بخشی از مقاله
مدلسازی ریاضی اثر احداث آبشکن بر رژیم رسوبی بندر لاور
خلاصه
تعلیق و انتقال رسوبات و تاثیرات آنها بر سواحل و بنادر یک علم در حال رشد است. امروزه با پیشرفت ماشینهای حسابگر و به تبع آن توسعه مدلهای ریاضی، گامهای موثری در حل مسایل و مشکلات مهندسی برداشته شده است. بندر صیادی لاور در کرانه شمالی خلیج فارس و در 90 کیلومتری جنوب شرقی شهرستان بوشهر واقع شده است. در این پژوهش اثر احداث آبشکن بر انتقال و ته نشست رسوبات بندر لاور به کمک بسته نرم افزاری مایک 21/3 مدلسازی عددی شده و نتایج آن مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند. نتایج استخراج شده از مدلها نشان می دهد که احداث آبشکن تا حد مطلوبی توانسته است از سرعت جریانات دریایی، ارتفاع موج و حجم رسوبات در حد فاصل آبشکن تا موجشکن جدید بکاهد اما تاثیر قابل توجهی بر امواج عمود بر ساحل ندارد.
کلمات کلیدی: بندر لاور، رسوب، آبشکن، نرم افزار .MIKE 21/3
1. مقدمه
با مطالعه اجمالی بر روند رسوب گذاری در بنادر صیادی کشور به نظر می رسد به منظور حل این مشکل نیار است روشهای نوین شناسایی شده و برای جلوگیری از هدر رفتن سرمایه های ملی و همچنین محیط زیست تدابیری اندیشیده شود. بارها شاهد بوده ایم که ته نشست رسوبات ساحلی در بنادر هم باعث کاهش عمر مفید بنادر شده و هم تغییرات کف دریا را در نواحی ساحلی موجب شده اند. با توجه به اینکه پروژه های آبی معمولاً هزینه های سنگینی را در بردارند بنابراین بررسی ها و تحقیقات اولیه با کمک مدل های عددی و حصول نتایج قابل اعتماد از آنها از اهمیت ویژه ایی برخوردار است. بطوریکه با استفاده از اینگونه مدل ها ضمن بهینه شدن طرح، صرفه جویی بسیار مطلوبی در هزینه و زمان اجرای آن خواهد شد. مدل عددی MIKE 21/3 COUPLED MODEL FM یکی از کامل ترین و قوی ترین مدل های عددی حال حاضر دنیا جهت مدلسازی پدیده های دریایی است که در این مطالعه از آن بهره گرفته شده است. بنا به علل متعدد فنی و غیر فنی احداث برخی پروژهای دریایی نظیر بندرگاهها و موجشکن ها ممکن است نتوانند هدف از ساخت آنها را محقق سازند. بنظر می رسد بندر صیادی لاور نیز بطور کامل نتوانسته به این مهم دست پیدا کند چرا که با وجود غیرقابل استفاده شدن اولین موجشکن بدلیل انباشت از رسوبات و ساخت دومین موجشکن در پایین دست و کمی بعد از آن با ساخت یک آبشکن در امتداد موجشکن اول برای حفاظت موجشکن جدید، متاسفانه روند رسوبگذاری البته با سرعتی کمتر از گذشته همچنان ادامه دارد.
در پروژه حاضر جهت بررسی روند ته نشست رسوبات، منطقه ای با ابعاد مشخص و تاثیرگذار در دو حالت قبل و بعد از احداث آبشکن مدلسازی ریاضی شده و خروجیهای آنها مورد مقایسه و تفسیر قرار گرفته اند. نتایج این مطالعه حاکی از آن است که روند ته نشینی رسوبات و تغییرات خط ساحل با وجود احداث آبشکن با سرعت کمتری نسیت به قبل همچنان ادامه دارد.
موقعیت جغرافیایی و شرایط هیدرودینامیکی منطقه مورد مطالعه
لاور ساحلی در کرانه شمالی خلیج فارس واقع در 90 کیلومتری جنوب شرقی بوشهر حد فاصل طول شرقی 51º 15׳ و عرض شمالی 28 º 14 ׳ در استان بوشهر واقع شده است. برای شبیه سازی منطقه مورد مطالعه محدوده ایی بطول تقریبی 14 کیلومتر در حد فاصل طول های جغرافیایی 51˚ 8´ الی51˚ 18´ و عرض تقریبی 8 کیلومتر مابین عرض های جغرافیایی28˚12´ الی28˚17´ به عنوان حوزه محاسباتی انتخاب گردید. تاثیرات مستقیم الگوی امواج و جریانات جزرو مدی در پایین دست بندر از یک سو و وجود آبشکن و به تبع آن تغییر الگوهای هیدرودینامیکی حاکم در بالا دست از سوی دیگر وضعیت پیچیده ایی را سبب شده است که روند مطالعه را دشوار و در عین حال جالب کرده است. شکل((1 موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه و ساختمانهای موجشکن قدیمی و موجشکن جدید و همچنین آبشکن احداث شده را نشان می دهد.[1]
×شکل :1 موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه
3. وضعیت آب و هوایی منطقه مورد مطالعه
جهت بررسی مشخصات آب و هوائی منطقه از آمار هواشناسی کشور که همه ساله به صورت مجموعه ای تدوین و منتشر می گردد استفاده شده است، به دلیل اینکه منطقه مورد مطالعه فاقد ایستگاه هواشناسی می باشد، بنابراین نزدیکترین مناطقی که شرایط آب و هوایی آنتقریباً مشابه منطقه مورد نظر است، مورد بررسی قرار گرفته شده است. از آنجائیکه وضعیت آب و هوایی منطقه طرح مورد مطالعه بسیار شبیه بندر بوشهر می باشد در نتیجه از آمار جوی ایستگاه سینوپتیک هواشناسی بوشهر استفاده شده است . به منظور بررسی مشخصات باد در منطقه طرح، مراجع موجود (در دسترس) شامل آمار باد مستحصل از ایستگاههای سینوپنیک بوشهر، فرودگاه بوشهر، بندر دیر، آمار باد توسط موسسه هواشناسی انگلستان بر اساس برداشت کشتی های تردد کننده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته شده اند، بطوریکه پس از بررسی های فراوان مشخص شد اطلاعات حاصل از ایستگاه هواشناسی بوشهر بهترین همخوانی را با مشخصات باد در منطقه مورد مطالعه داشته و در نتیجه از آن دیتاها جهت مدلسازی تحقیق حاضر استفاده شده است.[1]
4. شرح مختصری از تاریخچه بندر لاور از بدو احداث تاکنون
بندر قدیم لاور در سال 1365 تأسیس و پس ازگذشت چندین سال پشت بازوی اصلی موجشکن و دهانه ی ورودی آن از رسوب پر شده بطوریکه وزش باد شدید موجب شده تا رسوبات از روی موجشکن قدیم سرریز شده و به سمت موجشکن جدید که بعد ها در فاصله هزار متری موجشکن قدیم تاسیس شد حرکت نموده و موجب رسوب گذاری در آن منطقه شود. بر اساس اطلاعات دریافتی از منابع اطلاعاتی مرتبط، بندر قدیم که در سال 1362 به بهره برداری رسیده بود در حدود سال 1374 بر اثر رسوبگذاری های شدیدکاملاً از حالت فعال خارج شد. در این دوره فضای بالا دست بازوی اصلی موج شکن بندرکاملاً از رسوب پر شده و رسوبات عبوری از این ناحیه به محدوده جلوی بازوی اصلی ودهانه موج شکن نفوذ کرده و سبب انسداد دهانه بندر گردیده است. مشاهدات میدانی از محل بندر قدیمی به روشنی نشان می دهد که رسوبگذاری ناحیه بالا دست بازوی
2
اصلی و پیشروی خط ساحلی سبب انتقال ناحیه شکست موج به محدوده مقابل بازوی اصلی و در نتیجه انتقال قابل توجه رسوبات در این محدوده خصوصاً( برای امواج جهت غالب) شده است. رسوبات منتقل شده در این محدوده در نواحی نزدیک به دهانه موج شکن تحت تأثیر امواج تفرق یافته، به سمت دهانه و نواحی داخل موج شکن منتقل گشته اند که در حال حاضر با توجه به گرفتگی کامل دهانه بندر، روند آن تا حد زیادی کاهش یافته است.[1]
همانطوری که گفته شد بدلیل از کار افتادن موجشکن قدیم کهاحتمالاً متاثر از مطالعات ناقص و یا سایر عوامل دیگر بوده است، موجشکنی جدید در حدود هزار متری پایین دست موجشکن قدیم احداث شده که بعد ها مشخص شد برای جلوگیری از تکرار چنان سرنوشت غم انگیزی برای سازه فعلی، لازم است بر روی بازوی اصلی موجشکن قدیم یک آبشکن احداث شود، بلکه این سازه جدیدتر بتواند تا حد مطلوبی وضعیت هیدرودینامیکی و رژیم رسوبی بغرنج کنونی منطقه را بسوی وضعیتنسبتاً آرمانی برای بندر جدید سوق دهد.[1]
5. ارزیابی و تحلیل داده های میدانی
داده های مورد استفاده در این تحقیق شامل اطلاعات باد، موج، جریان، عمق سنجی کف و دیگر اطلاعات مورد نیاز می باشند که هر کدام پس از مطالعات و تجزیه و تحلیل های متعددی که بر روی آنها صورت گرفته است، مورد استفاده قرار گرفته اند. برای مثال جهت استفاده از دیتای باد، از آمار باد 12 ساله ایستگاه ساحلی بوشهر استفاده گردید، بطوریکه دیتاها در 12 جهت کامل و 14 بازه سرعت به صورت فراوانی وزنی در طول مدت زمان شبیه سازی اعمال گردید. همچنین طیف انرژی موج حاصل از دیتای امواج 12 ساله مدلسازی امواج دریاهای ایران جهت شرایط مرزی در مرز دور از ساحل مدل مورد استفاده قرار گرفته شده است(شکل.[1] (2
× ×
(الف) (ب)
شکل :2 الف) گلباد ایستگاه سینوپتیک ساحلی بوشهر و ب) گل موج مدل سازی امواج دریاهای ایران برای آب عمیق بندر لاور
6. مدلسازی عددی
6. . 1 شبیه سازی عددی هیدروگرافی 1
با در نظر گرفتن هندسه منطقه مورد مطالعه و موقعیت ایستگاههای جزر و مدی موجود جهت معرفی شرایط مرزی مدل و لزوم گسترده شدن مدل تا آب عمیق، پس از جمع آوری دیتاهای میدانی هیدروگرافی منطقه، با استفاده از نرم افزار، منطقه ای بطول تقریبی چهارده و عرض تقریبی هشت کیلومتر مابین طول های شرقی جغرافیایی 51 درجه و 8 دقیقه و 51 درجه و 18 دقیقه و عرض های شمالی جغرافیایی 28 درجه و 12 دقیقه و 12 درجه و 17 دقیقه به عنوان حوزه محاسباتی انتخاب گردید، مثلث بندی ناحیه مورد نظر در سه اندازه ریز، متوسط و درشت انجام شده است، بطوریکه با دور شدن از ساحل مساحت مش ها افزایش می یابد. استفاده از مش های درشت تر برای کاهش مدت زمان مدلسازی است. شکل((3 شبیه سازی هیدروگرافی بندر لاور را برای دو حالت بندر بدون آبشکن و بندر پس از احداث آبشکن را نشان می دهد.[1]
(الف) (ب) شکل :3 مدلسازی هیدروگرافی بندر لاور در دو حالت، الف) بندر آبشکن و ب) بندر پس از احداث آبشکن
.2 .6 معرفی و اجرای مدل هیدرودینامیکی1
مدل هیدرودینامیکی، مدول پایه برای تمامی سیستم مایک است به نحوی که سایر مدولها بدون اجرای مقدماتی این مدول قادر به ایفای نقش خود نخواهند بود.وضعیت ارتفاع سطح آب و نیز جریانات موجود در دریاچه ها، خورها، خلیج ها و مناطق ساحلی (ناشی از تغییرات نیروهای موثر از جمله باد و جزر و مد) توسط این مدل، شبیه سازی می گردند([2] و.([3] برای ثبت ورودی ها در مدل، ابتدا تمام منابع اطلاعاتی مرتبط با فرآیند مورد نظر شناخته شده، سپس مجموعه اطلاعات (میدانی) اصلاح شده و با دقت کامل مورد بررسی و تفسیر فنی قرار می گیرند تا مناسب برای طرح مورد نظر باشد، آنگاه توسط مدل جهت شروع فرآیند مدلسازی فراخوانی می شوند. پس از توصیف و تعریف توپوگرافی و ورود این اطلاعات به مدل، توصیف سطح آب و جریان در مرزهای باز، به عبارت دیگر تخصیص شرایط مرزی از اهمیت ویژه ای برخوردار است، در این پروژه سه مرز باز مدل به وسیله تراز آب به صورت متغیر در زمان، ثابت در مکان مشخص گردیده اند. اطلاعات مربوط به جزر و مد در محدوده بندر لاور از سازمان نقشه برداری تهیه شده و پس از تبدیل به سری های زمانی مورد استفاده گردیده است.[1]
.3 .6 معرفی و اجرای مدل موج طیفی2
مدول موج طیفی شامل یک مدل تولیدکننده موج ـ باد طیفی مبتنی بر مش های بدون ساخت است. این مدل، رشد، زوال و انتقال امواج ناشی از باد دورآ را در مناطق ساحلی و فراساحلی شبیه سازی می کند. مدل موج طیفی همانند مدل هیدرودینامیکی دارای گستره وسیعی از ابزارها برای تحلیل رفتار امواج با در نظر گرفتن شرایط حاکم بر منطقه مورد نظراست. برای استخراج نتایج مطلوب از این مدل ابتدا تمام داده های مربوط به این پدیده شناسایی و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و سپس برای انجام فرآیند شبیه سازی توسط مدل فراخوانی شده اند.[4]
از آنجایی که هدف نهایی در محدوده مورد نظر، استفاده از مشخصات امواج در ناحیه کم عمق جهت انتقال رسوبات است، لذا تعیین مشخصات امواج در محدوده آب کم عمق و سایر نواحی برای نتیجه گیری دقیق تر، در مجاورت ساحل ضروری است. جهت استفاده از داده های امواج، منجمله طیف انرژی موج ازاطلاعات تقریباً 12 ساله مدل سازی امواج دریاهای ایران در محدوده آب عمیق لاور استفاده شده است.
.4 .6 معرفی و اجرای مدل 3ST
مدول ST ابزاری است جهت دستیابی به نرخ انتقال رسوبات ماسه ای و تغییرات تراز بستر در محدوده ای که تحت تأثیر جریان ها قرار دارد. نرخ تغییرات تراز بستر نیز در پایان دوره طراحی، براساس شرایط متوسط انتقال رسوبات در طی دوره زمانی مورد نظر، محاسبه می گردد. در این مدول، رسوبات غیر چسبنده یا ماسه ای فرض شده اند ولی اندازه دانه ها و دانه بندی آنها در محدوده شبیه سازی می تواند متغیر باشد. جریان های مورد نظر در این مدول نیز جریان های جزرومدی و جریان های ناشی از امواج (ترکیبی از دوحالت فوق) است. ظرفیت انتقال رسوب در هر گره از شبکه مشبندی شده منطقه مدل نیز با استفاده از اطلاعات عمق آب، اندازه و دانه بندی های رسوبی و مشخصات جریان و امواج به عنوان داده های ورودی تعیین می گردد. نرخ فرسایش یا رسوبگذاری نیز در محدوده مدل با استفاده از مقادیر محاسبه شده نرخ انتقال رسوبات ماسه ای، تخمین زده می شود. داده های مشخصات جریان که توسط مدول هیدرودینامیکی و داده های مشخصات امواج توسط مدول موج طیفی مدل ریاضی MIKE 21/3 COUPLED MODEL FM جهت استفاده در این مدول آماده می گردند.[5]
7. واسنجی و بازبینی نتایج حاصل از مدلسازی
واسنجی نتایج حاصل از مدلهای عددی و اطمینان از شبیه سازی دقیق الگوهای هیدرودینامیکی و رژیم های رسوبی و سایر پارامترهای دخیل در محیط های دریایی یکی از مهمترین قسمت های هر تحقیق است. جهت تحلیل داده های حاصل از مدلها دو نقطه با موقعیت های جغرافیایی مشخص(مندرج در اشکال 4و(5یکی در ورودی و دیگری پشت بازوی موجشکن جدید بطور اتفاقی انتخاب شده است و داده های سرعت جریان، ارتفاع مشخصه موج و تغییرات بستر در آن نقاط برای دو حالت بندر بدون آبشکن و بندر با اثر احداث آبشکن با یکدیگر مقایسه شده اند.
شکل-4 موقعیت جغرافیایی نقاط در بندر بدون آبشکن شکل-5 موقعیت جغرافیایی نقاط در بندر با آبشکن
با توجه به نمودارها و مقایسه سرعت جریان در دو نقطه ذکر شده، نتایج استخراج شده نشان می دهند که سرعت جریان پس از احداث آب شکن در بالا دست بندر (پشت موج شکن اصلی) کاهش می یابد، که این موضوع در نمودارهای اشکال 6 و 7 قابل رویت است.
سرعت جریان در نقطه 1 بعد از احداث آبشکن
سرعت جریان در نقطه 1 قبل از احداث آبشکن
شکل-6 سرعت جریان در نقطه t1 ، قبل و بعد از احداث آبشکن((m/s
سرعت جریان در نقطه 2 بعد از احداث آبشکن 0.3
سرعت جریان در نقطه 2 قبل از احداث آبشکن 0.2
شکل-7 سرعت جریان در نقطه t2 ، قبلو بعد از احداث آبشکن((m/s
با توجه به نمودارهای ارتفاع مشخصه موج در دو نقطه فوق الذکر، مشاهده می گردد که ارتفاع موج پس از احداث آب شکن در بالا دست بندر(پشت موج شکن جدید)کاهش می یابد، این موضوع در اشکال 8 و 9کاملاً مشهود است.
