A tank model in conjunction with Kalman filter is developed for prediction of sediment yield from an upland watershed in Northwestern Mississippi. The state vector of the system model represents the parameters of the tank model. The initial values of the state vector were estimated by trial and error. The sediment yield of each tank is computed by multiplying the total sediment yield by the sediment yield coefficient. The sediment concentration of the first tank is computed from its storage and the sediment concentration distribution(SCD); the sediment concentration of the next lower tank is obtained by its storage and the sediment infiltration of the upper tank; and so on. The sediment yield computed by the tank model using Kalman filter was in good agreement with the observed sediment yield and was more accurate than the sediment yield computed by the tank model.
In this study a sediment yield is compared by IUSG, IUSG with Kalman filter, tank model and tank model with Kalman filter separately. The IUSG is the distribution of sediment from an instantaneous burst of rainfall producing one unit of runoff. The IUSG, defined as a product of the sediment concentration distribution (SCD) and the instantaneous unit hydrograph (IUH), is known to depend on the characteristics of the effective rainfall. In the IUSG with Kalman filter, the state vector of the watershed sediment yield system is constituted by the IUSG. The initial values of the state vector are assumed as the average of the IUSG values and the initial sediment yield estimated from the average IUSG. A tank model consisting of three tanks was developed for prediction of sediment yield. The sediment yield of each tank was computed by multiplying the total sediment yield by the sediment yield coefficients; the yield was obtained by the product of the runoff of each tank and the sediment concentration in the tank. A tank model with Kalman filter is developed for prediction of sediment yield. The state vector of the system model represents the parameters of the tank model. The initial values of the state vector were estimated by trial and error.
The sediment resuspension and diffusion model is an integral part of a sediment transport and morphologic change model. We examined a vertical one-dimensional sediment resuspension and diffusion model using field data collected at about 10-m depth off the Saemangeun $4^{th}$ dike. The field data include waves, currents and suspended sediment concentration near the bed for about a day in May, 2007. The suspended sediment concentration obtained from the 1D model overestimated the observation about two orders of magnitude with single grain size and multiple grain sizes. The incorporation of the bed armoring effect, which adjusts the amount of suspended sediment with the available bed sediment, improved the agreement between the model and observation within a factor of two.
For effective management of sediment-related diffuse pollution, it is of utmost importance to estimate spatial variation of sediment transport processes within a catchment. A mathematical model can play a critical role in estimating sediment transport processes at the catchment scale provided that the model structure is appropriate for representing major sediment transport processes of the catchment of interest. This paper introduces a distributed catchment model River Basin Water Quality Simulator (RBWQS) and presents some results of its application to a small rural catchment in Korea. The model has been calibrated and validated for a wet period using hourly hydrographs and sediment concentrations observed at the catchment outlet. Based on the model simulation results, the spatial variation of sediment transport processes across the catchment and the effects of paddy fields and small reservoirs on hydrology and sediment transport have been analyzed at the catchment scale.
This numerical study aims to investigate the effect of cohesive sediment on turbulence structure due to density stratification. The transport model for cohesive sediment incorporated with flocculation model has been selected and calculates the concentration, fluid momentum, and turbulence. From the model results, it is known that suspension of sediment decreases turbulence intensity. It is also found that cohesive sediment has a relatively weak effect on turbulence damping compared to noncohesive sediment. The low settling velocity and more suspension of cohesive sediment are considered to be mechanisms of this behavior. Richardson number determined with results of this study quantitatively shows that cohesive sediment causes less stable density stratification condition and, as a result, the turbulence structure is less damped compared to the case of noncohesive sediment.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2011.05a
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pp.17-17
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2011
As a method of countermeasure to bed degradation and armoring phenomena of bed material in the downstream area of dam reservoirs, sediment augmentation (replenished sediment) has been carried out in many Japanese rivers. In general, bed of the replenished sediment site is composed of rocks, because the site is located in the downstream area of the dams and sediment supply is very small. Bed deformation process has been researched by many researchers. As a method of countermeasure to bed degradation and armoring phenomena of bed material in the downstream area of dam reservoirs, sediment augmentation (replenished sediment) has been carried out in many Japanese rivers. In general, bed of the replenished sediment site is composed of rocks, because the site is located in the downstream area of the dams and sediment supply is very small. Bed deformation process has been researched by many researchers. However, most of them can treat movable bed only and cannot be applied to the bed deformation process of sediment on rocks. If the friction angle between the sediment and the bed surface is assumed to be the same as the friction angle between the sediment and the sediment, sediment transport rate must be smaller without sediment deposition layer on the rocks. As a result, the reproduced bed geometry is affected very well. In this study, non-equilibrium transport process of non-cohesive sediment on rigid bed is introduced into the horizontal two dimensional bed deformation model and the model is applied to the erosion process of replenished sediment on rock in the Nakagawa, Japan. Here, the Japanese largest scale sediment augmentation has been performed in the Nakagawa. The results show that the amounts of the eroded sediment and the remained sediment reproduced by the developed numerical model are $56300m^3$ and $26800m^3$, respectively. On the other hand, the amounts of the eroded sediment and the remained sediment measured in the field after the floods are $56600m^3$ and $26500m^3$, respectively. The difference between the model and field data is very small. Furthermore, the bed geometry of the replenished sediment after the floods reproduced by the developed model has a good agreement with the measured bed geometry after the floods. These results indicate that the developed model is able to simulate the erosion process of replenished sediment on rocks very well. Furthermore, the erosion speed of the replenished sediment during the decreasing process of the water discharge is faster than that during the increasing process of the water discharge. The replenished sediment is eroded well, when the top of the replenished sediment is covered by the water. In general, water surface level is kept to be high during the decreasing process of the discharge during floods, because water surface level at the downstream end is high. Hence, it is considered that the high water surface level during the decreasing process of the water discharge affects on the fast erosion of the replenished sediment.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.2
no.2
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pp.19-28
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1982
The development of unsteady, depth-averaged two dimensional sediment transport prediction model in estuaries and harbors by the Galerkin finite element technique is presented. The model consists of two submodels, flow induced circulation model and sediment transport model. The sediment transport submodel is formulated by incorporating sediment continuity equation and sediment diffusion equation. Numerical experiments of the model, which were carried out in one dimensional channel under different conditions for circulation and sediment transport, show the adaptability of the formulation for predicting the migration of both cohesive and noncohesive sediments. The model was applied to Busan harbor to simulate circulation and sediment transport for simplified conditions. Of the results by the model the flow pattern are shown to be similar to observed data.
A model has been developed to investigate in-river sediment and phosphorus dynamics. This advective-dispersive model is coupled with hydrodynamics and sediment transport submodels to simulate suspended sediment, total dissolved phosphorus, total phosphorus, and particulate phosphorus concentrations under unsteady flow conditions. It emphasizes sediment and phosphorus dynamics in unsteady flow conditions, in which the study differs from many previous solute transport studies, conducted in relatively steady flow conditions. The diffusion wave approaximation was employed for unsteady flow simulations. The first-order adsorption and linear adsorption isotherm model was used on the basis of the three-layered riverbed submodel with riverbed sediment exchange and erosion/deposition processes. Various numerical methods were tested to select a method that had minimal numerical dispersion under unsteady flow conditions. The responses of the model to the change of model parameter values were tested as well.
It is essential to obtain periodic sediment discharge data in a river in order to minimize problems that may arise from the erosion, transport, and deposition of sediment. However, it is difficult to estimate sediment discharge by the sediment discharge measurement plan in Korea at present, and empirical fomulas or numerical models are used to replace them. This paper has applied the K-DRUM model, a grid-based rainfall-runoff-sediment model, to estimate sediment discharge and ensure the continuity of the data in the watershed. Discharge and sediment load in 17 watersheds were estimated and the applicability of the model was analyzed through comparisons with measured data. For quantitative evaluation, NSE, PBIAS and RSR items were used, and discharge results reflected the tendency of rainfall and showed high statistical value. In case of sediment discharge, the soil erosion process of the watershed is physically well reflected. When the calibration was performed using the measure data, the applicability seems to be excellent in estimating the continuous sediment discharge data in the real watershed.
Environmental Sciences Bulletin of The Korean Environmental Sciences Society
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v.2
no.1
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pp.29-36
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1998
An instantaneous unit sediment graph (IUSG) model is investigated for prediction of sediment yield from an upland watershed in Northwestern Mississippi. Sediment yields are predicted by convolving source runoff with an IUSG. The IUSG is the distribution of sediment from an instantaneous burst of rainfall producing one unit of runoff. The IUSG, defined as a product of the sediment concentration distribution (SCD) and the instantaneous unit hydrograph (IUH), is known to depend on the characteristics of the effective rainfall. The IUH is derived by the Nash model for each event. The SCD is assumed to be an exponential function for each event and its parameters were correlated with the effective rainfall characteristics. A sediment routing function, based on travel time and sediment particle size, is used to predict the SCD.
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