تعیین سرعت تبادلی جریان عمودی در سطح تماس بستر رودخانه زیارت و محیط متخلخل زیر آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 گروه مهندسی سازه‌های آبی، دانشکده آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گلستان، ایران

چکیده

تخمین میزان دقیق تبادل آب­های سطحی و زیرسطحی در منطقه هایپریک که به عنوان محلی برای زندگی جانداران و میکروارگانیسم­‌ها محسوب می­‌شود، امری ضروری است. با توجه به اختلاف دما بین آب سطحی در رودخانه و آب زیرسطحی در محیط متخلخل واقع در منطقه هایپریک و تبادل آب بین دو محیط، می­‌توان از دما به‌عنوان ردیاب جهت تخمین این تبادلات استفاده کرد. در این تحقیق برای اولین بار در ایران دستگاهی طراحی و ساخته شد تا به واسطه آن امکان اندازه­‌گیری و ثبت دمای رسوبات در عمق منطقه هایپریک زیر بستر رودخانه ایجاد گردد. در همین راستا اندازه­‌گیری در رودخانه زیارت استان گلستان توسط دستگاه مذکور صورت پذیرفت و با استفاده از مدل مفهومی توسعه­‌یافته انتقال حرارت، میزان تبادل جریان آب سطحی و زیرسطحی محاسبه گردید. بدین منظور در یک بازه به‌طول 40 متر از رودخانه، تعداد 10 مقطع عرضی به فواصل 4 متر انتخاب و در هر مقطع دمای چهار عمق مختلف از بستر رودخانه (بلافاصله زیر بستر،0/25 متر، 0/5 متر، 0/75متر) و در ماه­‌های تیر و دی سال 1397، برداشت گردید. نتایج نشان داد که در کلیه فصول سال جریانی دائمی به واسطه اختلاف پتانسیل حرارتی بین جریان آب سطحی و زیر سطحی رودخانه وجود دارد که این امر موجود انتقال مواد مغذی به ریز ارگانیسم­‌ها و در پی آن خودپالایی دائمی رودخانه می­‌گردد. همچنین به‌طور متوسط میزان سرعت عمودی تبادلی در تیرماه و دی ماه به ترتیب برابر 59/3 میلی‌متر در روز و 284/3 میلی‌متر در روز به‌دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Estimation of vertical exchange velocity through the sediment-water interface (Case study: Ziarat River in Golestan province)

نویسندگان [English]

  • Jaefar Khandoozi 1
  • Amir Ahmad Dehghani 2
  • Mehdi Meftah 2
  • Abdolreza Zahiri 3
  • Khalil Ghorbani 1
1 Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
2 Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
3 Associate professor in Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural, Golestan, Iran.
چکیده [English]

Precise estimation of water exchange between surface and subsurface flow in the hyporheic zone which is the habitat of microorganisms, is vital. The temperature can be used as a tracer for the estimation of water exchange through sediment-water interphase. In this study, an instrument was designed and constructed to make the measurement and recording of sediment temperature in the depth of the hyporheic zone possible. In this regard, measurements were made in the Ziarat River of Golestan Province by the aforementioned instrument, and vertical exchange velocity through the sediment-water interface was calculated using an extended conceptual model of heat transfer. For this purpose, in a 40 m interval of the river, 10 cross-sections were selected at 4 m intervals, and at each cross-section, the temperature of four different depths of the riverbed (just below the bed, 0.25, 0.50, 0.75 m) was recorded during July and December 2018. The results showed that in all seasons, there is a continuous vertical exchange through the sediment-water interface, which can be obtained from the difference of thermal potential between the surface and subsurface of the river flow. The average of vertical exchange velocity for July and December was 59.3 mm/day and 284.3 mm/day, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Groundwater
  • Surface flow
  • Water exchange
  • Temperature gradient
  • Hyporheic region

مراجع

[1] J. Stanford, J. Ward, The hyporheic habitat of river ecosystems, Nature, 335(6185) (1988) 64.
[2] P.J. Hancock, A.J. Boulton, W.F. Humphreys, Aquifers and hyporheic zones: towards an ecological understanding of groundwater, Hydrogeology Journal, 13(1) (2005) 98-111.
[3] T.C. Bjornn, D.W. Reiser, Habitat requirements of salmonids in streams, American Fisheries Society Special Publication, 19(837) (1991) 138.
[4] A. Argerich, E. Martí, F. Sabater, M. Ribot, Temporal variation of hydrological exchange and hyporheic biogeochemistry in a headwater stream during autumn, Journal of the North American Benthological Society, 30(3) (2011) 635-652.
[5] C. Anibas, J.H. Fleckenstein, N. Volze, K. Buis, R. Verhoeven, P. Meire, O. Batelaan, Transient or steady‐state? Using vertical temperature profiles to quantify groundwater–surface water exchange, Hydrological Processes, 23(15) (2009) 2165-2177.
[6] M. Brunke, T. Gonser, The ecological significance of exchange processes between rivers and groundwater, Freshwater biology, 37(1) (1997) 1-33.
[7] A.J. Boulton, S. Findlay, P. Marmonier, E.H. Stanley, H.M. Valett, The functional significance of the hyporheic zone in streams and rivers, Annual Review of Ecology and Systematics, 29(1) (1998) 59-81.
[8] M. Mutz, A. Rohde, Processes of Surface‐Subsurface Water Exchange in a Low Energy Sand‐Bed Stream, International Review of Hydrobiology, 88(3‐4) (2003) 290-303.
[9] M. Sophocleous, Interactions between groundwater and surface water: the state of the science, Hydrogeology journal, 10(1) (2002) 52-67.
[10] M.P. Anderson, Heat as a ground water tracer, Groundwater, 43(6) (2005) 951-968.
[11] D.A. Stonestrom, K.W. Blasch, APPENDIX E: DETERMINING TEMPERATURE AND THERMAL PROPERTIES FOR HEAT-BASED STUDIES OF SURFACE-WATER GROUND-WATER INTERACTIONS, STATEMENT BY AUTHOR,  (2003) 169.
[12] D.A. Stonestrom, J. Constantz, Heat as a tool for studying the movement of ground water near streams, US Dept. of the Interior, US Geological Survey, 2003.
[13] C.S. Lowry, J.F. Walker, R.J. Hunt, M.P. Anderson, Identifying spatial variability of groundwater discharge in a wetland stream using a distributed temperature sensor, Water Resources Research, 43(10) (2007).
[14] R.G. Storey, K.W. Howard, D.D. Williams, Factors controlling riffle‐scale hyporheic exchange flows and their seasonal changes in a gaining stream: A three‐dimensional groundwater flow model, Water Resources Research, 39(2) (2003).
[15] C. Van Orstrand, Temperature gradients, Problems of petroleum geology, 989 (1934) 1021.
[16] J. Bredehoeft, I. Papaopulos, Rates of vertical groundwater movement estimated from the earth's thermal profile, Water Resources Research, 1(2) (1965) 325-328.
[17] R. Stallman, Steady one‐dimensional fluid flow in a semi‐infinite porous medium with sinusoidal surface temperature, Journal of geophysical Research, 70(12) (1965) 2821-2827.
[18] D. Kunii, J. Smith, Heat transfer characteristics of porous rocks: II. Thermal conductivities of unconsolidated particles with flowing fluids, AIChE Journal, 7(1) (1961) 29-34.
[19] K. Cartwright, Measurement of fluid velocity using temperature profiles: experimental verification, Journal of Hydrology, 43(1-4) (1979) 185-194.
[20] K. Cartwright, Groundwater discharge in the Illinois Basin as suggested by temperature anomalies, Water Resources Research, 6(3) (1970) 912-918.
[21] M.L. Sorey, Measurement of vertical groundwater velocity from temperature profiles in wells, Water Resources Research, 7(4) (1971) 963-970.
[22] S. Suzuki, Percolation measurements based on heat flow through soil with special reference to paddy fields, Journal of Geophysical Research, 65(9) (1960) 2883-2885.
[23] S.E. Silliman, J. Ramirez, R.L. McCabe, Quantifying downflow through creek sediments using temperature time series: one-dimensional solution incorporating measured surface temperature, Journal of Hydrology, 167(1-4) (1995) 99-119.
[24] C. Schmidt, M. Bayer-Raich, M. Schirmer, Characterization of spatial heterogeneity of groundwater-stream water interactions using multiple depth streambed temperature measurements at the reach scale, Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 3(4) (2006) 1419-1446.
[25] C. Anibas, K. Buis, R. Verhoeven, P. Meire, O. Batelaan, A simple thermal mapping method for seasonal spatial patterns of groundwater–surface water interaction, Journal of Hydrology, 397(1-2) (2011) 93-104.
[26] D. Cheng, J. Song, W. Wang, G. Zhang, Influences of riverbed morphology on patterns and magnitudes of hyporheic water exchange within a natural river confluence, Journal of hydrology, 574 (2019) 75-84.
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 53، شماره 6
شهریور 1400
صفحه 2679-2694

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار