بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي مناسب ترين روش نيمه تجربي پيش بيني ارتفاع وپريود امواج در بندر نوشهر
خلاصه
روابط تجربي پيش بيني موج معمولا براي تخمين اوليه مشخصات امواج محلي در مناطقي که هندسه نسبتا ساده اي دارند، مورد استفاده قرار مي گيرند. [٩] در اين تحقيق ارتفاع و پريود امواج با چهار روش نيمه تجربي CEM، SPM ،SMB و مدل ويلسون محاسبه شد. مقادير اندازه گيري شده با مقادير مشاهده شده به وسيله بويه ، مقايسه شده و ميزان خطاي اين روابط تجربي بدست آمده است . در اين پژوهش علاوه بر اندازه گيري خطا، تاثير سرعت باد، زمان تداوم باد، محدود کردن به طول موجگاه و تاثير اين عوامل در بالا يا پايين بردن خطاي محاسباتي در بندر نوشهر بررسي گرديده است . با برسي چهار مدل فوق ، SPM باکمترين خطا و SMB با بيشترين خطا ارتفاع و پريود امواج را در بندر نوشهر به ما داده است . همچنين با دسته بندي کردن سرعت هاي باد به بالاي ، و سرعت هاي زير ميزان خطا ها براي اين دسته بندي سرعت نيز محاسبه گرديد.
کلمات کليدي: پيش بيني ارتفاع موج ، پريود موج ، طيف موج ، بندر نوشهر
١-مقدمه
از آنجا که امواج يکي از پيچيده ترين و متغير ترين پديده هاي طبيعي مي باشند، فهم کامل رفتار و پيش بيني آنها کار چندان ساده اي نيست . پيش بيني امواج از اين لحاظ لازم است که طراحي ايمن و اقتصادي سازه هاي دريايي و ساحلي مستلزم شناخت و تعيين مشخصات امواج مي باشند. مهندسين اين سازه ها را براي مقاصد گوناگوني طراحي و اجرا مي کنند. موج شکن ها و اسکله ها در بنادر و لنگرگاه ها به منظور پهلوگيري آرام و مطمئن کشتي ها ساخته مي شوند. ديوار هاي دريايي و آب شکن ها به منظور حفاظت ساحل به کار برده مي شوند و سکو هاي دريايي براي استخراج منابع نفت و گاز زير دريا ها به کار برده مي شوند. همه اين سازه ها مي بايست در محيط دريا و در شرايط طوفاني قادر به ايفاي نقش خود بوده و براي اطمينان يافتن از اين موضوع لازم است تا عوامل محيطي که مهمترين آنها امواج هستند، شناخته شوند. اين سازه ها بايد به گونه اي طراحي شوند که قابليت تحمل بارهاي وارده ناشي از امواج را داشته باشند. يکي از محاسبات لازم براي تعيين بار گذاري روي سازه هاي دريايي انتخاب تئوري موج مناسب براي تعيين بار هاي هيدروديناميکي وارد بر سازه مي باشد. [٣]
جنبه ديگر اهميت مدل سازي امواج ، اثر مستقيم آنها در اندر کنش جو – دريا مي باشد. اين امر مي تواند تخمين دقيق تر شار هاي ناشي از اندر کنش هوا – آب را که نقش مهمي در مدل سازي اقليم و کيفيت آب دريا ها دارد، ممکن سازد. [٨] يک حرکت واقعي در زمينه پيش بيني امواج در زمان جنگ جهاني دوم اتفاق افتاد و در آن زمان نظريه هاي دانشمندان با مسائل مهندسي در هم آميخته شد و پايه مهندسي سواحل ريخته شد. [٣] علت اين امر نياز به آگاهي از وضعيت دريا در حين عمليات در سواحل متحدين بود. اولين پيش بيني عملياتي بر اساس کار مانک ١ و سور دراپ ٢ در سال ١٩٤٧بود که آن ها يک توصيف پارامتري از مشخصات امواج ارائه کردند و در آن از روابط تجربي براي پيش بيني مشخصات استفاده مي شد. اين روش بعدا تکميل شد و روش SMB نام گرفت . حرکت بزرگ بعدي در دهه ١٩٥٠ توسط يک گروه از اقيانوس شناسان به نام پيرسون ٣ و همکاران در سال ١٩٥٥ انجام گرفت که در آن مفهوم طيف موج مطرح گرديد و روش PNI براي پيش بيني مشخصه موج ارائه گشت . پس از آن فيليپس ٤ و مايلز٥ در سال ١٩٥٧نظريه رشد موج خود را ارائه کردند و بدين ترتيب معادله رشد موج شامل سه جمله ورودي ناشي از باد، انتقال غير خطي و استهلاک بود، ارائه شد. بدين ترتيب با استفاده از مفاهيم فوق ، معادلات انتشار و تحولات ساحلي موج قابل استفاده در مدلهاي عددي شد که از اين معادلات هم اکنون نيز استفاده مي شود. [٨]
٢- منطقه مورد مطالعه
بندر نوشهر در جنوب درياي خزر و يکي از مهم ترين بنادر ايران مي باشد.طبق اطلاعات پايگاه داده مشخصه هاي دريايي ، بويه موج نگار نوشهر در فاصله ٦ کيلو متري بندر قرار دارد و در مختصات جغرافيايي ٣٦ درجه و٤٢ دقيقه شمالي و ٥١ درجه و ٣٠ دقيقه شرقي مي باشد. داده هاي مورد نياز براي به انجام رساندن تحقيق براي اجراي مدل نيمه تجربي موج شامل داده هاي باد، طول موجگاه و همچنين خصوصيات هندسي منطقه مورد نظر
است . [٩]
شکل ١- بندر نوشهر و موقعيت بويه نسبت به آن
داده هاي مربوط به عمق سنجي براي اجراي مدل از سازمان مطالعات و تحقيقات درياي خزر تهيه شده است .
داده هاي مربوط به طول موجگاه در منطقه با استفاده از نرم افزار Google earth بدست آمده است . اين برازش براي زاويه ٥ درجه صورت گرفته است . اطلاعات باد مورد استفاده شده در اين تحقيق از ايستگاه هوا شناسي و بويه قرار گرفته شده نوشهر بدست امده است . بويه اندازه گيري نوشهر اطلاعات باد و موج را در بازه هاي ١ ساعته برداشت کرده است . بويه در ارتفاع ٢ متري نسبت به سطح دريا سرعت وجهت باد را برداشت کرده است . براي محاسبه زمان تداوم از تعريف باد ثابت استفاده شده است . [١] و با توجه به مستندات مرکز ملي مطالعات و تحقيقات دريايي خزر و با برسي ديتا هاي که در اختيار اين پژوهش قرار داده شده از زمان تداوم ٦ ساعته استفاده شده است .
٣- روشهاي پيش بيني امواج
٣-١ مدل SMB
اين روش توسط سورداپ و مانک در سال ١٩٤٧ارائه شده است و بعدا با استفاده از داده هاي بيشتري که توسط برت اشنايدر١ در سال ١٩٥٨جمع آوري شده بود، در چند نوبت اصلاح گرديده است . [١١] طبق مدل SMB مي توان امواج توليد شده در شرايط محدوديت طول موجگاه و محدوديت زمان تداوم باد را پيش بيني نمود. براي اين کار ابتدا بايد مطابق رابطه (١) زمان تداوم لازم براي ايجاد حالت محدوديت طول موجگاه را محاسبه نمود. [
در رابطه فوق ، ݐ زمان تداوم لازم براي ايجاد حالت محدوديت طول موجگاه بر حسب ثانيه و ܷ سرعت باد بر حسب متر بر ثانيه ،ܺ طول موجگاه بر حسب متر و متر بر مجذور ثانيه مي باشد.
اگر زمان تداوم واقعي بزرگتر از زمان تداوم محاسبه شده توسط رابطه (١) باشد، رشد موج توسط طول موجگاه محدود مي شود و طبق روابط (٢) و(٣) مي توان ارتفاع و پريود موج شاخص را محاسبه نمود.
٣-٢ مدل ويلسون
ويلسون درسال ١٩٦٥ روشي تجربي براي پيش بيني امواج ارائه نمود که اين روش در آيين نامه طراحي بنادر 3 ژاپن ٢، به عنوان يکي از روش هاي پيش بيني امواج استفاده شده است ، براي محاسبه طول موجگاه روش ساويل که در سال ١٩٥٤مطابق رابطه (٤) ارائه شده ، توصيه شده است . [١٠]
روابط مدل ويلسون ، بر اساس اين روش حداقل زمان لازم براي حاکم شدن شرايط محدوديت طول موجگاه طبق رابطه (٥) محاسبه مي شود.
اگر زمان تداوم واقعي بزرگتر از زمان تداوم محاسبه شده توسط رابطه (٥) باشد ، رشد موج ، توسط طول موجگاه محدود مي شود و طبق روابط (٦) و (٧) مي توان ارتفاع و پريود موج شاخص را بدست آورد.
در روابط فوق ارتفاع و پريود موج شاخص بر حسب متر بر ثانيه ، ܷ سرعت باد در تراز ١٠ متري بالاي سطح دريا بر حسب متر بر ثانيه ، طول موجگاه بر حسب متر و شتاب ثقل مي باشد. در صورتي که زمان تداوم واقعي کوچکتر از تداوم محاسبه شده توسط رابطه (٥)باشد، رشد موج توسط زمان تداوم باد محدود مي شود. در اين حالت با جايگزيني زمان تداوم واقعي در رابطه (٥) طول موجگاه معادل محاسبه مي شود و با قرار دادن طول موجگاه معادل در روابط (٦) و (٧) ارتفاع و پريود موج شاخص محاسبه مي شوند. [١٠]
1
٣-٣ مدل SPM
مدل تجربي پيش بيني امواج که در کتاب راهنماي حفاظت ساحلي در سال ١٩٨٤ ارائه شده است بر گرفته از روش طيفي جانسواپ مي باشد. طبق اين مدل ابتدا بايد زمان تداوم واقعي باد مورد نظر، طبق رابطه (٨) محاسبه گردد. [٩]
که زمان تداوم لازم براي ايجاد حالت محدوديت طول موجگاه بر حسب ثانيه ،ܺ طول موجگاه بر حسب متر متر بر مجذور ثانيه مي باشد. اگر زمان تداوم واقعي بزرگتر از زمان تداوم محاسبه شده توسط رابطه (٨) باشد ، رشد موج ، توسط طول موجگاه محدود مي شود و طبق روابط (٩) و (١٠) مي توان ارتفاع و پريود موج شاخص را بدست آورد. [٩]
که ارتفاع موج شاخص بر حسب متر و پريود قله طيف بر حسب ثانيه مي باشد. در صورتي که زمان تداوم واقعي کوچک تر از زمان تداوم محاسبه شده توسط رابطه (٨) باشد، رشد موج توسط زمان تداوم محدود مي گردد. براي استفاده از اين مدل اصلاحاتي را بايد بر روي سرعت باد اندازه گيري شده انجام شود.
الف ) اصلاح تراز اندازه گيري: در اين مدل سرعت باد اندازه گيري شده در تراز ١٠ متري نسبت به سطح دريا استفاده مي شود. براي اصلاح سرعت باد از رابطه (١١) استفاده مي شود. که Z ارتفاع محل اندازه گيري سرعت باد مي باشد. [٩]
ب ) اصلاح پايداري : در شرايطي که اختلاف دماي آب و هوا صفر باشد، لايه مرزي هواي روبه آب به صورت پايدار مي باشد و نيازي به اصلاح سرعت باد نيست . در حالتي که دماي هوا کمتر از دماي آب باشد لايه مرزي به صورت ناپايدار در مي آيد و اثر اعمالي باد بر آب دريا افزايش مي يابد و بدين ترتيب ارتفاع موج نيز افزايش مي يابد. اصلاحات مربوط به مکان اندازه گيري انجام نمي شود، چون سرعت باد توسط بويه درون آب بدست آمده است . [٩]
ج ) ضريب پسا : در مدل SPM بجاي استفاده از سرعت باد، از فاکتور تنش باد استفاده مي شود. بدين ترتيب پس از انجام اصلاحات فوق مي بايست با استفاده از رابطه (١٢) سرعت باد را به فاکتور تنش باد تبديل نمود. که U سرعت باد بر حسب متر بر ثانيه فاکتور تنش باد مي باشد. [٩]
٣-٤ مدل CEM
در روابطي که روش CEM براي پيش بيني ارتفاع موج شاخص و پريود قله ارائه کرده است ، از سرعت اصطکاکي باد استفاده مي شود . براي محاسبه روابط زير پيشنهاد مي شود. [٤]
طول موجگاه ، محدوديت زمان تداوم باد و امواج کاملا رشد يافته را پيش بيني نمود. براي اين کار ابتدا بايد زمان تداوم واقعي را محاسبه کرد . از رابطه (١٥) زمان تداوم لازم محاسبه مي گردد.
[٤]
اگر زمان تداوم واقعي بزرگتر از مقدار فوق باشد، رشد موج ، توسط طول موجگاه کنترل مي شود و طبق روابط (١٦) و (١٧) مي توان ارتفاع شاخص و پريود طيف را بدست آورد.
از آنجا که تراز اندازه گيري قابل قبول توسط CEM بين ٨ تا ١٢ متر بوده و تراز اندازه گيري بويه در ٢ متري نسبت به سطح آب بوده پس براي رفع اين مشکل از اطلاعات باد ايستگاه هواشناسي در نزديکي آن استفاده کرده سپس اصلاح مکان اندازه گيري براي آن انجام گرفته است .
اصلاح پايداري : طبق روش CEM در مواردي که طول موجگاه بزرگتر از ١٦ کيلو متر باشد، استفاده از ضريب اصلاح پايداري ضروري مي باشد. [٤]
ضريب پايداري براي CEM و SPM برابر است با:
محاسبه زمان تداوم وزش باد : زمان تداوم وزش باد يکي از پارامتر هاي اصلي در توليد و رشد موج مي باشد.
براي محاسبه زمان تداوم باد از تعريف باد ثابت استفاده مي شود. براي مدل هاي CEM و SPM، سرعت و جهت باد براي باد ثابت به اين گونه است که ساعت هاي متوالي که باد محدود به تغيير سرعت متر بر ثانيه و تغيير جهت باشد. ولي در مدل هاي ويلسون و SMB حرفي از تغيير ميزان سرعت نشده است . در مورد تغيير جهت نيز محدود به ٤٥ درجه شده است . در اين پژوهش از زمان تداوم ٦ ساعت استفاده شده است . [١]
