometers to determine surface water-groundwater interactions. Iranian Journal of Geology, 9(35), 61-73 , (In persian).
19. Tonina, D., & Buffington, J. M. 2009. Hyporheic exchange in Mountain Rivers I: Mechanics and environmental effects. Geography Compass. 3(3): 1063-1086. [DOI:10.1111/j.1749-8198.2009.00226.x]
20. Tonina, D. 2005. Interaction between river morphology and intra-gravel flow paths within the hyporheic zone. (Ph.D Dissertation), University of Idaho, Boise. United States. https://www.lib.uidaho.edu/digital/etd/items/etd_139.html
21. Vaux, W. G. 1968, Intragravel flow and interchange of water in a streambed, Fish. Bull. 66(3): 479-489. [DOI:10.1007/BF00006106]
22. Wondzell, S. M., LaNier, J., Haggerty, R., Woodsmith, R. D., & Edwards, R. T. 2009. Changes in hyporheic exchange flow following experimental wood removal in a small, low‐gradient stream. Water Resources Research. 451:45-50. https://doi:10.1029/2008WR007214, 2009 [DOI:10.1029/2008WR007214]
23. Woessner, W. W. 2017. Hyporheic zones. In Methods in Stream Ecology. 81: 129-157. [DOI:10.1016/B978-0-12-416558-8.00008-1]
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |
