بررسی عددي جریان هاي ناشی از موج در بندر امیرآباد 1 محمدعامرکاظمی حبیب حکیمزاده شهرزادناهید ١- دانشجوي کارشناسی ارشد سازههاي دریایی دانشکده مهندسی عمران دانشگاه صنعتی سهند - دانشیار دانشکده مهندسی عمران دانشگاه صنعتی سهند - 3 ري یس گروه فیزیک دریا سازمان هواشناسی کشور m_kazemi@sut.ac.ir hakimzadeh@sut.ac.ir nahid@irimo.ir خلاصه در این مقاله به بررسی موج و جریان هاي ناشی از آن در محدوده بندر امیرآباد با استفاده از مدول هاي SW و HD نرمافزار MIKE پرداخته شده و نتایج مدل عددي با مشاهدات منطقهاي مقایسه شده است. معادلات مورد استفاده در این شبیه سازي شامل معادله بقاي موج و معادله هاي مربوط به جریان آب هاي کم عمق می باشند. در مورد داده هاي مورد نیاز براي تحلیل سعی شده است تا مناسبترین داده باد از میان دادههاي متنوع موجود اتنخاب گردد. بطور کلی جریان هاي منطقه بسیار متغیر و فصلی بوده و به دلیل شرایط آرام محیط دریا در زمان برداشت هاي اطلاعات جریان(دوره یک ماهه) داده هاي جریان در این بازه زمانی محدود از لحاظ مقداري پایین هستند. با این وجود مقایسه عمومی نتایج مدل باد و هیدرودینامیک با داده هاي اندازه گیري شده حاکی از عملکرد نسبی خوب مدل عددي مورد استفاده است. کلمات کلیدي: موج جریان مدل عددي بندر امیرآباد 1. مقدمه مطالعه هیدرودینامیکی مناطق ساحلی اولین قدم در طراحی سازه هاي ساحلی ریخت شناسی سواحل انتقال رسوب فرسایش انتشار و پخش آلودگی و دیگر پدیده هاي مرتبط با ساحل می باشد. بخش مهمی از مطالعه هیدرودینامیک معطوف به مطالعه جریان هاي ساحلی و بررسی علل ایجاد و الگوي آنها می گردد. در سالهاي اخیر در بنادري مانند بندر انزلی کیاشهر در در یاي خزر مطالعاتی در زمینه جریان هاي ناش از موج انجام گرفته است اما مطالعات انجام گرفته در بندر امیر آباد بیشتر معطوف به اقلیم موج و رسوبات در این منطقه بوده و کمتراین مسي له مورد تحقیق قرار گرفته است. منطقه ویژه اقتصادي امیرآباد در سه فاز طراحی شده که در مجموع با داشتن 34 پست اسکله در آینده نزدیک به بزرگترین و مهمترین بندر حاشیه دریاي مازندران تبدیل می گردد. با توجه به اینکه بندر امیرآباد درحال توسعه بوده و در سالهاي اخیر نیز با مشکلاتی مانند فرسایش و رسوبگذاري مواجه شده است شناختی کاربردي و مناسب از مشخصات در این منطقه امري ضروري است. به دلیل هزینه بالاي برداشتهاي دریایی بصورت گسترده امروزه با بالارفتن سرعت پردازش رایانه ها و نیز رشد روشهاي عددي براي حل معادلات حاکم بر فیزیک مساله معمولا جهت پیشبینی خصوصیات پدیدههاي هیدرودینامیکی از شبیه سازي عددي استفاده میگردد. از طرف دیگر ارزیابی دقت مدل متناسب با مشاهدان فیزیکی در منطقه مورد مطالعه یک نیاز عمومی محسوب می شود. به دلیل اینکه برداشتهاي دریایی موجود براي جریانهاي ساحلی در بندر امیرآباد تنها براي یک ماه ومربوط به اکتبر سال 001 میلادي میباشد از اینرو شبیه سازي عددي موج وجریان در این بازه زمانی انجام گرفته است و بدین ترتیب کالیبراسیون و صحت سنجی مدل در بازه زمانی کوتاه مذکور صورت پذیرفته است.

. هستند. تهیه دادههاي میدانی مورد نیاز باد مهمترین عامل در مدل سازي عددي پدیدهاي هیدرودینامیک میباشد بطوریکه انتخاب داده هاي باد مناسب براي مدل در نتایج خروجی حاصله بسیار موثر است. به همین علت باید منابع مناسب براي تهیه داده هاي باد با یکدیگر مقایسه گشته و در نهایت بهترین منبع اتنخاب گردد. منابع بادي که در این تحقیق بررسی شده اند عبارتند از: الف- باد ایستگاه سینوپتیک دستگاه Skyminimet در بندر امیرآباد( برداشت یک ماهه) ب- باد حاصل از خروجی مدل هواشناسی ECMWF (استفاده شده در پروژه (ISWM باد ایستگاه سینوپتیک بابلسر پ- باد ایستگاه سینوپتیک بابلسر ت- باد حاصل از ماهواره QuikScat شکل هاي 1 تا 4 گلبادهاي حاصله از هر یک از این منابع را براي بازه زمانی مورد بررسی نشان می دهند. از مقایسه عمومی این منابع ملاحظه می شود که تفاوت بسیار چشمگیري در داده هاي باد مشاهده نمی شود و بررسی هاي بیشتر نشان داد که داده هاي دو منبع نخست از اعتبار بیشتري برخوردار شکل 1 -گلباد ایستگاه سینوپتیک دستگاه Skyminimet (اکتبر 001 ) شکل -گلباد مدل هواشناسی ECMWF (اکتبر 001 ) شکل 3 -گلباد ایستگاه سینوپتیک بابلسر(اکتبر 001 ) شکل 4 -گلباد ماهواره Quikscat (اکتبر 001 ) اندازه گیري هاي موجود یک ماهه در بندر امیر آباد شامل اندازه گیريهاي جریان در عمق متوسط آب در نواحی اطراف بندر اندازه گیري موج و تراز سطح آب در دهانه ورودي بندر و نیز برداشت یک ماههآمار باد میباشد.

.3 مدل ریاضی MIKE به منظور شبیه سازي موج از مدول SW مدل ریاضی MIKE1 استفاده شده است. این مدل که مدل موج طیفی می باشد توانایی بالایی در شبیه سازي پدیدههاي مربوط به موج دارد که از مهمترین آنها می توان به موارد زیر اشاره نمود: الف- رشد و توسعه موج از آب عمیق ب-ا نکسار موج پ- پشته کردن و شکست موج در آب کم عمق ت- لحاظ نمودن توام امواج دورآ و امواج باد ث- سفیدك راس موج capping) (White ج- اندرکنش غیر خطی موج-موج همچنین براي شبیه سازي جریان از مدول هیدرودینامیک HD نرم افزار MIKE1 استفاده شده است که در آن از خروجی هاي تنشهاي تشعشی مدل موج که عامل بسیار مهمی در تولید جریانهاي ناشی از موج در نواحی ساحلی میباشند استفاده میشود. 4. معادلات حاکم در این بخش بطور اجمال به بیان معادلات حاکم موج و هیدرودینامیک پرداخته می شود. معادله بقاي موج در مختصات کارتزین بصورت زیر میباشد: که در آن داریم: +. (ν N) =, = (1),,, N( = چگالی عمل موج ), E( = چگالی انرژي موج = فرکانس زاویهاي = جهت انتشار موج ν =(,,, ) = سرعت انتشار موج و S ترم منبع براي موازنه معادله می باشند. همچنین معادلات مربوط به جریان آبهاي کم عمق عبارتند از: معادله پیوستگی: معادله هاي مومنتوم در جهت هاي x و y بصورت زیر می باشند: + + = h () + + = h h + + (h ) + h +h (3) + + = h h + + h + h +h (4) تغییرلا تراز سطح آب + =h d عمق آب ساکن تنش هاي که u و v سرعتهاي انتگرال گیري شده در عمق در جهت هاي x و y جانبی تنشهاي تشعشعی f پارامتر نیریوي کوریولیس و تنشهاي ناشی از سطح و بستر هستند..5 5-1 مدل موج: برپایی مدل وکالیبراسیون ابتدا از یک مدل با ابعاد و شبکه بندي بزرگتر براي منطقه مورد نظر استفاده شده است. مرز فراساحل این مدل در آب عمیق قرار داشته و در آن از خروجی پروژه شبیه سازي امواج ایران( ISWM ) به منظور استفاده در شرایط مرزي استفاده شده است. اطلاعات مربوط به تعداد سه نقطه در عرض جغرافیایی 37 درجه مربوط به بندر امیرآباد از سازمان بنادر ودریانوردي تهیه شده است که این فایلها حاوي اطلاعات ارتفاع مشخصه امواج پریود جهت انتشار موج میانگین می باشند. در مدل کوچکتر از خروجیهاي مدل قبل بعنوان شرایط مرزي استفاده شده است که این امر به تدقیق روند مدلسازي کمک شایانی میکند.

مشخصات این مدلها و شبکه بندي آنها در جدول- 1 آمده است. شبکه بنديها از نوع نامنظم( Unstructural ) میباشند. همچنین براي تهیه فایلهاي مربوط به عمقیابی محدوده بندر از نمودارهاي دریایی 405 بیشترین فاصله گرهها(متر) کمترین فاصله گرهها(متر) جدول- 1 و 401 سازمان نفشه برداري استفاده شده است. ابعاد تقریبی(کیلومتر) Domain 1 8 5.5.5 400 0 1000 150 شکل 5 -میدان محاسباتی 1 شکل 6 -میدان محاسباتی پس از بررسی هاي بسیار داده هاي باد مدل هواشناسیECMWF در Domain1 و بادایستگاه سینوپتیک SkyMinimet در Domain بعنوان مقادیر باد ورودي در مدلها مورد استفاده قرار گرفت. شایان ذکر است دادههاي باد ایستگاه سینوپتیک به منظور تامین پایداري در ضریب 1.1 پیشنهاد شده در کتاب راهنماي حفاظت سواحل ضرب شده و سپس استفاده گردیده است. گسسته سازي فرکانسی مدل لگاریتمی و باکمترین فرکانس 0.055 هرتز و با ضریب 1.1 و از طرف دیگر گسسته سازي جهتی در 16 جهت با فواصل.5 درجه انجام گرفته است.

همچنین ملاحظه گردید که بکار گیري روش Coupled در محاسبه تاثیر باد سبب پیش بینی بیش از واقعیت ارتفاع امواج در مناطق ساحلی کوچک میگردد. از اینرو اندرکنش باد و جریان بصورت Uncoupled به این معنی که انتقال مومنتوم از باد به سطح دریا تنها متاثر از سرعت باد میباشد و با ضریب دراگ Charnock=0.011 بکار رفته است. براي تعیین ضریب γ مربوط به تیزي موج در شکست درDomain1 از رابطه پیشنهادي Nelson که γ را متناسب با شیب موضعی بستر فرض می کند استفاده و در Domain از γ ثابت استفاده شده است. بصورت زیر تعریف نمود: Nelson را بصورت تابعی از شیب موضعی بستر در جهت انتشار موج میانگین =0.55+0.88exp 0.01 100 =0.55 >100 شرط اولیه مورد استفاده در Domain1 فرمول تجربی آب عمیق S.P.M است. در جدول- ضرایب کالیبراسیون و مقادیر مورد استفاده در دو مدل اراي ه شده است. Domin1 0.00 Domin 0.0 جدول- ضریب زبري (m) γشکست موج سفیدك راس موج δ سفیدك راس موج رابطه Nelson 0.8 0.65 4.5 0.8 5- مدل جریان در این مورد نیز مانند قسمت مربوط به مدل موج به دلیل فقدان شرایط مرزي مطلوب از دو مدل مجزا استفاده شده است. مشخصات ابعاد و شبکه بندي همانند جدول- 1 می باشد. همچنین ضرایب کالیبراسون در جدول- 3 آمده است. Domain جدول- 3 Domain1 ( / )50 Smagorinsky Formulation 0.0011 50 Smagorinsky Formulation 0.0011 ضریب زبري کف(عدد مانینگ) ویسکوزیته گردابی اصطکاك باد در شکل- 7 مقایسه ارتفاع موج مشخصه پیش بینی شده و اندازه گیري شده در دهانه ورودي حوضچه بندر مشاهده میشود. از بررسی این مقایسه ملاحظه می شود که تطابق نسبتا مناسبی بین مقادیر پیش بینی شده و اندازه گیري شده وجود دارد اگرچه در برخی زمانها اختلاف بین آنها قابل ملاحظه است. متاسفانه دستگاه ثبت موج توانایی اندازه گیري جهت امواج را نداشته است.

شکل 7 مقایسه ارتفاع موج مشخصه پیش بینی شده و اندازه گیري شده در دهانه ورودي بند امیر آباد همچنیندر شکل هاي 8 و 9 مقایسه بین مقادیر جریان در قسمت غربی بازوي موج شکن اصلی مشاهده میشود. شکل- 8 مشاهدات شکل- 9 مدل.6 نتیجهگیري ضریب شکست موجγ غالبا درمنطقه 0.65 میباشد. بنظر می رسد بکار گیري روش Nelson بنظر میرسد در مناطقی که تحت تاثیر پدیده تفرق می- باشد با خطا همراه است. بکار گیري روش Coupled در محاسبه تاثیر باد سبب پیش بینی بیش از واقعیت ارتفاع امواج در مناطق ساحلی کوچک میگردد. اگرچه امواج غالب در منطقه امیر آباد در پیش بینی هاي بلند مدت در جهت شمالغربی میباشد با این حال در ماه اکتبر 001 جهت غالب در جهت شمال بوده که جهت جریانهاي ایجاد شده نیز از همین امر تاثیر میگیرد. بنظر میرسد با توجه به مقادیر جریانها و امواج در منطقه ساحلی و تغییرات آنها نوار شکست ناحیه زوال موج در محدوده عمق 6 متري باشد. 1. U.S. Army Corps of Engineers, Washington, D.C. Coastal Engineering Manual. MIKE Flow Model FM, Hydrodynamic Module, Spectral Wave Module, User Guide, 007. DHI Software. 7. منابع

3. SeaWinds on QuikScat Level3 Daily, Gridded Ocean Wind Vectors (JPL SeaWinds Project), Guid Document. 4.گزارش مدلسازي امواج آبهاي ایران پیشیابی امواج سالهاي 199-003 جلد اول(دریاي خزر) 5.گلشنی ع. و تاي بی س. ( 1387 ) "ارزیابی میدان باد ماهوارهاي QuikScat در دریاهاي مجاور ایران با استفاده از دادههاي باد ایستگاههاي سینوپتیک و مدلهاي جوي" نشریه مهندسی دریا 6. اسماعیلی م. آرزم سا ع. فرج نژاد. م." مدل سازي جریان هاي ناشی از موج در بندر کیا شهر با استفاده از مدل Icopmas006. "MIKE1 7. قربانی م. گلشنی ع."مطالعه اقلیم موج در بندر امیر آباد با اجراي مدل محلی MIKE1 و روشهاي نیمهتجربی". Icopmas008