بخشی از مقاله
خلاصه
رودخانه بهمنشیر در جنوب جلگه خوزستان واقع شده است که با رودخانه کارون در منطقه ای در شرق خرمشهر که به سه شاخه حفار مشهور است تلاقی میکند. این رودخانه از جریانات جزر و مدی خلیج فارس تاثیر می پذیرد. برای رودخانه بهمنشیر تا کنون هیچگونه محاسبات جزر و مدی که شامل شناسایی مولفههای جزر و مدی و مدلسازی آن باشد انجام نشده است. ارزیابی مقدار جذر و مد و ارایه مدل برای شناسایی مؤلفه های جذر و مدی در رودخانه بهمنشیر به شکل سری زمانی و با اعمال fft می تواند در میزان تأثیرپذیری این رودخانه از جزر و مد کمک کند.
در این کار نوسانات سطح آب در رودخانه بهمنشیر را در ایستگاه طره بخاح مارد و دارخوین ثبت نموده و ناتقارنی در فاصله های زمانی جزر و مد و همچنین منحنی وضعیت ارتفاع و سرعت جریان آب رودخانه برای امواج آن را آنالیز خواهیم کرد و همچنین مؤلفه های جزر و مدی در رودخانه بهمنشیر را به صورت داده با توجه به تکنیک های آماری ارایه و با کمک تکنیک کمترین مربعات مدل هایی برای هر ایستگاه ارایه می دهیم.
خواهیم دید که برای ایستگاه های طره بخاح و مارد سه مؤلفه جزر و مدی M2 ، O1 و K1 شناخته شده است که قویترین آنها همان نقطه M2 است که نشان می دهد که بیشترین تغییرات جزر و مدی مربوط به ماه است و در ایستگاه داروخوین تنها سیگنال ضعیفی از M2 قابل تشخیص بوده که مربوط به رودخانه کارون می باشد. نتایج بدست آماده نشان میدهد که رودخانه بیشتر حالت جویباری دارد نه حالت خور یعنی عوامل جزر و مدی سهم ناچیزی در نوسانات آب این منطقه دارند.
1. مقدمه
رودخانه بهمنشیر در جنوب جلگه خوزستان واقع شده است که یکی از شاخههای رود کارون است و سرچشمه گرفته از کوه های بختیاری در استان خوزستان است. رود کارون پس از رسیدن به شهر خرمشهر به دو شاخه تقسیم میشود، شاخه نخست به سوی اروندرود در مرز ایران-عراق رفته، و پر آب ترین دهانه یا بهمنشیر، در امتداد اروندرود به خور بهمنشیر و سپس به خلیج فارس می ریزد. درازی رود بهمنشیر حدود 90 کیلومتر، عرض آن 600 متر و عمق آن حدود 4 متر است.
دانستن کیفیت و کمیت تغییرات سطح آب در طراحی و اجرای پروژه هایی نظیر آبیاری، زهکشی، طراحی سد، حفاظت سواحل و زمین های مجاور در برابر سیلاب های و همچنین در کشتیرانی، نگهداری کانالها و رودخانه های قابل کشتیرانی اهمیت بسزایی داشته و بطور کلی انجام هر کار و پروژهای که بنحوی با نوسانات و تاثیرات آب دریا و رودخانه جزر و مدی در ارتباط باشد مستلزم محاسبات جزر و مدی و کیفیت و کمیت تغییرات سطح آب است.
نیروهای گرانشی مابین ماه و خورشید و زمین سبب بالا و پایین رفتن منظم آب اقیانوس ها در سراسر جهان گردیده که نتیجه آن امواج جزر و مدی می باشد. ماه نیرویی بیش از دو برابر نیرویی که خورشید بر امواج جزر و مد تأثیر می گذارد اعمال می کند. در نتیجه جزر و مد به وضوح تابعی است از گردش ماه به دور زمین ایجاد موج در روز و سیکل جزر در سطح هر جزئی از اقیانوس وجود دارد. دامنه ارتفاع موج جزر و مد در اقیانوسهای آزاد در جایی که چندین سانتی متر آشفتگی در مرکز موج بالغ بر صدها کیلومتر آشفتگی می شود بسیار کم است.
در واقع جزر و مدی جلوهای از میدان گرانشی است که عمده ترین عنصر سازنده این میدان، جاذبه های زمین، ماه و خورشید و اثر متقابل آنها با یکدیگر است و پتانسیلی که عامل مولفههای جزر و مدی مربوط به ماه است در مرکز زمین برابر صفر است [2] و می توان دید که این پتانسیل به شعاع زمین، ثابت جهانی گرانش، فاصله مرکز زمین از مرکز ماه، فاصله متوسط زمین از ماه و همچنین عوامل دیگر بستگی دارد.
با روشهای ریاضی می توان پتانسیل مولد جزر و مدی را که ناشی از ماه یا خورشید است بدست آورد ولی پتانسیل مربوط به ماه به علت حرکت نامنظم ماه پیچیده تر بوده و به همین دلیل بسیار مورد توجه و مطالعه قرار می گیرد. در حقیقت صدها مولفه جزر و مدی برای ماه شناخته شده است .[2] لازم به ذکر است که ساده ترین و ابتدایی ترین نظریه جزر و مدی، نظریه جز و مدی تعادلی است که در این حالت مولفههای افقی نیروی مولد جزر و مد آب را به شکلی موازنه می کند که به یک سطح تعادل برسد 1]، [2 که در این حالت پتانسیل جزر و مدی در یک نقطه به پتانسیل گرانشی زمین بستگی دارد که در یک نقطه P و در حالت توزیع آب بر یک سطح کاملا کروی بصورت UP= Uo –hg بیان می شود که h ارتفاع آب بر اثر جذب ماه است.
با توجه به بحث کلی جزر و مد می توان دریافت که انواع مختلفی از جزر و مد وجود دارد و این امر نتیجه ای از تعدد مولفه های جزر و مدی و ترکیبات آنهاست. بطور کلی جزر و مد دارای سه نوع کلی می باشند که عبارتند از جزر و مد semi-diurnal که دارای دو مد مساوی در شبانه روز است، جزر و مد diurnal-tide که هر شبانه روز یک مد و یک جزر خواهیم داشت، و در نهایت جزر و مدی که ترکیبی از دو نوع اول است که جزر و مد آمیخته نامیده می شود.
2. جزر و مد در رودخانه بهمنشیر
زمانی که سطح آب در اثر جزر و مد در سواحل بالا و پایین می رود میلیونها تن آب بطور تناوبی به ساحل آمده و از آن دور می شود. این پدیده همچنین باعث ایجاد امواج جزر و مدی و انتشار آنها به سمت بالا دست می شود. اندرکنش جریانات جزر و مدی و جریان رودخانه بر اثر تغییرات عمق و پهنا و همچنین افزایش اصطکاک وضعیت های مختلفی پیدا می کند. بسیاری از رودخانه های دنیا در قسمتی از مسیر خود جزر و مدی هستند. جزر و مد از دریا وارد رودخانهها میشود که در واقع خود نوعی موج است که سرعت آن در طول رودخانه به عمق آب بستگی دارد.
در ضمن اثر اصطکاک کف رودخانه در لایههای آب نزدیک به کف رودخانه بیشتر محسوس است و در نتیجه جبهه موج جزر و مد سریعتر از قعر آن منتشر میشود 2]، [3 که این امر باعث میشود که پریود جزر و مدی نا متقارن شود - شکل 1 - الف - - . بهرحال شیب کف رودخانه جریانهای جزر و مدی را بشدت تحت تاثیر قرار میدهد بطوریکه در بالای رودخانه جزر و مد دچار نقصان مهم و قابل توجهی خواهد شد.
در رودخانهها شکل منحنی جزر و مدی تحت تاثیر توپوگرافی رودخانه و اثرات اصطکاکی آن قرار میگیرد. قابل ذکر است که اگر انرژی امواج جزر و مدی بطور کامل با اصطکاک از بین برود دیگر موج انعکاسی بوجود نمیآیدبلکه با یک موج پیشرونده مواجه هستیم و در این حالت دامن جزر و مدی و سرعت جریان همفاز خواهند بود. اما هیچکدام از حالت فوق به تنهایی اتفاق نمیافتاد و معمولا با حالتی سروکار داریم که ادغامی از دوحالت قبل است - شکل 1 - ب - - .
رودخانه بهمنشیر بطور کلی متاثر از جریانات جزر و مدی خلیج فارس است و این جریانات جزر و مدی بطور معمول تا دارخوین - رودخانه کارون - مشاهده میشود. سه نقطه مورد مطالعه عبارتند از ایستگاه طره بخاع، ایستگاه مارد و ایستگاه دارخوین که طره بخاع جنوبیترین نقطه با مختصات جغرافیائی E 48,45o، N 30,27o شمالیترین نقطه دارخوین است که مختصات جغرافیائی آن E 48,42o، N 30,74o میباشد و ایستگاه مارد در E 48,30o، N 30,50 o قرار دارد. منطقه مورد بحث، منطقهای خشک و کم باران است. بیشترین نزولات آسمانی در پائیز ، زمستان ظاهر میشوند. هوای منطقه گرم و خشک است که در زمستان معتدل تر شده و در تابستان هوا غبار آلود است و هر از چند گاهی بادهای شرجی از طرف دریا میوزد که هوا را مرطوب و نمناک میکنند و گرمای زیاد باعث تبخیر شدید میشود.
جزر و مد در خلیج فارس پدیده پیچیده ای است و از نیمروزانه تا روزانه تغییر می کند. اختلاف ارتفاع آب در حالات جزر و مد بیش از یک متر است. ابعاد خلیج فارس به اندازه ای است که پدیده تشدید در آن می تواند رخ دهد که باعث بوجود آمدن دو نقطه آمفیدرومیک در جریان نیمروزانه در جنوب شرقی و شمال غربی خلیج فارس می شود و مولفه روزانه دارای یک نقطه آمفیدرومیک است که در مرکز خلیج فارس و در نزدیکی بحرین واقع است. دامنه جزر و مد آمفیدرومیک صفر است و با دور شدن از این نقطه دامنه بزرگتر می شود. داده های که در این کار بکار میبریم تمامأ از اداره کل آب استان خوزستان تهیه نموده ایم. پیکهای منحنی جزر و مدی را از روی کاغذ لیمینگراف استخراج نموده و آنها را بشکل جداول ماهانه تنظیم نموده ایم.
برای رودخانه بهمنشیر تاکنون هیچگونه محاسبات جزر و مدی که شامل شناسایی مؤلفه های جزر و مدی و مدل سازی آن باشد انجام نشده است. لذا در اولین گام به شناسایی مؤلفه های جزرومد پرداخته ایم. برای این کار دانسیته اسپکتروم داده ها را با کمک تبدیل فوریه بدست می آوریم. نرم افزار بکار رفته در این کار MATLAB 6,0 می باشد که تبدیل فوریه را با روش های ریاضی خاص بسرعت انجام می دهد. در واقع روش بکار رفته روش تبدیل سریع فوریه ftt است. برای کاهش حجم و زمان محاسبات روشهای تقریبی متعددی پایه گذاری شده که هر کدام دارای تقریب هایی می باشد. یکی از روشهای تحلیل دینامیکی که حجم عملیات کامپیوتری را به نحو چشمگیری کاهش می دهد روش تبدیل سریع فوریه است. روش مذکور علیرغم توانایی بالایی که دارد دارای معایبی نیز است.
گام بعدی ساختن مدل برای هر ایستگاه است که بوسیله روش کمترین مربعات صورت می گیرد و سپس تست مدل و در نتیجه محاسبه مقادیر باقیمانده ها است و در نهایت به آنالیز و مقایسه وضعیت های نوسانات آب در سه ایستگاه می پردازیم. لازم بذکر است که در جدول های اداره امور آب استان ارتفاع آب را در ساعات مختلف شبانه روز بطور نامنظم و با فاصله های زمانی نامساوی ثبت گردیده است.
3. محاسبات و آنالیز داده ها
همانطور که بیان شد ارتفاع آب را در ساعات مختلف شبانه روز بطور نا منظم و با فاصله های زمانی نامساوی ثبت گردیده است که زمان بر مبنای صفر تا 24 بیان شده و در اولین گام متغیرهای زمان را بشکل تجمعی تنظیم میکنیم و سپس تغیرات سطح آب را بر حسب زمان ترسیم خواهیم نمود که این نمودارها بیانگر طرح کلی تغییرات سطح آب است. جداول تهیه شده در سازمان آب خوزستان اطلاعات و منظم و پیوسته 4 ماه برای ایستگاه طره بخاح، 5 ماه برای ایستگاه مارد و 4 ماه و 17 روز برای ایستگاه دارخوین را در اختیار ما قرار میدهد. داده های تنظیم شده را با تکنیک اسپلاین درونیابی نموده تا شرط تعامد در تبدیل فوریه رعایت شده باشد 4] ، [5 که به عنوان مثال اطلاعات درونیابی شده از ایستگاه دارخوین در شکل 2 آمده است و در این مرحله می توان اسپکتروم داده ها را محاسبه نمود و مولفه های مهم را شناخت و مدلی برای داده های بدست آمده پیدا نمود.
