مقاله هیدرودینامیک مناطق عمیق و کم عمق سواحل جنوبی دریای خزر ( نور )

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

هیدرودینامیک مناطق عمیق و کم عمق سواحل جنوبی دریاي خزر (نور)

چکیده

آگاهی از وضعیت باد، امواج و جریان هاي دریایی، نقش عمده اي بر روي پیشرفت علوم و فناوري دریایی دارد. بطوریکه هرگونه طراحی و ساخت سازه هاي دریایی ایمن و کشتیرانی مطمئن و موارد مشابه نیاز به شناخت اقلیم دریایی می باشد. در این تحقیق، داده هاي باد 15) ساله)سینوپتیک دو ایستگاه هواشناسی نوشهر و بابلسر و نیز داده هاي رقومی هیدروگرافی تهیه و در نهایت با شبکه نقاط 500 متر در مدل عددي Mike21، مورد استفاده قرار گرفته و از آنجا پارامترهاي هیدرودینامیک منطقه دریایی نور تعیین گردید.

براساس نتایج حاصله؛ میانگین بیشینه ارتفاع و پریود موج سالیانه منطقه تحقیق، به ترتیب برابر حدود 2/04 متر و 3/95 ثانیه می باشد و میزان وقوع امواج آرام(با ارتفاع کمتر از 0/1 متر) بطور سالیانه در منطقه تحقیق، %72/86 است و همچنین بیشترین سرعت فاز و سرعت گروه موج در ناحیه مورد مطالعه به ترتیب 6/75 و 3/37 متر بر ثانیه در طی فصل تابستان است و نوع شکست هر گروه از امواج در منطقه ساحلی، از نوع آشفته می باشد. جهت جریان در مناطق کم عمق منطقه تحقیق در فصول بهار، تابستان و پائیز از غرب به شرق و در فصل زمستان از شرق به غرب می باشد.

واژه گان کلیدي: امواج و جریان، الگوي امواج، امواج ناشی از باد، دریاي خزر، سواحل نور

- مقدمه

دریاي خزر پهناورترین دریاچه روي کره زمین است و در محدوده جمهوري اسلامی ایران، روسیه، قزاقستان، ترکمنستان و آذربایجان قرار دارد و در نوع خود داراي اکوسیستم هاي منحصر به فرد ویژگیهاي طبیعی، زیست محیطی جغرافیایی و هیدرودینامیکی خاص خود می باشد.

امواج مهمترین عامل در تخمین زمین شناسی و شکل سواحل هستند و بطور مؤثري در طراحی و نقشه ریزي بنادر، آبراه ها‚ سازه هاي ساحلی و حفاظت سواحل تاثیر می گذارند. عدم شناخت کافی از ارتفاع، جهت و پریود امواج نزدیک شونده به ساحل، عدم آشنایی به وضعیت آب و هوایی از نقطه نظر سرعت و جهت باد در روزهاي مختلف سال، عدم آگاهی از توپوگرافی ساحل از حیث تحمل فشار و فرسایش، عدم اطلاع از عوامل مؤثر در پدیدة انتقال مواد رسوبی ساحل اعم از امواج، جریانات دریایی، توپوگرافی، باد و غیره موجب می شود جانمایی و طراحی سازه هاي دریایی با سعی و خطاي زیاد همراه بوده که نهایتا منجربه صرف هزینه هاي هنگفت می گردد. معمولا براي طراحی سازه هاي دریایی به دو صورت امکان برخورد با امواج دریا وجود دارد. در روش اول مشخصات امواج دریا(ارتفاع، پریود و طول موج) به طور مستقیم و در مدتی بسیار طولانی اندازه گیري شده و بر اساس آمار و اطلاعات برداشت شده، سازه هاي دریایی طراحی میشوند. در روش دوم با استفاده از آمار و اطلاعات هواشناسی و بویژه آمار باد، مشخصات امواج دریا پیش بینی می گردند.

در تحقیقی در دریچه ارومیه، به کمک اطلاعات نمودارهاي دورة بازگشت سرعت و جهت بادهاي مختلف با مدت زمانهاي مختلف، استخراج و در مدل عددي MIKE21 اجرا گردید. که خروجی آنها به صورت خطوط کنتور ارتفاع امواج رسم شد [3]، امواج سطحی غالبا انرژي خود را از باد دریافت می کنند و قسمت اعظم این انرژي در مناطق عمیق و کم عمق پراکنده می شود. امواج منبع مهمی از انرژي را ایجاد می کنند که باعث شکل گیري سواحل و اثر بر سازه هاي ساحلی و فراساحلی ، جداسازي رسوبات کف ساحل در قسمتهاي کم عمق، انتقال مواد کف دریا به ساحل می شود. بنابراین شناخت مکانیک موج در طراحی سازه هاي ساحلی ضرورت دارد.[4]

هر چه در امتداد خط عمود بر ساحل بطرف مرکز دریاي خزر پیش میرویم ارتفاع موج عمده بیشتر می شود که بیانگر کاهش استهلاك انرژي موج است. بیشترین ارتفاع موج مربوط به سواحل جنوبی دریاي خزر یعنی سواحل ایران است که لزوم شناخت پارامترهاي موج را در این نواحی بیان می دارد.[1] دریاي خزر را می توان به سه بخش شمالی، میانی و جنوبی تقسیم کرد.این تقسم بندي درشکل (1) نشان داده شده است. عمق آب در این سه بخش متفاوت است و از شمال به جنوب افزایش می یابد (شکل. (1

وزش باد و جهت جریانهای دریایی دو عامل موثر در نوسانات می باشد. بطوریکه باد شمال غربی قادر به پایین بردن آب در اطراف جزایر نزدیک سواحل تا میزان دو متر بوده و یا باد جنوب شرقی قادر به بالا آوردن آب تا حدود فوق می باشد. جریانهای ورودی آب رودخانه ولگا در بالا دست به دو جهت شمال غربی و شمال شرقی تقسیم شده و بطرف دریا روان می شود. این دوچرخه کوچک باعث به وجود آمدن دریای خزر می شود.
وزش باد نیز این چرخه را تقویت نموده و موجب توسانات آب در بالادست دریای خزر می شود و در قسمت جنوبی نیز جریان چرخه ای دیگری به وقوع می پیوندد. در فصل زمستان به علت مسدود بودن سطح آب و اختلاف در جه حرارت با طبقات پایین تر یک چرخه عمودی بصورت همرفتی نیز در بخش جنوبی دریای خزر به وقوع می پیوندد. مطابق شکل (۲-الف) جهت گردشها در جهت عقربه ساعت می باشد. بررسی آماری نشان می دهد که در جنوب غربی دریای خزر باد غالب در پاییز و زمستان از سمت شمال غرب و در بهار وتابستان از دو جهت شمال شرقی و شمال می وزد. بخشهای جنوبی و جنوب شرقی دریای خزر از نظر مشخصات باد از تشابه زیادی برخودار بوده و تفاوت محسوسی بین آنها به چشم نمی خورد. در این منطقه باد غالب در پاییز وزمستان عينا نظیر بخش جنوب غربی دریا از جهت شمال غربی و در بهار و تابستان از سه جهت شمالغربي ، شمالی و شمال شرقی است که جهت شمالغرب در مقایسه با دو جهت دیگر از سرعت و فرکانس وقوع بیشتری برخوردار است (خبر نامه ، سازمان هواشناسی کشور). با توجه به بررسیهای محلی انجام شده ، اندازه گیریهای دراز مدت آمار باد در سایت تکا و با بررسی سوابق طرح تاسیساتی ساحل نکا و مشاهدات آمار باد در ایستگاه رامسر در ۲۲۰ کیلومتری غرب و همچنین ایستگاه بابلسر در ۷۰ کیلومتری غرب سایت ر مورد نظر ، می توان استنباط نمود که جهت غالب باد در منطقه از سمت شمال غربی و گاهی از سمت شمال است که در شکل (3-3) دیده می شود. مطلب دیگری که باید به آن اشاره نمود اهمیت سرعت وزش این بادها و تاثیر آنها بر ایجاد موج است. گلبادهای منطقه نشان می دهد که میانگین سرعت وزش بادهای غالب منطقه که عمدتا شمال غربی و در مرحله بعد شمال شرقی است بین ۴ تا ۱۰ تات بوده و به ندرت به مقدار ۱۵ تات میرسد [۲]

- روش تحقیق

- تعیین طول بادگیر منطقه تحقیق
براي تعیین طول بادگیر((Fetch از 9 شعاع که با هم زاویه 3 درجه می سازند، استفاده می شود. نقطه شروع این شعاعها محلی است که پیش بینی امواج در آن صورت می گیرد و نقطه انتهاي آنها بر روي خط ساحلی مقابل قرار می گیرد. این 9 شعاع رسم شده و میانگین طول آنها بعنوان بادگیر مستقیم در نظر گرفته می شود.
- مدل سازي پارامترهاي هیدرودینامیک

براي اجراي قسمت هیدرو دینامیک (HD) لازم است که مدولNSW اجرا شود ،در این کار سعی شد از اطلاعات خروجی قسمت MIKE21 NSW به عنوان اطلاعات ورودي قسمت HD MIKE21 استفاده شود که در مناطق کم عمق تنش هاي تشعشعی را به همراه دارد.
تنش هاي تشعشعی، بیانگر جریان ناشی از موج در نواحی بین شکست موج و خط ساحلی میباشد و بصورت سه مولفه Sxy , Sxy ,Sxx تعریف میشوند:

( 1)

بطوریکه در فایل خروجی تنشهاي تشعشعی به  تقسیم و Fv , Fuv , Fu و Fp بصورت رابطه (2) معرفی میگردد.

(2)

که G بصورت زیر تعریف میشود: (3)

قسمت عمده کار با مدلهاي عددي مربوط به تهیه و جمع آوري اطلاعات لازم جهت اجراي مدل می باشد . هر چقدر این اطلاعات کاملتر و گسترده تر و دقیقتر باشد نتیجه اجرا بهتر و قابل قبول تر می باشد. اطلاعات باد مربوط به 15سال که بطور سه ساعته در ایستگاه هاي سینوپتیک نوشهر و بابلسر ثبت شده است، از طریق سازمان هواشناسی کشور تهیه شد که با پردازش این اطلاعات و آنالیز آنها براي دوره بازگشتهاي مختلف در مدل مورد استفاده قرار گرفت .

نقشه دقیق ترین اطلاعات هیدروگرافی موجود براي داخل دریاي خزر منطقه علمده- بابلسر از طریق سازمان نقشه برداري تهیه و سپس به کمک نرم افزار ILWIS به صورت رقومی تبدیل و در نهایت با شبکه نقاط با فاصله 500 متر در مدل عددي بکار گرفته شد.

براي بدست آوردن اطلاعات ورودي رودخانه ها از اطلاعات موجود بصورت دبی متوسط رودخانه هاي منطقه تحقیق لحاظ گردید. گرچه بعلت پائین بودن دبی رودخانه ها، تأثیري در نتیجه کار مشاهده نمی شود.
- تعیین پارامترهاي هیدرودینامیکی با استفاده از نرم افزار Mike 21در این بخش با انتحاب منطقه تحقیق با خط مرزي ساحلی به فاصله تقریبی 20 کیلومتر و فاصله طولی حدود 25 کیلومتر(داخل دریا) و اعمال ورودي هاي مختص منطقه، پارامترهاي هیدرودینامیک، مورد بررسی قرار گرفت.
ابتدا نقشه توپوگرافی منطقه از سازمان نقشه برداري تهیه و مطابق قالب بندي نرم افزار آماده شده و بعنوان ورودي به نرم افزار اعمال شده است.

سپس با استفاده از اطلاعات باد منطقه(15 سال) و اعمال سمت و سرعت باد در نرم افزار، مشخصه هاي هیدرودینامیک منطقه تعیین گردیده است.
براي اجراي قسمت هیدرو دینامیک (HD) لازم است که مدولNSW اجرا شود ،در این کار سعی شد از اطلاعات خروجی قسمت MIKE21 NSW به عنوان اطلاعات ورودي قسمت HD MIKE21 استفاده شود.
مطالعه مورد نظر در دو مقیاس زیر انجام شده است:

a) مقیاس بزرگ یا منطقه ای(Regional) به ابعاد تقریبی
b) مقیاس کوچک یا محلی(Local (به ابعاد تقریبی
۱۰ با توجه به تحقیقات انجام گرفته در آبهای عمیق، مقادير ارتفاع موج عمده (Hs)، پریود موج (Tm)، جهت موج، سرعت باد و جهت باد در مدل منطقه ای( Regional Model) و مدل محلی( Local Model) در فصول مختلف بعنوان ورودی مورد استفاده قرار گرفتند. مطالعه جریان و موج در سواحل تور بصورت فصلی و با استفاده از اطلاعات گلباد و گلموج فصلی که از ۱۵ سال آمار باد بدست آمده، صورت گرفته است.

- نتایج
- طول بادگیر منطقه تحقیق
بیشترین طول بادگیر در منطقه تحقیق، به میزان 645/7 کیلومتر متعلق به بادهای شمالی که در طی ماههای فصول زمستان و بهار بر منطقه حاکم است، می باشد. ماکزیمم ارتفاع موج در نور در اثر بادهای شمالی می باشد هر چند که ممکن است سرعت باد در این جهت، بیشینه نباشد، همانطور که قطار امواج پیشرو از منطقه ای که ایجاد شده و به سمت آبهای کم عمق پیش می روند، تغییرات چندانی در آن رخ نمی دهد. بیشترین طول بادگیر در این ناحیه، بعد از بادهای شمالی مربوط به بادهای شمال غربی است و سرعت این بادها خیلی بیشتر است و از آنجا افزایش ارتفاع موج در ناحیه مورد مطالعه، بر این اساس دور از انتظار نیست.