Αναλυτικό μοντέλο για εκτίμηση σταδίου-εκφόρτισης σε σύνθετα κανάλια μαιάνδρου με βυθισμένη εύκαμπτη βλάστηση

Ένας φυσικός ποταμός σχηματίζεται συχνά ως ελικοειδής δίαυλος για τη διατήρηση της ισορροπίας μεταξύ της διάβρωσης της κοίτης και της εναπόθεσης ιζημάτων. Και στις δύο πλευρές ενός ποταμού, οι πλημμυρικές πεδιάδες αποτελούν ιδανικό βιότοπο για βλάστηση, επειδή βρίσκονται κοντά σε πηγή νερού και δεν πλημμυρίζονται κατά το μεγαλύτερο μέρος του έτους.

Όταν συμβαίνουν πλημμύρες, πλημμυρίζουν οι πλημμυρικές πεδιάδες με βλάστηση, γεγονός που μπορεί να βοηθήσει το κύριο κανάλι να μεταφέρει τη ροή προς τα κατάντη. Ωστόσο, η παρουσία βυθισμένης βλάστησης πλημμυρικών πεδιάδων οδηγεί σε αύξηση της αντίστασης στις πλημμυρικές πεδιάδες και μειώνει τη μεταφορική ικανότητα της πλημμυρικής πεδιάδας και την ικανότητα μεταφοράς καναλιού σε σχέση με ένα κανάλι με πλημμυρικές πεδιάδες χωρίς βλάστηση. Επομένως, οι σχέσεις σταδίου-εκφόρτισης σε λεία και με βλάστηση σύνθετα κανάλια είναι διαφορετικές λόγω της επιπλέον δύναμης οπισθέλκουσας που προκαλείται από τη βλάστηση της πλημμυρικής πεδιάδας.

Προηγούμενες μελέτες έχουν προτείνει διάφορες μεθόδους εκτίμησης της σχέσης σταδίου-εκφόρτισης σε μαιανδρικά σύνθετα κανάλια. Για παράδειγμα, η μέθοδος διαιρεμένου πίνακα και η συμβατική εξίσωση του Manning έχουν συνδυαστεί για να βελτιώσουν την ακρίβεια της πρόβλεψης εκφόρτισης (Greenhill και Sellin, 1993). Προτάθηκε μια προγνωστική εξίσωση για τη μεταφορική ικανότητα χρησιμοποιώντας αδιάστατη ανάλυση και χρησιμοποιήθηκε για την ακριβή εκτίμηση των εκκενώσεων σε κανάλια με διάφορες κλίσεις κοίτης, κοιλότητες και βάθη νερού (Shiono et al., 1999). Ωστόσο, δεν υπάρχει ακόμη ένα έγκυρο μοντέλο για την πρόβλεψη της σχέσης σταδίου-εκφόρτισης σε ένα μαιανδρικό κανάλι με βυθισμένη εύκαμπτη βλάστηση, το οποίο χρησιμεύει ως κίνητρο για αυτήν τη μελέτη.

Ο στόχος αυτής της μελέτης είναι να προτείνει ένα αναλυτικό μοντέλο για την εκτίμηση της σχέσης σταδίου-εκφόρτισης σε ένα μαιανδρικό σύνθετο κανάλι με πυκνή, βυθισμένη, εύκαμπτη βλάστηση. Μια κυρίαρχη εξίσωση σε καμπυλόγραμμες συντεταγμένες προέρχεται από την εξίσωση ορμής και την εξίσωση συνέχειας ροής. Η σχέση μεταξύ της μέσης ταχύτητας εντός του θόλου και της μέσης ταχύτητας βάθους προτείνεται με βάση τη μέθοδο των Nepf και Ghisalberti (2008). Οι πλευρικές διατμητικές τάσεις αποδείχθηκαν αρκετά μικρές ώστε να αγνοήθηκαν στην εξίσωση. Τέλος, προτάθηκε η αναλυτική λύση με απλή δομή.

Τα δεδομένα από δύο πειράματα ροής και μία μελέτη πεδίου χρησιμοποιήθηκαν για την επαλήθευση της προγνωστικής ικανότητας του προτεινόμενου μοντέλου. Αρχικά, το προτεινόμενο μοντέλο επαληθεύτηκε χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις από τους MartínVide et al. (2008). Το κρεβάτι του καναλιού ήταν καλυμμένο με χαλίκι. Αυτές οι συνθήκες κοίτης ήταν ισοδύναμες με αυτές της κοίτης που καλύπτεται από ένα θωρακισμένο στρώμα, το οποίο είναι ένα τυπικό σενάριο σε φυσικούς ποταμούς. Δεύτερον, αυτό το μοντέλο επαληθεύτηκε περαιτέρω χρησιμοποιώντας τα πειραματικά δεδομένα από τους Shiono et al. (2009). Η κοίτη του καναλιού αποτελούνταν από λεπτή άμμο και τροποποιήθηκε με βάση την κατάσταση ροής, η οποία είναι παρόμοια με την κατάσταση της κοίτης του ποταμού Yangtze, Κίνα. Το προτεινόμενο μοντέλο αποδείχθηκε ότι προβλέπει με ακρίβεια τις εκκενώσεις υποπεριοχής και τη συνολική εκφόρτιση με μέσο σχετικό σφάλμα 2%.

Στο χωράφι, το ύψος της βλάστησης στις πλημμυρικές πεδιάδες είναι διαφορετικό. Έτσι, τα δεδομένα πεδίου από τον ποταμό Blackwater, UK (Sun et al. 2010) χρησιμοποιήθηκαν για την περαιτέρω επαλήθευση του μοντέλου, το οποίο περιλαμβάνει έναν φυσικό ποταμό με βυθισμένο και αναδυόμενο γρασίδι στις πλημμυρικές πεδιάδες. Οι προβλεπόμενες απορρίψεις συμφωνούν καλά με τις καταγραφές πλημμύρας.

Συνοπτικά, το μοντέλο μας είναι σε θέση να προβλέψει με ακρίβεια τόσο τις εκκενώσεις υποπεριοχής όσο και τη συνολική απόρριψη σε ένα σύνθετο κανάλι με μαιάνδρους με πυκνή, βυθισμένη, εύκαμπτη βλάστηση σε πλημμυρικές πεδιάδες σε συνθήκες υψηλής ροής. Αυτό το μοντέλο θα μπορούσε να είναι ένα ισχυρό εργαλείο για τους υδραυλικούς μηχανικούς και τους διαχειριστές ποταμών, οι οποίοι ενδιαφέρονται για την εκκένωση του σταδίου σε ένα φυσικό ποτάμι.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Analytical model for stage-discharge estimation in meandering σύνθετα κανάλια με βυθισμένη εύκαμπτη βλάστηση, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Advances in Water Resources . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Yuqi Shan από το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Πληροφορικής του Chengdu και τους Xingnian Liu, Kejun Yang και Chao Liu από το Πανεπιστήμιο Sichuan.

Αναφορές:

1. Greenhill, R.K., Sellin, R.H.J., 1993. Ανάπτυξη μιας απλής μεθόδου πρόβλεψης εκκενώσεων σε σύνθετα κανάλια μαιάνδρου. Στο:Πρακτικά του Ιδρύματος Πολιτικών Μηχανικών-Νερά Ναυτιλίας και Ενέργειας, 101, σ. 37–44. http://dx.doi.org/10.1680/iwtme.1993.22986.
2. Shiono, Κ., Al-Romaih, J.S., Knight, D.W., 1999. Αξιολόγηση σταδίου-εκφόρτισης σε κανάλια σύνθετου μαιάνδρου. J. Hydraul. Eng. 125, 66–77. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:1(66)
3. Nepf, H., Ghisalberti, M., 2008. Ροή και μεταφορά σε κανάλια με βυθισμένη βλάστηση. Acta Geophys. 56, 753–777. https://doi.org/10.2478/s11600-008-0017-y
4. MartínVide, J.P., Moreta, P.J.M., LópezQuerol, S., 2008. Βελτιωμένη μοντελοποίηση 1-D σε κανάλια σύνθετου μαιάνδρου με πλημμυρικές πεδιάδες με βλάστηση. J. Hydraul. Res. 46, 265–276. http://dx.doi.org/10.1080/00221686.2008.9521860.
5. Shiono, K., Chan, T.L., Spooner, J., Rameshwaran, P., Chandler, J.H., 2009. Η επίδραση της τραχύτητας της πλημμυρικής πεδιάδας στις δομές ροής, τα σχήματα κρεβατιού και τους ρυθμούς μεταφοράς ιζήματος σε μαιάνδρους διαύλους με ροές υπερόχθης:μέρος I. J. Hydraul. Res. 47, 5–19. https://www.tandfonline.com/action/cookieAbsent.
6. Sun, X., Shiono, K., Rameshwaran, P., Chandler, J.H., 2010. Μοντελοποίηση επιπτώσεων βλάστησης σε ακανόνιστο μαιανδρικό ποτάμι. J. Hydraul. Res. 48, 775–783. http://dx.doi.org/10.1080/00221686.2010.531101.