Numerical modeling of unsteady and non-equilibrium sediment transport in rivers

Abstract

ÖZETNEHİRLERDE KARARSIZ VE DENGESİZ SEDİMENT TAŞINIMININ NÜMERİK MODELLENMESİToprak ve su kaynakları yönetimi birçok ülkenin karşılaştığı en ciddi çevre sorunlarından biridir. Bu nedenle barajlar, su kanalları ve diğer su yapıları inşa edilmektedir. Bu yapıların yönetimi, birçok problemle karşı karşıya kalmaktadır. Bu problemlerin biri de katı madde taşınımıdır.Teorik ve nümerik katı madde taşınımı birçok araştırmacı tarafından çalışılmaktadır. Kararlı akım koşulları altında, askıda katı madde, çökmüş katı madde ve toplam katı madde taşınımı deneysel formüller yardımıyla geliştirilmiştir. Son yıllarda, kararsız akım şartları altında dengede katı madde taşınımı nümerik modellenmesi çalışılan konular arasındadır. Bu çalışmanın amacı da nehirlerde 1 boyutlu, kararsız ve dengesiz sediment taşınımının nümerik modellenmesidir.Bu amaç çerçevesinde, önce kararsız ve dengeli akım koşulları altında kinematik, difüzyon ve dinamik dalga yaklaşımına göre üç farklı model geliştirilmiştir. Alluvial nehirlerdeki geçici yatak profilleri, farklı parçacık hızı ve parçacık düşüm hızı formülleri ve katı madde karakteristiklerini içeren farklı farazi durumlar için oluşturulmuştur. Kinematik ve difüzyon dalga yaklaşımı altında üç farklı yatak yükü formülü karşılaştırılmıştır. Ayrıca kinematik dalga modeli laboratuar verileri ile test edilmiştir ve sonuçlar başarılı olmuştur. Daha sonraki aşamada, kinematik dalga yaklaşımını kullanarak kararsız akım şartları altında dengesiz model kurulmuştur. Kurulan model laboratuar verileri ile test edilmiş ve gözlemlenen yatak profilleri, model ile başarıyla elde edilmiştir. Son olarak, üniform olmayan katı madde karışımı, difüzyon dalga yaklaşımı ile kararsız ve dengesiz akım şartları altında modellenmiştir. Sonuçlara göre katı madde ortalama çapı ile kurulan model ve üniform olmayan katı madde karışımı ile kurulan model, kararsız akım şartlarında farklı sonuçlar vermiştir. Bu sonuçlar ayrıca laboratuar verileri ile desteklenmelidir.

ABSTRACTNUMERICAL MODELING OF UNSTEADY AND NON-EQUILIBRIUM SEDIMENT TRANSPORT IN RIVERSManagement of soil and water resources is one of the most critical environmental issues facing many countries. For that reason, dams, artificial channels and other water structures have been constructed. Management of these structures encounters fundamental problems: one of these problems is sediment transport.Theoretical and numerical modeling of sediment transport has been studied by many researchers. Several empirical formulations of transported suspended load, bed load and total load have been developed for uniform flow conditions. Equilibrium sediment transport under unsteady flow conditions has been just recently numerically studied. The main goal of this study is to develop one dimensional unsteady and nonequilibrium numerical sediment transport models for alluvial channels.Within the scope of this study, first mathematical models based on the kinematic, diffusion and dynamic wave approach are developed under unsteady and equilibrium flow conditions. The transient bed profiles in alluvial channels are simulated for several hypothetical cases involving different particle velocity and particle fall velocity formulations and sediment concentration characteristics. Three bed load formulations are compared under kinematic and diffusion wave models. Kinematic wave model was also successfully tested by laboratory flume data. Secondly, a mathematical model developed based on kinematic wave theory under unsteady and nonequilibrium conditions. The model satisfactorily simulated transient bed forms observed in laboratory experiments. Finally, nonuniform sediment transport model was developed under unsteady and nonequilibrium flow based on diffusion wave approach. The results implied that the sediment with mean particle diameter and the sediments with nonuniform particle diameters gave different solutions under unsteady flow conditions.