Experimental and theoretical analysis of flow and sediment transport in 90-degree fluvial diversions.
Authors:   , Herrero Casas Albert 
Published: October 2023

Fluvial bifurcations are systems that have a great influence on human society. Their formation and evolution can affect to activities as agriculture or industry and a good knowledge of the mechanisms that affect the processes involved can be determinant for a proper land management. From a geometrical point of view, diversions or lateral intakes are a particular case of fluvial bifurcations in which one of the downstream branches exits laterally while the other follows the same direction as the incoming channel. Diversions are characterized by a significant trend of sediment to deviate towards the lateral branch.
The first part of this document describes the experimental work performed in the Fluvial Morphodynamic Laboratory in BarcelonaTech University. Water and solid discharge distributions, as well as bed and water surface levels are measured along the model, during tests with different total water discharges. Results confirm the sediment distributions reported in the literature and but also highlight the influence of bed bathymetry evolution and three-dimensional flow patterns in the local sediment transport of the diversion area. A threshold value is found for total discharge, above which a vortex is formed in front of the diversion entrance and a scour hole is formed in the first stretch of the main channel downstream of the diversion.
An energy balance equation is proposed between upstream and downstream of the diversion taking into account the energy losses associated with the vortex, and a good comparison is found when tested against the experimental results. A nodal equation that relates water discharge to sediment discharge distribution is developed considering separately bed load and suspended sediment transport. Calculated values of sediment discharge ratio compare reasonably well with experimental values. Joining these equations, uniform flow, transport capacity and mass continuity equations for water and sediment, a theoretical model is proposed to evaluate the equilibrium situation of a fluvial diversion in terms of water discharge, sediment discharge, water depth and bed slope in both downstream branches.

Les bifurcacions fluvials son sistemes amb una gran influència a la societat. La seva formació i evolució pot afectar a activitats com l’agricultura i la indústria, i un bon coneixement dels mecanismes que afecten els processos involucrats pot ser determinant per una correcta gestió del territori. Des d’un punt de vis ta geom ètric, les derivacions o pres es d’aigua laterals són un cas particular de les bifurcacions fluvials , en el qual un dels ramals s urt lateralment i l’altre s egueix la mateixa direcció que el canal entrant. Les derivacions es caracteritzen per una tendència significativa del sediment a ser desviat cap al ramal lateral.
La primera part d’aquest document descriu el treball experimental portat a terme al Laboratori de Morfodinàmica Fluvial de la Universitat Politècnica de Catalunya. S’han realitzat experiments amb diferents cabals totals d’aigua, durant els quals s’han pres mesures de la distribució de cabal líquid i sòlid, així com dels nivells del fons i la superfície de l’aigua al llarg de tot el model. Els resultats confirmen el desequilibri de cabals s òlids reportat en estudis anteriors, però també posen de manifest la influència de l’evolució de la batimetria i les característiques tridimensionals del flux en la dinàmica local del transport dels ediments . S’ha trobat un valor límit pel cabal líquid total, per sobre del qual es genera un vòrtex davant de l’entrada del ramal lateral i es form a un fos s at d’eros ió al tram inicial del ramal recte, aigües avall de la derivació.
Es proposa una equació de balanç d’energia entre aigües amunt i aigües avall de la derivació tenint en compte les pèrdues d’energia associades al vòrtex, que reprodueix de forma bastant bona els resultats experimentals. Es desenvolupa una equació nodal que relaciona les distribucions de cabal líquid i sòlid, considerant per separat el transport de fons i el transport en suspensió. Els valors del rati de cabal sòlid calculat es corresponen raonablement bé amb els obtinguts experimentalment. Unint aquestes equacions amb les de flux uniforme i transport s òlid a cada ramal, i continuïtat de massa per aigua i sediment, es proposa un model teòric per avaluar la situació d’equilibri d’una derivació fluvial en termes de cabal líquid, cabal sòlid, calat d’aigua i pendent de la llera en cadas cun dels ramals d’aigües avall.