بخشی از مقاله
چکیده
شناخت مد طوفان - storm surge - به عنوان خطرناکترین پدیده طبیعی در مناطق ساحلی یکی از مسائل بسیار حائز اهمیت در مهندسی سواحل میباشد. در این مقاله، یک مدل عددی دو بعدی از معادلات متوسط گیری شده در عمق آب کمعمق، جهت تحلیل و پیشبینی پدیده مد طوفان توسعه داده شده است. این مدل از یک روش تفاضل محدود کاملا ضمنی با تکنیک حل جاروی دو طرفه استفاده میکند. به دلیل استفاده از یک شبکه مستطیلی با ابعاد المان متغیر، امکان افزایش دقت در مناطق خاص وجود دارد و این سبب کاهش حجم محاسبات میشود. ترمهای گرادیان فشار جو متغیر، تنشهای باد ناشی از یک میدان باد متغیر، نیروهای جزرومدی، نیروی کوریولیس، اصطکاک کف متغیر و اصطکاک جانبی در مدل اعمال شده است. در تحقیق حاضر، تأثیر هرکدام از این ترمها بر روی نتایج بررسی شده است و مشخص گردیده که در نظر گرفتن ترم فشار حدود ٢٠ درصد در نتایج تأثیر میگذارد. نتایج بیانگر این است که با افزایش تدریجی میدان باد به میزان زیادی از نوسانات عددی کاسته میشود. در ضمن در تحقیق حاضر، تأثیر نحوه میانیابی میدان باد بر روی میزان مد طوفان بررسی گردیده است. در این راستا نتایج نشان میدهد که روش میانیابی درجه دو در جاهایی که تغییرات میدان باد شدید است، نتایج دقیقتری نسبت به سایر روشها میدهد. نتایج مدل با حلهای تحلیلی یکبعدی و دو بعدی وهمچنین با نتایج نرمافزارMike21 مقایسه شده است و دقت خوبی را نشان داده است.
کلیدواﮊه: مدطوفان، مدل عددی، آب کمعمق، مهندسی ساحل، روش ضمنی
١- مقدمه
از مهمترین کارها در طراحیهای ساحلی، برآورد تغییرات تراز آب در منطقه مطالعاتی است. نتایج این برآوردها در بحث های مربوط به اکتشاف و بهرهبرداری منابع نفت و گاز در مناطق کمعمق فلات قاره، اطلاعات تراز آب برای کشتیرانی و حمل و نقل دریایی و کشتیرانی، احداث سازه های ساحلی و پروﮊههای مختلف مهندسی که در ساحل اجرا میشوند، مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از اصلیترین عوامل تغییر تراز آب در مناطق کم عمق ساحلی، پدیده مد طوفان - Storm Surge - است. این پدیده یکی از خطرناکترین پدیدههای طبیعی است که ممکن است حتی از شدیدترین زلزلهها هم زیانبارتر باشد. به عنوان مثال، مد طوفان سال ١٩٧٠ در بنگلادش و شرق هند قریب سیصدهزار نفر کشته برجای گذاشت ]١-٣.[ مد طوفان به عنوان یک پدیده مخرب باید شناخته شود و با پیشبینی به موقع از ایجاد خسارات ناشی از آن جلوگیری شود و سیستمهای هشدار ساحلی جهت پیشگیری و پیشبینی بر اساس زمان واقعی این پدیده باید تهیه گردد.کاربردیترین روش برای این منظور تهیه مدل عددی مد طوفان است ]٤ .[
پدیده مدطوفان حاصل اغتشاشات جوی - میدان باد و تغییرات فشار اتمسفر - میباشد، به این صورت که در اثر عبور باد یا طوفان روی ناحیه کمعمق نزدیک ساحل، سطح آب در یک ناحیه بالا میآید و در همان زمان در محلی دیگر پایین میرود. عوامل اصلی بوجود آورنده مدطوفان بادهای عرض متوسط - midlatitude winds - یا طوفانهای حارهای و گردبادها - hurrican - میباشند ]٤-٥.[ در این تحقیق یک مدل عددی معادلات آب کمعمق دو بعدی جهت تحلیل پدیده مد طوفان و پیشبینی آن براساس اطلاعات هواشناسی توسعه داده شده است. این مدل معادلات آب کمعمق را با استفاده از یک روش تفاضل محدود جداسازی میکند و با بکار بردن یک روش حل جاروی دو طرفه معادلات را در گامهای زمانی مختلف حل مینماید ]٦-٧.[ اعمال مرزهای متحرک ، میدان باد و فشار متغیر، تنشهای اصطکاک کف متغیر و بررسی میزان تأثیر هر کدام از ترمهای مختلف اصطکاک کف، اصطکاک جانبی، گامهای زمانی، فواصل مکانی و اندازه سلولها، در تحقیق حاضر به انجام رسیده است.
٢- تاریخچه تحقیق
طوفان مخرب دریای شمال در سال ١٩٥٣ خسارات سنگینی در نواحی شرقی انگلستان مخصوصاﹰ در هلند بر جای گذاشت و این حادثه نقطه شروع تحقیقات روی پیش بینی پتانسیل تخریب مد طوفان گردید. از آن پس مدل های عددی مختلفی در نقاط مختلف جهان تهیه گردید که همچنان در حال توسعه و پیشرفت میباشند. در سال ١٩٩٣ Fang Guohng و Pan Hai یک مدل محاسباتی دو بعدی برای محاسبه جزرومد، مد طوفان و امواج با پریود بلند تهیه کردند که از روش اختلاف محدود ضمنی با جهت متناوب - ADI - استفاده میکرد و به صورت غیرمشروط پایدار بود و در زمان محاسبات کاهش زیادی ایجاد میکرد.
درسال ١٩٩٥ مدلی تهیه کردند که به موجب آن مشخص شد در صورتیکه جزرومد در مدل مد طوفان گنجانده شود، تراز آب دریا کمتر از هنگامی است که به صورت ساده اثر جزرومد با مدطوفان جمع می شود. درسال ١٩٩٦ یک مدل هیدرودینامیکی تفاضل محدود نیمهضمنی ارائه دادند که به صورت غیرمشروط پایدار بود و در صورت حذف امواج سطحی نتایج خوبی میداد. در سال ١٩٩٧ S.K. Dube و همکارانش مدلی دوبعدی با استفاده از روش المان محدود برای خلیج بنگال و دریای عمان تهیه کردند که مرزهای باز، تغییرات عمق، ترمهای انتقال، نیروی کوریولیس، تنش باد،اصطکاک کف، فشارجو و جزرومد را شامل میشد. در سال ١٩٩٩ Graeme D. Hubbert و همکارانش مدلی دو بعدی برای تحلیل طوفانهای سواحل استرالیا تهیه کردند که از روش اختلاف محدود و شبکه حل آراکاوای C استفاده می کرد، خشک و تر شدن المانها و تغییر خط ساحلی را در نظر میگرفت و از اصطکاک جانبی و تغییرات چگالی صرفنظر میکرد]١-٩.[
٣- ملاحظات تئوری مدطوفان
معادلات حاکم بر پدیده مد طوفان معادلات آب کم عمق میباشند که در حل مسائلی از قبیل جریانهای جزر و مدی، مد طوفانها، جریانهای رودخانهای - دشت سیلاب و رودخانهها - ، امواج ناشی از شکست سد، جریانهای ساحلی و امواج ناشی از زلزله - سونامی - ، مورد استفاده قرار میگیرند. در خلیجها ﻭ مناطق کم عمق جریان ناشی از مد طوفان تقریباﹰ افقی است از این رو شتابهای قائم نادیده گرفته میشوند - امواج سطحی با پریود کوتاه و جریانهای حول موانع نادیده گرفته میشوند - . کف بستر صلب ﻭ نفوذناپذیر و چگالی آب یکنواخت فرض میشود. با این فرضها معادلات هیدرودینامیک انتگرالگیری شده در عمق به فرم زیر می باشند]٧:[
