مدل‌سازی عددی الگوی جریان در ابعاد مدل فیزیکی رودخانه کارون (محدوده مئاندر جنگیه)

صدیق, علیرضا; قمشی, مهدی; زایری, محمدرضا

مدل‌سازی عددی الگوی جریان در ابعاد مدل فیزیکی رودخانه کارون (محدوده مئاندر جنگیه)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

علیرضا صدیق ¹

مهدی قمشی ²

محمدرضا زایری ³

¹ دانشجوی دکتری سازه‌های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

² استاد، گروه سازه‌های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.

³ استادیار گروه سازه های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

چکیده

در سال‌های اخیر، با پیشرفت‌های حاصل‌شده در توان محاسباتی رایانه‌ها و توسعه روش‌های محاسبات عددی، فرایندهای مرتبط با جریان آب و انتقال رسوب با دقت بیشتری بررسی شده‌اند. این مطالعه استفاده از مدل‌سازی عددی دوبعدی HEC-RAS را به‌عنوان گزینه‌ای برای پیش‌بینی مؤلفه‌های هیدرولیکی در مسیر خم بررسی می‌کند. مقایسه نتایج در چارچوب یک مطالعه مدل فیزیکی کج رودخانه کارون در بخش پیچان‌رود جنگیه صورت پذیرفت. محدوده مدل‌سازی شده حدفاصل ایستگاه اهواز تا فارسیات، به طول 40 کیلومتر بوده که شامل برداشت رقوم سطح آب و سرعت جریان می‌باشد. نتایج نشان می‌دهد، مدل عددی، الگوهای سرعت جریان مشابهی با مدل فیزیکی، با شاخص‌های ضریب تبین، ریشه میانگین مربعات خطا و ضریب ناش-ساتکلیف به ترتیب 941/0R²=، (m/s) 04/0RMSE= و 88/0NSE= پیش‌بینی نمود. بااین‌حال ویژگی‌های شبکه مورداستفاده تأثیر بالایی بر توزیع سرعت دارا بود، به‌گونه‌ای که شبکه منظم با تراکم بالا بهترین دقت را در شبیه‌سازی سرعت جریان داشته است. برای شبیه‌سازی جریان در مدل عددی، تعیین مدت‌زمان شبیه‌سازی و گام‌های زمانی در انجام فرایند محاسبات عددی، لازم و ضروری است. در این تحقیق در مراحل مختلف، زمان شبیه‌سازی متفاوت بوده است و گام‌های زمانی در اغلب مراحل شبیه‌سازی برابر با مقدار 5/0 ثانیه در نظر گرفته شد. همچنین نتایج با بررسی نقشه‌های ماهواره‌ای مربوط به 51 سال اخیر نشان داد محدوده دیواره‌های ساحلی محدوده مئاندر جنگیه به دلیل تنش برشی تمایل به فرسایش داشته است.

کلیدواژه‌ها

مطالعه عددی

مدل فیزیکی

پیچان‌رود

رودخانه کارون

تصویر ماهواره‌ای

20.1001.1.24767131.1403.10.1.7.9

موضوعات

هیدرودینامیک

عنوان مقاله English

Two-Dimensional Numerical Modeling of Flow in the Physical Model Scale of the Karun River (Upstream of the Jangieh Meander)

نویسندگان English

Alireza Sadigh ¹

Mehdi Ghomeshi ²

Mohammadreza Zayeri ³

¹ PhD student of water structures, Faculty of Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran

² Professor, Department of Hydraulic Structures, Faculty of Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.

³ Assistant Professor, Department of Hydraulic Structures, Faculty of Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran

چکیده English

Recent advances in computational power and numerical methods have greatly improved the accuracy of modeling water flow and sediment transport processes. This study explores the application of the two-dimensional numerical HEC-RAS model to predict hydraulic parameters in a river meander, validated against a physical model of the Karun River at the Jangieh meander. The modeled reach extends 40 km from Ahvaz to Farsiat and includes measurements of water surface elevation and flow velocity. Results demonstrate that the numerical model accurately reproduces flow velocity patterns similar to those observed in the physical model, with performance metrics of R² = 0.941, RMSE = 0.04 m/s, and Nash–Sutcliffe Efficiency (NSE) = 0.88. Mesh characteristics significantly influenced velocity distribution accuracy, with high-resolution regular grids providing the best simulation results. Appropriate simulation duration and time step selection were critical, with a typical time step of 0.5 seconds used in most simulations. Additionally, analysis of satellite imagery spanning the last 51 years indicates that the riverbanks in the Jangieh meander region are prone to erosion due to elevated shear stress. These findings underscore the importance of integrated hydraulic and sediment monitoring for sustainable management of meandering rivers.

کلیدواژه‌ها English

Numerical Modeling

Physical Model

Meander

Karun River

Satellite Imagery

[1].Liu B, Ma J, Luo L, Bai Y, Wang S, Zhang J. Two-Dimensional LDV Measurement, Modeling, and Optimal Design of Rectangular Primary Settling Tanks. Journal of Environmental Engineering. 2010;136:501–7. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EE.1943-7870.0000186.

[2]. Paiva RCD, Lima SG. A Simple Model of Flood Peak Attenuation. Water Resources Research. 2024;60:e2023WR034692. https://doi.org/10.1029/2023WR034692.

[3]. Pandey BR, Knoblauch H, Zenz G. Potential Dam Breach Flood Assessment with the 2D Diffusion and Full Dynamic Wave Equations Using a Hydrologic Engineering Center-River Analysis System. Water. 2024;16:277. https://doi.org/10.3390/w16020277.

[4]. Morianou GG, Kourgialas NN, Karatzas GP, Nikolaidis NP. Assessing hydro-morphological changes in Mediterranean stream using curvilinear grid modeling approach - climate change impacts. Earth Science Informatics. 2018;11:205–16. https://doi.org/10.1007/s12145-017-0326-2.

[5]. Wang X, Yang L, Sun Y, Song L, Zhang M, Cao Y. Three-Dimensional Simulation on the Water Flow Field and Suspended Solids Concentration in the Rectangular Sedimentation Tank. Journal of Environmental Engineering. 2008;134:902–11. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(2008)134:11(902).

[6]. Valizadeh R, Arman A, Ghobadian R. The effect of the pipe angle and protective inclined apron on the scouring and sedimentation pattern around a semi-buried pipe in a 90° mild bend. Ocean Engineering. 2023;286:115711. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2023.115711.

[7]. Al-Sammarraee M, Chan A, Salim SM, Mahabaleswar US. Large-eddy simulations of particle sedimentation in a longitudinal sedimentation basin of a water treatment plant. Part I: Particle settling performance. Chemical Engineering Journal. 2009;152:307–14. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.04.062.

[8]. Shahidan NFN, Hasan ZA, Abdullah MZ, Ghani AA. MATHEMATICAL MODELLING OF FLOW AND SEDIMENT PATTERN AT IJOK INTAKE, IJOK RIVER, PERAK, MALAYSIA. International Journal of Modelling and Simulation. 2012;32. https://doi.org/10.2316/Journal.205.2012.3.205-5595.

[9]. Nassar MA. Multi-parametric sensitivity analysis of CCHE2D for channel flow simulations in Nile River. Journal of hydro-environment research. 2011;5:187–95. https://doi.org/10.1016/j.jher.2010.12.002.

[10]. Souli H, Ahattab J, Agoumi A. Investigating Supercritical Bended Flow Using Physical Model and CFD. Modelling and Simulation in Engineering. 2023;2023:1–15. https://doi.org/10.1155/2023/5542589.

[11]. Qie Z, Liu H, Wu X, Ran Y. Establishment of swirling-flow fishway and analysis of its hydraulic characteristics. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering. 2020;36:119–25.

[12]. Ferrer-Boix C, Boix Oliva J, Martín-Vide JP, Ollero A. Alluviation of a side-channel by bed material load. Field measurements and modelling. Geomorphology 2021;389:107801. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2021.107801.

[13]. McMillan M, Liebens J, Bagui S. A statistical model for streambank erosion in the Northern Gulf of Mexico coastal plain. CATENA. 2018;165:145–56. https://doi.org/10.1016/j.catena.2018.01.027.

[14]. Baird D, Abban B, Scurlock S, Abt S, Thornton C. Two-Dimensional Numerical Modeling of Flow in Physical Models of Rock Vane and Bendway Weir Configurations. Water. 2021;13:458. https://doi.org/10.3390/w13040458.

[15]. Duan JG, Wang SSY, Jia Y. The applications of the enhanced CCHE2D model to study the alluvial channel migration processes. Journal of Hydraulic Research. 2001;39:469–80. https://doi.org/10.1080/00221686.2001.9628272.

[16]. Kashyap S, Constantinescu G, Rennie CD, Post G, Townsend R. Influence of Channel Aspect Ratio and Curvature on Flow, Secondary Circulation, and Bed Shear Stress in a Rectangular Channel Bend. Journal of Hydraulic Engineering. 2012;138:1045–59. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000643.

[17]. Hickin EJ. Mean flow structure in meanders of the Squamish River, British Columbia. Canadian Journal of Earth Sciences. 1978;15:1833–49. https://doi.org/10.1139/e78-191.

[18]. Niknam, A, Khosravi, G, Nohegar, A, Holisaz, A. Simulation of the Kor River Morphological Changes Using the CCHE2D Model (Case Study: Meanders Upstream the Dorudzan Dam). Watershed Management Research, 2018; 31(4): 69-83. doi: 10.22092/wmej.2018.100548.1000

[19]. Arman A, Fattahi P, Zahiri J. Simulation of Flow and Sediment Pattern with Spurdikes Series in a 90 degree Mild Bend using CCHE2D Model. Journal of Water and Soil Conservation. 2017. https://doi.org/10.22069/jwfst.2017.12018.2654.

[20]. Kordi H, Amini R, Zahiri A, Kordi E. Improved Shiono and Knight Method for Overflow Modeling. Journal of Hydrologic Engineering. 2015;20:04015041. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001239.

[21]. Salmasi F, Ayaseh A, Dalir AH, Arvanaghi H. Flow pattern study in Beshar River and its two straight and meander reaches using CCHE2D model. Applied Water Science. 2020;10. https://doi.org/10.1007/s13201-019-1107-5.

[22]. Das A, Biswal SK. Numerical Modeling of Flow Pattern at a Right-angled River Bend Using CCHE2D Model. Scientific Research Communications. 2023 Jan 31;3(1).

[23]. Le GS, Nguyen HTT. Study on the Change of Riverbed of Hau River at Chau Phu District, an Giang Province by 1D2D3D Combined Numerical Model. In: Reddy JN, Wang CM, Luong VH, Le AT, editors. Proc. The International Conference on Sustainable Civil Engineering and Architecture. vol. 442, Singapore: Springer Nature Singapore; 2024, p. 1928–38. https://doi.org/10.1007/978-981-99-7434-4_208.

[24]. Dewals B, Kitsikoudis V, Angel Mejía-Morales M, Archambeau P, Mignot E, Proust S, et al. Can the 2D shallow water equations model flow intrusion into buildings during urban floods?. Journal of Hydrology. 2023;619:129231. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129231.

[25]. Zhang Y, Al-Hamdan MZ, Bingner RL, Chao X, Langendoen E, O’Reilly AM, et al. Application of 1D model for overland flow simulations on 2D complex domains. Advances in Water Resources. 2024;188:104711. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2024.104711.

[26]. Brunner GW. Hec-ras (river analysis system). InNorth American water and environment congress & destructive water 2002 (pp. 3782-3787). ASCE.

[27]. Zahiri J, Ashnavar M. Two Dimensional Hydraulic Modeling of Karun River. JWSS - Isfahan University of Technology. 2019.

]28[ تائبی حمید، شفاعی بجستان محمود، کاهه مهدی. شبیه‌سازی عددی جریان در قوس 90 درجه با استفاده از مدل CCHE2D. هشتمین سمینار بین‌المللی مهندسی رودخانه؛ 1388؛ اهواز.

[29]. Larsen LG, Harvey JW, Crimaldi JP. Predicting bed shear stress and its role in sediment dynamics and restoration potential of the Everglades and other vegetated flow systems. Ecological Engineering. 2009;35:1773–85. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2009.09.002.

[30]. Osivand S, Zahiri J, Jafari A, Porasaf F. Efficiency of CCHE2D numerical model in flow and sediment modeling (case study: Karun River). Advanced Technologies in Water Efficiency. 2024. https://doi.org/10.22126/atwe.2024.10855.113