بخشی از مقاله
خلاصه
پدیده تبخیر به عوامل محیطی مختلفی ازجمله درجه حرارت، سرعت باد و رطوبت بستگی دارد. روشهای جلوگیری از تبخیر سالهاست که موردتوجه بسیاری از محققان بوده است. اما جهت تعیین استراتژی مناسب برای کاهش تبخیر از آبهای سطحی، دریاچهها و مخازن ابتدا باید مهمترین عوامل مؤثر بر تبخیر با توجه به شرایط اقلیمی منطقه شناسایی شود. این پژوهش با هدف تعیین مهمترین عامل تبخیر در منطقه چاهنیمه و ارائه راهکاری مناسب جهت کنترل تبخیر انجام گرفت. مطالعات اولیه نشان داد که مهمترین عامل تبخیر در منطقه چاهنیمه سیستان، باد میباشد.
باد یکی از عناصر اصلی در اقلیم منطقه سیستان است که تغییرات آن میتواند بر روی پدیدههایی مانند طوفانهای گردوغباری و شدت تبخیر تأثیرگذار باشد. استفاده از دیوارهای بادشکن یکی از روشهای کنترل سرعت باد که منجر به کاهش تبخیر میشود. در این تحقیق برای تعیین بهترین ارتفاع بادشکن از مدل عددی FLUENT استفادهشده است. بادشکنهای با ارتفاع 2، 2/5، 3، 4 و 5 متر شبیهسازی شد. نتایج تحقیق نشان میدهد در صورت طراحی بادشکنهای صلب به ارتفاع 2 متر که عمود بر جریان باد در جهت شمالغربی قرارگرفتهاند میتوان میزان تبخیر را بهطور مؤثری کاهش داد.
1. مقدمه
کشور ایران با وسعت 1648195 کیلومترمربع، کشوری با اقلیم خشک و نیمهخشک محسوب شده و وسعت مناطق در معرض تبخیر آب آن زیاد است. متوسط سهم ایران از بارندگیهای کره زمین، حدود 30 درصد میانگین بارندگی جهانی و معدل 255 میلیمتر است. درحالیکه 71 درصد از بارشها یعنی 170 میلیمتر در سال بهصورت تبخیر، از دست میرود .[1] با توجه به قرار گرفتن ایران در نواحی خشک و نیمهخشک، میزان بارندگی و حجم آبهای شیرین ایران به اندازه کافی نبوده و نزولات جوی در همه جا یکسان نمیباشد باید روشهایی جهت کنترل تبخیر در نظر گرفته شود. یکی از اصلیترین مواردی که تبخیر از سطح آن صورت میگیرد مخازن روباز است
امروزه برای کنترل تبخیر از سطح مخازن روشهای مختلفی ازجمله روشهای فیزیکی- مکانیکی، روشهای شیمیایی و روشهای زیستی برای کنترل تبخیر استفاده میشود یکی از روشهای فیزیکی کنترل تبخیر برای مناطقی که با بادهای مداوم با سرعتهای بالا مواجه هستند استفاده از دیوارهای بادشکن میباشد. بادشکنها سازههایی هستند که برای کاهش سرعت باد بکار گرفته میشوند و بهصورت زنده یا غیرزنده احداث میگردند.
بادشکنهای غیرزنده میتوانند بهصورت موانع مصنوعی از جنس فلز، چوب، پلاستیک و یا دیوارههای سنگی باشند ولی بادشکنهایزنده معمولاً از یک یا چند ردیف درخت یا درختچه تشکیل گردیدهاند. یکی از مهمترین کاربرد بادشکنها، کاهش میزان تبخیر است که این کار را از طریق تغییر در سرعت باد، جهت باد و تلاطم هوا انجام میدهند ازاینرو فرآیند تبخیر را بهطور غیرمستقیم و تا فاصلهای از خود تحت تأثیر قرار میدهند. این فاصله به تخلخل آن، جهت باد غالب و ارتفاع بادشکن بستگی دارد.
تاکنون بهمنظور بررسی اثر بادشکنها بر میزان تبخیر، تحقیقات متعددی انجامگرفته است برای نمونه تحقیقاتی که اسکیدمور و هاگن در سال 1969 بر روی بادشکنهای با تخلخل 60، 40 و صفر درصد انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که وقتی تخلخل مانع کاهش پیدا کند، مینیمم سرعت باد به سمت مانع حرکت میکند. کمترین سرعت باد در تخلخل 60 درصد در 5H رخ میدهد درحالیکه با 40 و صفر درصد تخلخل این حالت به ترتیب در 3/5H و H رخ میدهد.
همچنین میزان تخلخل بر روی تلاطم هوا اثر میگذارد بهطوریکه بعدازاینکه سرعت باد به یک مینیمم برای تخلخل 60 درصد میرسد، بهتدریج به شرایط میدان باز برحسب فاصله از مانع افزایش پیدا میکند. اما این حالت برای موارد با تخلخل کمتر صدق نمیکند. سرعت باد مانع با تخلخل 40 درصد تمایل دارد که بعد از رسیدن به کمترین مقدار بلافاصله و بهسرعت افزایش پیدا کند. بعدازاینکه سرعت باد نزدیک مانع بدون تخلخل به کمترین مقدار رسید، تا فاصله 5H بهسرعت افزایش پیدا میکند
لوماس و شلزینگر درسال 1970 به بررسی کاهش تبخیر و سرعت باد در مناطق با و بدون وجود انرژی فرارفت پرداختند و نتایج را با روابط پنمن مقایسه کردند. اولین آزمایش آنها در شهرک میوتاهیم واقع در منطقه بور در شمال شرقی صحرای نگو حدود 20 کیلومتری ساحل دریای مدیترانه در فصل تابستان و آزمایش دوم در صحرای کیبوتص ایلات در فصل زمستان انجام شد. بررسی نتایج تحقیق نشان میدهد که در منطقه میوتاهیم هیچ نشانهای از انرژی فرا رفت وجود ندارد و لذا وجود بادشکن تأثیر خاصی بر تبخیر ندارد. این در حالی است که در ایلات، انرژی فرارفت غالب بوده و تبخیر را به میزان قابلتوجهی کاهش میدهد. همچنین نشان دادند که روابط پنمن میتواند تخمین مناسبی از میزان تبخیر داشته باشد و اگر بسیاری از دادهها توسط ایستگاههای اقلیمشناسی برداشتشده باشند و مستقیماً در محل آزمایش ثبتنشده باشند بازهم این روابط نتایج معناداری ارائه خواهند داد
رین و استیونسون در سال 1977 آزمایشهایی را بر روی حصارهای حفاظتی با تخلخل صفر، 20، 34 و 50 درصد بهمنظور اندازهگیری میانگین سرعت باد در تونل باد انجام دادند. آزمایش این حصارها با نفوذپذیری متفاوت ثابت کرد که حصار با نفوذپذیری 20 درصد بهترین کاهش کلی میانگی سرعت باد در پشت بادشکن را حاصل میکند و بهطورکلی بادشکنهای با نفوذپذیری کم تا متوسط کاهش کلی بهتری در میانگین سرعت باد نسبت به بادشکنهای توپر حاصل میکنند
ویلسون در سال 1986 به اندازهگیری سرعت متوسط باد و آشفتگی جریان پشت دو قطعه حصار با نفوذپذیری 50 درصد که تنها در توزیع قایم تخلخل تفاوت داشتند پرداخت. یکی از حصارها طوربه یکنواخت متخلخل و حصار دیگر در قسمت نزدیک به زمین نسبتاً متراکم است. نتایج تحقیق نشان میدهد، کاهش سرعت متوسط بیشتری برای حصاری که در قسمت نزدیک به زمین متراکمتر بوده مشاهده میشود و همچنین هیچ افزایش زیان باری در آشفتگی نداشته است اما در مورد فواصل طولانی نسبت به حصار یکنواخت از اثربخشی کمتری برخوردار است
هیزلر و دیواله در سال 1988 نتیجه گرفتند که کارایی بادشکنها در کاهش سرعت باد عمدتاً به ارتفاع، جهتگیری نسبت به باد غالب و تخلخل آنها بستگی دارد. اگر مانع متراکم باشد جریان هوا از بالای آن عبور خواهد کرد و به دلیل فشار کمتر در سمت پشت به باد یک اغتشاش هوایی در این سمت ایجاد میشود ازاینرو این روش در مقایسه با بادشکنهای نسبتاً نفوذپذیر یک ناحیه مؤثر محدود را در سمت پشت به باد ایجاد میکند
اثر اصلی همهی سیستمهای بادشکن کاهش سرعت باد است، این کاهش بر فرآیندهای انتقال آشفته تأثیر میگذارد و منجر به اصلاحات کوچک اقلیمی در منطقه حفاظتشده میشود. ناتن در سال 1988 روابط انتقال آشفته و این تغییرات کوچک اقلیمی را توصیف کرد. او دو منطقه کوچک اقلیمی مجزا را در بادپناه بادشکنها به نام منطقه آرام و منطقه احیا تعریف میکند که حداکثر حفاظت در منطقه آرام رخ میدهد، درحالیکه در منطقه احیا، آشفتگی بیشتر از مقادیر آن در هوای آزاد است
برندل و فینچ در سال 1991 به این نتیجه رسیدند که ارتفاع، تخلخل و جهت بادشکنهای طبیعی تأثیر زیادی در کاهش سرعت باد دارد و پارامتر ارتفاع مهمترین عامل در کاهش سرعت باد میداند. بادشکنهایی که ارتفاع بین2H تا 5H دارند میتوانند تا مسافت 30H بر روی سرعت باد تأثیر بگذارند ولی حداکثر تأثیر در فاصله 5H اتفاق میافتد
وانگ و تکل در سال 1995 با استفاده از یک مدل عددی به بررسی بادشکنها با تخلخل مختلف بهمنظور یافتن تخلخل بحرانی پرداختند و در پایان تخلخل 0/3 را بهعنوان تخلخل بحرانی که منجر به ایجاد جریان گردابی میشود در نظر گرفتند
ریچاردسون و ریچاردز در سال 1995 تحقیقی را بر روی طیف آشفتگی در جهت جریان در مجاورت یک بادشکن انجام دادند. نتایج تحقیق آنها نشان داد که در ترازپایین بادشکن، تکرار طیف آشفتگی به نحوی مرتبط با کاهش در سرعت متوسط کاهشیافته است اما درعینحال در بالای حصار منجر به تولید آشفتگی با تکرر بالا شده که در حالت کلی میزان تکرار این آشفتگیها مرتبط با تغییرات سرعت است
میزان آبی که توسط درختان و محصولات مصرف میشود میتواند تحت تأثیر مجاورت آبهای زیرزمینی با سطح خاک باشد. این موضوع میتواند پیامدهای مهمی برای برنامهریزی و مدیریت کشاورزی در مناطق نیمهخشک مانند ساحل غرب آفریقا داشته باشد. اسمیت و همکارانش در سال 1997 به تحقیق در مورد اینکه آیا آزاد درختهای - گونهی چریش - بادشکن در همان عمقی که محصولات زراعی مجاور، آب مصرف میکنند، آب استفاده میکنند یا خیر. در درهی ماجیا، درختان بخش عظیمی از آب موردنیاز خود را از لایههای سطحی خاک پس از بارش باران و زمانی که آب فراوان بود به دست میآوردند.
در زمانهای خشکسالی، ریشههای درختان آب را از سفره آب زیرزمینی یا ذخایر عمیق آب در خاک استخراج کردند، درحالیکه محصول گندمی که در همان ناحیه است آب موردنیاز خود را از ناحیهای نزدیک به سطح فوقانی پروفیل خاک به دست میآورد. در مقابل، در سادوره هم درختان و هم محصولات نیازهای آبی خود را از عمق 2 تا 3 متری فوقانی خاک در سراسر سال تأمین میکردند.
نتایج تحقیقات نشان میدهد که استفاده از آب توسط درختان بادشکن و محصولات بیشتر وابسته به در دسترس بودن آب زیرزمینی برای ریشه درختان است. درنتیجه بهاحتمالزیاد رقابت بر سر آب در چنین محلهایی کاهش مییابد، اما ممکن است درجایی که سطح آب زیرزمینی غیرقابلدسترس است روی بهرهوری سیستمهای بادشکن تأثیر بگذارد. برای به حداکثر رساندن مزایای بادشکنها، مهم است که برنامهریزان، استراتژیهایی را توصیه کنند تا در مکانهایی که آب زیرزمینی برای ریشههای درختان قابلدسترس نیست رقابت برای آب میان درختان و محصولات کاهش یابد
کلو در سال 1998 چگونگی تأثیرگذاری تراکم بادشکنهای طبیعی را بر الگوهای جریان در مقادیر مختلف وزش باد بررسی کردند. و به این نتیجه رسیدند که در سمت موافق باد، فشار هوا در حوالی بادشکنهای خیلی متراکم افزایش مییابد. درحالیکه در سمت مخالف یک ناحیه کمفشار شکل میگیرد. فشار هوای موافق باد، هوا را از درون و بالای بادشکن با فشار جلو میراند درحالیکه ناحیه کمفشار در پشت بادشکن هوایی را که از روی بادشکن در حال عبور است به سمت خود میکشد. اگر بادشکن خیلی متراکم باشد، جریان هوا در ناحیه آرام میتواند تغییر جهت داده و یک جریان گردابی ایجاد کند
وجیاک و همکاران در سال 2003 به ارائه مدلی برای تلفیق اثرات بادشکن حفاظتی با سیستم اطلاعات جغرافیایی پرداختند. بادشکن حفاظتی برحسب کاهش سرعت مدلسازی شد که خود تابعی از سرعت و جهت باد، فاصله از مانع، ارتفاع، ضریب تخلخل و جهت بادشکن است. اولین کاربرد این مدل در یک محدوده مطالعاتی در انگلستان با یک شبکه بادشکن گسترده انجام شد.
ویژگیهای بادشکن مانند نوع، ارتفاع، تخلخل و موقعیت ثبت شد بهمنظور ارزیابی تأثیر شبکه، شاخص بادشکن حفاظتی شبکهای برحسب کاهش متوسط سرعت در منطقه پیشنهاد شد و درنهایت این نتیجه حاصل شد که شبکه حفاظت مناسبی را ارائه میدهد ولی توزیع بادشکن نسبت به توزیع جهت باد بهینه نیست. این مدل تلفیقی محدودیتهایی دارد که نباید نادیده گرفته شود که مهمترین آنها سادهسازی در خصوص تأثیرات موانع چندگانه و بادهای مورب است
هفلر و همکاران در سال 2009 تحقیقی را بهمنظور شبیهسازی اثر بادشکنهای طبیعی بر میزان تبخیر آب از سد ویونهو که بر روی رودخانه بریزبین ساختهشده است انجام دادند. در این تحقیق سه ارتفاع مختلف 20، 30 و 40 متری برای درختان بادشکن در نظر گرفته شد که همه موانع دارای تخلخل یکسان هستند. بادشکنها بهصورت موازی با طول سد قرار داده شدند و جهت وزش باد طوری تعیینشده بود که عمود بر خط بادشکنها باشد. نتایج نشان میدهد که کاهش در سطوح تبخیر سالانه برابر با 2/5، 3/6و 5/6 درصد میتواند به ازای بادشکنهای 20، 30 و 40 متری به دست آید
بادشکنهای طبیعی بهمنظور افزایش پراکندگی بوی احشام و بهبود محیط روستایی میتوانند به کار روند. لین و همکارانش در سال 2009 با استفاده از مدل دینامیک سیالات محاسباتی به بررسی اثر شرایط آب و هوایی روی پراکندگی بو در مسیر باد از بادشکنهای طبیعی پرداختند. مدل K- - SST - انتقال تنش برشی برای شبیهسازی بو استفاده شد که توسط یک منبع بو آزادسازی شده و در مسیر باد و از میان یک ردیف درخت مخروطی به ارتفاع 9/2 متر و ضخامت 7 سانتیمتر و تخلخل 0/4 پراکنده شد.
شبیهسازی به منبع انتشار تک نقطهای محدود بود. تعداد 21 شبیهسازی برای تعیین اثرات سرعت و جهت باد و دمای هوا را تحت شرایط ناپایدار، خنثی و پایدار بررسی شد. مقایسه شبیهسازیها نشان داد که -1 بهطورکلی، سرعتهای باد بالاتر، تودههای کوتاهتری ایجاد میکند اما تودههای بوی کوتاهتر در سرعت باد کمتر - یک متر بر ثانیه - در مقایسه با سرعت باد 1/8 متر بر ثانیه در شرایط جوی ناپایدار مشاهده شد که در آن همرفت رواج داشت. -2 دما تأثیر کمی روی پراکندگی بو برای هر سه شرایط جوی خنثی، پایدار و ناپایدار داشت. -3 جهت باد تعیینکننده جهت پراکندگی بو و طول آن بود. کوتاهترین توده بو در جهت باد 45 درجه مشاهده شد اما این جهت بیشترین طول بو را ایجاد کرد که تا انتهای پایین بادشکن امتداد داشت
2. مواد و روش
-2-1 منطقه موردمطالعه
استان سیستان و بلوچستان با وسعت حدود 187502 کیلومترمربع معادل 11/5 درصد مساحت کشور را به خود اختصاص داده است. این استان ازلحاظ طبقهبندی اقلیمی در ناحیه اقلیمی بیابانی و خشک میباشد. که از دو منطقه سیستان و بلوچستان تشکیلشده است. سیستان سرزمینی خشک با نزولات جوی بسیار کم است.
