بررسی پایداری کناری و فرسایش پنجه‏ای ناشی از جریان سطحی با استفاده از مدل BSTEM (مطالعۀ موردی: رودخانۀ بشار)

خزایی, مجید; نوحه گر, احمد; مهدوی نجف آبادی, رسول; تلوری, عبدالرسول

doi:10.22059/ije.2016.59190

بررسی پایداری کناری و فرسایش پنجه‏ای ناشی از جریان سطحی با استفاده از مدل BSTEM (مطالعۀ موردی: رودخانۀ بشار)

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

مجید خزایی ¹

احمد نوحه گر ²

رسول مهدوی نجف آبادی ³

عبدالرسول تلوری ⁴

¹ دانشجوی دکتری آبخیزداری دانشگاه هرمزگان

² استاد دانشکدۀ محیط زیست دانشگاه تهران

³ عضو هیئت علمی آبخیزداری دانشگاه هرمزگان

⁴ سازمان جنگل‏ها و مراتع و آبخیزداری کشور

10.22059/ije.2016.59190

چکیده

یک نیاز حیاتی برای مدیریت رودخانه، درک و پیش‏بینی فرسایش کناره‏ای است. بیشتر مدل‏های موجود؛ فرسایش کناره‏ای را به‏طور صریح بررسی نمی‏کنند. مدل BSTEM از پرکاربرد‏ترین مدل‏های استفاده‌شده در بسیاری از پروژه‏های مهندسی رودخانه در دنیا‌ست. داده‏های مورد نیاز برای این مدل مختص به نیروهای کمی محرک و مقاوم‌کنندۀ کنارۀ رودخانه است که فرایندهای هیدرولیک و ژئوتکنیک را که روی بانک وارد می‏شود کنترل می‏کنند. داده‏های مورد نیاز شامل داده‏های ژئومتری، هیدرولیکی و ژئوتکنیکی است. این داده‏ها با نمونه‏برداری، اندازه‏گیری میدانی و بررسی آزمایشگاهی به‏دست آمدند. نتایج مدل‏سازی در مقاطع بررسی‌شده نشان داد که در مقایسۀ بین مقاطع دارای پوشش و فاقد پوشش تفاوت شایان توجهی از نظر پایداری مشاهده شده است. میزان ضریب ایمنی در مقاطع فاقد پوشش کمتر از 1 بوده است که بیانگر ناپایداری کنارۀ رودخانه در این مقاطع است. در میان مقاطع دارای پوشش تنها مقطع 3 در رگبار 4 ‌ضریب ایمنی کمتر از 1 داشته است که از لحاظ میزان پایداری، ناپایدار بوده است. مقایسۀ مقاطع بررسی‌شده از نظر فاکتور ایمنی نشان داده‏اند که ناپایدارترین بازه‏ها به‌ترتیب مقاطع 5، 6، 8، 7، 3، 1، 4 و 2 بوده است. در مقایسۀ رگبارهای مختلف نیز به‌ترتیب رگبارهای 4، 2، 1 و 3 بیشترین تأثیر را روی ناپایداری مقاطع نشان داده‏اند. نتایج آنالیز حساسیت مدل نسبت به پارامترهای ورودی نشان داد که فاکتور ایمنی بیشترین میزان حساسیت را نسبت به ارتفاع جریان، تراز آب و چسبندگی بین ذرات به‌ترتیب با ضریب تغییرات 55، 17 و 10 درصد داشته است.

کلیدواژه‌ها

رودخانۀ بشار

فاکتور ایمنی

فرسایش پنجه‏ای

فرسایش کناری

مدل

ناپایداری

موضوعات

اکوهیدرولوژی

1. Abam. T.K.S. 1993. Factors affecting distribution of instability of river banks in the Niger delta. Engineering geology. 35: 123-133.
2. Amiri-Tokaldani, E., Samadi, A., Rahimi, H. 2006. Effect of the location and depth of tension crack of river bank stability. Journal og agriculture engineering research. Vol. 6. No.25. 77-94.
3. Belmont, P., Gran, K.B., Schottler, S.P., Wilcock, P.R., Day, S.S., Jennings, C., Lauer, J.W., Viparelli, E., Willenbring, J.K., Engstrom, D.R., Parker, G., 2011. Large shift in source of fine sediment in the Upper Mississippi River. Environmental Science and Technology45, 8804–8810.
4. Bull, L.J., 1997. Magnitude and variation in the contribution of bank erosion to the suspended sediment load of the River Severn, UK. Earth Surface Processes and Landforms 22, 1109–1123.
5. Cancienne, R., Fox, G.A., Simon, A., 2008. Influence of seepage undercutting on the root reinforcement of river banks. Earth Surface Processes and Landforms 33, 1769–1786.
6. Casagli, N., Rinaldi, M., Gargini, A., Curini, A., 1999. Monitoring of pore water pressure and stability of streambanks: results from an experimental site on the Sieve River, Italy. Earth Surface Processes and Landforms 24, 1095–1114
7. Crosato, A., 2007. Physical explanations of variations in river meander migration rates from model comparison. Earth Surface Processes and Landforms 34, 2078–2086.
8. Crosta, G., di Prisco, C., 1999. On slope instability induced by seepage erosion. Canadian Geotechnical Journal 36, 1056–1073.
9. Darby, S.E., Gessler, D., Thorne, C.R., 2000. Computer program for stability analysis of steep, cohesive riverbanks. Earth Surface Processes and Landforms 25, 175–190.
10. Fredlund, D.G., Rahardjo, H., 1993. Soil Mechanics of Unsaturated Soils. John Wiley andSons, Inc., New York, N.Y.
11. Garcia, M., 2008. Sediment transport and morphodynamics. In: Garcia, M. (Ed) Sedimentation Engineering: Processes, Measurements, Modeling and Practice. ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 110. American Society of Civil Engineers, Reston, VA, pp. 21–164.
12. Grimshaw, D.L., Lewin, J., 1980. Source identification of suspended solids. Journal of Hydrology 42, 151–162.
13. Henshaw, A.J., Thorne, C.R., Clifford, N.J. 2012. Identifying causes and controls ofriver bankerosion in a British upland catchment. Catena 100, 107-119.
14. Karmakera, T., Duttab, Subashisa. 2013, Modeling seepage erosion and bank retreat in a composite river bank. Journal of Hydrology 476: 178-187.
15. Kessler Andrew C., Gupta Satish C., Brown Melinda K.. (2013). Assessment of river bank erosion in Southern Minnesota rivers post European settlement. Geomorphology (201):12–322.
16. Konsoer,Kory M., Rhoads,Bruce Lane, Langendoen,Eddy J., Best,James L., Ursic,M. E., Abad,Jorge D. 2015. Spatial variability in bank resistance to erosion on a large meandering, mixed bedrock-alluvial river. Geomorphology. 252. 80-97.
17. Lai, Y. G. and Greimann, B.P. (2010). “Predicting contraction scour with twodimensionaldepth averaged model.” Journal of Hydraulic Research, 48(3),383-387.
18. Lai, Y.G., Greimann, B.P. (2008). Rock erosion modeling on selected alluvilarivers in Taiwan,” Technical Report SRH-2008-08, Technical Service Center,Bureau of Reclamation, Denver, CO.
19. Lai, Yong G.,Greimann, Blair P. 2011. SRH Model Applications and Progress Report on Bank Erosion and Turbidity Current Models. Technical Report No. SRH-2010-22. PP. 170.
20. Lindow, N., Fox, G.A., Evans, R.O., 2009. Seepage erosion in layered stream bank material. Earth Surface Processes and Landforms 24, 1693–1701.
21. Merritt, W.S., Letcher, R.A., Jakeman, A.J. 2003: A review of erosion and sediment transport models. Environmental Modelling and Software 18: 761–799.
22. Midgley Taber L., Fox Garey A., Heeren Derek M. 2012. Evaluation of the bank stability and toe erosion model (BSTEM) for predicting lateral retreat on composite streambanks. Geomorphology 145–146 (2012) 107–114.
23. Morgenstern, N.R., and Price, V.R., 1965. The analysis of the stability of generalslip surfaces. Geotechnique, 15, 79-93.
24. Parker Chris, Simon Andrew, Thorne Colin R.. 2008. The effects of variability in bank material properties on riverbank stability: Goodwin Creek, Mississippi. Geomorphology 101 (2008) 533–543.
25. Pollen, N., Simon, A., 2005. Estimating the mechanical effects of riparian vegetation on stream bank stability using a fiber bundle model. Water Resources Research 41. http://dx.doi.org/10.1029/2004WR003801 (W07025).
26. Prosser, I.P., Rutherfurd, I.D., Olley, J.M., Young, W.J., Wallbrink, P.J., Moran, C.J., 2001. Large-scale patterns of erosion and sediment transport in river networks, with examples from Australia. Marine and Freshwater Research 52, 81–99.
27. Rinaldi, M., Casagli, N., 1999. Stability of river banks formed in partially saturated soils and effects of negative pore water pressures: the Sieve River (Italy). Geomorphology 26, 253–277.
28. Rinaldi, M., Mengoni, B., Luppi, L., Darby, S.E., Mosselman, E., 2008. Numerical simulation of hydrodynamics and bank erosion in a river bend. Water Resources Research 44, W09428. doi:10.1029/2008WR007008.
29. Samadi, A., Amiri Tkldany, I., Davoudi, M.H, Rahimi, H. Determine of the effect of parameters uncertainty on the results of validation of stability analysis overhanging arches on the banks of a multilayer streambank. Journal of water research. Vol. 4. No 7. 69-80.
30. Simon, A., Collison, A.J.C., 2002. Quantifying the mechanical and hydrologic effects of riparian vegetation on streambank stability. Earth Surface Processes and Landforms 27, 527–546.
31. Simon, A., Curini, A., Darby, S.E. and Langendoen, E.J., 2000, Bank and near-bank processes in an incised channel, Geomorphology, 35, 193-217.
32. Simon, A., Pollen-Bankhead, N., Mahacek, V., Langendoen, E., 2009. Quantifying reductionsof mass-failure frequency and sediment loadings from streambanks using toeprotection and other means: Lake Tahoe, United States. Journal of the AmericanWater Resources Association 45, 170–186.
33. Ta, W.Q., Xiao, H.L., Dong, Z.B., 2008. Long-term morphodynamic changes of a desert reach of the Yellow River following upstream large reservoirs' operation. Geomorphology 97, 249–259.
34. Thoma, D.P., Gupta, S.C., Bauer, M.E., Kirchoff, C.E., 2005. Airborne laser scanning for riverbank erosion assessment. Remote Sensing of Environment 95, 493–501.
35. Wu, J.M., Wang, R.S., Yao, J.H., 2006. Remote sensing monitoring and study on the change of the Yellow River course in Yinchuan plain sector. Remote Sensing for Land & Resources 4, 36–40 (in Chinese).