بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازي عددي الگوي انتقال رسوب در دهانه ورودي مجتمع بندري نکاء تحت تأثیر امواج و
جریانهاي دریاي خزر با استفاده از مدل عددي MIKE
چکیده
یکی از نکات بسیار مهم و حیاتی در مطالعه و طراحی سازههاي دریایی، انجام مطالعات هیدرودینامیکی (شامل مطالعات باد، موج و جریان) میباشد. هدف از ارائه مقاله حاضر، بررسی مکانیزم رسوبگذاري در دهانه ورودي مجتمع بندري نکاء تحت اثر جریانهاي دریاي خزر و امواج ناشی از باد در محدوده مورد مطالعه میباشد. دریاي خزر بزرگ ترین توده آبی محصور در خشکی میباشد که به طور وسیع توسط کشورهاي حاشیه دریا مورد بهره برداري قرار میگیرد. در این پژوهش از روشهاي عددي جهت حل معادلات حاکم بر جریان، معادلات شوري و دما در دریاي خزر استفاده شده است. ازاینرو مدلسازي تغییرات تراز آب و جریان در محدوده طرح با استفاده از مدول هیدرودینامیک (HD) و مدلسازي انتقال امواج از مدول امواج طیفی (SW) از بسته نرمافزاري MIKE 21
تهیهشده توسط انستیتوي هیدرولیک دانمارك (DHI) صورت پذیرفت. نتایج بهدستآمده براي جریانها و امواج با استفاده از اطلاعات اندازهگیري شده میدانی مورد ارزیابی و صحت سنجی قرارگرفتند. براي مدلسازي رسوب یکبعدي و دوبعدي به ترتیب از مدول LITDRIFT از بسته نرمافزاري LITPACK و مدول MIKE21-ST استفادهشده است. میزان پتانسیل انتقال رسوب یکبعدي در حدود 33000 مترمکعب در سال به دست آمد. کالیبراسیون مدل عددي براي جریان و الگوي رسوبگذاري در دهانه بندر حکایت از هماهنگی نتایج عددي با برداشت هاي میدانی دارد. الگوي جریان و تغییرات رقوم سطح آب در مدل کلی شبیه سازي شده از دریاي خزر با واقعیت هماهنگی کامل دارد. در یک مدل محلی تهیه شده از جریان و رسوب نیز نتایج مدل عددي با اتدازه گیري هاي میدانی تطابق خوبی را نشان می دهد.
واژههاي کلیدي : دریاچه خزر، مدلسازي جریان، رسوب گذاري، روش احجام محدود، نرم افزار MIKE
.1 مقدمه
رسوبگذاري همواره یکی از مشکلات اصلی بنادر بوده و موجب اختلال در رفتوآمد شناورها میشود، بنابراین طراحی بندر بهگونهاي که رسوبگذاري کمتري در آن رخ دهد همواره یکی از ملاحظات اصلی طراحی و جانمایی بنادر بوده است. رسوبگذاري و انتقال رسوبات در بنادر، تحت تأثیر موج و جریان صورت میپذیرد و موج و جریان درون بندر نیز تا حد زیادي از شکل هندسی بندر تأثیر میپذیرد. در بسیاري
از موارد، عدم مطالعهي رژیم رسوبگذاري منطقه در ساخت بنادر و سازههاي ساحلی میتواند باعث تحمیل هزینههاي بهرهبرداري سنگین در طول عمر پروژه گشته و حتی در مواردي منجر به غیراقتصادي و تعطیل شدن طرح میشود. بهعنوانمثال حجم سالانهي لایروبی بنادر در کشور ایالاتمتحده آمریکا بالغ بر 200 میلیون مترمکعب میباشد که درصد عمدهي آن صرف نگهداري و لایروبی کانالهاي دسترسی بنادر براي هدایت کشتیها میشود .(Amromin and kovinskaya, 2003) لذا بررسی و شناسایی عوامل مؤثر بر پدیده رسوبگذاري و رفع این مشکل بر پایه تحقیق و محاسبات علمی میتواند ضمن کمک به استفاده مستمر از بنادر در طول سال، از هدر رفت سرمایههاي ملی نظیر لایروبیهاي مکرر نیز جلوگیري نماید.
نکا شهري در استان مازندران در شمال ایران میباشد. این شهر مرکز شهرستان نکا است و در اندك منابع و سفرنامههاي قدیمی نام این شهر مشاهده میگردد. نیروگاه شهید سلیمی نکا از بزرگترین نیروگاههاي حرارتی در خاورمیانه است که به منظور تامین بخش قابل توجهی از برق کشور طراحی و نصب گردیده است. ظرفیت اصلی نیروگاه جمعاً 2213 مگاوات است. قسمتهاي اصلی نیروگاه عبارتند از: دیگ بخار، ساختمان میانی، سالن توربین، مبدلها و ساختمانهاي کمکی. سوخت اصلی نیروگاه، گاز طبیعی و سوخت دوم آن نفت کوره یا مازوت است. در شکل 1 بنادر مختلف در محدودهي این پژوهش در مجتمع بندرگاهی نکاء و سال تکمیل عملیات اجرایی آن آورده شده است.
کار احداث فاز یک نیروگاه نکا در سال 1354 آغاز و در سال 1358 به بهرهبرداري کامل رسیده است. در سال 1382 مطالعات فاز 2 این بندر توسط شرکت سازهپردازي انجام گرفته و کار احداث آن در سال 1383 آغاز گردیده است. زمان احداث موجشکنهاي کوتاه اسکله صدرا نیز به قبل از سال 1380 بر میگردد، اما کار احداث موجشکنهاي بلند و جدید این بندر در سال 1384 آغاز شده است. این موجشکنها به علت پوشش دادن کامل ناحیه فعال ساحلی نقش به سزایی در افزایش فرسایش اراضی شرقی اسکله صدرا تا شعاع 5 کیلومتري داشتهاند.
4831 آبگیر نکا (1383)
صدرا آبگیر نکا (1355)
شکل :1 موقعیت مکانی و سالهاي احداث بنادر نکاء در سواحل استان مازندران
تغییر در بار بستر تحت اثر جریانهاي ساحلی و نوسانات و تغییرات سطح آب دریا باعث تغییر در عمق و تغییر در مورفولوژي ساحل در نواحی کم عمق میگردد. از آن رو تغییرات مورفولوژیک در ساحل دریاي خزر سریع و قابل توجه است. رسوبات رودخانهاي در طول نوار
ساحلی کشور باعث تغییرات شدیدي به صورت فرسایش و رسوب گذاري در مورفولوژي ساحل دریاي خزر میشوند. پارامترهاي دما، شوري و چگالی یکی از مهمترین مشخصه هاي آب دریا محسوب میگردد، مقدار و تغییر پذیري آنها بر حسب زمان در اعماق دریا تعیین کننده شرایط امکان زیست، توسعه موجودات گیاهی و جانوري در محیط زیست دریا است.
مؤلفههاي اصلی بیلان نمک آب دریاي خزر عبارتند از: ورود از آب رودخانه اي (%31)، از آب زیرزمینی (%61)، بارش بر روي دریا (%2)
و خروج از طریق رسوبگذاري کربناته و رسوبگذاري در خلیج قره بغاز ( که بستگی به ورود آب و میزان ورودي بر حسب تراز از آب دریا دارد).
کل نمک ورودي به دریاي خزر 203 هزار تن در سال و خروج نمک حدود 46 هزار تن درسال میباشد. با این حساب سالانه حدود 157 هزار تن بیلان مثبت وجود دارد که این مقدار نمک میتواند سالانه % 0/02 شوري آب دریاي خزر را افزایش دهد.[4] مطالعه شوري دریاي خزر اولین بار در سال 1897 به وسیله لبیدنتسف انجام شد .[5] او با اندازهگیري نمکها در نمونه خشک شده آب دریا ضریب کلر (ضریب محاسبه شوري از مقدار کلر) را معادل با 2/368 بدست آورد. پس از او محققان متعددي، غالبا از شمال دریاي خزر به صورت منفرد یا در غالب برنامه هاي دورهاي و پایشی ترکیب شوري خزر را مطالعه کردهاند.
دریاي خزر از لحاظ ریختشناسی به سه قسمت تقسیم میشود: قسمت کم عمق خزر شمالی (عمق متوسط: 5 متر) ، قسمت خزر میانی با عمق متوسط 190 متر (عمق بیشینه: 788 متر) و خزر جنوبی با عمق بیشینه 1100 متر. حدود %25 از مساحت را قسمت شمالی میپوشاند، در حالیکه قسمت میانی و جنوبی هر کدام حدود 37/5% را پوشش میدهد، اما حجم آب در قسمت شمالی با توجه به ساختار کم عمقش فقط 0/5% حجم کل دریاي خزر است. حجم آب در قسمت میانی 33/9% و در قسمت جنوبی 65/6% از آب دریاي خزر را تشکیل میدهد .[6]
حدود 130 رود کوچک و بزرگ به خزر میریزند کهتقریباً تمام آنها در سواحل شمال و غرب قرار دارند. بزرگترین آنها رودخانه ولگا است که حوزه آبریز آن در مساحت 1360000 کیلومتر مربع گسترده شده است و در قسمت شمالی خزر به دریا میریزد. حدود 91% از آبهاي شیرینی که به داخل خزر میریزند از 3 رود ولگا (%80)، کورا (%6) و اورال (%5) تامین میشود، در حالیکه کل آب سالیانهاي که رودهاي اترك-سولک و سمور به خزر میریزند 5% میباشد. حدود 4 درصد بقیه با رودخانههاي ایران و رودهاي کوچکتر در سواحل غربی تامین میشود و در سمت شرقی رودخانه دائمی وجود ندارد .[7]
اخیراً مطالعات متعددي درزمینهي رسوبگذاري و کاهش آن در حوضچه و دهانه ورودي بنادر صورت گرفته است. در تحقیقات ( Babu (et al., 2005 با استفاده از مدل هیدرودینامیک مدل ریاضی MIKE21 اقدام به شبیهسازي و بررسی جریانات جزر و مدي در خلیج کاچ واقع در جنوب غربی هندوستان نمودند. این پژوهشگران نتایج مدل خود را با استفاده از اطلاعات میدانی جریانات بهدستآمده در سه زمان مختلف اعتبار سنجی نمودند که نتایج بهدستآمده از مدل با اطلاعات میدانی جریانات توافق بسیار خوبی داشتند. (Yüksek(1995 در یک مطالعه آزمایشگاهی، تأثیر جانمایی موجشکن روي رسوبگذاري درون بنادر را موردبررسی قرارداد. در این مطالعه پارامترهاي طول و محل موجشکنهاي اولیه و ثانویه و زاویه آنها با خط ساحلی، موردبررسی واقع شدند. (Yin et al., 2005) مطالعاتی را روي نرخ تبادل بنادر مستطیلی با هندسه متفاوت انجام دادند. بنا بر نتایج آزمایشهاي آنها، طول بندر، تأثیر بهمراتب بیشتري روي نرخ تبادل نسبت به عرض دارد و تأثیر جزر و مد روي تبادل افقی در بندرهاي با ورودي کمعرض شدیدتر خواهد بود. (Van Maren et al., 2009) در مطالعهاي که بر روي یکی از حوضچههاي جدید بندر آنتورپ بلژیک انجام دادند، با استفاده از اندازهگیريهاي میدانی و مدلهاي عددي با دقت بالا نشان دادند که با افزایش طول حوضچه، نرخ رسوبگذاري کاهش پیدا میکند. (Panigrahi et al., 2009) به بررسی دینامیک رسوب دریکی از
سواحل ایرلند بنام آرکلو براي در نظر گرفتن تجهیزات موردنیاز براي تأسیسات سایت مطلوب توربین بادي در ساحل پرداختند. ( Leite et (al., 2011 در خلیج ایتاپوکوراي در سواحل شرقی برزیل با استفاده از مدل ریاضی SisBAHIA، الگوي جریان را موردبررسی قراردادند.
شکلگیري جریان چرخشی در نزدیکی دماغه و پیشآمدگی خط ساحل به دلیل حمل رسوبات ناشی از جریانات موازي ساحل ازجمله مشاهدات حاصل از این مطالعه بوده است. در تحقیق (Nakagawa et al., 2012) به بررسی اندازهگیري میدانی و ارائه یک مدل عددي براي محاسبه فرآیند انتقال رسوب نزدیک بستر دریا با لایه لجنی سیال در سواحل خلیج توکیو پرداختهشده است.
.2 نرمافزار عددي و معادلات حاکم
از میان مدلهاي عددي مطرح در تحلیل پدیدههاي حاکم بر دریا، مدل ریاضی مایک 3 یکی از شناختهترین آنهاست. این برنامه کامپیوتري که توسط انستیتو هیدرولیک دانمارك1 و با همکاري انستیتو کیفیت آب2 پایهریزي و به مرور زمان تکمیل و توسعه یافته است، داراي قابلیتهاي محاسباتی و گرافیکی بالایی در زمینه مدل کردن پدیدههاي مربوط به خورها، دریاچهها، نواحی کمعمق ساحلی، خلیجها و دریاها میباشد. این نرمافزار سیستم جامعی براي مدل کردن جریانهاي آزاد3 دو بعدي و سه بعدي است که در آنها لایهبندي4 جریان سیال میتواند قابل صرفنظر باشد و در عین حال در کامپیوترهاي موجود قابل اجرا است. مدول هیدرودینامیکی، مدول محاسباتی اصلی کل نرم-
افزار مایک به حساب میآید که بسیاري از مدولهاي دیگر این مدل بر اساس نتایج حاصل از اجراي مدول فوق پیریزي شدهاند. مدول HD
در محدودهي وسیعی از هیدرولیک و پدیدههاي مربوط به آن قابل کاربرد است. این مدول، مدلسازي هیدرولیک جزر و مد، باد، جریانات ناشی از موج، برکشند طوفان و امواج مدي را شامل میشود. در مدول HD معادلات زیر براي پایستگی جرم و تکانه با انتگرالگیري در راستاي قائم، تغییرات تراز آب و جریانات را در منطقه مدل محاسبه میکند:[9]
معادلات انتقال براي دما ، T، و شوري، s، از معادلات انتقال- انتشار1 زیر تبعیت می کنند.
در این معادلات Dv ضریب انتشار اغتشاش در راستاي عمودي2 می باشد. FT وFs ترم هاي انتشار در راستاي افق می باشند که بـه صورت زیر تعریف می شوند. در این معادلات D h ضریب انتشار در راستاي افق تعریف می شود.
در مدل سه بعدي استفاده شده در نرم افزار مایک، گسسته سازي در محدوده حل بر اساس روش حجم محدود صورت میگیرد. گسسته سازي محدوده در نظر گرفته شده بوسیله تقسیم کردن محیط پیوسته به سلول ها و اجزایی که بر روي یکـدیگر همپوشـانی ندارنـد، صـورت میگیرد. در مدل سازي دو بعدي اجزاء گسسته شده به صورت اختیاري به شکل چند ضلعی در نظر گرفته که در اینجا سلولها را به صـورت مثلثی شکل و یا سلول هاي وجهی انتخاب میشود. در مدل سازي سه بعدي از یک لایه شبکه بندي در بالاترین سطح استفاده مـیشـود: در سطح افقی یک شبکه بندي غیر سازمان یافته صورت میگیرد، در حالیکه در محدوده عمـودي یـک گسسـته سـازي سـازمان یافتـه3 انجـام میشود (شکل .(2
شکل :2 اصول شبکه بندي فضایی.[9]
.3 مدلسازي عددي
اطلاعات هندسه و عمق مدل، در زمره اصلیترین اطلاعات مورد استفاده در مدلسازيهاي مختلف از جمله مدلسـازي جریـان و شـوري است. براي افزایش دقت محاسبات و صرفه جویی در زمان لازم براي شبیهسازي عددي و همچنین استفاده هدف دار از اطلاعات عمـق بسـتر دریا، از قابلیت طراحی مش بندي انعطاف پذیر مدل ریاضی مورد استفاده، بهرهگیري شده و در محدودههاي دور از سواحل جنوبی ابعاد مـش درشتتر و در محدوده نزدیک به سواحل ابعاد المانها ریزتر و با دقت بیشتري انتخاب شده است. نکته حائز اهمیـت در مدلسـازيهـاي انجـام شده این است که در مدلهاي مذکور جهت لایه بندي سه بعدي پنج لایه به فاصله مساوي انتخاب شده است. در شکل 3 وضعیت بتی متري منطقه مورد مطالعه به صورت دو بعدي و نحوه مش بندي ارائه شده است.
شکل :3 شبکه بندي و وضعیت بتی متري منطقه به صورت دوبعدي
یکی از پارامترهاي مهم براي شبیه سازي جریان در دریاتغییرات درجه حرارت در اعماق مختلف ست. در دو گشت دریایی بر روي دریـاي خزر در ایستگاههاي مختلف در اواخر فصل تابستان و زمستان سال 1374 توسط آژانس بـین المللـی اتمـی بـا همکـاري سـازمان یونسـکو و کشورهاي مجاور دریاي خزر انجام شد که میانگین تغییرات درجه حرارت در بخشهاي مختلف دریاي خزر مطابق شکل 4 است. همچنـین در جدول 1 و 2 داده هاي این برداشت ها ارائه شده است.[7]
