Journal of Watershed Management Research

fa 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) 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) حفاظت آب و خاک حفاظت آب و خاک پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">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. </div> <div style="text-align: justify;">Extended Abstract Background: Rivers are complex systems in which all kinds of chemical, biological, and physical processes take place and change under the influence of various factors and variables in terms of dimensions, shape, direction, and pattern. The changes that occur in the conditions of rivers have many effects on the river ecosystem. Carrying out any activity in rivers requires knowing the rules governing the river and predicting the river's reaction to it to avoid the related harmful consequences. It is usually difficult to understand the processes of rivers by measuring hydraulic parameters on a real scale. On the other hand, sediment transport modeling is also a very complex and difficult matter because the information that is used to predict bed changes is basically uncertain and the theories used are experimental and highly sensitive to a wide range of physical variables. The high costs of laboratory equipment and the limitation of using measuring devices are among the other reasons that limit the use of physical methods and lead experts to mathematical and numerical modeling to simulate the flow inside water channels. Continuous change is one of the governing principles of every river, and a change in flow conditions also causes changes and displacement in other geometric characteristics of the river. Because rivers are often moving in their alluvial beds, different types of bed forms have been formed in the river bed due to the shear stress in the bed. The formed shapes cause a part of the surface water flow in the river to enter the porous environment below it and return to the surface water flow after oxygenating and feeding benthic organisms. This type of currents that arise from the mixing of surface current and subsurface current in the porous environment under and around the river is called hyperic current. The surface, subsurface, and underground water systems and exchanges between them are in three levels: point, interval, and watershed. Fallen tree trunks are common structures in rivers. One of the factors in creating hyperic exchange is the presence of a pressure gradient at the border of surface flow and the porous medium. The pressure gradient is caused by various factors such as obstacles in the flow path or bed forms. Depending on the magnitude of these factors, they will affect the amount of exchange and the depth of the hyperic expansion. The first step in understanding the hyperic phenomenon and its application is to examine changes in the characteristics of this area, including the amount of current exchange, depth, and retention time. Therefore, the objectives of this research are to investigate the effect of natural obstacles created by tree trunks on hyperic characteristics and the effect of the arrangement of natural obstacles created by tree trunks on hyperic characteristics. Methods: The current field research was carried out in the Garambadesht River of Gorgan in the summer and winter of 2021 to investigate the effect of fallen tree trunks on the river path as a natural flow barrier in different tree trunk thicknesses (30, 60, and 90 cm). As one of the most important sources of drinking water for the city of Gorgan, the Garmabadesht River, originates from the slopes of Yazdaki Mountain at a point 27 km southeast of Gorgan and continues to flow northward. Then, it passes through the high and complex heights and enters the eastern plains of Gorgan. To carry out the present research, piezometers were installed in the upstream and downstream of the tree trunks and then evaluated using a numerical model in the Comsol software environment, compared to the simulation of the hyperic flow to estimate the amount of exchange flow. Results: This study obtained convincing findings regarding the correlation between piezometer observational data and numerical simulation results. A 91% correlation was obtained between piezometer observation data and simulation results, which was used as a basis to investigate the computational exchange flows from the numerical model. The findings showed that the amount of exchanged flow in blocked conditions was higher than in non-blocked conditions. This issue shows that tree trunks can have a significant impact on the dynamics of hyperic flow, an important consequence of which is the direct impact on river ecosystems, especially in relation to the preservation of coastal vegetation and aquatic habitats. The investigation of the retention time of the flow lines in three obstacle states shows that the increase of the obstacle in the flow path has increased the retention time because the flow lines have become deeper and their length has increased with the increase in the height of the obstacle, thereby increasing the retention time. Conclusion: The results indicate that the maximum amount of equilibrium discharge occurs in the case where the thickness of the tree trunk is 30 cm in winter. The amount of exchange flow with obstruction is higher than that without obstruction. The equilibrium flow rate in winter is higher than the exchange flow rate in summer. The investigation of the penetration of flow lines shows that the penetration rate of flow lines has increased with the increase in the thickness of the barrier. Considering the vastness of the research field, it is appropriate to conduct more research to discover more understanding of its mechanism. <div style="text-align: justify;"></div></div> تبادلات سطحی و زیر سطحی, جریان هایپریک, کامسول Comsol, Hyporheic Flow, Surface and Subsurface Exchanges 118 130 http://jwmr.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-1919-1&slc_lang=fa&sid=1 mohsen barzali محسن برزعلی Mohsen.barzali@gmail.com 100319475328460014157 100319475328460014157 No Hydraulic Structures, Sari Agricultural Sciences, Sari, Iran دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران mohsen Masoudian محسن مسعودیان masoudian@sanru.ac.ir 100319475328460014158 100319475328460014158 Yes Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران ramin Fazloula رامین فضل اولی r.fazloula@sanru.ac.ir 100319475328460014159 100319475328460014159 No Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران amir ahmad dehghani امیر احمد دهقانی a.dehghani@gau.ac.ir 100319475328460014160 100319475328460014160 No Department of Water Engineering, Faculty of Agricultural Engineering, Gorgan Agricultural Sciences and Natural Resources University, Gorgan, Iran گروه مهندسی آب،دانشکده مهندسی زراعی،دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران