مقایسه تبادلات هایپریک در خیزاب-چالاب دو بعدی و سه بعدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو دکتری/ گروه مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 پژوهشگر،‌ دانشکده هیدروژئولوژی،‌ مرکز تحقیقات محیط زیست هلمهولتز، لایپزیک، آلمان

4 دانشیار/ گروه مهندسی آب، دانشکده آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

تبادل آب و مواد محلول بین جریان سطحی و جریان داخل محیط متخلخل بستر رودخانه بعنوان تبادلات هایپریک شناخته می‌شود. تبادلات هایپریک آب و مواد مغذی را به ارگانیسمهائی که در ناحیه هایپریک زندگی می‌کنند، رسانیده و شرایط اکولوژیکی و چرخه مواد غذائی را در این ناحیه تحت تأثیر قرار می‌دهد. یکی از عوامل مؤثر بر این تبادلات، گرادیان‌های فشار در اطراف فرم بستر رودخانه می‌باشد. خیزاب‌ها و چالاب‌ها از اشکال ژئومورفیک رودخانه‌ها ً در پروژه‌های احیاء رودخانه‌ها تلقی می‌شوند که گرادیان فشار در امتداد آنها منجر به تبادلات هایپریک شده و اخیرا مورد توجه قرار گرفته‌اند. هدف از تحقیق حاضر مقایسه میزان دبی تبادلات هایپریک و زمان ماندگاری جریان داخل بستر رسوبی در خیزاب-چالاب دو بعدی و سه بعدی می‌باشد. برای این منظور ابتدا به شبیه‌سازی جریان سطحی با استفاده از مدل OpenFOAM پرداخته شده و سپس فشار حاصله بر روی فرم بستر بعنوان شرط مرزی به مدل آب زیرزمینی ً 50 درصدی دامنه فرم بستر، دبی MODFLOW معرفی می‌گردد. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد با افزایش تقریبا تبادلات هایپریک هم در حالت دو بعدی و هم در حالت سه بعدی 26 درصد افزایش و زمان ماندگاری در مدل دو بعدی 36 درصد و در مدل سه بعدی 41 درصد کاهش می‌یابد. همچنین، مقایسه نتایج خیزاب-چالاب سه بعدی با مدل دو بعدی معادل آن نشان می‌دهد که دبی تبادلات هایپریک و زمان ماندگاری به ترتیب 3 و 4 درصد افزایش می‌یابند

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Comparison of Hyporheic Exchanges in 2D and 3D Riffle-Pool bed form structures

نویسندگان [English]

  • Neshat Movahedi 1
  • Amir Ahmad Dehghani 2
  • Christian Schmidt 3
  • Nico Trauth 3
  • Mehdi Meftah Halaghi 4
1 PhD Student/Water and Soil Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources,Gorgan, Iran
2 Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
3 Researcher, Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ), Department of Hydrogeology, Leipzig, Germany
4 Associate Professor/Water and Soil Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources,Gorgan, Iran
چکیده [English]

Exchanges of water and solute between stream flow and flow through river bed porous media are known as hyporheic exchanges. Hyporheic exchanges transfer water and nutrient to the organism lived in the hyporheic zone, so affect ecological conditions and food cycle. One of the important driving factors of these exchanges are pressure gradients along the bed form. Riffle-pools are geomorphic features of river beds which induce strong pressure gradient along the streambed, which control hyporheic exchanges and are therefore considered in river restoration projects. The goal of this study is to compare the hyporheic flux and residence time of flow within sediment bed underneath 2D and 3D riffle-pool structures. For reaching this goal, in a first step, the surface water flow is simulated by the CFD-software OpenFAOM, resulting in a detailed pressure distribution at the stream bed. In a second step, these pressure fields are then set as a top boundary condition of a groundwater model (MODFLOW software), for simulating the flow in porous media. The results show that, by increasing bed form amplitude, hyporheic exchanges flux increases by 26 % for both 2D and 3D models, and residence time decreases by 36 %for 2D and 41 % for 3D structures. Also, comparison of 3D riffle-pool with equal 2D model shows that hyporheic exchange flux and residence time increase by 2.9 % and 3.67 %, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Riffle-Pool
  • OpenFOAM
  • MODFLOW
  • Hyporheic Exchanges
  • Residence Time

مراجع

[1]F. Boano, J.W. Harvey, A. Marion, A.I. Packman, R. Revelli, L. Ridolfi, A. Wörman, Hyporheic flow and transport processes: Mechanisms, models, and biogeochemical implications, Reviews of Geophysics, 52(4) (2014) 603679.
[2]M. Biddulph, Hyporheic Zone: In Situ Sampling., in: Geomorphological Techniques, British Society for Geomorphology:, London, UK, Chap. 3, Sec. 11.1 2015.
[3]D. Tonina, J.M. Buffington, Hyporheic exchange in mountain rivers I: Mechanics and environmental effects, Geography Compass, 3(3) (2009) 1063-1086.
[4]S.H. Stonedahl, Investigation of the Effect Multiple Scales of Topography on Hyporheic Exchange, Susa Stonedahl, 2011.
[5]R.C. Naranjo, R.G. Niswonger, C.J. Davis, Mixing effects on nitrogen and oxygen concentrations and the relationship to mean residence time in a hyporheic zone of a riffle‐pool sequence, Water Resources Research, 51(9) (2015) 72027217.
[6]A.H. McCluskey, Quantifying multi-scale advective hyporheic exchange through mass transfer, 2015.
[7]A. Fox, F. Boano, S. Arnon, Impact of losing and gaining streamflow conditions on hyporheic exchange fluxes induced by dune‐shaped bed forms, Water Resources Research, 50(3) (2014) 1895-1907.
[8]T. Zhou, T.A. Endreny, Reshaping of the hyporheic zone beneath river restoration structures: Flume and hydrodynamic experiments, Water Resources Research, 49(8) (2013) 5009-5020.
[9]F. Janssen, M.B. Cardenas, A.H. Sawyer, T. Dammrich, J. Krietsch, D. de Beer, A comparative experimental and multiphysics computational fluid dynamics study of coupled surface–subsurface flow in bed forms, Water Resources Research, 48(8) (2012).
[10]A.I. Packman, M. Salehin, M. Zaramella, Hyporheic exchange with gravel beds: basic hydrodynamic interactions and bedform-induced advective flows, Journal of Hydraulic Engineering, 130(7) (2004) 647-656.
[11]A.H. Elliott, N.H. Brooks, Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Laboratory experiments, Water Resources Research, 33(1) (1997) 137-151.
[12]L.J. Thibodeaux, J.D. Boyle, Bedform-generated convective transport in bottom sediment, Nature, 325(6102) (1987) 341.
[13]M.B. Cardenas, J.L. Wilson, Dunes, turbulent eddies, and interfacial exchange with permeable sediments, Water Resources Research, 43(8) (2007).
[14]Y.J. Kim, S. Lee, Numerical modeling of bed form induced hyporheic exchange, Paddy and water environment, 12(1) (2014) 89-97.
[15]X. Chen, M.B. Cardenas, L. Chen, Hyporheic Exchange Driven by Three‐Dimensional Sandy Bed Forms: Sensitivity to and Prediction from Bed Form Geometry, Water Resources Research, 54(6) (2018) 4131-4149.
[16]D. Tonina, J.M. Buffington, Hyporheic exchange in gravel bed rivers with pool-riffle morphology: Laboratory experiments and three-dimensional modeling, Water Resources Research, 43(1) (2007).
[17]N. Trauth, C. Schmidt, U. Maier, M. Vieweg, J.H. Fleckenstein, Coupled 3‐D stream flow and hyporheic flow model under varying stream and ambient groundwater flow conditions in a pool‐riffle system, Water Resources Research, 49(9) (2013) 5834-5850.
[18]X. Chen, M.B. Cardenas, L. Chen, Three‐dimensional versus two‐dimensional bed form‐induced hyporheic exchange, Water Resources Research, 51(4) (2015) 2923-2936.
[19]J.M. Buffington, D.R. Montgomery, Effects of hydraulic roughness on surface textures of gravel‐bed rivers, Water Resources Research, 35(11) (1999) 3507-3521.
[20]R.J. McSherry, K.V. Chua, T. Stoesser, Large eddy simulation of free-surface flows, Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 29(1) (2017) 1-12.
[21]W. Rodi, G. Constantinescu, T. Stoesser, Large-eddy simulation in hydraulics, Crc Press, 2013.
[22]T. Kasahara, S.M. Wondzell, Geomorphic controls on hyporheic exchange flow in mountain streams, Water Resources Research, 39(1) (2003) SBH 3-1-SBH 3-14.
[23]L.K. Lautz, D.I. Siegel, Modeling surface and ground water mixing in the hyporheic zone using MODFLOW and MT3D, Advances in Water Resources, 29(11) (2006) 1618-1633.
[24]T. Chui, S. Liu, Evaluation of hyporheic zone residence time distribution, in:  AOGS (Asia Oceania Geosciences Society) 12th Annual Meeting, 2015, Asia Oceania Geosciences Society (AOGS). 2015.
[25]A. Ahmadi, M. Akhbari, M. Karamouz, Groundwater hydrology: engineering, planning, and management, Crc Press, 2011.
[26]A. Marzadri, D. Tonina, A. Bellin, G. Vignoli, M. Tubino, Semianalytical analysis of hyporheic flow induced by alternate bars, Water Resources Research,46(7)(2010) . 
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 52، شماره 8
آبان 1399
صفحه 2059-2072

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار