Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99
makalah penelitian
Pemodelan numerik dari proses hidro-morfologi yang didominasi oleh sedimen tersuspensi halus di kolam stormwater
Mingfu Guan
sebuah,⇑, Sangaralingam Ahilan
b,e, Dapeng Yu
sebuah, Yong Peng
c,1, Nigel Wright
dDepartemen Geografi, Universitas Loughborough, Loughborough, Inggris b Pusat Sistem Air, Universitas Exeter, Exeter, Inggris
c Laboratorium Kunci Negara untuk Teknik Hidraulik dan Sungai Gunung, Universitas Sichuan, Cina d Fakultas Teknologi, Universitas De Montfort, Leicester, Inggris
e Water@Leeds dan Sekolah Teknik Sipil, Universitas Leeds, Leeds, Inggris
A R T I K E L INFO Sejarah artikel:
Diterima 23 Mei 2017
Diterima dalam bentuk revisi 7 September 2017 Diterima 3 November 2017 Tersedia online 7 November 2017 Naskah ini ditangani oleh Dr Marco Borga, Pemimpin Redaksi, dengan bantuan Jennifer Guohong Duan, Associate Editor
Kata kunci:
Persamaan air dangkal Beban tunda Perubahan morfologi Kolam air hujan
ABSTRAK
Sedimen halus memainkan peran penting dan ganda dalam fungsi hidrologis, ekologi dan geomorfologi sistem sungai. Studi ini menggunakan model numerik dua dimensi (2D) untuk melacak proses hidromorfologi yang didominasi oleh sedimen tersuspensi halus, termasuk prediksi konsentrasi sedimen di badan aliran, dan erosi dan pengendapan yang disebabkan oleh transportasi sedimen.
Model ini diatur oleh persamaan air dangkal penuh 2D yang dengannya persamaan adveksi-difusi untuk sedimen halus digabungkan. Erosi dasar dan sedimentasi diperbarui dengan model deformasi dasar berdasarkan entrainment sedimen lokal dan fluks pengendapan di badan aliran. Model awalnya divalidasi dengan tiga peristiwa eksperimental skala laboratorium di mana beban tersuspensi memainkan peran dominan. Hasil simulasi yang memuaskan mengkonfirmasi kemampuan model dalam menangkap proses hidro-morfodinamika yang didominasi oleh sedimen tersuspensi halus pada skala laboratorium. Aplikasi untuk sedimentasi di kolam stormwater dilakukan untuk mengembangkan pemahaman berbasis proses tentang dinamika sedimen halus pada berbagai kondisi aliran. Arus perkotaan dengan periode ulang 5 tahun, 30 tahun dan 100 tahun serta kejadian banjir ekstrim tahun 2012 disimulasikan. Hasil model memberikan langkah perubahan dalam memahami dinamika sedimen halus di kolam stormwater. Model ini mampu mensimulasikan secara kuantitatif dan menilai secara kualitatif kinerja kolam air hujan dalam mengelola kuantitas dan kualitas air perkotaan. Aplikasi untuk sedimentasi di kolam stormwater dilakukan untuk mengembangkan pemahaman berbasis proses dinamika sedimen halus atas berbagai kondisi aliran. Arus perkotaan dengan kala ulang 5 tahun, 30 tahun dan 100 tahun serta kejadian banjir ekstrim tahun 2012 disimulasikan. Hasil model memberikan langkah perubahan dalam memahami dinamika sedimen halus di kolam stormwater. Model ini mampu mensimulasikan secara kuantitatif dan menilai secara kualitatif kinerja kolam air hujan dalam mengelola kuantitas dan kualitas air perkotaan. Aplikasi untuk sedimentasi di kolam stormwater dilakukan untuk mengembangkan pemahaman berbasis proses dinamika sedimen halus atas berbagai kondisi aliran. Arus perkotaan dengan kala ulang 5 tahun, 30 tahun dan 100 tahun serta kejadian banjir ekstrim tahun 2012 disimulasikan. Hasil model memberikan langkah perubahan dalam memahami dinamika sedimen halus di kolam stormwater. Model ini mampu mensimulasikan secara kuantitatif dan menilai secara kualitatif kinerja kolam air hujan dalam mengelola kuantitas dan kualitas air perkotaan.
Hasil model memberikan langkah perubahan dalam memahami dinamika sedimen halus di kolam stormwater. Model ini mampu mensimulasikan secara kuantitatif dan menilai secara kualitatif kinerja kolam air hujan dalam mengelola kuantitas dan kualitas air perkotaan. Hasil model memberikan langkah perubahan dalam memahami dinamika sedimen halus di kolam stormwater. Model ini mampu mensimulasikan secara kuantitatif dan menilai secara kualitatif kinerja kolam air hujan dalam mengelola kuantitas dan kualitas air perkotaan.
© 2017 Penulis. Diterbitkan oleh Elsevier BV Ini adalah artikel akses terbuka di bawah lisensi CC BY (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
1. pengantar
Dalam sistem sungai, sedimen berbutir halus adalah komponen alami dan esensial dan memainkan peran penting dalam fungsi hidrologis, ekologis dan geomorfologi sistem. Telah diakui bahwa pengelolaan sedimen berbutir halus di sungai perkotaan sangat penting bagi lingkungan (Birch et al., 2006). Pengelolaan sedimen yang berkelanjutan memerlukan struktur penelitian pendukung
tentang dinamika sedimen halus dan interaksinya dalam daerah tangkapan hidrologi seperti sungai, dataran banjir, waduk, dan Sistem Drainase Perkotaan Berkelanjutan (SuDS) (Owens et al., 2005).
Secara umum, sedimen berbutir halus memiliki pengaruh pengontrol terhadap kualitas dan kuantitas air penerima. Di daerah tangkapan air perkotaan, kontaminan dan polutan termasuk logam berat dan nutrisi umumnya diserap oleh sedimen halus yang kemudian dibawa ke
Daftar isi tersedia diSainsLangsung
Jurnal Hidrologi
b e r a n d a j u r n a l : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / j h y d r o l
Alamat email:m.guan@lboro.ac.uk (M.Guan),pengyongscu@foxmail.com (Y.Peng).
1 Sekolah Tinggi Sumber Daya Air dan Tenaga Air, Universitas Sichuan, Cina.
dkk., 2008). Polutan perkotaan yang melekat pada sedimen ini berimplikasi pada habitat perairan penerima hilir dan kesehatan manusia (Kayu dan Armitage, 1997; Owens dkk., 2005; Crosa dkk., 2010). Untuk mengurangi risiko ini, fitur yang lebih berkelanjutan, seperti kolam air hujan, semakin banyak digunakan di daerah tangkapan air perkotaan sebagai opsi untuk mengelola sedimen tersuspensi halus (Ahilan dkk., 2016; Allen dkk., 2017) dengan menyimpan limpasan air hujan, menjebak sedimen halus dan meningkatkan kualitas limpasan perkotaan. Pergerakan sedimen akan diminimalkan oleh aliran yang terputus di kolam air badai.
Lingkungan energi rendah di kolam memungkinkan sebagian besar beban tersuspensi halus terperangkap yang memberikan manfaat kualitas air untuk badan air penerima. Namun, dari sudut pandang jangka panjang, ini akan mengurangi kapasitas penyimpanan kolam air hujan, sehingga mempengaruhi kinerja hidrolik dan pemeliharaannya. Demikian pula, sedimentasi berbutir halus terjadi di waduk bendungan di mana pelepasan sedimen yang diendapkan sering menyebabkan efek cascading di hilir melalui transportasi sedimen dan pengendapan ulang.
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.11.006 0022-1694/© 2017 Penulis. Diterbitkan oleh Elsevier BV
Ini adalah artikel akses terbukadi bawah lisensi CC BY (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
@x
@x
xx xy
th
th th (Liu dkk., 2004). Ini telah dianggap sebagai masalah di seluruh
dunia (Vörömarty dkk. (2003)). Selain itu, masukan sedimen tersuspensi yang berlebihan ke sungai karena erosi daerah tangkapan dan masuknya
@hu @hu2 1 gh2 @hu
v
@t @x 2 @y
@hTxx @hTx @zb D
q
kamu@zb D
q
gh2 @C Erosi tepian saluran dapat menyebabkan sedimentasi pada saluranyang
dapat mempengaruhi morfologi saluran, habitat sungai dan navigasi (Eekhout et al., 2015). Mengingat efek sedimen, pro- cesses telah banyak digunakan untuk pengelolaan sungai dan banjir di
¼ @x th
@y — gh
@x — ghSfx th
q
@hu th@hu
v
th @ hv
2 th1 gh2@t—
2
q
@x 1bÞtahun terakhir (Dadson dkk., 2017). Dalam kasus tersebut, sedimen tersuspensi halus memiliki pengaruh pengendalian pada kualitas dan
@t @x
@hTxy
@y
@hTyy 2
@zb D
q v
@zb Dq
gh2 @C kuantitas air penerima dalam sistem hidro melalui bermain aberbagai peran. Oleh karena itu, perlu adanya pengembangan yang lebih baik
¼ @xth
@y — gh
@y — ghSfy th
q
@t—2q
@kamu 1cÞpemahaman tentang bagaimana sedimen berbutir halus terkikis, diangkut dan diendapkan oleh berbagai lingkungan aliran.
Dalam beberapa tahun terakhir, model numerik telah semakin banyak digunakan untuk memahami aliran kompleks, transportasi sedimen dan perubahan morfologi yang sesuai di sungai, dataran banjir dan SuDS. Mengingat peran ganda sedimen berbutir halus di perairan penerima, model sedimen halus yang kuat sangat penting untuk mengembangkan model gabungan yang memungkinkan simulasi dan pemahaman hidrologi.
kondisi kal, ekologi dan geomorfologi daerah tangkapan.
di mana h = kedalaman aliran, zb = elevasi dasar, g = h + zb menunjukkan elevasi permukaan air yang mencakup perubahan kedalaman air dan elevasi dasar yang bervariasi dengan waktu t, u dan v = komponen kecepatan aliran rata-rata kedalaman dalam dua arah Cartesian, g = percepatan gravitasi, p = porositas sedimen, C = konsentrasi total volumetrik sedimen, qs dan qw masing-masing menyatakan densitas sedimen dan air, Dq = qs — qw, q = den-
sity campuran aliran-sedimen, Sfx, Sfy = kemiringan gesekan di x dan y komponen yang dihitung berdasarkan kekasaran Manning
Baru-baru ini model numerik telah digunakan untuk
mensimulasikan koefisien n byS ¼ n2
kamupffi
kamuffi
2ffiffi
thffiffi vffiffi
2ffiffi
;S
¼ n2 vpffi
kamuffi
2ffiffi
thffiffi vffiffi
2ffiffi
,T , T , T dan T
danCastelltort, 2006; Bohorquez dan Fernandez-Feria, 2008, Zech dkk., 2008; Guan et al., 2015a; Benkhaldoun dkk., 2012; Li dan Duffy, 2012; Guan et al., 2014), rute sedimen di waduk bendungan (Liu dkk., 2004; Guertault dkk., 2016), arus kekeruhan lebih
adalah tegangan turbulen rata-rata kedalaman yang ditentukan dengan pendekatan Boussinesq yang telah banyak digunakan dalam literatur (misWu, 2004; Abad dkk., 2008; Begnudelli dkk., 2010). Ini memberikan tekanan Reynolds sebagai:
tempat tidur yang mudah terkikis (Hu dan Cao, 2009; Hu dkk., 2012; Janocko dkk.,
2013). Ini memberikan pendekatan pemodelan matematis yang layak untuk mengukur evolusi aliran sarat sedimen dan korespondensi
Txx —
2ð
gunung
thm
TH@u d2aTHperubahan geomorfologi yang didominasi oleh butiran halus terima kasih Tyx —ð
gunung
thm
TH @uth@
v
2bÞendapan.
Penelitian ini menyajikan alat numerik 2D untuk melacak erosi, transportasi dan pengendapan sedimen berbutir halus dan khususnya menyelidiki dinamika sedimen halus di kolam stormwater. Itu
Tyy —
2ð
gunung
thm
TH@v
@x @x
d2cTH
model adalah model numerik 2D kedalaman rata-rata yang mencakup model hidrodinamika berbasis air dangkal yang kuat, model transportasi beban yang ditangguhkan, dan model evolusi lapisan. Ini memberikan informasi yang lebih andal daripada model 1D sementara lebih hemat biaya daripada model 3D. Model ini mampu mensimulasikan proses transpor sedimen penuh di mana beban tersuspensi halus non-kohesif memainkan peran dominan, termasuk konsentrasi sedimen di badan aliran dan perubahan dasar. Ini tidak hanya terbatas pada kasus dengan pengangkutan beban tersuspensi penuh, tetapi juga pada kasus yang mungkin memiliki sebagian kecil dari beban dasar. Apapun, ini harus memiliki nomor rouse kecil lebih rendah dari 2,5 selama tahap transportasi utama. Model ini pertama kali divalidasi terhadap tiga percobaan skala laboratorium sebelum aplikasi dunia nyata di kolam stormwater yang terletak di Newcastle Great Park, Inggris. Berdasarkan hasil simulasi, penelitian ini bertujuan untuk menentukan karakteristik erosi, transpor dan pengendapan sedimen halus di kolam stormwater dengan berbagai kondisi aliran dan untuk mengembangkan pemahaman yang lebih baik tentang dinamika sedimen berbutir halus di kolam stormwater.
2. Model numerik
2.1. Model hidrodinamika
Model numerik berbasis air dangkal telah banyak digunakan
untuk pemodelan hidrolik karena ketahanannya dalam menangkap aliran hidrolik (Guan dkk., 2013; Vacondio dkk., 2014; Kostabil dan Macchione, 2015; Hou dkk., 2015; Guan et al., 2015b). Persamaan air dangkal 2D dapat dinyatakan dengan:
@
g
@hu @hv
@tth@x th@y ¼ 0 1aÞ
evolusi in-channel yang diinduksi break (Cao dkk., 2004; simpson
fx h4=
3
fy h4=
3
yx Y
y
M.Guan dkk./ Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99 89
@t @x @y @x @x @y @y ;
di manavt adalah itu pergolakan pusaran air viskositas dan adalah itu molekuler viskositas yang dapat diabaikan dalam aplikasi lingkungan. Berbagai pendekatan telah diadopsi untuk memperkirakan viskositas turbulensi,
misalnya dengan asumsi viskositas eddy konstan, model turbulensi aljabar(mt ~ huω), serta model turbulensi k – e. Dalam penelitian ini, viskositas eddy diperkirakan dengan mt bhuω dengan b = 0,5.
2.2. Model beban tersuspensi halus
Transportasi beban tersuspensi diatur oleh persamaan adveksi-difusi. Untuk campuran sedimen bergradasi tidak seragam, perlu untuk membagi sedimen bergradasi menjadi fraksi karena perbedaan parameter terkait ukuran butir (Guan dkk., 2015b).Untuk transportasi tersuspensi dari setiap fraksi, persamaan yang mengatur dijelaskan oleh:
@hCsayath@huCsayath@h
v
Csaya¼ @e
sh@cith@
e
sh@ci SE saya— SD;sayaTH 3Þ
di mana es adalah koefisien difusi partikel sedimen; SE,i adalah fluks entrainment sedimen untuk fraksi ke-i; SD,i adalah fluks pengendapan sedimen fraksi ke-i. Koefisien difusi partikel sedimen terkait dengan difusi momentum fluida, dan ditentukan dengan menggunakan rumus di bawah yang disajikan dalammobil van Rijn (1984).
e
s¼ b/gunung
4Þdimana faktor b menunjukkan perbedaan difusi partikel sedimen dan partikel fluida dan diasumsikan konstan pada kedalaman aliran (van Rijn 1984). / mewakili redaman
6
6 6
5@x 5@ka
mu
—gh — ghS th —
B— — Cth —
¼ f d — g
;2 2
pordrof -Terjemahan
2 2 2 2
6 7 6 hu2th1gh27 7
7 6 7
; ¼d
saya
½
sa ya;
j say a;j
D x
saya th1; j
saya
—1;j ha ri
saya
;jth 1
saya;
j—1
B C
— turbulensi fluida oleh partikel sedimen dan diasumsikan tergantung pada konsentrasi sedimen lokal. Kedua faktor dihitung dengan menggunakan rumus yang diturunkan olehvan Rijn (1984),
di mana
2
g
32 hu 32hu 3
2 U 6 jam
v
7; E 6 huv
7; F 6 jamv
2 th1gh2 7;b1 2
xf
kamuω
C0:8 sebuah
untuk 0:1 <
x
f< 1 kamuω
Csebuah0:4
64 hCsaya 75 20 3
64 hCi 2 0
3
75 64 hCi 2 75
/1 Cae
— 2 Cae
6hT 7 6hT 7 di mana Ca adalah konsentrasi di dekat tempat tidur pada tingkat
referensi a
E~ ¼hT67 xy ; F~ ¼hT67 Y y
(rata-rata untuk sedimen yang tidak seragam); Cae adalah konsentrasi kesetimbangan dasar (rata-rata untuk sedimen yang tidak seragam). Keduanya didefinisikan di bawah ini. Karena tidak ada ekspresi teoretis universal untuk
fluks entrainment dan fluks pengendapan sedimen, keduanya bervariasi
e
xh@Csaya
e
kamuh @Csayakemampuan dihitung dengan fungsi yang banyak digunakan berikut ini.
00 1
@zb Dqkamu@zb Dqgh @C
B fx C
SE;sayaFsaya
x
f;sayaCae;saya; SD;sayaFsayax
f;sayaCsebuah;saya 5TH @x q@t2q@x
S gh @zb ghS
Dqv @zb Dqgh2 @C
dimana Fi, persentase fraksi butir ke-i; xf,i, apakah efektif?
kecepatan pengendapan untuk fraksi butir ke-i yang dihitung dengan
fungsi yang diturunkan olehSoulsby (1997)seperti di bawah ini;
¼ @kamu fy
@B SE;saya — SD;saya TH q@t 2q@y CS E BU AH
x
fim
qffi10ffiffiffi:ffi3ffiffiffi6ffiffiffi2ffiffiffiþffiffiffiffiffiðffiffi1ffiffiffiffi—ffiffiffiffiCffiffiffiiffiffiÞffi4ffiffi:ffi7ffiffi1ffiffiffi:ffi0ffiffiffi4ffiffiffi9ffiffiffidffiffi3ffiffi— 10:36] d6TH Ca,i = dCi adalah konsentrasi near-bed untuk pecahan butir ke-i tion pada tingkat referensi a; definisi koefisien d olehCao et al., (2004) adalah: d menit 2:0; 1 p = C ; Cae,i adalah konsentrasi kesetimbangan near bed untuk fraksi butir ke-i pada tingkat referensi yang dihitung dengan menggunakan rumus van Rijn (van Rijin, 1984). Untuk setiap fraksi butir, fungsinya dapat dinyatakan sebagai:
vektoraliran dalam arah x dan y berturut-turut, E~ dan F~
mengandung suku turbulen dalam arah x dan y, S adalah vektor suku sumber.
Model ini diselesaikan secara numerik dengan metode volume hingga (FVM) tipe Godunov yang seimbang berdasarkan koordinat Cartesian. Untuk memperbarui variabel di setiap sel, persamaan berikut digunakan untuk memperbarui hidrodinamika:
d50 T1:5 kamun1 n Dt ω ~ω Dt ω ~ω
cae;saya0:015se
buah d0:3 ω 7Þ saya;j Usaya;j —
DxEsaya;j — Esaya;jTH-
hariFsaya;j - Fsaya;jÞ þ DtSi;j 10Þ u — kamu
TH di mana itu vektorEi;j ¼Eωsaya 1=2;j —Esayaω1
=2;j , Fi;j ¼ Fi;j1=2 — Fi;j—1=2 adalah itu T¼ ωkamuω;cr 2 ω;cr perbedaan fluks pada antarmuka kiri dan kanan sel (i, j) di itu x dan dari kamu arah;E~th- saya;Ji ω danF~;j ω mewakili itu aliran perbedaan
sebuah ¼ min½maksimaldks; 2d50; 0:01 jamTH; 0:2 jam]
di manaks adalah tinggi kekasaran ekivalen; d⁄ = di[(qs/qw
1)g /
m
2]1/3adalah diameter partikel tak berdimensi; m adalah viskositas air;kamu; uðpffigffiffi=C0Þ adalah kecepatan geser dasar yang berhubungan dengan butir; C' adalahtegangan turbulen dan dispersi pada antarmuka kiri dan kanan sel (i, j) dalam arah x dan y; Dt, Dx, Dy masing-masing adalah langkah waktu, ukuran sel dalam arah x dan y. Untuk menghitung tiga yang pertamaistilah fluks (misalnya Eωlr1;2;3), Harten, Lax dan van Leer (HLL)
ω
koefisien Chezy yang berhubungan dengan biji-bijian; uω;cr¼ s — 1Þgdhcadalahkecepatan geser dasar kritis, di mana hc adalah tegangan geser Shields.
2.3. Model perubahan morfologi
skema yang digunakan dalam penelitian ini. Lebih jelasnya dijelaskan diGuan dkk., (2014). Mirip dengan memperbarui variabel hidrodinamik, konsentrasi sedimen diperbarui pada sel dan langkah waktu yang sama berdasarkan fluks antar sel sedimen C⁄ sebagai berikut,
ctthDt ct —
sebuah
Dt cω — cωthDt cω — cω iment entrainment dan deposisi yang dihitung per sel grid pada
setiap langkah waktu. Persamaan yang digunakan untuk menghitung perubahan morfologi ditulis dengan
thDtSci;jTH 11Þ
di mana t mewakili waktu; Sc adalah istilah sumber yang ditunjukkan di
sebelah kanan ⁄
2 xx yx
th
hu
v
hu 2
yang banyak digunakan (misalnyaDuan dan Nanda, 2006).
ω di mana U adalah vektor variabel yang dilestarikan; E dan F adalah fluks
Evolusi morfologi ditentukan oleh perbedaan sed-
4 4
M.Guan dkk./ Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99 91
Eω jFω jc S<0r 1 1lr
lri j
@t¼ ¼
1 — p saya1SD;saya - SE;sayaTH 8Þ
@zb XN @zb
1 XN sisi tangan Persamaan.(3). Fluks sedimen C dihitung dengan
menggunakan
di mana N adalah jumlah fraksi ukuran butir.
2.4. Metode numerik
C cωði jÞ¼ ><8
Eωlr j1saya Fakuωr j1jÞclSω P 0
>: 12Þ
Persamaan.(1)dan(3) dan (8)merupakan sistem model yang merupakan sistem non-linier perairan dangkal. Dalam bentuk kompak, persamaan yang mengatur dapat dinyatakan dengan
@kamu @E @F @E~ @F~
@t th
@xth
@y¼
@xth
@ythS 9Þ
di mana cl dan cr adalah konsentrasi sedimen volumetrik di sebelah kiri dan Baik sel;Eωlr j1;Flr j1mewakili aliran fluks massa antar sel. S⁄ adalah kecepatan gelombang tengah yang dihitung dengan persamaanToro (2001). Sebuah langkah waktu variabel Dt, disesuaikan dengan kondisi aliran lokal, dihitung pada setiap langkah waktu berdasarkan nomor Courant tetap (CFL) untuk stabilitas (0 < CFL < 1,0).
persamaan penurunan,
s a ya
@t
say a1
n s a ya
s a ya
s ay a
saya;
t0
¼ —
¼ ½ ðÞ ]
3. hasil dan Diskusi 3.1. Validasi model
Tiga kasus laboratorium digunakan untuk memverifikasi kemampuan model dalam mensimulasikan perubahan morfologi yang dominan oleh beban tersuspensi halus, yang meliputi (1) transpor sedimen dalam parit, (2) aliran jebol bendungan sebagian di atas saluran bergerak, dan (3) erosi lokal dan pengendapan di kolam dengan lapisan yang dapat tererosi. Dalam ketiga kasus eksperimental, telah diamati bahwa beban gantung adalah moda transportasi utama, yang memastikan penerapan kasus dalam verifikasi model. Di sini kesalahan model dengan yang diukur
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
1012,51517,520
panjang saluran (m)
data dikuantifikasi menggunakan Brier Skill Score (BSS) sebagai:
Xzo — zmTH2
Gambar 1. Kecepatan terukur rata-rata kedalaman dan kecepatan simulasi pada keadaan setimbang untuk Uji 3.
BSS 1 1
XdzHai — zHai TH
d13T
H stratifikasi pengaruh tingkat referensi.Gambar 1plot simulasi velocity and depth-averaged measurement at the five measured
di mana superskrip m dan o masing-masing mengacu pada data titik yang dimodelkan dan diamati, dan n adalah jumlah total data titik.
3.1.1. Transportasi sedimen di parit
Untuk memverifikasi kemampuan model yang diusulkan dalam memprediksi evolusi lapisan di bawah kondisi aliran tidak tetap, simulasi dilakukan untuk membandingkan dengan percobaan yang awalnya dilakukan di Laboratorium Hidrolik Delft untuk menyelidiki evolusi lapisan bergerak yang disebabkan oleh aliran saluran terbuka yang stabil (van Rijn, 1980). Parit terletak di tengah saluran sepanjang 30 m. Tiga pengujian dengan kemiringan sisi parit yang berbeda (1:3, 1:7 dan 1:10) dilakukan dalam percobaan. Mengikutivan Rijn (1980), informasi kunci dari tiga tes tercantum dalamTabel 1. Rata-rata kecepatan aliran masuk adalah 0,51 m/s pada saluran masuk dan kedalaman air dijaga konstan sebesar 0,39 m. Lapisan yang tererosi terdiri dari pasir halus dengan d10 = 0,115 mm, d50 = 0,16 mm dan d90 = 0,2 mm.
Kepadatan pasir dan porositas masing-masing adalah 2650 kg/m3 dan 0,4. Menurut percobaan, kecepatan pengendapan partikel sedimen adalah
0,013 m/s ± 25%. Kecepatan pengendapan penghalang x0 = 0,015 m/s adalah
digunakan. Koefisien Manning n diatur menjadi 0,016. Selain itu, untuk menjaga kondisi keseimbangan sedimen di hulu,
yaitu tidak terjadi gerusan atau pengendapan, pasir dengan komposisi yang sama diumpankan dengan laju konstan 0,04 kg/s/m; dengan demikian, laju pengangkutan beban tunda diperkirakan 0,03 ± 0,006 kg/s/m dan laju pengangkutan beban dasar sekitar 0,01 kg/s/m. Kontribusi angkutan beban gantung terhadap angkutan beban total berkisar antara 60% sampai 90%.
Untuk simulasi, seluruh domain didiskritisasi oleh 150 sel dengan Dx = 0,2 m. Untuk memastikan aliran yang stabil, model dijalankan untuk 900
s. Setelah 900 detik, pasir diumpankan dan evolusi lapisan terjadi.Van Rijn (1984) disarankan memperkirakan tingkat referensi dengan persamaan berikut, a min max ks; 2d50; 0:01 jam ; 0:2j . Berdasarkan rumus ini, a = 0,01 m dan a = 0,02 m digunakan dalam model untuk mendemonstrasikan
Tabel 1
Parameter kunci dari tiga tes.
sampinglereng1:3 (Uji 1), 1:7 (Uji 2), 1:10 (Uji 3)
saluranpanjang30 m
kecepatan aliran masuk padamasuk0,51 MS kedalaman air dimasuk0,39 m
pasirdiameter d10 = 0,115 mm, d50 = 0,16 mm, d90 = 0,2 mm
pasirkepadatan2650 kg/m3 menghambat pengendapankecepatan 0,015 m/s
Ditangguhkanmemuat 0,03 ± 0,006 kg/s/m tempat tidurmemuat 0,01 kg/s/m Manning'skoefisien 0,016 s/[m1/3]
jalaukuran/angka0.02 m/150
bagian. Dapat dilihat bahwa model menghasilkan reaksi kecepatan
n
Tempat tidur awal diukur simulasi kecepatan (m/s)
2 1
M.Guan dkk./ Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99 93
×
× dengan baik di sekitar parit. Juga, permukaan air telah
disimulasikan mendekati nilai konstanta nyata 0,39 m.
Mengenai prediksi perubahan profil tempat tidur,Gambar 2.
menunjukkan bahwa profil tempat tidur yang disimulasikan dengan a = 0,01 m dan a = 0,02 m menunjukkan bentuk yang hampir sama dengan hanya sedikit perbedaan. Dengan kedua level referensi, tempat tidur yang disimulasikan memiliki Skor Keterampilan Brier yang tinggi yaitu lebih dari 0,9. Ketika a = 0,01 m, model memberikan hasil yang lebih baik. Oleh karena itu, model juga diverifikasi pada Uji 2 dan Uji 1 dengan tingkat referensi a = 0,01 m. Seperti yang ditunjukkan padaGambar 3, profil tempat tidur umum di keduanya
7,5 jam dan 15 jam dihasilkan dengan BSS yang baik. Hal ini mengimplikasikan kemampuan model dalam mensimulasikan perubahan lapisan akibat transpor sedimen yang dominan oleh beban tersuspensi.
3.1.2. Aliran jebol sebagian bendungan di atas saluran bergerak Untuk memverifikasi dan memvalidasi kinerja model beban gantung, digunakan untuk mereproduksi sebagian eksperimen aliran jebol bendungan di atas dasar bergerak, yang dilakukan di Laboratorium Hidraulik Universitas Tsinghua, Cina (Xia dkk., 2010). Sebuah bendungan tipis terletak 2,0 m di bagian hilir dari flume persegi panjang 18,5 m 1,6 m, dan sebuah bendungan dengan lebar 0,2 m dipusatkan pada y = 0,8 m;
wilayah 4,5 m setelah lokasi bendungan ditutupi oleh abu batubara halus yang tidak seragam dengan diameter rata-rata 0,135 mm, dan kerapatan alami dan keringnya masing-masing diukur kira-kira 2248 kg/m3 dan 720 kg/m3; kedalaman air awalnya ditetapkan 0,4 m di reservoir dan 0,12 m di hilir bendungan. Dalam percobaan ini, tingkat lapisan pada dua penampang CS1 (x = 2,5 m) dan CS2 (x = 3,5 m) setelah 20 detik diukur. Selama seluruh percobaan, hanya pengangkutan beban tersuspensi yang terjadi karena partikelnya sangat halus.Meja 2daftar parameter kunci yang digunakan dalam simulasi. Untuk simulasi, domain didiskritisasi dengan
370 80 sel, dan interval waktunya adalah Dt = 0,005 s. Manning's koefisien n = 0,02 s/[m1/3]; porositas sedimen ditetapkan sebagai 0,35. Model beban tersuspensi dijalankan selama 20 detik.Gambar 4 menunjukkan perbandingan antara profil penampang yang diamati dan dimodelkan pada 20 detik. Hal ini menunjukkan bahwa tren profil tempat tidur yang diprediksi mirip dengan profil yang diukur. Erosi terjadi pada bagian tengah penampang. Kuantitas erosi lapisan kurang dari pengukuran di CS1 dimana lapisan yang diprediksi terlalu rendah, terutama dalam hal lebar erosi. Namun, kedalaman dan lokasi gerusan maksimum yang serupa diprediksi di sini.
Di CS2, profil tempat tidur yang disimulasikan dan diukur memiliki kesesuaian yang baik satu sama lain. Kedalaman gerusan yang disimulasikan dan diukur sangat dekat dan area erosi sangat cocok satu sama lain, tetapi rentang pengukuran profil lapisan sekitar 20 cm lebih lebar dari rentang simulasi.
Untuk itu terlihat bahwa BSS untuk CS2 relatif lebih kecil.
Deposisi tempat tidur diremehkan oleh model di sini. Hal ini mungkin disebabkan oleh
(a) BSS=0,78 keti nggian tempat tidur (m) 0,5
0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2
11141720 23
panjang saluran (m)
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2
1114172023
panjang saluran (m) Gambar 2. Hasil simulasi untuk tingkat referensi yang berbeda pada 7,5 jam dan 15 jam.
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2
11141720 23
panjang saluran (m)
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2
1114172023
panjang saluran (m) Gambar 3. Profil unggun yang disimulasikan dan diukur untuk (a) Uji 2 dan (b) Uji 1.
Meja 2
Parameter kunci dari kasus ini.
airkedalaman0.4 m (waduk), 0,12 (hilir)
pasirdiameter d50 = 0,135 mm
pasirkepadatan2248 kg/m3 (alami), 720 kg/m3 (kering) menghambat pengendapankecepatan 0,015 MS
Tergantungbeban0.03 ± 0,006 kg/s/m
tempat tidurmemuat 0,01 kg/s/m
Manning'skoefisien 0,02s/[m1/3]
porositas sedimen 0.35
jalaukuran Dx = 0,05 m,Dy = 0,02 m
jalanomor 370 × 80 sel
kesalahan eksperimental atau istilah turbulensi yang diabaikan, yang berarti model mungkin tidak dapat menghasilkan pembentukan aliran sirkulasi horizontal yang cepat di hilir bendungan.Gambar 5 mengilustrasikan plot kontur topografi dasar simulasi setelah 20 detik. Erosi yang parah terjadi di outlet bendungan, dan beban tersuspensi yang tererosi dibuang ke hilir karena penurunan tegangan geser dasar.
3.1.3. Erosi dan pengendapan di kolam dengan lapisan yang dapat tererosi
Percobaan dilakukan untuk mengetahui proses erosi pada cekungan segi empat akibat masuknya air jernih dari saluran sempit olehTuk (1991). Dalam pengujian ini, pengaturan awal melibatkan saluran masuk persegi panjang dengan panjang 2,0 m dan lebar 0,2 m, cekungan bergerak persegi panjang dengan panjang 5,0 m dan lebar 4,0 m, dan saluran dengan panjang 1,0 m dan lebar 1,2 m di hilir. Di dalamnya, cekungan bergerak terdiri dari pasir halus dengan diameter median 0,6 mm, dengan lapisan alas bergerak setebal 0,16 m. Untuk kondisi hidraulik awal, kedalaman air awal ditentukan sebagai 0,15 m; kecepatan aliran masuk pada batas aliran masuk dijaga konstan pada 0,6 m/s, dan kedalaman air di outlet adalah nilai konstan 0,15 m. Hanya daerah cekungan yang tererosi selama periode percobaan.Tabel 3menunjukkan parameter kunci dari kasus eksperimental.
Percobaan ini disimulasikan dalam penelitian ini karena diameter partikel sedimennya kecil (0,6 mm), dan angka bangkitan kasus diperkirakan berkisar antara 0–2,4 pada area gerak utama, yang berarti beban tersuspensi adalah moda transportasi yang dominan. Ini sesuai dengan kemampuan model saat ini.
Panjang saluran didiskritisasi dengan interval konstan Dx = 0,1 m, tetapi dalam arah lebar, jarak kisi-kisi di sekitar
0,03 0,03
-0,03 -0,03
-0,09 -0,09
-0,15
00,40,81,2 1,6
lebar saluran (m)
-0,15
00,40,81,21,6
lebar saluran (m)
(b) permukaan air
7,5 jam:
simulasi 7,5 jam: terukur 15 jam: simulasi 15 jam: terukur
tempat tidur awal
BSS = 0,932 BSS = 0,953
(s eb ua h)
7,5 jam: BSS = 0,967 15 jam: BSS = 0,894
a = 0,01mBSS = 0,993 a=0,02m BSS=0,983
Permukaan air Diukur pada t=15h
Tempat
tidur awal
(b)
(s eb ua h)
Tempat
tidur awal Permukaan air Diukur pada t=7.5h a = 0,01mBSS = 0,965
a=0,02m BSS=0,947
(b) BSS=0,45
Simulasi diukur
ketinggian tempat tidur (m) ketinggian (m) ketinggian (m) ketinggian (m) tinggiasi(m)
M.Guan dkk./ Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99 95 Gambar 4. Perbandingan antara profil unggun yang diukur dan disimulasikan pada CS1 dan CS2.
×
Gambar 5. Kontur topografi dasar pada 20 detik.
Tabel 3
Parameter kunci dari kasus ini.
kedalaman air dioutlet0,15 m kecepatan aliran masuk padamasuk0.6 mm
pasirdiameter d50 = 0,6 mm
pasirkepadatan2650 kg/m3
penyelesaiankecepatan 0,013 MS
Manning'skoefisien 0,03s/[m1/3]
porositas sedimen 0.35
jalaukuran Dx = 0,1 m,Dy1 = 0,02 m,Dy2 = 0,05 m
jalanomor 80 × 116 sel
garis tengah (±0,6 m) diatur agar lebih halus (Dy1 = 0,02 m) daripada di bagian lain (Dy2 = 0,05 m). Jaring komputasi di cekungan terdiri dari 80.116 sel. Langkah waktu untuk perhitungan aliran dan sedimen diatur sama pada 0,009 s.
Koefisien kekasaran Manning di cekungan diberi nilai 0,03 s/[m1/3]. Model dijalankan selama 2 jam waktu percobaan.
Persamaan.(4) digunakan untuk menghitung fluks entrainment dan deposisi dalam kasus ini.Gambar 6(a) menunjukkan pola perubahan unggun yang disimulasikan di sekitar daerah aliran masuk di
bagian tengah baskom setelah 4 jam, danGambar 6(b) menunjukkan medan kecepatan aliran dan tegangan geser dasar.
Dapat dilihat bahwa pipa inflow memiliki tegangan geser unggun terbesar karena kecepatan aliran yang tinggi, dan area keluar pipa aliran masuk dan area outlet juga memiliki tegangan geser unggun yang lebih tinggi. Oleh karena itu, terlihat bahwa erosi yang signifikan terjadi di daerah outfall karena masuknya air jernih, kemudian sedimen yang terkikis bergerak ke hilir dan endapan membentuk bukit. Karena hanya area cekungan yang dapat tererosi, tidak ada perubahan lapisan yang ditemukan di area outlet.Gambar 7lebih lanjut menunjukkan perbandingan perubahan unggun yang diukur dan disimulasikan di sepanjang garis tengah longitudinal pada 1 jam, 2 jam dan 4 jam. Semuanya memiliki Brier Skill Score (BSS) yang memuaskan. Secara keseluruhan, kecenderungan evolusi morfologi simulasi pada 1 jam dan 2 jam sesuai dengan hasil yang diukur. Namun, ketinggian deposisi maksimum sedikit di bawah prediksi, dengan perbedaan 13,4% pada 1 jam dan 30,6% pada 2 jam. Lebih jauh lagi, dapat dilihat bahwa model tersebut melebih-lebihkan kedalaman erosi pada inlet cekungan. Di sana erosi yang disimulasikan jauh lebih parah daripada erosi yang diukur. Ini kemungkinan besar karena aliran sekunder memainkan peran penting di sini; namun, aliran non-hidrostatik ini diabaikan dalam model saat ini.
Gambar 6. (a) Kontur topografi dasar, dan (b) tegangan geser dasar dan medan kecepatan pada 2 jam.
0,2 0,2 0,2
0,1 0,1 0,1
0,0
-0,1
-0,2
-1.001.003,00 5,00
jarak hilir bendungan (m) 0,0
-0,1
-0,2
-1.001.003,00 5,00
jarak hilir bendungan (m) (s
eb ua h)
(b)
(s eb ua h)
BSS = 0,79
diukur: 1 jam simulasi: 1 jam
(c) BSS =
0,90
diukur: 4 jam simulasi: 4 jam
ketinggian (m) ketinggian (m) ketinggian (m)
M.Guan dkk./ Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99 97 0,0
-0,1
-0,2
-1,001,003,005,00
jarak hilir bendungan (m)
Gambar 7. Perbandingan antara profil tempat tidur yang diukur dan disimulasikan di garis tengah.
(b) BSS =
0.89
diukur: 2 jam simulasi: 2 jam
(s eb ua h)
5 tahun
30 tahun 100 tahun
Arus (m3/s) (s
eb ua h)
Koordinat kolam:
55.024948, -1.650234
(b) (c) 3.2. Aplikasi di kolam stormwater
Kolam stomwater dicirikan oleh penahanan limpasan perkotaan, peningkatan kualitas limpasan dan perangkap sedimen.
Penurunan kecepatan aliran dan lingkungan energi yang rendah menyebabkan pengendapan sedimen halus yang dibawa oleh aliran perkotaan saat memasuki kolam. Sedimentasi kolam stormwater menyebabkan penurunan kapasitas penyimpanan kolam dan memicu masalah lingkungan dan ekonomi. Model yang divalidasi diterapkan pada studi kasus kolam air hujan di Newcastle Great Park dan berdasarkan hasil, pemahaman yang lebih baik tentang dinamika sedimen halus dikembangkan.
3.2.1. Situs belajar
Daerah penelitian terletak di daerah tangkapan air Ouseburn (batas hitam diGambar 8a) di Newcaslte upon Tyne di Inggris.
Kolam stormwater menghubungkan pembangunan perkotaan yang baru dibangun di hulu dan Sungai Ouseburn.Gambar 8c menunjukkan domain simulasi yang merupakan area seluas 230 m kali 140 m. Diamati bahwa kolam ditutupi dengan vegetasi lebat yang melindungi tempat tidur lokal. Untuk simulasi, debit aliran dimasukkan ke model melalui bagian pipa sebagai batas hulu.
Batas lainnya diatur ke
Gambar 8. (a) Situs Pengembangan Taman Besar Newcastle, (b) kolam air hujan yang dibangun di sepanjang sungai, (c) domain simulasi.
free open artinya air banjir dapat keluar dengan bebas sesuai dengan kondisi aliran setempat.
3.2.2. Skenario model
Tiga skenario dipertimbangkan: non-banjir (5 tahun), desain saluran pembuangan (30 tahun) dan banjir (100 tahun) (Gambar 9sebuah). Juga, kejadian curah hujan pada aliran ekstrim tahun 2012 dengan interval pengukuran curah hujan 15 menit di stasiun pengukuran Jesmond Dene (EA #19356) digunakan untuk melakukan simulasi sedimen tahunan, dan aliran di inlet untuk kejadian curah hujan yang teridentifikasi adalah dikuantifikasi dengan menggunakan model curah hujan-runoff konseptual berbasis fisik – model Revitalized Flood Hydrograph (ReFH) (Gambar 9b).
Allen dkk. (2015) mengukur catatan aliran kontinu dari Januari hingga Mei 2015 di tempat pembuangan tambak. Model limpasan hujan ReFH dikalibrasi dengan kumpulan data aliran yang diamati dengan memvariasikan parameter panjang drainase (DPLBAR) dalam model. Berdasarkan survei lapangan, sedimen halus terdiri dari tiga kelas: d10 = 5 mm (lanau halus), d50 = 12 mm (lumpur halus) dan d90 = 50 mm (lumpur) yang diperoleh dari pengambilan sampel manual dan didistribusikan secara merata sebagai masukan di batas hulu. Konsentrasi sedimen halus diperkirakan berdasarkan hubungan regresi antara aliran, kekeruhan dan konsentrasi sedimen tersuspensi dari daerah tangkapan analog (Ahilan dkk., 2016). Untuk menilai dampak relatif kolam pada respon hidrologi dan morfologi selama peristiwa aliran tinggi, dua set data Digital Elevation Model (DEM) dimasukkan dalam model setup. DEM saat ini merepresentasikan topografi eksisting ('with') kondisi tambak dan DEM yang sesuai dengan tahun 2000 merepresentasikan skenario tambak tahap
pra-pembangunan ('tanpa') dalam model
hidromorfodinamika.Tabel 4 daftar informasi kunci tentang studi kasus ini.
3.3. Validasi model dengan data sampling
Allen dkk. (2015)mensurvei pengendapan sedimen kumulatif pada interval bulanan di enam lokasi di kolam selama periode pemantauan, yang digunakan untuk memvalidasi model morfodinamika dalam mensimulasikan pengendapan sedimen di kolam. Alur acara antara 23/04/2015 dan 26/05/2015 (seperti yang ditunjukkan padaGambar 10) dimodelkan karena ada sejumlah peristiwa aliran tinggi selama periode selain dari aliran dasar rendah.Gambar 10menunjukkan simulasi pengendapan sedimen di kolam dan lokasi enam titik pemantauan. Hal ini menunjukkan bahwa daerah pengendapan utama terletak di daerah outfall. Hal ini karena kecepatan aliran menurun tajam setelah air mengalir ke kolam dari pipa hulu, hal ini menyebabkan tegangan geser dasar menjadi sangat kecil sehingga partikel sedimen mengendap di dasar. Resuspensi selama arus tinggi menyebabkan sedikit sedimentasi di daerah yang jauh dari pembuangan.Tabel 5menunjukkan kedalaman terukur dan simulasi di enam titik pemantauan. Hal ini menunjukkan bahwa model memprediksi sedimentasi di kolam stormwater secara umum baik meskipun faktanya ada
5 1,5
4 1,2
3 0,9
2 0,6
1 0,3
0 0
0,20%
0,16%
0,12%
0,08%
0,04%
0,00%
0,00,51,01,5 2,0
(b)
mengalirendapan
aliran (m3/s) SSC (m3/m3)
M.Guan dkk./ Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99 99 waktu (h) 2,5 23.0428.0404.0509.0515.0520.0526.05
tang gal
Gambar 9. (a) hidrograf aliran di inlet kolam stormwater dengan interval pengulangan yang berbeda, (b) aliran dan konsentrasi sedimen untuk aliran yang tercatat tahun 2012.
0 Tabel 4
Data dan parameter kunci yang digunakan dalam penelitian.
DataDeskripsiTujuan
DEM dikembangkan bedengan dengan kolam: 1 m × 1 m prapengembangan tanpa kolam: 1 m × 1 m
Endapankonsentrasi diperkirakan berdasarkan hubungan regresi antara aliran, kekeruhan dan konsentrasi beban tersuspensi dari daerah tangkapan analog (Ahilan dkk., 2016)
Masukan model
Tercatatinflow23/04/2015–26/05/2015Model validasi
Berbasis skenariohidrograf5 tahun aliran (non-banjir) aliran 30 tahun (aliran yang dirancang) Aliran 100 tahun (banjir)
2012 ekstrimmodel aliran masuk hidrograf berdasarkan curah hujan terukur dengan interval 15 menit di stasiun pengukuran Jesmond Dene
Endapankomposisi10 = 5 mm (lumpur halus) d50 = 12 mm (lumpur halus) d90 = 50 mm (lumpur) Endapankepadatan 1800 kg/m3 Koefisien kekasaran Manning n = 0,038 s/[m1/3]
jalaukuran/nomor 1 m × 1 m/230 × 140 sel
Analisis dinamika aliran dan sedimen tersuspensi halus
Masukan model
3.4. Pelacakan sedimen berbutir halus selama peristiwa tunggal
Meja5
Gambar 10. Simulasi pengendapan sedimen di kolam stormwater.
Model yang divalidasi digunakan dalam simulasi hidromorfologi selama kejadian tunggal (aliran 5 tahun, aliran 30 tahun, dan aliran 100 tahun).Gambar 11menunjukkan kedalaman air, konsentrasi beban tersuspensi, dan tegangan geser dasar dan bidang kecepatan selama puncak aliran untuk setiap skenario, serta pengendapan sedimen yang dihasilkan di kolam stormwater setelah setiap peristiwa. Dari sudut pandang efek hidrodinamik, jelas bahwa kolam memiliki kemampuan untuk menyimpan aliran 5 tahun, dan partikel sedimen di badan aliran sebagian besar terperangkap di kolam stormwater (Gambar 11b) dan secara bertahap mengendap di kolam air hujan karena kecepatan aliran yang lambat dan tegangan geser dasar yang rendah. Namun, selama peristiwa aliran 30 tahun dan 100 tahun (Gambar 11f dan j), sejumlah besar air mengalir dari kolam ke sungai, yang mengangkut sedimen halus ke hilir. Seperti yang ditunjukkan padaGambar 11f dan j, meskipun perairan di kolam masih memiliki beban gantung yang relatif lebih tinggi, partikel sedimen terbawa ke sungai dengan meningkatnya aliran masuk. Hal ini menyebabkan deposisi tidak hanya di dalam
Kedalaman pengendapan diukur dan disimulasikan pada 6 titik pemantauan.
diukur(mm) Simulasi (mm)
11017.8 28.319.9 38.77.6 43.77.4 53.88.4 60.11.6
kolam, tetapi juga di hilir sungai (Gambar 11g dan l).Tabel 6 mengkuantifikasi sedimen masukan dan sedimen yang diendapkan untuk ketiga skenario. Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan besaran aliran masuk mengakibatkan penurunan efisiensi penangkapan sedimen tambak seperti yang diharapkan.
Sebelum membangun kolam stormwater, aliran perkotaan langsung dialirkan ke sungai. Hasil simulasi dalamGambar 12
jelas menunjukkan bahwa drainase langsung ke anak sungai mengarah
genangan dan sedimentasi yang jauh lebih luas selama banjir dibandingkan dengan 'kolam' diGambar 12. Akibatnya, se- perbedaan yang jelas di beberapa titik. Perbedaan ini diharapkan
karena faktor ketidakpastian dalam kenyataan. Faktor ketidakpastian utama meliputi: (1) kolam stormwater ditutupi oleh berbagai vegetasi lunak yang menyebabkan implikasi yang jelas pada dinamika aliran dan transportasi sedimen, namun hal ini sulit untuk diukur dan diprediksi; (2) debit aliran masuk dan konsentrasi sedimen dikuantifikasi berdasarkan model konseptual curah hujan-limpasan dan hubungan regresi antara aliran dan kekeruhan, sehingga hal ini membawa ketidakpastian dalam input model; (3) partikel sedimen sangat halus, dan kedalaman sedimentasi kecil, pemantauan lapangan mengkuantifikasi berat sedimen daripada kedalaman yang mungkin menyebabkan beberapa kesalahan untuk mengukur kedalaman sebenarnya.
Terlepas dari perbedaan, terlihat bahwa baik simulasi maupun pengukuran menunjukkan deposisi yang lebih tinggi di dekat lokasi pembuangan dan sedimentasi yang lebih kecil di titik jauh dari pembuangan. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan
tujuan utama dari studi ini dalam mengembangkan pemahaman yang lebih baik tentang transportasi beban tersuspensi halus, hasil model dianggap memadai.
1
4
5 3
2 6
M.Guan dkk./ Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99 10 1 partikel iment diendapkan di daerah tergenang setelah resesi
banjir, seperti yang ditunjukkan padaGambar 12f dan j.
Bahkan untuk kejadian aliran 5 tahun yang lebih sering, drainase langsung menyebabkan sedimentasi yang cukup besar di saluran sungai. Jika ada, kontaminan yang menempel pada partikel sedimen berpotensi mempengaruhi kualitas air di air penerima. Oleh karena itu, simulasi menyiratkan bahwa kolam air hujan memiliki manfaat untuk menahan aliran perkotaan dan menjebak partikel sedimen yang dihasilkan dari daerah tangkapan air perkotaan di hulu. Model ini mampu mensimulasikan secara kuantitatif dan menilai secara kualitatif kinerja kolam air hujan dalam mengelola banjir perkotaan.
3.5. Dinamika sedimen halus bervariasi dengan aliran
Seperti yang ditunjukkan dalamTabel 4, peristiwa ekstrem pada tahun 2012, disimulasikan oleh model yang divalidasi untuk menyelidiki secara numerik respons sedimen halus terhadap peristiwa banjir ekstrem.
2
(e) (f) (g) (h)
Gambar 11. Simulasi kedalaman air (a, e, i), konsentrasi tersuspensi (b, f, j), dan tegangan geser dasar dan medan kecepatan (c, g, k) selama puncak aliran, serta sedimentasi di air hujan kolam (d, h, l) untuk acara 5 tahun (a–c), 30 tahun (d–f), dan 100 tahun (g–i).
Tabel 6
Neraca massa sedimen untuk kejadian banjir yang berbeda.
5-tahun30-tahun100-tahun
masukan (m3)7.3516.71 28.41
pengendapan (m3)4.587.29 7.50
persentase(%)62.043.6 26.4
Gambar 13memplot inflow di inlet kolam dan pengendapan sedimen kumulatif selama seluruh periode dalam domain studi.
Jelas, kita dapat melihat hubungan non-linier antara debit aliran masuk dan deposisi kumulatif yang menunjukkan dua mode respons yang berbeda: (1) terus meningkat (misalnya zona 1 diGambar 13a), dan (2) menurun tajam (zona 2 inGambar 13sebuah). Untuk melihat
pada tren perubahan volume pengendapan dan debit aliran masukGambar 13b, kami menemukan bahwa aliran masuk yang tinggi menyebabkan peningkatan tajam dalam deposisi, dan aliran rendah yang konsisten meningkatkan sedimentasi, tetapi dengan laju yang lebih rendah. Namun, arus ekstrim masukGambar 13b mengurangi volume pengendapan secara tajam, dan semakin tinggi aliran masuk, semakin signifikan pengurangannya.
Gambar 14lebih lanjut menunjukkan perubahan sedimentasi tambak akibat tiga peristiwa representatif terpilih di tahun 2012 (Peristiwa 1, 2, dan 3 diGambar 13). Ditemukan bahwa sejumlah besar sedimen terperangkap selama Peristiwa 1, sedangkan Peristiwa 2 dan 3 yang ekstrim menahan sedimen yang diendapkan dan mengangkutnya ke hilir, terutama di daerah yang menghadap outlet pipa. Perilaku ini mirip dengan kejadian laboratorium yang dilaporkan di Bagian 3.1.3. Pada pipa outlet bed tegangan geser cukup tinggi untuk menyebabkan suspensi kembali sedimen. Dua respon yang berbeda
(s eb ua h)
(b) (c) (d)
M.Guan dkk./ Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99 10 3
(d) (e) (f)
(g) (h) (s
ay a)
Gambar 12. Simulasi kedalaman air (a, d, g), tegangan geser dasar dan medan kecepatan selama aliran puncak (b, e, h), dan sedimentasi (c, f, i) selama 5 tahun, 30 tahun dan peristiwa aliran 100 tahun untuk skenario kolam 'tanpa'.
mode yang diamati selama kondisi aliran yang bervariasi memunculkan hipotesis, yaitu: pengendapan sedimen di kolam meningkat dengan debit aliran masuk, tetapi setelah nilai kritis di mana ada keseimbangan
antara erosi dan deposisi, dasar akan terkikis karena tegangan geser dasar yang tinggi, dan laju erosi sebanding dengan besarnya aliran masuk.
(se bu ah )
(b) (c)
4
(b) Acara 1
Acara 2
Peristiwa3(c)
laju aliran (m3/s) pengendapan (m3)
100 80 60 40 20 0
10 8 6 4 2 0
0200400600800 1000
waktu kumulatif (h)
3025510
1,5 458
20 356
1
10 254
0,5 152
0050
0100200300500600700800
waktu kumulatif(h) kumulatif waktu (h)
Gambar 13. Volume pengendapan kumulatif dan debit aliran masuk selama waktu aliran kumulatif, (a) periode simulasi penuh 2012 (23/04/2012–26/05/2012), (b) zona 1, (c) zona 2.
Untuk memverifikasi hipotesis yang diajukan di atas, kami memilih 24 peristiwa aliran yang berbeda dengan puncak aliran yang bervariasi dari 0,2 m3/s hingga 10 m3/s dari tahun ekstrem 2012, dan menghitung volume pengendapan sebelum dan sesudah setiap peristiwa.Gambar 15 memplot titik-titik pencar antara perubahan volume pengendapan dan puncak aliran untuk setiap peristiwa, dan garis tren di antara titik-titik tersebut. Dapat dilihat bahwa dua garis tren diturunkan seperti yang didalilkan, dan keduanya memiliki koefisien determinasi yang baik, R2, yaitu lebih besar dari 0,8. Volume pengendapan memiliki hubungan linier dengan koefisien determinasi tinggi (0,8775) dengan debit aliran.
Hubungan linier antara volume erosi dan debit aliran juga signifikan, tetapi ada perbedaan besar yang jelas selama aliran tinggi ekstrim (lihatGambar 15). Dua kejadian yang berbeda nyata ini adalah kejadian 2 dan kejadian 3 dalamGambar 14. Dengan aliran tinggi yang serupa, peristiwa 2 memiliki erosi yang lebih parah daripada peristiwa 3. Ini karena ada pengendapan yang signifikan di kolam sebelum peristiwa 2 terjadi, yang memungkinkan lebih banyak sedimen untuk disuspensi kembali selama aliran peristiwa yang ekstrem.
2. Namun peristiwa 3 terjadi sekitar 110 jam setelah peristiwa 2, pengendapan
sedimen yang tersedia untuk suspensi ulang jelas jauh lebih sedikit daripada volume 2 sebelum kejadian. Oleh karena itu, hal ini menyebabkan bias yang signifikan untuk dua peristiwa dengan debit aliran tinggi yang sama. Kami menemukan bahwa ada nilai kritis yang didefinisikan sebagai 'titik keseimbangan' dari puncak aliran, dan nilainya kira-kira dalam kisaran 1,79–1,96 m3/s untuk kolam air hujan yang dipelajari. Dengan kata lain, pengendapan sedimen di kolam stormwater meningkat dengan aliran masuk, dan laju sebanding dengan puncak aliran ketika puncak aliran di bawah titik keseimbangan; namun, untuk aliran dengan puncak di atas titik keseimbangan, partikel sedimen halus akan tersuspensi kembali dan diangkut ke hilir, dan laju suspensi ulang sebanding dengan puncak aliran. Jelasnya, titik keseimbangan ini merupakan nilai transisi yang menyebabkan pengendapan dasar atau erosi
pada tambak. Poin ini memberikan indikator berharga untuk desain dan pemeliharaan kolam air hujan. Menghilangkan sedimen dari endapan
mengalir zona 2
(s eb ua zona 1 h)
pengendapan (m3) pengendapan (m3) laju aliran(m3/s) laju aliran(m3/s)
M.Guan dkk./ Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99 10 kolam stormwater diperlukan secara berkala untuk 5
mempertahankan fungsi yang tepat dan memulihkan kapasitas untuk mencegah banjir lokal. Pengerukan mesin secara tradisional merupakan salah satu pilihan selama kondisi kering (Badan Perlindungan Lingkungan Amerika Serikat, 2009)⁄⁄.
Namun, pemahaman tentang titik keseimbangan tambak dapat menyarankan a
metode pengaturan hidrolik alami, sehingga menghemat biaya pemeliharaan, dan pengangkutan sedimen ke hilir juga dapat memperbaiki habitat sungai. Metode regulasi hidraulik serupa telah digunakan untuk pengelolaan sedimen berkelanjutan di waduk (Kondolf, dkk., 2014). Perlu disebutkan bahwa perubahan aktual dalam volume sedimentasi juga terkait dengan volume aliran masuk selain puncak aliran, karena volume aliran yang lebih besar berarti lebih banyak sedimen halus yang masuk ke kolam. Meskipun demikian, puncak aliran adalah faktor deterministik yang menyebabkan sedimen halus diendapkan di kolam atau dikeluarkan dari kolam.
4. Kesimpulan
Studi ini telah mengembangkan model numerik untuk melacak proses hidromorfologi yang didominasi oleh sedimen tersuspensi berbutir halus, termasuk prediksi konsentrasi sedimen di badan aliran, dan erosi dan deposisi yang disebabkan oleh transportasi sedimen. Model telah divalidasi dengan tiga kasus uji skala laboratorium di mana beban tersuspensi memainkan peran dominan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa model mampu mereproduksi dinamika aliran dan perubahan morfologi yang dihasilkan dengan cukup baik.
Aplikasi dalam peristiwa dunia nyata dilakukan untuk lebih mengembangkan pemahaman berbasis proses aktivitas sedimen halus di kolam stormwater selama berbagai kondisi aliran.
Temuan yang diperoleh dari penelitian ini meliputi: (1) kolam stormwater dapat digunakan untuk melemahkan aliran puncak dan menjebak partikel sedimen halus, dan efeknya lebih signifikan untuk kejadian aliran dengan puncak aliran yang lebih kecil; (2) a
6
Gambar 14. Pengendapan sedimen di kolam stormwater sebelum dan sesudah kejadian 1, 2 dan 3 terjadi.
titik keseimbangan untuk puncak aliran masuk menentukan apakah sedimen halus mengendap atau tersuspensi kembali, dan nilainya ditentukan dalam kisaran 1,79–1,96 m3/s untuk kolam yang diteliti; (3) itu
aliran rendah yang konsisten menyebabkan akumulasi bertahap partikel sedimen di kolam, dan setiap peristiwa aliran yang disebabkan oleh curah hujan menghasilkan peningkatan tajam dalam volume pengendapan di bawah titik keseimbangan, tetapi
M.Guan dkk./ Jurnal Hidrologi 556 (2018) 87–99 10 7 10
0
-10
-20
-30
-40
-50
02468 10
puncak aliran (m3/s)
bukti tentang pengelolaan banjir 'alami' berbasis daerah tangkapan di Britania Raya. Prok. R. Soc. London, Ser A 473 (2199).
Duan, JG, Nanda, SK, 2006. Simulasi model rata-rata kedalaman dua dimensi dari distribusi konsentrasi sedimen tersuspensi di lapangan groin. J. Hidrol. 327 (3), 426–437.
Eekhout, JP, Hoitink, AJ, de Brouwer, JH, Verdonschot, PF, 2015. Morfologis penilaian sungai dataran rendah yang direkonstruksi di Belanda. Adv. Air sumber daya. 81, 161–171.
Badan Perlindungan Lingkungan Amerika Serikat, buku panduan pengelolaan kolam basah dan lahan basah Stormwater, Februari 2009, https://www3.epa.gov/npdes/pubs/pondmgmtguide.pdf.
Guan, M., Wright, N., Sleigh, P., 2013. Model air dangkal 2D yang kuat untuk pemecahan mengalir di atas topografi kompleks menggunakan metode fluks homogen. Int. J. Nomor. Sabu. Cairan 73 (3), 225–249.
Guan, M., Wright, N., Sleigh, P., 2014. Model morfodinamika berbasis proses 2D untuk banjir oleh pelanggaran tanggul non-kohesif. J. Hidraul. Ind. 140 (7).
Guan, M., Wright, N., Giring, P., 2015a. Model morfodinamika multimode untuk aliran sedimen dan dampak geomorfik. J. Hidraul. Ind. 141 (6).
Guan, M., Wright, NG, Giring, PA, Carrivick, JL, 2015b. Penilaian hidro- pemodelan morfodinamika dan dampak geomorfologi sedimen- dibebankan jökulhlaup, di Sólheimajökull, Islandia. J. Hidrol. 530, 336–349.
Guertault, L., Camenen, B., Peteuil, C., Paquier, A., Faure, JB, 2016. Satu dimensi Gambar 15. Hubungan puncak aliran dan volume sedimentasi, catatan: nilai
positif menunjukkan pengendapan, nilai negatif berarti erosi.
di atas nilai tersebut, peristiwa aliran tinggi akan menghanyutkan sedimentasi di tambak; dan (4) model tersebut mampu secara kuantitatif mensimulasikan dan menilai secara kualitatif kinerja kolam air hujan dalam mengelola kuantitas dan kualitas air perkotaan.
Ucapan Terima Kasih
Pekerjaan ini didukung oleh Hibah EPSRC Inggris (No. EP/
K013661/1) dan Hibah dana terbuka (No. SKHL1607) dari Universitas Sichuan. Penulis berterima kasih kepada Badan Lingkungan untuk menyediakan data curah hujan, DTM dan penggunaan lahan untuk studi kasus kolam stormwater. Data yang terkait dengan makalah ini tersedia secara terbuka dari repositori data Universitas Nottingham:10.17639/ bukan.335.
Referensi
Abad, JD, Buscaglia, GC, Garcia, MH, 2008. Hidrodinamika aliran 2D, sedimen transportasi dan model morfologi tempat tidur untuk aplikasi teknik. Hidrol.
Proses. 22 (10), 1443–1459.
Ahilan, S., Guan, M., Sleigh, A., Wright, N., Chang, H., 2016. Pengaruh restorasi dataran banjir terhadap dinamika aliran dan sedimen di sungai perkotaan. J. Pengelolaan Risiko Banjir.https://doi.org/10.1111/jfr3.12251.
Allen, D., Arthur, S., Haynes, H., Olive, V., 2017. Polusi kejadian hujan berganda transportasi dengan sistem drainase yang berkelanjutan: nasib polusi sedimen halus. Int. J.Lingkungan. Sci. teknologi. 14 (3), 639–652.
Allen, D., Olive, V., Arthur, S., Haynes, H., 2015. Transportasi sedimen perkotaan melalui sengkedan bervegetasi yang mapan: efisiensi pengobatan jangka panjang dan endapan. Air 7 (3), 1046–1067.
Bohorquez, P., Fernandez-Feria, R., 2008. Transportasi sedimen tersuspensi di bawah aliran dam-break pada bidang miring dengan kemiringan sembarang. Hidrol.
Proses. 22 (14), 2615–2633.
Begnudelli, L., Valiani, A., Sanders, BF, 2010. Perlakuan yang seimbang dari sekunder arus, turbulensi dan dispersi dalam hidrodinamika terintegrasi kedalaman dan model deformasi tempat tidur untuk tikungan saluran. Adv. Sumber Daya Air. 33 (1), 17–33.
Birch, GF, Matthai, C., Fazeli, MS, 2006. Efisiensi kolam retensi/penahanan untuk menghilangkan kontaminan dari air strom perkotaan. Air Perkotaan J. 3 (2), 69–
77.
Cao, Z., Pender, G., Wallis,S., Carling, P., 2004. Hidrolik pemecah bendungan komputasional di atas lapisan sedimen yang dapat tererosi. J. Hidraul. Ind. 130 (7), 689–703.
Costabile, P., Macchione, F., 2015. Penyempurnaan pengaturan model sungai untuk dinamika 2-D pemodelan banjir. Mengepung. Model. Perangkat Lunak 67, 89–
107.
Crosa, G., Castelli, E., Gentili, G., Espa, P., 2010. Pengaruh sedimen tersuspensi dari pembilasan reservoir pada ikan dan makroinvertebrata di sungai alpine. air. Sci.
72 (1), 85–95.
Dadson, S., Hall, J., Murgatroyd, A., Acreman, M., Bates, P., Beven, K., Heathwaite, L., Holden, J., Holman, I., Lane, S., O'Connell, E., Penning-Rowsell, E., Reynard, N., Sear, D., Thorne, C., Wilby, R., 2017. Penyajian kembali ilmu alam
pemodelan dinamika sedimen tersuspensi di waduk bendungan. J. Hidraul. Ind.
142 (10).
Hou, J., Liang, Q., Zhang, H., Hinkelmann, R., 2015. MUSCL tidak terstruktur yang efisien skema untuk memecahkan persamaan air dangkal 2D. Mengepung. Model.
Perangkat lunak 66, 131-152.
Hu, P., Cao, Z., 2009. Pemodelan matematis yang digabungkan sepenuhnya dari arus kekeruhan di atas tempat tidur yang mudah terkikis. Adv. Sumber Daya Air. 32 (1), 1–15.
Hu, P., Cao, Z., Pender, G., Tan, G., 2012. Pemodelan
