روش تحقیق

در این تحقیق به منظور بررسی اقلیم موج بلند مدت ، خلیج بوشهر علاوه بر مدلسازی موج برای بازه بلند مدت ۲۵ ساله ، تعیین مقدار موج طراحی در منطقه آب کم عمق (اطراف سازه های مهم همچون اسکله جلالی) و آب عمیق انجام شده است. در این تحقیق ۲ دسته داده موج مورد استفاده قرار گرفته است. دسته اول شامل دوره اندازه­ گیری شده یک ساله در سال ۲۰۱۰ میلادی و دسته دیگر داده­ های بلند مدت موج حاصل از پیش یابی امواج خلیج فارس (WW3-PG) که توسط شرکت "Baird" انجام شده است ، بوده است. داده­ های اندازه گیری توسط شرکت جهاد تحقیقات آب و انرژی و در غالب پروژه پایش و مدل سازی سواحل کشور انجام شده است. همچنین باد به مدت یک سال همزمان با اندازه­ گیری مشخصه موج ، از ایستگاه هواشناسی بوشهر ساحلی تهیه شده و پس از انجام تصحیحات لازم در مدلسازی تولید موج مورد استفاده قرار گرفته­ اند.

بخش مدلسازی شامل انجام آنالیز حساسیت سنجی ، واسنجی ، صحت سنجی و انتقال امواج ۲۵ ساله آب عمیق به آب کم عمق با شرایط مدل صحت سنجی شده و در نهایت تعیین موج طرح آب کم عمق و آب عمیق می­ باشد. انتقال امواج با استفاده از مدل نسل سوم "MIKE21 SW" انجام شده و تحلیل های حدی نیز با استفاده از ابزار تحلیل حدی (EVA) ، بررسی و ارایه شده است.

شبکه و هیدروگرافی مورد استفاده در شبیه­ سازی­ ها عددی در شکل ۲ آورده شده است. مرز شمالی محدوده انتخاب شده از شمال به دلتای رودخانه هله و از جنوبانت های دماغه بوشهر ادامه یافته است. همچنین مرز دور از ساحل ، در تراز عمق ۳۰ متری نسبت به تراز مبنا "CD" قرار گرفته است. اطلاعات امواج در محل مرز آب عمیق از مشخصه­ های اندازه­ گیری شده موج در سال ۲۰۱۰ میلادی در ایستگاه "AW1" تعریف شده و نتایج مدل در ایستگاه "AQ1" در محل آب کم­ عمق ، کنترل شده است. محل این استگاه ها در شکل ۱ نمایش داده شده است. پس از آنالیز حساسیت مدل و انتخاب پارامترهای حساس ، ۵ دوره زمانی برای ارزیابی نتایج مدل انتخاب شده که ۳ دروه آن برای کالیبراسیون مدل و ۲ دروه برای صحت سنجی نتایج مدل در نظر گرفته شده است. لازم به ذکر است به منظور حصول مقادیر صحیح برای هر پارامتر و دسترسی به رژیم سالیانه انتقال امواج منطقه ، این بازه ها در دوره های زمانی مختلفی با خصوصیات موج متفاوت انخاب شده اند.

شبکه ۲) هیدروگرافی و شبکه مورد استفاده در مدل سازی امواج منطقه بوشهر (برای تصویر بزرگتر کلیک کنید)

همانطور که بیان شد ، آنالیز حساسیت نتایج مدل نسبت به پارامترهای مختلف همچون پارامترهای شکست ، تراز سطح آب ، اندرکنش امواج ، اصطکاک بستر ، نیروی باد و سفیدک امواج انجام شده است. نتایج ارتفاع ، پریود و جهت موج مدلسازی شده در ۷ نقطه پراکنده در سرتاسر خلیج بوشهر و برای ۳ دوره زمانی مورد مقایسه قرار گرفته­ اند. شایان ذکر است که انجام حساسیت سنجی مدل نسبت به باد در شرایط مختلفی صورت گرفته است تا از نتایج به دست آمده اطمینان حاصل گردد. به طور مثال این نیرو همراه با مقادیر مختلف زبری بستر ، تراز سطح آب و سفیدک های راس موج به مدل اعمال شده است تا تاثیر تولید موج بر مشخصه موج در شرایط مختلف مورد بررسی قرار گیرد.

حساسیت مدل نسبت به تراز سطح آب ، به دو صورت تراز ثابت (فرض تراز ۱/۱+ متر ، تراز متوسط سطح آب MSL) و سری متغیر زمانی (داده های تراز جزر و مد به صورت سری زمانی) به مدل معرفی شده است. مقایسه نتایج آنالیز ذکر شده برای مدل ، در دو حالت بدون و با در نظر گرفتن باد در شکل ۳ قابل مشاهده است. در شکل ۴ نیز نتایج به کار گیری زبری مختلف برای مدل انتقال موج و انتقال به همراه تولید موج آورده شده است.

شکل ۳) تاثیر منظور نمودن تغییرات جزر و مدی سطح آب و MSL با در نظر گرفتن باد (راست) و بدون باد (چپ) (برای تصویر بزرگتر کلیک کنید)

پس از بررسی سری زمانی مشخصه­ های موج حاصل از مدل حساسیت سنجی ، مشخص شد که مدل موج منطقه بوشهر تنها به پارامتر زبری بستر حساس بوده و این پارامتر به عنوان کمیت واسنجی مدل انتخاب شده است. در ارتباط با میزان تاثیر سایر کمیت­ ها بر نتایج مدل باید گفت که به طور مثال تغییرات پارامتر‏های شکست ، در بیشینه حالت سبب تغییر ارتفاع مدل به مقدار ۱۷ درصد می شود که البته نتیجه فوق در شرایط ورودی بیشینه موج (امواج با ارتفاع ۳ متر و پریود ۱۰ ثانیه) که احتمال رخداد آن در منطقه کم می­ باشد ، به دست آمده است. لذا قرار دادن مقادیر پیش فرض برای کمیت­ هایی همچون ضریب شکست و اندرکش امواج مناسب می­ باشد. بررسی­ های انجام شده در بخش آنالیز حساسیت نشان داده که اعمال نیروی باد تاثیر چندانی بر روی نتایج مدل انتقال امواج در ناحیه بندر بوشهر نداشته است.

شکل ۴) تاثیر زبری بستر Kn بر نتایج شبیه سازی با در نظر گرفتن باد (راست) و بدون باد (چپ) (برای تصویر بزرگتر کلیک کنید)

در مرحله کالیبراسیون ، تعیین مقدار بهینه زبری بستر طی واسنجی مدل برای ۳ دوره با در نظر گرفتن ضرایب زبری مختلف انجام شده است. مقایسه سری زمانی نتایج مشخصه موج مدل با مقادیر اندازه­ گیری و همچنین محاسبه ضریب همبستگی بین آنها برای دوره های زمانی مختلف نشان داده که حالت بدون زبری (زبری صفر) نسبت به زبری های دیگر منجر به دستیابی نتایج مناسبتری شده است (شکل ۵). به منظور اطمینان بیشتر در این مرحله تاثیر نیروی باد به صورت جداگانه و دقیق تری نیز مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نمونه ای از مقایسه انجام شده در شکل ۶ آورده شده است.

نتایج این بررسی نشان داده است که اعمال نیروی باد برای حالاتی که ارتفاع موج اندازه گیری شده بیش از نیم متر بوده است ، در بیشترین حالت تنها سبب تغییر ارتفاع موج مدل انتقال موج به اندازه ۱/۵ درصد (حدود ۱۰ سانتیمتر) شده است و برای ارتفاع موج اندازه­ گیری کمتر از نیم متر ، این تاثیر کاهش یافته است. لازم به ذکر است که امواج با پریود و جهت های مختلف نتایج مشابهی را ارایه نموده اند. مقایسه ضریب همبستگی مقادیر ارتفاع موج اندازه­ گیری با نتایج مدل در دو حالت بدون و با در نظر گرفتن تاثیر باد (در جدول ۱) حاکی از کمتر شدن ضریب فوق بوده است. این موضوع می تواند به الگوی پیچیده باد در منطقه و لزوم استفاده از داده های باد دو بعدی به جای اطلاعات نقطه ای تاکید داشته باشد که در حال حاظر در منطقه مورد مطالعه با دقت مورد نظر در دسترس نمی باشد. مجموع نتایج نشان می­ دهد که با توجه به اینکه اعمال باد به مدل سبب افزایش زمان و پیچیدگی مدلسازها می­ گردد و توجه به این نکته که به کارگیری داده های باد مستخرج شده از یک نقطه برای کل محدوده می­ تواند سبب بروز خطاهایی در نتایج مدلسازی شود ، لذا با توجه به حساسیت کم نتایج شبیه سازی ها به اعمال اثر باد و مطالب ارایه شده ، از اعمال نیروی باد در مدلسازی ها صرف نظر شده است.

شکل ۵) واسنجی مدل : تاثیر زبری بستر بر نتایج ارتفاع موج مدل سازی شده – دوره سوم (برای تصویر بزرگتر کلیک کنید)

پس از کالیبراسیون پارامتر زبری بستر و انتخاب مقادیر بهینه ، در مرحله بعدی ، صحت سنجی مدل انتقال موج برای ۲ دروه انجام شده است. نمونه­ هایی از نتایج این بخش در شکل ۷ آورده شده است. ضریب همبستگی بالای بین مقادیر ارتفاع موج مدلسازی توسط مدل فوق و اندازه­ گیری شده (بیش از ۸۰ درصد) گویای این مطلب است که مدل توانسته روند مقادیر اندازه­ گیری شده در دستگاه "AQ1" را به طور مناسبی به دست آورد.

جدول ۱) مقادیر آماری مربوط به مقایسه مقادیر نتایج مدل سازی شده ارتفاع موج در دستگاه AQ1 برای مدل های انتقال و تولید امواج در دوره های اول تا سوم

پس از حصول اطمینان از نتایج مدل مورد استفاده اقدام به انتقال امواج ۲۵ ساله از آب های عمیق به آب کم عمق در محدوده خلیج بوشهر شده است و الگوی تغییرات امواج در این ناحیه ارایه گردیده است. شکل ۸ الگوی متوسط امواج ۲۵ ساله را ارایه نموده است. بردارهای ارایه شده در این شکل بردارهای موج و کانتورهای ارتفاعی به صورت تغییرات رنگی ارایه شده است. همچنان که از این شکل پیداست ، غالب امواج منطقه از جهت شمال غربی به محدوده مدل وارد می شوند و ارتفاعی متوسطی در حدود ۷۰ سانتیمتر را دارا می باشند.

شکل ۶) نمودار مقادیر حاصل از مدل سازی با باد و بدون باد بر حسب مقدار اندازه گیری شده ارتفاع موج توسط AQ1 (برای تصویر بزرگتر کلیک کنید)

با نزدیک شدن امواج به دهانه خلیج جهت آنها به دلیل انکسار ناشی از بستر تغییر کرده و به سمت شمال تغییر جهت داده است. همچنین بیشتر امواج در ناحیه داخلی خلیج از بین رفته و ارتفاع متوسط ۲۵ ساله در دهانه خور دیر در حدود ۴۰ سانتیمتر می باشد. الگوی حداکثر امواج رخ داده در محدوده مطالعاتی در شکل ۹ نمایش داده شده است. همچنان که از این شکل بر می آید امواج تا ارتفاع ۲ متر در دوره ۲۵ ساله تا انتهای کانال داخلی نیز نفوذ کرده اند. با این وجود در بیشتر مناطق منتهی به کانال داخلی ارتفاع امواج قابل ملاحظه ای دیده نمی شود. به همین دلیل به نظر می رسد در محدوده بندر بوشهر (واقع بر کانال داخلی) تاثیر ارتفاع امواج چندان شدید و قابل توجه نباشد.

شکل ۷) صحت سنجی مدل : مقایسه نتایج ارتفاع موج حاصل از مدل با مقادیر اندزه گیری شده – دوره اول (برای تصویر بزرگتر کلیک کنید)

همچنین به منظور بررسی دقیق تر در چند نقطه در اطراف سازه های مهم در محدوده مطالعاتی مشخصات امواج مورد تجزیه تحلیل و بررسی قرار گرفته است. موقعیت این نقاط در جدول ۲ ارایه شده است. گل موج های متناسب در شکل ۱۰ ارایه شده اند. همانطور که مشاهده می شود ، در نزدیکی اسکله جلالی جهت امواج غالب در محدوده شمال غربی بوده و با کم عمق شدن این جهت به سمت غرب در چرخش خواهد بود. همچنین در محدوده بندر جفره و موجشکن بندر بوشهر امواج وارد شونده از جهت جنوب کاملا حذف شده و جهت غالب این منطقه نیز همان جهت شمال غربی می باشد.

جدول ۲) موقعیت نقاط مورد بررسی در خلیج بوشهر

در بخش دوم بررسی های انجام شده در این مقاله به بررسی امواج طراحی در نزدیک سازه های با اهمیت منطقه نیز پرداخته شده است. موج طرح برای دوره­ های بازگشت مختلف (۱۰ ، ۲۵ ، ۵۰ و ۱۰۰ سال) محاسبه شده است. به منظور تحلیل امواج حدی از روش ماکزیمم‏ های جزئی و متوسط دو واقعه در سال و با به کارگیری توزیع گامبل کوتاه شده در آب عمیق و توزیع ویبل در آب کم عمق استفاده شده است. انتخاب تابع توزیع با معیار دارا بودن مقدار انحراف معیار کمتر و دستیابی به بهترین تطابق بین تابع توزیع و مقادیر واقعی بوده است.

جدول ۳) امواج طرح در آب های کم عمق خلیج بوشهر در نقاط ارایه شده در جدول ۲

جدول ۳ ارتفاع امواج طرح در نقاط ارایه شده در جدول ۲ را ارایه نموده است. همانطور که از نتایج این جدول نیز پیداست ارتفاع امواج برای ۳ حالت ارایه شده است. در حالت اول تراز سطح متوسط مورد استفاده قرار گرفته است و در حالت دوم اتقال امواج با فرض تراز "MHHW" انجام شده است. در حالت سوم تراز مد طوفانی نیز به این مقادیر افزوده شده است. همانطور که دیده می شود در نقاط ۱ و ۲ که در محدوده خارجی خلیج قرار دارند ارتفاع امواج طراحی بزرگتری حاصل شده است. به عنوان مقال در نقطه ۲ (جدول ۲) ، ارتفاع طراحی امواج برای تراز "MHHW" در حدود ۲/۳۰ متر است در حالی که برای همین شرایط در نقطه ۴ ارتفاع امواج طراحی ۱/۲۰ متر به دست آمده است.

شکل ۸) الگوی امواج و متوسط امواج رخ داده در منطقه بوشهر برای دوره ۲۵ ساله مدل سازی (برای تصویر بزرگتر کلیک کنید)

شکل ۹) الگوی توزیع بیشترین مقدار ارتفاع موج رخ داده شده در خلیج بوشهر برای دوره ۲۵ ساله (برای تصویر بزرگتر کلیک کنید)