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)

مقدمه و هدف: رودخانه‌ها سیستم‌های پیچیده‌ای هستند که انواع فرآیندهای شیمیائی، بیولوژیکی و فیزیکی در آن‌ها اتفاق افتاده و تحت تاثیر عوامل و متغیرهای مختلف از نظر ابعاد، شکل، راستا و الگو در تغییر هستند. تغییراتی که در شرایط رودخانه‌ها رخ می‌دهد، تاثیرات 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 دیگر مدل‌سازی انتقال رسوب نیز امری کاملاً پیچیده و مشکل می‌باشد، بدلیل اینکه اطلاعاتی که جهت پیش‌بینی تغییرات بستر به کار می‌رود، اساساً دارای عدم قطعیت بوده و تئوری‌های به کار رفته نیز تجربی بوده و حساسیت شدیدی نسبت به دامنه وسیعی از متغیرهای فیزیکی از خود نشان می‌دهند. بالا بودن هزینه‌های مربوط به تجهیزات آزمایشگاهی و محدودیت استفاده از دستگاه‌های اندازه‌گیری، از جمله دلایلی دیگر است که استفاده از روش‌های فیزیکی را محدود ساخته و باعث سوق یافتن متخصصان به سمت مدل‌سازی 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 تاثیر 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 تاثیر 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.

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)

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.