This article presents the numerical modelling of hydrodynamics and sediment transport processes in the seasonal Pathri Rao River, which flows in the Northern part of India. Modelling is made by the coupled application of the hydrodynamic model called TELEMAC-2D and the morphodynamic model called SediMorph. The hydrodynamic model results are validated with the observed data and it has been found that the present model provides reasonable predictions. Likewise, the validation of the morphodynamic model is also presented. For this purpose, the suspended and bed load transport modules are validated separately for four runoff events observed during the investigations. The validation of the former is approached by comparing the depth-averaged suspended transport concentrations against experimental measurements made at the make-shift gauging station and subsequent comparison against experimental measurements. On the other hand, due to non-availability of the observed values on bed load sediment transport, the bed load sediment transport and bed evolution numerical results could not be validated quantitatively and was approached only on qualitative basis. In general, both validations present an acceptable agreement with measurements and scientific facts. Further, this study demonstrates that the coupled TELEMAC-2D/SediMorph system could be used with confidence for practical applications in the Pathri Rao River. and Príspevok obsahuje výsledky numerického modelovania hydrodynamických javov a transportu sedimentov v občasnom toku Pathri Rao, v severnej časti Indie. Procesy boli modelované zdvojenou aplikáciou hydrodynamického modelu TELEMAC-2D a morfodynamického modelu SediMorph. Výsledky modelovania hydrodynamickým modelom boli verifikované s využitím pozorovaných hodnôt; bolo zistené, že model dáva akceptovateľné výsledky. Prezentuje sa tiež verifikácia morfodynamického modelu. Počas epizód odtoku bol transport suspendovaných častíc a častíc transportovaných po dne toku verifikovaný osobitne. Verifikácia transportu suspendovaných častíc bola uskutočnená porovnaním hĺbkovo spriemerovanými koncentráciami suspendovaných častíc s meranými hodnotami na prietokomerných staniciach. Pre nedostatok pozorovaných údajov o dnovom transporte, údaje o ňom a o zmenách morfológie toku mohli byť verifikované len kvalitatívne. Záverom, obe verifikácie dali akceptovateľnú zhodu s výsledkami meraní a existujúcimi vedeckými poznatkami. Okrem toho výsledky štúdie demonštrujú schopnosť zdvojených modelov TELEMAC-2D/SediMorph získavať spoľahlivé výsledky pri aplikácii na rieke Pathri Rao.
Uniform flow in compound channels has been studied in terms of a numerical model, called the NKE model. The model uses the three dimensional Navier-Stokes equations in conjunction with the non-linear k-ε turbulence model. The latter is used for the calculation of the Reynolds stress components responsible for the generation of the secondary currents. This model is based on the SIMPLE technique, and computes the six parameters U, V, W, P, k, and ε using wall functions on a Cartesian grid. The NKE model was used to simulate the compound open channel flows of the UK Flood Channel Facility run 080301 (Shiono and Knight, 1989). The Reynolds Stress Model (RSM) of FLUENT was also used as a comparison. The results obtained have shown that the NKE and RSM models can reasonably predict the primary mean velocity and secondary currents. Although agreement is certainly not perfect in every detail, the main features of the flow are reproduced. The bulging of the contours at the bottom corner of the main channel, the inclination of the contours near the free surface towards the channel centre, and the depression of the maximum velocity below the free surface can be seen. These are consistent with the pattern of the secondary flows, which are mainly formed by two vortices, namely the main channel vortex and flood plain vortex. These vortices, which originate near the main channel-flood plain junction, can be reproduced by the NKE and RSM models. and Štúdia pomocou numerického modelu NKF analyzuje ustálený rovnomerný prúd vody v koryte zloženom z kinety a dvoch symetrických beriem so zvislými stranami. Model využíva tri rovnice Naviera- Stokesa a nelineárny k-ε model turbulencie, ktorý simuluje Reynoldsove napätia, zodpovedné za druhotné prúdy. Tento model, založený na tzv. SIMPLE technike, počíta šesť parametrov U, V, W, P, k a ε pri použití stenových funkcií a karteziánskej siete. NKE model simuloval prúdenie, experimentálne pozorované na zariadení UK Flood Channel Facility ako séria č. 080301 (Shiono a Knight, 1989). Model pre Reynoldsove napätia (RSM) z balíka FLUENT bol tiež využitý na porovnanie. Výsledky ukázali, že modely NKE a RSM sú schopné predpovedať ako základné rýchlostné pole, tak aj vyvolané druhotné prúdenia. Aj keď zhoda s experimentom nie je v každom detaile úplná, hlavné znaky rýchlostného poľa sú zobrazené. Na simulácii možno vidieť zaoblenie rýchlostného poľa v rohoch dna hlavného kanála, sklon poľa v blízkosti hladiny smerom do stredu, ako aj pokles maxima rýchlosti pod voľnú hladinu. Tieto efekty sú v súlade s obrazom druhotných prúdov, ktoré sú tvorené hlavne dvoma vírmi - vírom kinety a vírom bermy. Tieto víry, vznikajúce pri spojení kinety s bermou, môžu byť reprodukované modelmi NKE a RSM.
A finite volume model for two-layer shallow water flow in microtidal salt-wedge estuaries is presented in this work. The governing equations are a coupled system of shallow water equations with source terms accounting for irregular channel geometry and shear stress at the bed and interface between the layers. To solve this system we applied the Qscheme of Roe with suitable treatment of source terms, coupling terms, and wet-dry fronts. The proposed numerical model is explicit in time, shock-capturing and it satisfies the extended conservation property for water at rest. The model was validated by comparing the steady-state solutions against a known arrested salt-wedge model and by comparing both steady-state and time-dependant solutions against field observations in Rječina Estuary in Croatia. When the interfacial friction factor was chosen correctly, the agreement between numerical results and field observations was satisfactory.
Study is focused on the numerical modeling of fly-ash transport in three sands, which was experimentally studied in the laboratory. Sands were packed in glass cylinders with diameter of 5.52 cm and height of 18 cm. Sands were also packed in plastic cylinders with diameter of 30 cm and height of 40 cm. The fly-ash and pulse infiltrations were applied on the top of all cylinders. Visually observed and gravimetrically evaluated fly-ash migration in small cylinders corresponded to fly-ash mobility in large columns detected using the SM400 Kappameter. The HYDRUS-1D code was used to simulate observed fly-ash transport. Parameters of soil hydraulic functions were either obtained using the Tempe cells and the RETC program or estimated using numerical inversion of transient water flow data measured in both types of columns using HYDRUS-1D. Parameters characterizing colloid transport in sands were then estimated from the final fly-ash distribution in sandy columns using attachment/detachment concept in HYDRUS-1D. Fly-ash mobility increased with increasing sand particle sizes, e.g. pore sizes. Particle sizes and pore water velocity influenced the attachment coefficient, which was calculated assuming filtration theory. The same longitudinal dispersivity, sticking efficiency and detachment coefficient sufficiently characterized fly-ash behavior in all sands. and Studie je zaměřena na numerické modelování transportu úletového popílku ve třech píscích, který byl experimentálně studován v laboratoři. Písky byly nahutněny ve skleněných válcích o průměru 5,52 cm a výšce 18 cm. Písky byly také nahutněny v plastových válcích o průměru 30 cm a výšce 40 cm. Na povrchu válců byly aplikovány jednorázové infiltrace vody s popílkem. Migrace úletového popílku pozorovaná vizuálně a zjištěná gravimetricky v malých válcích odpovídala mobilitě úletového popílku detekované Kappametrem SM400 ve velkých válcích. Pozorovaný transport úletového popílku byl simulován programem HYDRUS-1D. Parametry hydraulických funkcí byly získány buď pomocí Tempských cel a programu RETC nebo odhadovány numerickou inverzí transientních data měřených na obou typech válců programem HYDRUS-1D. Parametry charakterizující transport koloidů v píscích byly potom odhadovány z konečné distribuce úletového popílku v písčitých sloupcích užitím konceptu attachment/detachment (připojení/odpojení) v programu HYDRUS-1D. Mobilita úletového popílku se zvyšovala se zvyšující se velikostí písčitých zrn, tj. s velikostí pórů. Velikost zrn a pórová rychlost ovlivnila depoziční (attachment) koeficient, který byl počítán na základě filtrační teorie. Stejné hodnoty podélné disperze, efektivity blokování (sticking efficiency) a mobilizačního (detachement) koeficientu charakterizovaly chování úletového popílku ve všech píscích.
Paper presents the results of numerical modelling of re-suspension of cohesive sediments settled behind spurs and dikes at the end of backwater of Střekov river reservoir. The monitoring of water, sediment and suspended load quality of Czech Elbe between 1991 and 2001 showed a considerable improvement of environment quality in the main channel of Elbe and even in small weir reservoirs along the waterway, but, in the bights of reservoirs of higher weirs, there are layers of sediments containing old pollutants. These are resuspended during catastrophic floods and then transported downstream like suspended load make the water quality worse. Sediments containing dangerous pollutants (mostly heavy metals) in the Czech reach of Elbe river were assessed in Rudiš, 2000. Its re-suspension may be predicted using at least two-dimensional mathematical model of the water flow. Such model must be “open” for imputation of the criterion of re-suspension Rudiš et al., 1999. Using the model FAST 2D (Wenka, Valenta, 1991) together with the data processing program (Valenta, Wenka, 1996), the authors obtained a tool for modelling of behaviour of cohesive sediments during a definite flood. It is to note that Elbe, from its confluence with Vltava (Moldau) river as far as to the state border, was, in the past, equipped by a system of dikes and spurs originally built up for maintenance of navigable depth. These constructions are submerged now by water elevated by weirs constructed afterwards. Behind these submerged dikes and spurs, water flows very slowly at low flow rates and thus sedimentation occurs there. After some time of sediments being at rest, they attain the cohesive properties and the re-suspension requires shear stress the more increasing with time. As a practical example, the locality at the end of the backwater of the reservoir Střekov was chosen for computation of the time procedure of re-suspension of cohesive sediments from the area behind dikes and spurs. A further reason for computation in this locality was in fact that these sediments may be polluted by effluents from Lovosice chemical factory (Lovochemie) and, being re-suspended, may influence the quality of Elbe water as far as to the German reach of Elbe river. and Článek předkládá výsledky numerického modelování resuspendace kohesivních sedimentů, které jsou usazeny za výhony a hrázkami na začátku vzdutí nádrže Střekov. Sledování kvality vody, sedimentů a plavenin v českém Labi v letech 1991 až 2001 ukázalo významný vzestup kvality prostředí v hlavním korytě toku a také v malých zdržích vodní cesty, avšak v zálivech větších zdrží zůstaly vrstvy kohesivních sedimentů obsahující staré zátěže. Ty se dostanou do vznosu působením vysokých rychlostí vody za katastrofálních průtoků, jsou dále unášeny tokem ve formě plavenin a svým obsahem zhoršují kvalitu vody. Sedimenty v Labi obsahující nebezpečné polutanty (jedná se převážně o těžké kovy) byly stanoveny v práci Rudiš, 2000. Jejich resuspendaci je možno předpovídat s použitím nejméně dvourozměrného numerického modelu proudění, který musí být ''otevřený'', aby bylo možno do něho vložit kriteriální vztah pro resuspendaci (Rudiš a kol., 1999). Použitím modelu FAST 2D (Wenka, Valenta, 1991) spolu s programem pro zpracování dat (Valenta, Wenka, 1996) dostali autoři nástroj modelování kohesivních sedimentů při definované povodni. Je třeba poznamenat, že Labe od soutoku s Vltavou až po státní hranici bylo vybaveno systémem podélných hrázek a výhonů vybudovaných pro zajištění plavební hloubky za nízkých průtoků. Tyto konstrukce jsou nyní ponořeny pod hladinou jezů vybudovaných nebo rekonstruovaných později. Za nimi ovšem voda proudí ve srovnání s hlavním korytem velice pomalu, takže tam dochází k sedimentaci. Sedimenty jsou po dobu trvání nízkých průtoků v klidu, nabudou kohesivních vlastností a jejich resuspendace bude vyžadovat s časem stále vyšší hodnoty smykového napětí. Jako praktický případ předpovědi průběhu resuspendace za povodně ve složitých geometriích kombinace hlavního koryta a oboustranného systému hrázek rozdělených příčnými výhony byla vybrána lokalita na začátku vzdutí nádrže Střekov. Dalším důvodem výběru této lokality byl fakt, že se v ní usazují plaveniny z odpadních vod závodu Lovochemie v Lovosicích. Tento sediment může proto obsahovat nebezpečné polutanty a kdyby byl resuspendován, může ve formě plavenin ohrozit kvalitu vody až na německém území.
The focus of this paper is on the analysis of the influence of near-bed turbulence structures with the inclusion of existing coherent structures on the entrainment of saltating particles in a water stream from the Lagrangian perspective. The interactions between turbulence structures and initiation of particles movement is the key for better understanding of the physics of sediment transport and particles behaviour. These aims are addressed by use of a 3D relevant model of spherical saltating particles, in which a special procedure has been designed to produce coherent structures. In this method, the spectra of turbulent kinetic energy, consisting of four ranges, are used to generate the time series of turbulent velocities in the streamwise, vertical and transversal directions. Numerical results suggest that the initiation of sediment movement is strongly correlated to positive streamwise velocity fluctuations and as such, supports earlier laboratory experimental and field observations, showing that the sweeps and outward interactions play a crucial role in the initiation of saltating particles’ movement.