پیش بینی رفتار جریان در رودخانه ها به ویژه در مواقع سیلابی و در هنگام ایجاد مقاطع مرکب بسیار مهم است. در پژوهش حاضر تلاش شده است با استفاده از ابزار دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) میدان جریان شامل توزیع عرضی سرعت متوسط درعمق، تنش برشی مرزی، نمودار های منحنی های هم سرعت، جریان های ثانویه و نیمرخ سطح آب در یک کانال مرکب مورب با زاویه اریب 81/3 درجه به صورت عددی شبیه سازی شود. برای این منظور از نرم افزار محاسباتی FLOW-3D و مدل های آشفتگی گروه های دوباره نرمال شده (RNG) و شبیه سازی گردابه بزرگ (LES) استفاده شده است. نتایج شبیه سازی عددی در شش مقطع در طول کانال مرکب مورب با نتایج مطالعات آزمایشگاهی مقایسه شده است. نتایج حاصله بیانگر آن است که مدل آشفتگی RNG عملکرد بهتری نسبت به مدل آشفتگی LES در تخمین ویژگی های مختلف جریان در کانال مرکب مورب داشته است. به نحوی که میانگین قدرمطلق درصد خطا (MAPE) بین نتایج مدل آشفتگی RNG و داده های آزمایشگاهی مورد بررسی در این پژوهش، برای پیش بینی توزیع عرضی سرعت متوسط در عمق برابر 53/6 درصد، تنش برشی مرزی برابر 07/12 درصد، توزیع دبی برابر 59/4 درصد و نیمرخ سطح آب برابر 97/1 درصد بوده است.

تخمین سطح آب در زمان وقوع سیلاب یکی از مهم­ترین چالش­ها در مدیریت و کنترل سیلاب می­باشد. در هنگام وقوع سیلاب، رودخانه­ به صورت یک کانال مرکب شامل کانال اصلی و سیلابدشت­ها عمل می­کند. وجود پوشش­گیاهی در سیلابدشت تاثیر قابل توجهی بر هیدرولیک جریان دارد و میزان این تاثیر به نوع پوشش گیاهی، انعطاف پذیری، چیدمان، تراکم، استغراق و عدم استغراق وابسته است. مدلسازی پروفیل سطح آب برای برآورد رابطه دبی اشل، طراحی سازه­های هیدرولیکی، مدیریت رودخانه و کنترل سیلاب ضروری است. هدف از این مطالعه ارائه مدلی جهت تخمین سطح آب در کانال مرکب با وجود پوشش­گیاهی صلب در سیلابدشت می­باشد، به این منظور تاثیر پارامترهای مختلفی از جمله چیدمان، تراکم، عمق نسبی و فاصله نسبی بر پروفیل سطح آب به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. آزمایشات در دو چیدمان مربعی و شطرنجی، سه تراکم مختلف و پنج عمق نسبی مختلف انجام و وابستگی پروفیل بدون بعد سطح آب به تغییر این چهار پارامتر بی­بعد بررسی گردید. سپس با استفاده از داده­های آزمایشگاهی، یک مدل رگرسیونی چند متغیره(MRM)  به منظور پیش­بینی پروفیل سطح آب ارائه شد. نتایج نشان می­دهد که رابطه دبی اشل در کانال مرکب با وجود پوشش گیاهی در سیلابدشت، در تمام شرایط به صورت نمایی و با R2 بالاتر از 9/0 می­باشد.  مقایسه نتایج حاصل از مدل رگرسیونی برآورد پروفیل سطح آب با داده­های آزمایشگاهی توافق خوبی با R2، 96/0 و درصد میانگین خطای مطلق 31/2 % را نشان می­دهد.

مطالعه تجربی میدان جریان در آبراهه‎های مرکب می تواند در پیش بینی رفتار رودخانه ها در زمان سیلاب، به مهندسین هیدرولیک کمک نماید. در این پژوهش تلاش شده است با استفاده از داده های آزمایشگاهی میدان جریان شامل نمودارهای منحنی های هم سرعت، پراکنش عرضی سرعت میانگین در عمق، پراکنش عرضی تنش برشی مرزی و تنش برشی ظاهری در فصل مشترک بین آبراهه اصلی و سیلاب دشت ها در یک آبراهه مرکب منشوری با سیلاب دشت های به عرض 400 میلی متر و شیب جانبی 075/0 (زاویه 29/4 درجه) مورد مطالعه قرار گیرد. برای این منظور پس از برقرای جریان یکنواخت برای پنج عمق نسبی مختلف 235/0، 270/0، 316/0، 363/0 و 393/0 (متناظر با دبی های 27، 30، 35، 40 و 45 لیتر بر ثانیه) سرعت های نقطه ای با استفاده از سرعت سنج صوتی داپلر (ADV) اندازه گیری شده است. تنش برشی مرزی نیز با استفاده از لوله پرستون اندازه گیری شده است. در برخی مراحل نتایج حاصل از این پژوهش با داده های موجود در آبراهه های مرکب منشوری با سیلاب دشت های به عرض 400 میلی متر ولی بدون شیب عرضی مقایسه شده است. بررسی ها نشان می دهد که در آبراهه مرکب منشوری نیز حداکثر اندرکنش بین جریان در آبراهه اصلی و سیلاب دشت ها در محوده عمق نسبی تقریباً 3/0 اتفاق می افتد.

یکی از جنبه های مهم در توصیف رفتار رودخانه، مارپیچی بودن آن میباشد. تولید خمهای متوالی در رودخانه های طبیعی یک مولفه اجتناب ناپذیر از فرایندی است که رودخانه طی آن دچار دگرگونی میشود. آگاهی از هیدرولیک جریان در اندرکنش کانال اصلی و سیلاب دشت به خصوص در زمان سیلاب برای حفاظت خاک بستر و نیز سازه ها و تاسیسات موجود لازم و ضروری است. این تحقیق، برای شناخت بهتر هیدرودینامیک جریان متوسط و آشفته در کانالهای مرکب مارپیچ انجام شد. با توجه به شرایط طبیعی اکثر رودخانه ها، به دلیل متغیر بودن دبی و نسبتهای عمقی متفاوت )عمق جریان در سیلاب دشت به عمق جریان در کانال اصلی(، در این پژوهش فلوم آزمایشگاهی مستطیلی پیچانرودی با سینوسیتی ثابت 1. 3 برای نسبت های عمقی متفاوت 0. 35 و 0. 55 بررسی شد. نتایج نشان داد که اندازه اجزاء مختلف سرعت در هر سه راستای مختصات در عمق نسبی 0. 35 بیشتر از 0. 55 است که نشان از قدرت بیشتر گرداب ها و شدت اندرکنش بین کانال اصلی و سیلاب دشت در عمق نسبی کمتر را داشت. همچنین با بررسی جریانهای ثانویه، وجود گردابهای چرخشی ساعتگرد و پادساعتگرد در کانال اصلی و سیلاب دشتها و موقیعت ایجاد این جریانات تعیین شد.

رودخانه های طبیعی برای تنظیم شیب خط انرژی، به ندرت در مسیری مستقیم جریان دارند و معمولا دارای مسیری انحنادار هستند که به آن ها پیچان رود گفته می شود. پس از پیدایش رودخانه های پیچان، با گذشت زمان و حرکت جانبی پیچ ها، میزان پیشروی قوس برونی افزایش یافته و مقدار ضریب خمیدگی یا سینوسی در پلان زیاد می شود. درکانال های پیچان، میزان انحنا با عدد بی بعدی به نام ضریب خمیدگی تعریف می شود که نسبت طول مسیر انحنادارکانال اصلی به طول مستقیم سیلاب دشت می باشد. با افزایش مقدار ضریب خمیدگی، شیب، سرعت جریان و ظرفیت انتقال دبی رودخانه کاهش می یابد. در نتیجه خطر سیلابی شدن به طور قابل توجهی افزایش یافته و در هنگام بروز سیلاب، سطح آب از مقطع اصلی رودخانه فراتر رفته و وارد دشت های سیلابی آن می شود. در این حالت با توجه به اندرکنش بین جریان با سرعت بالا در کانال اصلی و جریان کندتر در سیلاب دشت ها و تبادل اندازه حرکت بین این دو ناحیه، مشخصات جریان دائما در حال تغییر می کند. در این تحقیق، مشخصات هیدرولیکی جریان شامل توزیع عرضی سرعت متوسط عمقی، پروفیل سطح آب، توزیع سرعت در طول، نسبت سرعت عرضی به طولی در محور مرکزی کانال اصلی، میزان سرعت متوسط و دبی عبوری از کانال اصلی، بردارهای سرعت در مقاطع مختلف عرضی و توزیع برآیند سرعت در سطوح مختلف افقی با توجه به تغییر ضریب خمیدگی برای شش نوع کانال با مقادیر سینوسی مختلف به صورت عددی مورد بررسی قرارگرفته است. برای بررسی اثر ضریب خمیدگی کانال مرکب پیچان روی مشخصات هیدرولیکی جریان، از نرم افزار FLOW3D استفاده شده است و مدل آشفتگی این نرم افزار نیز طوری انتخاب گردیدکه انطباق بهتری با داده های آزمایشگاهی داشته باشد. برای این منظور، از دو مدل آشفتگی پرکاربرد RNG و k-ε استفاده شد و عملکرد این دو مدل در شبیه سازی مشخصه هیدرولیکی جریان مورد بررسی قرار گرفت و مشخص گردید که مدل آشفتگی RNG دارای دقت بیشتری می باشد. در ادامه، این مدل به عنوان مدل آشفتگی نهایی برای شبیه سازی عددی معرفی گردید. در نهایت با بررسی کانال مرکب پیچان تحت تاثیر ضریب خمیدگی مختلف مشخص شد که با افزایش ضریب خمیدگی کانال از مقدار 1 به 1. 641، مقدار سرعت متوسط مقطع کانال اصلی به طور میانگین 54% و میزان دبی عبوری از کانال اصلی به طور متوسط 38% کاهش می یابد. با افزایش ضریب خمیدگی، مقدار حداکثر سرعت متوسط عمقی از 0. 55 به 0. 38 متر برثانیه کاهش و مقدار حداکثر ارتفاع سطح آب از 0. 305 به 0. 332 متر در قوس بیرونی مقطع CS1 افزایش می یابد. افزایش مقدار ضریب خمیدگی باعث می شود نسبت سرعت عرضی به سرعت طولی در محور مرکزی کانال اصلی افزایش یافته به طوری که مقدار آن در بحرانی ترین حالت از صفر به 0. 4 می رسد. با افزایش ضریب خمیدگی، مقدار سرعت طولی حداکثر به سمت سیلاب دشت سمت راست (خم داخلی) حرکت کرده و از مقدار آن کاسته می شود. به طوری که با افزایش ضریب خمیدگی از 1 به 1. 641، مقدار حداکثر سرعت طولی از 0. 55 به 0. 42 متر برثانیه کاهش یافته و موقعیت آن از مرکز کانال اصلی به سمت خم داخلی در بالای عمق لبریز کانال اصلی حرکت می کند.

پوشش گیاهی سیلابدشت می تواند خصوصیات جریان رودخانه را با اعمال یک نیروی کشانه اضافی تغییر دهد. در این پژوهش، ساختار جریان و خصوصیات تلاطم تحت اثر پوشش گیاهی دولایه ناهمگون در نوار کناری سیلابدشت های یک کانال مرکب مطالعه شد. در مطالعه این پدیده، از یک مدل عددی سه بعدی برای حل معادلات ناویر استوکس و ردیابی سطح آزاد استفاده شد. برای اطمینان از عملکرد مدل، نتایج عددی با استفاده از داده های مطالعات آزمایشگاهی پیشین اعتبارسنجی شد. نتایج اعتبارسنجی نشان داد که این مدل دقت بالایی در بازتولید خصوصیات دینامیکی جریان دارد. در گام بعدی، مدل در پیش بینی تغییرات سطح آزاد و میدان سرعت جریان ماندگار در ناحیه دارای پوشش گیاهی سیلابدشت مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که شکل گیری گرادیان سرعت در فصل مشترک بین کانال اصلی و سیلابدشت، منجر به توسعه جریان های ثانویه و انتقال جرم و مومنتوم در این ناحیه می شود. همچنین، انرژی جنبشی تلاطم و اتلاف انرژی جریان عبوری از ناحیه دارای پوشش گیاهی در سیلابدشت نسبتا زیاد است، بنابراین نتیجه گیری شد که پوشش گیاهی ناهمگون می تواند موجب افزایش تلاطم و اتلاف انرژی جنبشی جریان شود. مقادیر بیشینه پارامترهای انرژی جنبشی تلاطم و شدت تلاطم در فصل مشترک سیلابدشت و کانال اصلی رخ داد. بنابراین، تلاطم قابل ملاحظه در فصل مشترک سیلابدشت و کانال اصلی می تواند انتقال جرم و مومونتوم را در این ناحیه تقویت کند.

در مقاطع مرکب پوشش گیاهی باعث می شود زبری سیلاب دشت ها نسبت به کانال اصلی و ﺍﺧﺘﻼﻑ ﺳﺮﻋﺖ و اندازه حرکت میان آن ها افزایش یابد که خود منجر به بالا رفتن گرادیان عرضی سرعت جریان در سیلاب دشت ها و تنش برشی ظاهری در سطح مشترک کانال اصلی و سیلابدشت می شود. همچنین در رودخانه های طبیعی به دلیل تشکیل مقاطع غیرمنشوری، انتقال اندازه حرکت بالایی میان زیربخش ها رخ می دهد که شناخت هیدرولیک جریان را پیچیده تر می کند. در این تحقیق ساختار جریان در کانال غیرمنشوری با سیلاب دشت های همگرا و پوشش گیاهی مستغرق مورد مطالعه قرار گرفته است. آزمایش ها در دو عمق نسبی (نسبت عمق آب در سیلابدشت به عمق آب در کانال اصلی) 21/0 و 31/0 برای زاویه های همگرایی 25/7 و 3/11 درجه انجام شده است. نتایج حاصل نشان می دهد که به ازای عمق نسبی بیشتر و با افزایش زاویه همگرایی، سیلابدشت ها در مقطع میانی نسبت به مقطع ابتدایی، تمایل کمتری به مشارکت در گذردهی دبی دارند. حداکثر سرعت جریان که در محور میانی کانال اصلی اتفاق می افتد، با افزایش عمق نسبی و گسترش جریان های ثانویه، به سمت میانه کانال جا به جا می شود. با افزایش زاویه همگرایی مقادیر زبری در کانال اصلی و سیلاب دشت افزایش می یابد. توزیع متوسط انرژی جنبشی جریان نشان می دهد که با افزایش عمق نسبی، مقادیر آن در مقاطع میانی، در هر دو زاویه همگرایی کاهش می یابد.

طراحی و مدیریت موثر سیستم های رودخانه ای همراه با پوشش گیاهی نیاز به درک عمیق و شناخت از مکانیک جریان حاکم بر آن ها را دارد. در مطالعه حاضر به بررسی آزمایشگاهی تاثیر پوشش گیاهی منعطف مستغرق در سیلابدشت بر شرایط جریان و نقش آن در کانال های مرکب پیچان رود در دو عمق نسبی 35/0 و 55/0 پرداخته شده است. داده های سرعت با استفاده از سرعت سنج صوتی داپلر برداشت و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد، حضور پوشش گیاهی ظرفیت انتقال توسط کانال مرکب را به دلیل افزایش مقاومت در برابر جریان کاهش داده است. همچنین وجود پوشش گیاهی باعث افزایش دبی انتقالی کانال اصلی نسبت به حالت ساده شده است. به طوری که اگر میانگین همه ی مقاطع را حساب کرد، میزان دبی عبوری از کانال اصلی نسبت به دبی کل برای عمق نسبی 35/0 و 55/0 به ترتیب برابر با 54 و 36 درصد است که نسبت به حالت شاهد انتقال از طریق کانال اصلی به ترتیب 19 و 6 درصد افزایش را نشان می دهد. با بررسی خطوط هم سرعت در صورت وجود پوشش گیاهی هسته سرعت ماکزیمم در کانال اصلی افزایش یافته است. بعلاوه پوشش گیاهی موجب برهم خوردن الگوی جریانات ثانویه شد، و بردارهایی با اندازه بزرگ تر در خط اتصال دو کانال با حضور پوشش های گیاهی مشاهده گردید.

پیش بینی دبی جریان در کانال های مرکب یکی از مهمترین مسائل مهندسی هیدرولیک است. از مهمترین پارامترهای جریان در کانال های مرکب نیز می توان به تنش برشی ظاهری اشاره کرد که در اثر اختلاف سرعت جریان در کانال اصلی و سیلاب دشت ها در محل اتصال کانال اصلی به سیلاب دشت ها به وجود می آید. تنش برشی ظاهری باعث ایجاد آشفتگی و گردابه های سه بعدی در مرز کانال اصلی و سیلاب دشت ها و نیز کاهش دبی کل جریان می گردد. در این پژوهش، دبی جریان در کانال های مرکب مستقیم با استفاده از روش های تجربی، روش دسته بندی گروهی داده ها و شبکه عصبی چندلایه مد ل سازی و پیش بینی شد. پارامترهای بی بعد مورد استفاده بدین منظور عبارتند از عمق نسبی جریان، شعاع هیدرولیکی نسبی، مساحت نسبی و زبری نسبی. نتایج نشان داد که روش دسته بندی گروهی داده ها با ضریب تبیین 91/0 و ریشه میانگین مربعات خطای 057/0 دارای مناسب ترین عملکرد در تخمین دبی جریان در کانال های مرکب است. بررسی ساختار روش دسته بندی گروهی داده های توسعه داده شده نشان می دهد که عمق نسبی جریان و مساحت نسبی تأثیر بیشتری را در مدل سازی ظرفیت کانال های مرکب دارند. بررسی عملکرد مدل شبکه عصبی چند لایه توسعه داده شده نشان می دهد که این مدل با ضریب تبیین 82/0 و ریشه مربعات خطای 065/0 دارای دقت بیشتری نسبت به روش های تجربی است. تحلیل حساسیت شبکه عصبی چند لایه نشان داد که پارامترهای شیب طولی، عمق و مساحت نسبی تأثیر بیشتری در دقت پیش بینی جریان دارند که این نکته ساختار بدست آمده از روش دسته بندی گروهی داده ها را تأیید می نماید.

بررسی انتقال بار رسوبی در رودخانه ها و کانال های روباز از اهمیت زیادی برخوردار است. در این تحقیق رفتار تک ذره رسوبی بستر با حرکت لغزشی و غلتشی در سیلاب دشت یک کانال مرکب مستطیلی (دارای دیواره میانی قایم) به صورت آزمایشگاهی و براساس دیدگاه لاگرانژی مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور روش ردیابی ذرات منفرد در یک کانال مستطیلی مرکب مورد استفاده قرار گرفت. نتایج این تحقیق نشان می دهد که توزیع سرعت طولی و عرضی و شتاب عرضی ذرات رسوبی در نواحی دور از ناحیه اندرکنش از توزیع نرمال پیروی می کند. این در حالی است که با افزایش فاصله از مرکز سیلاب دشت و نزدیکی به ناحیه اندرکنش، تبعیت پارامترهای مذکور از توزیع نرمال تضعیف می گردد. بررسی های مطالعه حاضر نشان داد که هیستوگرام شتاب طولی ذره را نمی توان با استفاده از توزیع نرمال برآورد نمود. همچنین مشاهده شد که مقدار کشیدگی هیستوگرام سرعت و شتاب با نزدیک شدن به ناحیه اندرکنش افزایش می یابد.