بخشی از مقاله
چکیده
توسعه سواحل ایران در دریای خزر، می تواند زمینه رشد اقتصادی برای کشور و بهبود وضعیت ساحل نشینان گردد. توسعه فعالیتهای اقتصادی و تجاری در دریای خزر و در رأس آن فعالیتهای نفتی، نیاز روزافزون به شناخت جامع و کامل این دریا را ضروری ساخته است. همچنین با توجه به اهمیت سازههای دریایی و نقش آن در توسعه پایدار کشور بررسی و شناخت پدیده های موجود در ناحیه فلات ساحلی برای توسعه ی دریا محور امری روشن و مبرهن است. در این راستا هدف از این مقاله شناخت دقیق تر از جریانات به کمک مدل سازی هیدرودینامیکی در ناحیه کم شیب کنار ساحل به نام فلات قاره می باشد. یکی از اصلیترین مطالعاتی که در بدنههای آبی انجام میشود، مطالعات شناخت پدیدههای هیدرودینامیکی همچون موج و جریان میباشد. در این مقاله نیز سعی شده است تا با استفاده مدل سازی هیدرودینامیکی که با صحت سنجی همراه است، الگوی جریان حاکم بر ناحیه فلات قاره سواحل جنوبی دریای خزر که در درک و شناخت منطقه مؤثر میباشند ارائه شود.
واژگان کلیدی: الگوی جریانات، مدلسازی هیدرودینامیکی، مدل دو بعدی جریان، فلات قاره دریای خزر
مقدمه
دریای خزر به عنوان یکی از بزرگ ترین اکوسیستم های آبی ایران از اهمیت بسزایی برخوردار است. به طوری که جریانات آن به طور مستقیم یا غیرمستقیم کشورهای همسایه خود را تحت تأثیر قرا میدهد. در سالهای اخیر موضوعاتی مانند مشکلات زیست محیطی، آلودگی آب دریا و نحوه انتقال آلودگی جز مباحث جدید و کاربردی، نه تنها در ایران بلکه در تمام دنیا می باشد. همچنین مشکلات تعامل رسوب با سازه های ساحلی و یا عملکرد بخش دریایی سیستم های خنککننده تأسیسات ساحلی مثلاً مشکل برگشت آب گرم در نیروگاه شهید سلیمی نکا جز مسائل مهم کشور میباشد. ناشناخته بودن رفتار جریانات، امواج بلند و دیگر پدیده های موجود در ناحیه فلات ساحلی باعث شده است که جامعه مهندسی در حل مشکلات و پاسخ گویی به سؤالاتی با خطا همراه باشد.
لذا با توجه به اهمیت سازه های دریایی و نقش آن در توسعه پایدار کشور ضرورت بررسی و شناخت پدیده های موجود در ناحیه فلات ساحلی برای حل مشکلات ذکرشده امری روشن و مبرهن است. عوامل مؤثر بر جزئیات آبی دریای خزر را میتوان به دو گروه عمده عوامل دائمی - پایدار - و غیردائمی - ناپایدار - تقسیم نمود. گروه اول شامل عواملی می گردد که به صورت مدام و یکنواختی بر جریانات دریا حاکم می باشد. از مهم ترین این عوامل اثرات هندسی - سواحل و سطح بستر - دریا، نیروی ناشی از چرخش زمین - اثر کوریولیس - ، تأثیر باد بر سطح آب، تغییرات فشار جو میباشد. گروه دوم شامل عواملی است که تأثیر مداومی از آن مشاهده نمی شود از جمله این موارد تبخیر و بارندگی - میانگین سالیانه - از سطح آب و بالاخره دما بر چگالی مناطق مختلف دریا میباشد.
برای آگاهی از الگوهای جریان در دریای خزر ضروری است عوامل مهم حاکم بر آن مورد بررسی و شناسایی قرار گیرد. با توجه به اینکه اندازه گیری های محلی - که در دورههای زمانی خاص و تحت شرایط گوناگون انجام میپذیرد - بسیار مشکل، هزینه بر طولانی و در برخی موارد غیرممکن می باشند. استفاده از مدل های ریاضی میتواند جهت بررسی پارامترهای مهم و مؤثر بر ایجاد جریانات کلی دریا بسیار مفید باشد. از این رو در کار حاضر تدوین و تکمیل مدل عددی، جهت انجام مطالعه و پیش بینی جریانات دریایی دریای خزر و عوامل عمده مؤثر بر آن مدنظر قرار گرفت برای این منظور، معادلات کلی حاکم بر جریان سیال با توجه به وضعیت دریای خزر و پارامترهای موجود در معادلات، عوامل کم اهمیت و غیر دائم مورد حذف قرار گرفتند. سپس معادلات ساده شده با استفاده از الگوریتم کارآمدی مورد حل عددی قرار گرفت نتایج شبیهسازی رایانهای پس از صحتسنجی کلی به شکل بردارهای سرعت و خطوط جریان به نمایش در آمده و با نتایج اندازهگیریهای میدانی مقایسه گردیدند.
مدل سازی هیدرودینامیک دریای خزر توسط کارا و همکاران - 2010 - یکی از کاملترین تحقیقات انجام شده تاکنون است. این مدل سازی با استفاده از مدل سه بعدی هیدرو استاتیکی HYCOM انجام شده است. طبق نتایج کارا و همکاران - 2010 - از مشخصات الگوی جریان سطحی دریای خزر، وجود جریانی به سمت جنوب در بخش غربی خزر میانی و نیز جریان های شدید کنار ساحل در جنوب شرقی خزر است. علاوه بر آن شدت جریان در جنوب خزر عموماً بیشتر از شمال آن است به نحوی که در خزر جنوبی سرعت جریان به ده ها سانتیمتر بر ثانیه نیز میرسد. - کارا و همکاران . - 2010
ایبرایف یکی از محققینی است که تحقیقات متعددی درزمینهی مدلسازی جریانهای دریای خزر انجام داده است - ایبرایف 2001، ایبرایف و همکاران 2001، ایبرایف و کوردیمو 2001، ایبرایف و همکاران . - 2009 وی در سال 2001 یک مدل سه بعدی هیدرو استاتیک برای شبیه سازی هیدرودینامیک دریاهای بسته و نیمه بسته توسعه داد. ایبرایف و همکاران - 2009 - علاوه بر ارائه تحلیل مفصلی از تغییرات فصلی جریان های دریای خزر، سناریوهای مختلفی برای تحلیل حساسیت مدل نسبت به عوامل مختلف طراحی و اجرا نموده اند. کیتازاوا و یانگ - 2012 - جریان و ساختار دما-شوری دریای خزر را با استفاده از یک مدل سه بعدی تحلیل کردهاند. در این تحقیق، تأثیر تغییرات اقلیمی، دبی رودخانه ها و یخ زدگی در هیدرودینامیک دریای خزر در نظر گرفته شده است.
طبق نتایج این محققان،چرخابهای مشاهده شده در دریای خزر عموماً متأثر از جریان چگالی حاصل از ساختار دما-شوری دریای خزر است. ترونکگلو و همکاران - 2013 - یک مدل کوپل اتمسفر -اقیانوس - ROMS-RegCM4 - توسعه داده و کاربردش را در دریای خزر بررسی کردند. برای این منظور، مدل به مدت 10 سال - 1999-2008 - برای دریای خزر اجرا شد. این مدل به خوبی خصوصیات اقلیمی محدوده را پیشبینی میکند این مدل همچنین دمای سطح دریا را با پیشرفت چشم گیری نسبت به مدل سادهتر کوپل دریاچه پیشبینی میکند و شوری نزدیک سطح و جریان نیز را دریاهای به خوبی شبیهسازی میکند.
معادلات حاکم
خصوصیت اصلی جریان در دریای خزر ناچیز بودن مؤلفه قائم سرعت در مقابل مؤلفه افقی آن است. به عبارتی دیگر جریانات دریای خزر را می توان با تقریب مناسبی، افقی در نظر گرفت. این خصوصیت اجازه استفاده از میانگین عمقی سرعت - انتگرال گیری در عمق - را در روابط ریاضی حاکم بر پدیده و حل عددی آنها به دست میدهد. در حالت کلی معادلات حاکم بر سیال شامل معادلات بقاء جرم و معادلات بقاء مومنتوم یا معادلات ناویر استوکس می باشد که اگر سیال به صورت غیر قابل تراکم فرض شود، معادلات ساده تر می شوند. البته غیر تراکم بودن سیال به معنای ثابت بودن چگالی نیست و عواملی چون تغییرات حرارت و یا شوری می تواند چگالی را تغییر دهد، اما تغییر فشار باعث تغییر چگالی نمیگردد.
منطقه موردمطالعه
دریای خزر بزرگ ترین حوضه ی آبی داخل خشکی از لحاظ مساحت و حجم می باشد که در عرض جغرافیایی 47/57 تا 36/33 شمالی و طول جغرافیایی 45/43 تا 54/30 شرقی واقع شده است. تراز آب آن 27 متر پایینتر از تراز آب دریای بالتیک می باشد که در این حالت مساحت آن 392600 کیلومترمربع و حجم آب آن 78648 کیلومتر مکعب میباشد. دریای خزر آبگیر عمیقی است که فلات قاره آن بسیار گسترده است حداکثر عمق دریای خزر 1025 متر و میانگین عمق آن 208 می باشد. 62 درصد حجم آب در ناحیه به عمق 100 تا 600 متر 27/7 درصد در محدوده 1 تا 100 و 16 درصد
