Two-Dimensional Numerical Simulation Study on Bed-load Transport in Fluctuating Backwater Area: A Case-Study Reservoir in China

Abstract

Numerical modeling of sedimentation and erosion in reservoirs is an active field of reservoir research. However, simulation of bed-load transport phenomena has rarely been applied to other water bodies, in particular, the fluctuating backwater area. This is because the complex morphological processes between hydrodynamics and sediment transport are generally challenging to accurately predict. In this study, the refinement and application of a two-dimensional shallow-water and bed-load transport model to the fluctuating backwater area is described. The model employs the finite volume method of the Godunov scheme and saturated sediment transport equations. The model was verified against experimental data of a scaled physical model. It was then applied to actual reservoir operation, including reservoir storage, reservoir drawdown and continuous flood process, to predict the morphology of reservoir sedimentation and sediment transport rates and bed level changes in the fluctuating backwater area. It was found that the location and morphology of sedimentation effected by the downstream water level results in random evolution of the river bed, and bed-load sedimentation is transported from upstream to downstream with the slope of the longitudinal section of the river bed generally reduced. Moreover, the sediment is mainly deposited in the main channel and the elevation difference between the riverbank and channel decreases gradually.

Xây dựng mô hình số mô phỏng biến đổi hình thái sông có địa hình đáy dốc

“…Tốc độ thay đổi địa hình đáy của một con kênh do bùn cát bị cuốn trôi hay bồi tụ là yếu tố then chốt để xác định diễn biến của lòng sông. Các phương trình mô phỏng diễn biến xói lở hay bồi tụ đáy sông cho các khu vực có địa hình đáy dốc thường dựa trên chuyển vận bùn cát đáy [30][31]. Phương trình liên tục bùn cát đáy được xây dựng có dạng phương trình (9).…”

“…Khu vực nghiên cứu là một đoạn kênh có tên gọi Taebaek, thuộc sông Yangyang nằm ở phía đông nam tỉnh Gangwon, Hàn Quốc (Hình 5). Khu vực đoạn sông nghiên cứu đặc trưng bởi địa hình dốc với độ dốc trung bình lớn hơn 2,5% thuộc sông miền núi Taebaek có độ cao 1,549 mét bên trên mực nước biển trung bình [30][31]. Khu vực đoạn sông nghiên cứu có lưu lượng dòng chảy thấp trong điều kiện thời tiết bình thường, tuy nhiên lưu lượng dòng sẽ tăng nhanh và gây lũ đe dọa các công trình dân dụng cũng như các khu dân cư ven sông khi khu vực xuất hiện những cơn mưa to, hay mưa trong bão [30][31].…”

“…Khu vực đoạn sông nghiên cứu đặc trưng bởi địa hình dốc với độ dốc trung bình lớn hơn 2,5% thuộc sông miền núi Taebaek có độ cao 1,549 mét bên trên mực nước biển trung bình [30][31]. Khu vực đoạn sông nghiên cứu có lưu lượng dòng chảy thấp trong điều kiện thời tiết bình thường, tuy nhiên lưu lượng dòng sẽ tăng nhanh và gây lũ đe dọa các công trình dân dụng cũng như các khu dân cư ven sông khi khu vực xuất hiện những cơn mưa to, hay mưa trong bão [30][31]. Mặc dù khu vực đoạn kênh nghiên cứu có mưa hàng năm trung bình trong khoảng hơn 1,300 mm, tuy nhiên khu vực có thể xuất hiện lũ gây ảnh hưởng nghiêm trọng khi xảy ra mưa to hay mưa trong bão (Hình 6).…”

The backwater effect as a tool to assess formative long-term flood regimes

“…One of the factors that modifies the flood hydrograph shape is the backwater effect created by introducing water storage upstream from a flow disturbance. The backwater effect, due to artificial interventions in rivers such as bridges or spurs, has been studied extensively (for instance, Naudascher and Medlarz, 1983;Azinfar and Kells, 2011;Hidayat et al, 2011;Saif and Hosoda, 2012;Brandimarte and Woldeyes, 2013;Luo et al, 2018). However, limited number of studies investigated the backwater effect caused by geomorphological constrictions and its consequences on river morphology.…”