اثر امواج در بندر امام خمینی(ره)

مقدمه
آگاهی از عوامل و شرایط محیطی جزء مهم‌ترین فاکتورهای طراحی سازه‌ها می‌باشد. سازه‌های دریایی و بندرها با توجه به موقعیت ویژه‌ای که دارند از این امر مستثنی نیستند. در نظر گرفتن این عوامل، ا‌ستفاده از روش‌های صحیح و واقعی را در آنالیز و طراحی ممکن ساخته و سبب می‌گردد تا این سازه‌ها در مقابل بارهای و‌‌‌ارده و شرایط محیطی،‌ ‌‌‌امکان پایداری قابل‌قبولی را دارا باشند. چگونگی ملحوظ داشتن امواج به عنو‌ان مهم‌ترین عامل تأثیرگذاری بر طراحی سازه‌های دریایی و بنادر، ثبت و تحلیل امواج و محا‌سبه مشخصاتی مانند طول، ارتفاع و دوره تناوب را می‌توان از مهم‌ترین جنبه طراحی سازه‌های دریایی دانست. در کنار بارگذاری امواج، می‌توان به بارگذاری انواع نیروهای حاصل از عواملی هم‌چون خاک، جریان‌های دریایی، جزرومد و زلزله بر سازه‌ها ا‌‌شاره کرد. هم‌چنین تاثیر سازه‌هایی مانند دیوارهای ساحلی و موج‌شکن‌ها بر روی وضعیت دریا به همراه روش‌هایی برای تعیین وضعیت قابل‌قبول این سازه‌ها برای عدم تعامل با سایر سازه‌‌های دریایی از موضوعات مهم مورد مطالعه در این حوزه ا‌ست. نیروی موج وارده بر یک سازه را می‌توان با استفاده از مدل فیزیکی و یا روابط طراحی بر حسب نوع سازه، توپوگرافی بستر دریا، عمق آب و مشخصه‌‌های موج، با توجه به طبیعت تصادفی امواج تعیین کرد.
بندر امام‌خمینی(ره)، در شمالی‌ترین نقطه خلیج‌فارس واقع شده ا‌ست. این بندر از تعداد زیادی خور تشکیل شده که خورهای موسی، مریموس، دورق و ماهشهر از جمله خورهای اصلی این بندر به شمار می‌روند. ارتباط بندر با خلیج‌فارس نیز از طریق یکی از این خورها، یعنی خور موسی برقرار می‌شود. با توجه به طول نسبتا زیاد این خور، امواج ایجاد شده در خلیج‌فارس به محدوده بندر نفوذ نمی‌کنند. از طرف دیگر کوچک بودن محدوده بندر و کم بودن طول بادگیر آن، امکان ایجاد موج توسط باد را نیز کاهش داده است. این ویژگی به علاوه دسترسی آسان به راه‌‌های مو‌اسلا‌تی مهم کشور، بندر امام‌خمینی(ره) را به یکی از بزرگ‌ترین و مهم‌ترین بنادر تجاری ایران تبدیل کرده است.
در واقع امواج دریا از نظر ارتفاع و دوره تناوب، نامنظم بوده و بسته به عمق آب و وضعیت تو‌پوگرافی بستر دریا، ممکن ا‌ست دارای یکی از حالات ناشکنا، شکنا و شکسته باشند و در بررسی و محاسبه نیروی موج، باید امواجی که بیش‌ترین تاثیر را بر سازه دارند مورد توجه قرار داد.
در طبیعت موارد بسیاری یافت می‌شود که مجموعه‌ای از موانع در مسیر حرکت آب قرار می‌گیرد به عنوان نمونه از این موانع می‌توان به پایه‌های پل در مسیر رودخانه پایه‌های اسکله در دریا وجود گیاهان و درختان در بستر رودخانه اشاره کرد. با عبور آب از بین این موانع در پایین دست موانع چرخش ایجاد شده و از هم‌پوشانی چرخش‌های ایجاد شده امواج سطحی که راستای ا‌نتشارشان عمود بر جهت جریان آب است تشکیل می‌شود.

مبانی
این مساله قابل‌اثبات است که بسیاری از مسائل ساحلی و نزدیک ساحل توسط امواج کنترل می‌شوند یا این‌که این امواج روی آن‌ها اثرات بسیار زیادی دارند[2]–[4]. به طور مثال مساله فرسایش سواحل [5]و[6] در کنار ا‌نتقال انرژی و تکانه یکی از مسائل مهم تحت اثر امواج ا‌ست.
محققان بسیاری اثرات امواج را بر فرآیندهای ساحلی مطالعه کرده‌اند، که از آن‌ها می‌توان به الگوهای چرخش [7], [8] ریخت‌شناسی کنار ساحل، تبادل و انتقال انرژی و تکانه‌ اشاره کرد‌.
امواج در تمامی سواحل و بنادر بسته به قدرت خود، سبب فرسایش سواحل شده و سطح تراز آب را در سواحل تغییر می‌دهند. وجود این امواج، ایجاد جریانات امتداد ساحل را نیز به همراه دارند. اما چگونگی بروز و نحوه تغییرات آن‌ها در بندر امام‌خمینی(ره) نامعلوم بوده و در این خصوص مطالعه‌ای انجام نشده ‌است.
وجود این امواج علاوه‌ بر این‌که سواحل را تحت‌تاثیر قرار می‌دهند (که شامل فرسایش ساحل می‌شود)، باعث متاثر کردن ساخت سازه‌های دریایی [2], [9]–[11] می‌شوند. مطالعه این امواج از ضرورت برخوردار است‌.
جانسون در سال 2005 مقیاس‌های چندگانه را برای شیب آلفا با تغییر کم بر اساس وابستگی به شیب بیان کرد که به نوعی ا‌لهام گرفته از حل صریح گرنستر بود. یک نمونه از حل عددی معمول برای مسائل موج لبه‌ای در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل1- یک نمونه از حل عددی معمول برای مسائل موج لبه‌ای

هر یک از محققین جنبه مختلفی از مسأله را با استفاده از یک فرمولاسیون واحد بیان کرده‌اند. درواقع سیر پیشرفت این مسأله را می‌توان از کار اولیه استوکس شروع کرد. با گذشت از مشاهدات مهم اورسل و حل صریح گرنستر در نهایت محققان به تئوری‌هایی برای تحلیل غیرخطی برای عمق متغیر رسیدند.

مواد و روش‌ها
اولین قدم جهت شناخت عوامل تأثیرگذار بر محیط‌های دریایی و نواحی ساحلی، تعیین الگو‌های امواج و جریان‌های ساحلی می‌باشد. در مناطق ساحلی، امواج و جریان‌ها نقش مهمی در تعیین هندسه و شکل سواحل بازی می‌کنند. تعیین شرایط موج در مناطق ساحلی (تعیین ارتفاع‌، پریود و جهت‌ امواج) برای برآورد نیروهای وارده از طرف امواج بر خط ساحلی ضروری است‌. سیستم مدل‌سازی کاربردی MIKE 21 چندین مدول جداگانه را شامل می‌شود. مدول استفاده شده در این مطالعه، مدول امواج نزدیک ساحل (MIKE 21 SW) است که برای محاسبه میدان‌های موج در منطقه ساحلی استفاده می‌شود. برای این منظور الگوی انتشار امواج به کمک مدول SW شبیه‌سازی شده است. نتایج بررسی‌ها نشان می‌دهد که مدول SW قابلیت ارائه الگوی واقعی انتشار امواج در مناطق ساحلی را دارا می‌باشد.[1] انتخاب این نرم‌افزار بر اساس قابلیت‌های آن برای شبیه‌سازی جریان‌های دریایی و هم‌چنین مدول‌های متعدد و کامل آن برای شبیه‌سازی هیدرودینامیک، موج و رسوب صورت گرفته است.‌ این نرم‌افزار، شبیه‌سازی را بر روی شبکه دارای ساختار انجام می‌دهد و معادلات حاکم را نیز با استفاده از روش تفاضل‌های محدود حل می‌کند. برای شبیه‌سازی هیدرودینامیک محدوده مورد نظر، باید از شبکه‌ای استفاده نمود تا قادر باشد پیچیدگی‌های هندسی بستر و محیط را به‌ خوبی شبیه‌سازی کند. هم‌چنین برای اجرای یک مدل ریاضی باید شرایط مرزی آن نیز مشخص باشد. با توجه به این‌که کانال دسترسی در قسمت‌های شمالی خلیج‌فارس و در محدوده‌ای کوچک قرارگرفته است، نمی‌توان آن را در مدل کلی خلیج‌فارس مورد مطالعه قرار داد.از طرف دیگر وضعیت تغییرات تراز آب و سرعت آن در اطراف بندر نامشخص ا‌ست و به همین علت نمی‌توان از ابتدا وضعیت بندر را در یک مدل محلی بررسی نمود. با توجه به توضیحات فوق ابتدا از دو مدل واسط استفاده می‌شود تا به کمک آن‌ها شرایط مرزی مورد نیاز برای مدل محلی بندر فراهم شود.
در این مطالعه یک مدل موج منطقه‌ای انتخاب شد تا اطلاعات موج منطقه دور از ساحل به دست آمده برای مطالعه را به منطقه نزدیک ساحل تبدیل نماید. سپس داده‌های موج تبدیل یافته به عنوان شرایط مرزی برای یک مدل محلی مورد مطالعه وارد گردیده است که شامل ترکیب اثرات موج‌ها و جریان‌ها است.
MIKE21SW از یک شبکه‌بندی محاسباتی استفاده می‌کند. شبکه مدل بر اساس داده‌های به دست آمده از بانک اطلاعات منطقه بندر امام‌خمینی(ره) ساخته شد‌.

شبیه‌سازی‌ها بر اساس شرایط زیر انجام شده است:
فرمول‌بندی طیفی کامل
فرمول‌بندی زمانی شبه ساکن
اصطکاک کف برابر
شکست موج و
زبری کف و شکست موج عمد تا تنها در منطقه آرام اهمیت دارند‌.

مهم‌ترین منبعی که در ارتباط با امواج منطقه مورد مطالعه وجود دارد، نتایج پروژه مدل‌سازی امواج آب‌های ایران است. در این پروژه امواج ناشی از باد در دریای مازندران و خلیج‌فارس شبیه‌سازی ‌شده‌اند. این پروژه توسط پژوهش‌گاه ملی اقیانوس‌شناسی و به سفارش سازمان بنادر و دریانوردی انجام شده است. در این پروژه با استفاده از اطلاعات سری زمانی، باد حاصل از اجرای مدل‌های هواشناسی و مدل عددی، سری زمانی، امواج تولید شده است که اطلاعات مربوط به هر منطقه را می‌توان تهیه نمود و از نتایج آن استفاده کرد‌‌.
شکل2- گلموج سالیانه نسبت به نزدیک‌ترین نقطه به محل بندر
تصویر و جدول گلموج سالیانه نسبت به نزدیک‌ترین نقطه به محل بندر، در شکل 2 نشان داده شده است‌. حدود 81/26 درصد از مواقع سال ارتفاع امواج کم‌تر از 2/0 متر می‌باشد. هم‌چنین حدود 06/9 درصد از مواقع سال ارتفاع امواج در آب عمیق بیش‌تر از 1 متر است. حداکثر ارتفاع موج در این ناحیه تقریبا 2.84 متر بوده که احتمال رخداد آن بسیار کم است. این داده‌ها به عنوان مبنای مطالعات موج انتخاب می‌شوند. با توجه به گلموج تهیه شده حاصل از اطلاعات پروژه مدل‌سازی امواج ایران، امواج قابل‌بررسی در امتدادهای 135،157.5،270 و 292.5 درجه هستند. به همین دلیل مقادیر ارتفاع معنی‌دار موج به دست آمده از تحلیل مقادیر حدی و پریود متناظر، مطابق مقادیر جدول 1 به مرزهای مدل معرفی شده است‌.

اندازه ابعاد شبکه مورد استفاده در مدل محلی، به اندازه‌ای در نظر گرفته شده است که بتواند پیچیدگی‌ها و عوارض بستر را در نظر گرفته و رژیم امواج آب کم‌عمق با دقت کافی مدل شوند. ابعاد شبکه در مدل محلی در ناحیه نزدیک ساحل بندر حدود 50 متر، انتخاب شده است‌.

پارامترهای مورد استفاده در مدل‌سازی امواج محلی به صورت زیر می‌باشند:
گام زمانی:30 ثانیه
طول بازه زمانی:15000 ثانیه
گسسته سازی جهتی موج:32 جهت در 360 درجه و 25 فرکانس بین 0.055 تا 1.1 هرتز

نتایج و بحث‌
توزیع ارتفاع موج شاخص به ازای امواج فراساحلی با ارتفاع و دوره تناوب و راستای پیش‌روی ارائه شده در جدول فوق در کل محدوده مدل‌سازی و در محدوده بندر در شکل‌های5-2 نشان داده شده است.

شکل2 -توزیع ارتفاع موج شاخص به ازای امواج فراساحل که از راستای 135 درجه(SE) پیش‌روی می‌کنند.

شکل3- توزیع ارتفاع موج شاخص به ازای امواج فراساحل که از راستای 157.5 درجه پیش‌روی می‌کنند.

شکل4- توزیع ارتفاع موج شاخص به ازای امواج فراساحل که از راستای 270 درجه(w)پیش‌روی می‌کنند.

شکل5- توزیع ارتفاع موج شاخص به ازای امواج فراساحل که از راستای 292.5 درجه(WNW)پیش‌روی می‌کنند.

تغییرات ارتفاع موج شاخص در امتداد محوری به طول 1000 متر، عمود بر ساحل در محل بندر امام‌خمینی(ره) برای موج پیش‌رونده در امتدادهای مختلف در شکل‌های 9-6 نشان داده شده است‌‌‌.

شکل6- تغییر ارتفاع موج مشخصه در امتداد محور عمود بر ساحل در محل بندر برای امواج فراساحلی پیش‌رونده در راستای 135درجه

شکل7- ارتفاع موج شاخص در امتداد محور عمود بر ساحل در محل بندر برای امواج ساحلی پیش‌رونده از راستای 157.5درجه

شکل8- ارتفاع موج شاخص در امتداد محور عمود بر ساحل در محل بندر برای امواج ساحلی پیش‌رونده از راستای 270درجه

شکل9- ارتفاع موج شاخص در امتدا‌د محور عمود بر ساحل در محل بندر، برای امواج ساحلی پیش‌رونده از راستای 292.5درجه

سری زمانی ارتفاع موج شاخص پیش‌رونده در امتدادهای غالب در نقطه‌ای دلخواه نزدیک بندر به عمق 4 متر، در شکل‌های13-10 به کمک مدل نمایش داده شده است:

شکل10- سری زمانی ارتفاع موج مشخصه پیش‌رونده از امتداد 135 درجه در نزدیکی بندر

شکل11- سری زمانی ارتفاع موج مشخصه پیش‌رونده از امتداد 157.5 درجه در نزدیکی بندر

شکل12- سری زمانی ارتفاع موج مشخصه پیش‌رونده از امتدا‌د 270 درجه در نزدیکی بندر

شکل13- سری زمانی ارتفاع موج مشخصه پیش‌رونده از امتدا‌د 292.5 درجه در نزدیکی بندر

جریان‌های ناشی از امواج برای حالت‌های مختلفی که در بخش قبل در انتقال امواج به محدوده بندر مورد بررسی قرار گرفت، شبیه‌‌سازی شده‌اند. نتایج مربوط به توزیع جریان‌های کلی ناشی از امواج فراساحل با ارتفاع مشخص شده در جدول2 که از راستاهای مختلف پیش‌روی می‌کنند به همراه توزیع جریان‌های محلی ناشی از این امواج، در محل بندر، در شکل‌های 17-14 نشان داده شده‌اند.
خلاصه نتایج سرعت جریان‌های ناشی از موج در محل پروژه در جدول آورده شده است. همان‌گونه که مشاهده می‌شود حداکثر اندازه سرعت ناشی از موج در محل بندر در حدود 75/0 متر در ثانیه بوده و راستای آن شرقی – غربی است‌.

شکل14- توزیع جریان‌های کلی ناشی از امواج فراساحل که از راستای 135 درجه(SE)پیشروی می‌کنند.

شکل15- توزیع جریان‌های کلی ناشی از امواج فراساحل که از راستای 157.5 درجه(SSE)پیش‌روی می‌کنند.

شکل16- توزیع جریان‌های کلی ناشی از امواج که از راستای 270 درجه(W)پیش‌روی می‌کنند‌.

شکل17- توزیع جریان‌های کلی ناشی از امواج که از راستای 292.5 درجه(WNW)پیشروی می‌کنند‌‌‌‌.

برای بررسی دقیق‌تر، سری زمانی سرعت جریان ناشی از موج فراساحلی که از راستاهای مختلف پیش‌روی می‌کنند در محل بندر در نقطه‌ای دلخواه به عنوان نمونه در عمق 4 متر استخراج شده و در شکل‌های 21- 18 نمایش داده شده است‌.

شکل18- سری زمانی سرعت جریان ناشی از موج پیش‌رونده از راستای 135 درجه در نقطه ا‌نتخابی در محل بندر

شکل19- سری زمانی سرعت جریان ناشی از موج پیش‌رونده از راستای 157.5 درجه در نقطه انتخابی در محل بندر

شکل20- سری زمانی سرعت جریان ناشی از موج پیش‌رونده از راستای 270 درجه در نقطه ا‌نتخابی در محل بندر

شکل21- سری زمانی سرعت جریان ناشی از موج پیش‌رونده از راستای 292.5 درجه در نقطه انتخابی در محل بندر

نتیجه‌گیری
این مطالعه نتایج شبیه‌سازی امواج را در امتداد ساحل بندر امام‌خمینی(ره) با استفاده از مدل هیدرولیکی ارائه می‌کند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که امواج لبه‌ای در امتداد خط ساحلی انتشار می‌یابند. علاوه بر ایده‌آل سازی طبیعت هندسه، مهم‌ترین محدودیت مطالعه حاضر در نظر گرفتن یک مرز ساختگی است‌.
نتایج آورده شده در تحقیقات حاضر، هنوز مقدماتی است و کار کردن به منظور بررسی تغییرات امواج لبه‌ای در ناحیه ساحلی به عنوان تابعی از پارامترهای هندسی، پارامترهای اصطکاکی و تعداد حالات نیروهای موج لبه‌ای می‌تواند ادامه داشته باشد.
برای به دست آوردن مشخصات امواج لبه‌ای در آب کم‌عمق و تغییرات رخ داده روی امواج حین انتقال آن‌ها از آب عمیق به آب کم‌عمق از مدل طیفی عددی استفاده شده است‌.
شبیه‌سازی مدل نشان دادند که امواج لبه‌ای در امتداد خط ساحلی بندر ایجاد می‌شوند و ساختار و ویژگی‌های موج‌های لبه‌ای ایجاد شده از استقلالی نسبت به عمق آب و جهت‌های اولیه موج ورودی به بندر برخوردارند. این موضوع با مدل‌سازی امواج در بندر به ازای زوایای ورودی مختلف تحقیق شد.
نتایج مدل‌سازی موج نشان می‌دهد که اگر باد با سرعت 5 متر بر ثانیه(میانگین سرعت باد منطقه) از جهت شمال غربی بوزد، موجی را با حداکثر ارتفاع 0/3 متر و پریود 2/8 ثانیه ایجاد می‌کند. در صورتی‌که اطلاعات موج منطقه ارتفاع و پریود بیش از این مقادیر را نشان می‌دهند.

مراجع
(Endnotes)
[1] R. S. Johnson, “Edge waves: theories past and present,” Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci., vol. 365, no. 1858, pp. 2359–2376, 2007.
[2] J. B. Lawrie and J. Kaplunov, “Edge waves and resonance on elastic structures: An overview,” Math. Mech. Solids, vol. 17, no. 1, pp. 4–16, 2012.
[4] E. Averbukh, O. Kurkina, A. Kurkin, and T. Soomere, “Edge-wave-driven durable variations in the thickness of the surfactant film and concentration of surface floats,” Phys. Lett. A, 2013.
[5] M. Di Risio, G. Bellotti, A. Panizzo, and P. De Girolamo, “Three-dimensional experiments on landslide generated waves at a sloping coast,” Coast. Eng., vol. 56, no. 5, pp. 659–671, 2009.
[6] G. Sælevik, A. Jensen, and G. Pedersen, “Experimental investigation of impact generated tsunami; related to a potential rock slide, Western Norway,” Coast. Eng., vol. 56, no. 9, pp. 897–906, 2009.
[7] A. J. Bowen and D. L. Inman, “Edge waves and crescentic bars,” J. Geophys. Res., vol. 76, no. 36, pp. 8662–8671, 1971.
[8] A. J. Bowen and D. L. Inman, “Rip currents: 2. Laboratory and field observations,” J. Geophys. Res., vol. 74, no. 23, pp. 5479–5490, 1969.
[9] R. T. Guza and D. L. Inman, “Edge waves and beach cusps,” J. Geophys. Res., vol. 80, no. 21, pp. 2997–3012, Jul. 1975.
[11] a Baquerizo, M. Losada, and I. Losada, “Edge wave scattering by a coastal structure,” Fluid Dyn. Res., vol. 31, no. 4, pp. 275–287, Oct. 2002.

نویسنده مقاله :رضا نقی زاده سهی ، افشین محسنی آراسته ، کامران لاری

منبع: پرتال جامع اطلاعات تخصصی صنعت حمل ونقل :: www.iranway.com ::به نقل از ماهنامه بندر و دریا