شبیه‌سازی عددی جریانات خلیج‌گرگان با استفاده از مدلPMO Dynamics و MIKE

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد محیط زیست، دانشگاه تهران

2 دانشیار دانشکدة تحصیلات تکمیلی محیط زیست، دانشگاه تهران.

چکیده

خلیج­گرگان در جنوب شرقی دریای­خزر واقع شده است، این خلیج یک حوضةکم عمق با داشتن رژیم آرام جریانات و امواج است و به عنوان یک حوضة نیمه بسته ساحلی و پناه­گاهی برای پرورش آبزیان و پرندگان مهاجر محسوب می­شود. این پژوهش با استفاده از مد­ل­سازی عددی، هیدرودینامیک         خلیج­گرگان مورد بررسی قرارگرفته است. مدل­های بکارگرفته شده در این مطالعه، مدل MIKE و مدل ایرانی PMO Dynamics می­باشند. هدف اصلی این پژوهش ارزیابی توانایی این مدل در شبیه­سازی صحیح هیدرودینامیک خلیج­گرگان، است. شبیه­سازی هیدرودینامیک خلیج گرگان با در نظرگرفتن اثرات وزش باد، تغییرات تراز سطح آب در مرز باز خلیج، دبی رودخانه­ها، نیروی کوریولیس و زبری بستر انجام شده است و به منظور کالیبراسیون مدل­ها از داده­های جریان سنجی استفاده شده است. نتایج مدل­های کالیبره شده نشان داد که الگو جریانات خلیج تابع، توپوگرافی بستر و وزش باد غالب منطقه است. همچنین با مقایسة نتایج مدل MIKE و PMO Dynamics مشخص شد مدل ایرانی توانایی شبیه سازی صحیح الگوی جریانات را دارا است اما در تخمین سرعت جریانات با مدل MIKE اختلافاتی دارد.

کلیدواژه‌ها

1- مقدمه       

در چند دهه اخیر شاهد تولید و توسعه مدل­های عددی متعدد به منظور شبیه­سازی پارامترهای دریایی در سطح جهان بوده‌ایم. با توجه به شرایط موجود همواره کاربران ایرانی در دسترسی به نسخه کارآمد این مدل­ها دچار محدودیت­هایی هستند. در این راستا سازمان بنادر و دریانوردی، اقدام به توسعة یک مدل ایرانی، بنام مدل PMO Dynamics کرده است که لازم است عملکرد مدل مذکور در شرایط مختلف بررسی شود. بنابراین، هدف اصلی این پژوهش ارزیابی توانایی این مدل در شبیه­سازی صحیح هیدرودینامیک خلیج­گرگان است. این خلیج یک حوضةکم‌عمق و دارای رژیم آرام جریانات و امواج می‌باشد. علاوه بر این مدل، از مدل شناخته‌شدة MIKE نیز برای شبیه­سازی جریانات خلیج استفاده شد.

خلیج­گرگان یک بدنة آبی نیمه‌بستة ساحلی است که در شرقی­ترین قسمت سواحل جنوبی دریای­خزر قرار دارد. خلیج­گرگان به شکل مثلث است که ماکزیمم طول آن برابر با 60 کیلومتر و ماکزیمم عرض آن 12 کیلومتر و مساحت آن 715 کیلومتر مربع می­باشد، همچنین ماکزیمم عمق خلیج  با عمق 5 متر در مرکز آن قرارگرفته است و میانگین عمق آن 1.8متر می­باشد. توپوگرافی بستر در خلیج گرگان به صورتی است که نیمة­ جنوبی آن دارای عمق کمتر و نیمه شمالی آن دارای عمق بیشتر می‌باشد (رنجبر، 1393).

 

                       

شکل(1): موقعیت خلیج­گرگان و توپوگرافی بستر آن

 

خیلج­گرگان توسط شبه جزیرة میان­کاله از دریای­خزر جدا شده است. خلیج عمدتا از طریق دهانه­ای که در قسمت شمال شرقی آن و به طول 3 کیلومتر است با دریای خزر در ارتباط است. خلیج­گرگان همچنین از طریق یک کانال طبیعی با عرض متوسط 500 متر به نام کانال خزینی به دریای خزر متصل می‌باشد (رنجبر، 1393).

  حوضة آبریز خلیج­گرگان در بخش جنوب شرقی دریای خزر به صورت نواری به طول حدود 70 کیلومتر بین نکارود و رودخانة قره­سو گسترده است. این حوضه بین مختصات جغرافیایی 12/53 تا 41/54 درجة طول شرقی و 38/36 تا 59/36 درجة عرض شمالی با مساحت حدود 4030 کیلومتر مربع واقع شده است. حوضة آبریز خلیج­گرگان به­ وسیله یک رودخانة اصلی، به نام رودخانة قره­سو، زهکشی می­گردد. سایر رودخانه­ها که رودخانه­های کوچکی هستند از غرب به شرق عبارت از زاغ­مرز، بهشهر، رستم کلا، گلوگاه، نوکنده، گز، باغو، کاری­کنده و کردکوی می‌باشند ( پورمندی­ یکتا و همکاران، 1382).

1-1-بیان مسئله

نواحی اطراف مرز باز خلیج گرگان به­ علت تبادلات بالایی که با دریای خزر دارد دارای کمترین میزان زمان ماند است به همین علت می­توان گفت در این ناحیه از خلیج، پتانسیل کمی برای به­ وجود آمدن مسائل کیفیت آب وجود دارد. در ناحیه جنوب و جنوب غربی خلیج گرگان، شاهد بیشترین زمان ماند هستیم (بیش از 200 روز) این مسئله ناشی از خصوصیات هیدرودینامیکی این بخش خصوصا وجود جریانات ضعیف و دوری از دهانه خلیج می­باشد. از سوی دیگر ناحیه شمالی خلیج گرگان نسبتا دارای زمان ماند کمتری است و این مسئله نیز به الگوی جریانات آن منطقه برمی­گردد.

      

 

1-2- ضرورت و اهمیت پژوهش

خلیج گرگان یک حوضه نیمه بسته در جنوب شرقی دریای خزر و با تبادلات آبی ضعیف با این دریا می‌باشد رودخانه‌های حوضه آبریز خلیج گرگان همگی از نواحی کشاورزی عبور می‌کنند و موجب انتقال کودهای، کشاورزی به عنوان مواد مغذی گیاهان دریایی به درون این خلیج می‌شوند. بنابراین این خلیج به صورت بالقوه با احتمال وقوع اتروفیکاسیون روبرو می­باشد. بنابراین تخمین ظرفیت جذب مواد مغذی گیاهان در این خلیج برای برنامه­ریزی مدیریت به منظور جلوگیری از وقوع  اوتروفیکاسیون دراین خلیج ضروری می­باشد.

2- روش پژوهش

روش این پژوهش، روش تجربی آزمایشی و مبتنی بر تحلیل­های­آماری است. به این­صورت­که با استفاده از مدل­سازی عددی ظرفیت زیست‌محیطی و زمان ماند حوضة نیمه‌بسته ساحلی خلیج گرگان محاسبه شد. برای محاسبه زمان ماند خلیج گرگان با استفاده از یک مدل زوج‌شده هیدرودینامیکی انتقال نحوة کاهش غلظت یک آلاینده ـ فرضی پایدار در نواحی مختلف خلیج شبیه­سازی شد. برای محاسبة ظرفیت جذب، توزیع غلظت فسفر محلول، به عنوان شاخص وقوع اتروفیکاسیون در خلیج گرگان، با استفاده از مدل­سازی هیدرو دینامیکی کیفی، شبیه‌سازی شد و تأثیر تخلیه آن از هر یک از منابع آلودگی بر نواحی مختلف خلیج تخمین زده شد. همچنین با استفاده از بهینه­سازی خطی و بر اساس ضرایب تأثیر منابع مختلف آلودگی، مقدار مواد مغذی قابل تخلیه از هر یک از منابع، به­ نحوی که از وقوع اتروفیکاسیون جلوگیری به­ عمل آید باوقوع همزمان حداکثر ظرفیت زیست‌محیطی، محاسبه شد. برای تأمین دادة موردنیاز کالیبراسیون و صحت‌سنجی مدل عددی، در یک بازة زمانی 5 روزه، جریانات در خلیج گرگان با استفاده از دریفتر شناور به صورت لاگرانژی اندازه‌گیری شد. دست­آخر­ به­واسطة تجزیه و تحلیل آماری داده­ها نتایج استحصال شد.

3- تجزیه و تحلیل داده‌ها

3-1- مواد و روش‌ها

3-1-1- توصیف مدل PMO

نرم­افزار شبیه­ساز پارسی دینامیک دریا (PMO Dynamics) یک نرم­افزار مدل­سازی ریاضی است. این نرم­افزار برای بهره­برداری در مطالعات مهندسی دریا و مهندسی سواحل توسعه یافته است. سازمان بنادر و دریانوردی، از سال 1385، تهیه و تولید این نرم‌افزار را آغاز و در سال 1389 نسخة اولیة آن را ارائه نمود. مدل   PMO Dynamicsمدل­سازی 2 بعدی پدیده­های دریایی را انجام می­دهد و تا اکنون شامل ماژول­های هیدرودینامیک، موج طیفی، جزرو مد و رسوب بوده است (سایت سازمان بنادر و دریانوردی،1394). این مدل توانایی حل معادلات بر شبکه باساختار و بی‌ساختار را دارا می­باشد. شبکه­های با­ساختار کمک می­کند محاسباتریاضی با دقت بهتری نسبت به شبکه­های بی‌ساختار انجام شود، اما مشکل اصلی مدل­های باساختار عدم توانایی در شبیه­سازی مناسب مرزهای پیچیده می­باشد، بنابراین شبکه بدون ساختار برای شبیه­سازی محیط­های پیچیده طراحی شده است (سایت سازمان بنادر و دریانوردی، 1394). در مدل­سازی هیدرودینامیک که مبتنی بر شبکه باساختار است، مدل بر اساس روش­های ضمنی توسعه یافته است. روش مورداستفاده در مدل­سازی هیدرودینامیک مبتنی بر شبکه بدون ساختار از نوع صریح می­باشد. همچنین در این مدل با به‌کارگیری روش Roe امکان شبیه­سازی جریان­های دارای شوک با دقت بالا توسط مدل فراهم شده­ است. در عین حال با استفاده از روش Time Splitting می­توان شبیه­سازی جریان­هایی را که از شوک بسیار شدید برخوردار نمی‌باشند با دقت بسیار مناسب و در زمان کوتاهی انجام داد. استفاده از سیستم مختصات متعامد و کروی و نیز خصوصیات زبری بستر، آشفتگی، تری/خشکی، موج، باد و کوریولیس از دیگر ویژگی­های ماژول هیدرودینامیک می­باشد (سایت سازمان بنادر و دریانوردی، 1394).

 

 

3-1-2- توصیف مدل MIKE 21 FM

مدلMIKE  توسط شرکت DHI و به منظور کاربرد در شاخه­های مهندسی محیط زیست، مهندسی آب، مهندسی سواحل و بنادر طراحی و توسعه یافت. در این مدل، معادلات با استفاده از روش حجم محدود گسسته شده­اند و معادلات گسسته‌شده بر روی یک شبکه نامنظم حل می­شوند. در مدل MIKE 21 FM، مدل­های آشفتگی متعددی برای محاسبه لزجت آشفتگی و اثرات آن بر جریان وجود دارند. همچنین این مدل قادر است تا جریان در نواحی خشک و تر شونده را شبیه­سازی نماید. در مدل مذکور مش­بندی در صفحه افقی به صورت بدون ساختار و در راستای عمودی به صورت با‌ساختار انجام می­شود، همچنین در این مدل می­توان اثر گرادیان چگالی، آشفتگی جریان، نیروی جزر و مد، نیروی­کوریولیس، نیروی شکست امواج، اصطکاک بستر و نیروی باد و سایر عوامل جوی را در محاسبات اعمال کرد (DHI, 2009).

به منظور پیوستگی در حل گام­های زمانی مختلف، از یک روش نیمه‌ضمنی[1] استفاده شده است، به این صورت که ترم­های افقی به­صورت ضمنی[2] و ترم‌های قائم به صورت صریح[3]به یکدیگر مرتبط می­شوند. در ماژول هیدرودینامیک تقریب­هایی به منظور ساده­سازی به‌کار برده شده است که شامل فرض سیال تراکم ناپذیر، فرض سیال نیوتنی، فرض فشار هیدرواستاتیک و فرض بوسینسک می‌باشد. این مدل شامل معادلات بقاء، مومنتوم، حرارت، شوری و چگالی است و همچنین سیستم مختصات قائم به‌کارگرفته‌شده در مدل، سیستم مختصات سیگما[4]می باشد (DHI, 2009).

3-1-3- اندازه­گیری میدانی، آنالیز حساسیت و کالیبراسیون مدل

قبل از انجام مدل­سازی عددی، سه مرحله­ کار باید انجام شود. در مرحله اول لازم است حساسیت مدل نسبت به تغییر پارامترهای اساسی همانند اصطکاک، ویسکوزیته گردابی و ابعاد شبکه­بندی بررسی شود. در مرحله دوم مدل باید توسط تنظیم کردن پارامترها و مقایسه کردن نتایج مدل عددی با داده‌های میدانی کالیبره شود. در مرحله سوم با استفاده از داده­هایی متفاوت از داده­های استفاده‌شده در فرآیند کالیبراسیون، نتایج مدل با داده­های میدانی مقایسه شود، همچنین در طی انجام این مرحله مدل اعتبارسنجی می­شود. پس از انجام مراحل فوق می­توان از مدل عددی به عنوان یک ابزار پژوهشی استفاده کرد و به صحت نتایج آن اطمینان داشت (Fernandes, 2001).

3-1-4-  اندازه­گیری میدانی

برای تأمین داده به منظور کالیبراسیون و صحت­سنجی مدل عددی، در یک بازة زمانی 5 روزه ( 17 تا 21 آبان 1392) جریانات در خلیج­گرگان با استفاده از یک دریفتر لاگرانژی[5] اندازه­گیری شد. این دریفتر دارای ارتفاع حدود یک متر و مقطع دایره­ای با قطر پانزده سانتی­متر می­باشد. دریفتر مجهز به سامانة موقعیت­یاب جهانی (GPS) است و با بازه زمانی یک دقیقه­ای اقدام به ثبت موقعیت مکانی و زمانی مرتبط با آن می­نماید.

توزیع مکانی مناطق اندازه­گیری طوری انتخاب شد که جریانات مناطق حساس شناسایی شوند و همچنین شناخت مناسبی از گردش آب در خلیج حاصل شود. در طی اندازه­گیری­ها دستگاه دریفتر اجازه پیدا می­کرد آزادانه و صرفا تحت نیروی جریانات حرکت کند، در نتیجه دریفتر در مسیر جریان، حرکت و الگوی حرکتی جریانات را مشخص می­کرد. مختصات جغرافیایی هر نقطه از حرکت و زمان مرتبط با آن، به وسیلة دستگاه GPS ثبت شد و در انتها با معلوم بودن مختصات مکانی و زمانی نقاط حرکت [6]، الگوی حرکتی و سرعت جریانات محاسبه شد. در شکل (2) نتایج کارمیدانی ارائه شده است.

 

شکل (2): نتایج کارمیدانی، مسیر حرکت دریفتر در مدت زمان اندازه­گیری جریانات

 

3-1-4-آنالیز حساسیت

به‌طور کلی آنالیز حساسیت نشان می­دهد که کدامیک از پارامترهای ورودی بیشترین تاثیر را بر نتایج خروجی مدل دارد و بر اساس نتایج آنالیز حساسیت، کالیبراسیون مدل انجام می­گیرد. در این بخش واکنش مدل MIKE  به تغییرات به­ وجود آمده در اندازة مش محاسباتی و همچنین در پارامترهای اصطکاک و ویسکوزیته گردابی مورد بررسی قرارگرفت و نتایج نشان داد  موثرترین پارامتر برای کالیبره کردن مدل عددی، زبری بستر می­باشد همچنین در این مرحله اندازه مش محاسباتی بهینه، تعیین گردید.

شبکه­بندی در مدل­سازی حاضر با استفاده از زیر مدل Domain نرم افزار PMO Dynamics انجام شد و شبکه حاصل شده قابل استفاده در هر دو مدل MIKE و PMO می­باشد [3]. لازم به ذکر است که با ریزتر شدن ابعاد شبکه دقت فایل هیدرومتری و در عین حال هزینة محاسباتی به صورت قابل ملاحظه ای افزایش می­یابد. بنابراین انتخاب شبکه محاسباتی باید با توجه به دقت و هزینة محاسباتی انجام گیرد. پس از ساخت یکسری فایل بسی متری و آزمون دقت نتایج آنها، شبکه محاسباتی بهینه انتخاب شد وتمام مدلسازی ها در این مطالعه بر اساس شبکه مذکور انجام گردید(شکل 3).

 

شکل (3): شبکهمحاسباتیاستفادهشدهبرایشبیه­سازی جریانات توسط مدل­های PMODynamics و MIKE با8845المانو4704گره

 

3-1-5-کالیبراسیون

برای کالیبراسیون و صحت­سنجی مدل هیدرودینامیکی از داده­های جریان‌سنجی و ماژول پیگیری حرکت ذره[7] مدل MIKE  استفاده شد، به این صورت که ماژول­های هیدرودینامیک و پیگیری حرکت ذره به‌­صورت زوج‌شده[8] اجرا شدند و در مکان و زمان رهاسازی دستگاه دریفتر، یک ذره با ویژگی­های دستگاه دریفتر در درون مدل رها شد و مسیر حرکت ذره با مسیر حرکت دریفتر مقایسه شد. زبری بستربه این صورت انتخاب شد که بیشترین مطابقت بین نتایج مدل­سازی و اندازه­گیری­های میدانی جریانات حاصل شد. همانگونه که در شکل (4) مشاهده می­شود، مطابقت مناسبی بین نتایج مدل­سازی و اندازه‌گیری­های میدانی موجود می­باشد.

 

 

شکل (4): مقایسة نتایج اندازه­گیری های میدانی و خروجی مدل (خطوط نقطه چین)

 

3-1-6-شرایط مدل­سازی

مدل­سازی هیدرودینامیک خلیج­گرگان با در نظرگرفتن تغییرات تراز سطح، در مرز باز خلیج گرگان با دریای­خزر، دبی رودخانه­های حوضة آبریز خلیج گرگان، وزش باد، زبری بستر و نیروی کوریولیس انجام شد. به منظور حفظ پایداری مدل، گام زمانی برابر با 10 ثانیه در نظر گرفته شد. با توجه به عدم توانایی مدل PMO Dynamics در مدل­سازی جریانات باروکلینیک و عدم دسترسی به داده­های درجه حرارت و شوری خلیج­گرگان، جریانات به صورت باروتروپیک مدل­سازی شدند همچنین به منظور تعیین ویسکوزیته گردابی افقی از روش اسماگورنسکی استفاده شد.

در مدل­سازی حاضر دو سناریو مختلف اجرا شده است، در سناریوی اول شبیه­سازی جریانات تحت وزش باد غالب انجام شده است، به این صورت که از تغییرات باد در بعد زمان و مکان صرف­نظر شد. به­ منظور مشخص شدن باد غالب، گل باد سالانه خلیج گرگان،که براساس داده­های ایستگاه هواشناسی بندر ترکمن تهیه شده است، ترسیم شد. همان­طور که در شکل (5) مشخص است باد غالب خلیج گرگان، باد 270 درجه می­باشد. در سناریوی دوم جریانات تحت وزش باد واقعی شبیه­سازی شد. اطلاعات تغییرات تراز سطح آب به صورت سری زمانی با گام زمانی 4 ساعت و دبی رودخانه­ها به صورت سری زمانی روزانه به مدل اعمال شدند.

 

 

شکل(5): گل باد منطقه خلیج گرگان

 

3-2- بحث و بررسی

چندین آزمون بر روی مدل هیدرودینامیکی خلیج­گرگان انجام شد تا میزان تاثیرگذاری هر یک از عوامل بیرونی بر جریانات خلیج­گرگان مشخص­گردد. سپس جریانات خلیج­گرگان در یک دورة سه ماهه با در نظرگرفتن تمام عوامل تاثیرگذار توسط مدل MIKE شبیه­سازی و رفتار هیدرودینامیکی خلیج بررس شد. دست‌آخر، مدل­سازی هیدرودینامیک خلیج گرگان با استفاده از مدل PMO Dynamics انجام، و بین نتایج مدل MIKE و PMO  Dynamics مقایسه صورت پذیرفت.

3-2-1-مدل­سازی هیدرودینامیک خلیج­گرگان تحت اثر باد

به ­منظور بررسی اثر باد، مدل­سازی هیدرودینامیک خلیج تحت وزش باد 270 درجه (باد غالب) به مدت 3 روز (به منظور رسیدن به شرایط ثابت) انجام شد. شکل (6) جریانات حاصل‌شده از وزش باد غالب با شدت 5 متر بر ثانیه را نشان می­دهد. جریانات نواحی کم‌عمق بخش جنوبی و شمالی خلیج، هم­راستا با جهت وزش باد و با سرعتی تا 15 سانتی­متر بر ثانیه می­باشند اما جریانات نواحی عمیق مرکزی خلیج در خلاف جهت وزش باد و با سرعت حدود 4 سانتی‌متر بر ثانیه در حرکت می‌باشند. علت به­وقوع پیوستن این نوع جریانات گردش­های ناشی از عوارض زمین[9]می­باشد (Csanady, 1982; Simons, 2001; Hearn, 1987)      .

 

 

 

شکل(6): جریانات خلیج­گرگان تحت وزش باد 270 درجه با سرعت 5 متر بر ثانیه پس از 72 ساعت شبیه­سازی

 

 در اینجا این مسئله بررسی شد که با وجود توپوگرافی متغیر بستر، یک تنش باد یکنواخت می­تواند تغییرات افقی در جریانات، به نام توپوگرافیک به­ وجود آورد. علت به وجود آمدن جایرهای مذکور این است که در آب­های کم‌عمق­تر، نیروهای غالب تنش، باد سطحی و اصطکاک بستر می­باشند و نتیجة حاصل‌شده یک جریان در راستای جهت وزش باد می‌باشد، اما در آب­های عمیق­تر، گرادیان افقی فشار (ناشی‌شده از شیب سطحی) و اصطکاک بستر نیروهای غالب می­باشند و نتیجة حاصل یک جریان در راستای مقابل جهت وزش باد است (Csanady, 1982; Sunibsm 2001; Hearn, 1987).

در شکل (6) جریانات ناحیة جنوبی قوی­تر از جریانات ناحیة شمالی، به­ نمایش در آمده­اند، این عدم‌تقارن به این صورت که بخش جنوبی نسبت به بخش شمالی کم‌عمق­تر است. همان­طور که در شکل (7) مشخص است در اثر وزش باد 270 درجه یک فرورفتگی در سطح قسمت غربی خلیج به­ وجود می­آید که عامل به­ وجود آمدن یک گرادیان افقی فشار از شرق به غرب خلیج می­باشد که این مسئله به ایجاد جریانات برگشتی در نواحی عمیق کمک می­کند.

 

شکل (7): تغییرات مکانی تراز سطح آب خلیج­گرگان تحت وزش باد 270 درجه با سرعت 5 متر بر ثانیه  پس از 72 ساعت شبیه­سازی

 

3-2-2-مدل­سازی هیدرودینامیک خلیج­گرگان تحت اثر رودخانه­ها

ورودی آب شیرین یک عامل اثرگذار بر هیدرودینامیک و اکولوژی تالاب­های ساحلی محسوب می­شود. در این قسمت به بررسی اثرات هیدرودینامیکی خروجی رود قره­سو (مهم­ترین رود حوضه آبریز خلیج­گرگان) پرداخته شده است. دبی روزانه رود قره­سو در سه ماه نخست سال 2010 (فصل پر آبی) که مدل در این دوره اجرا شده است، در شکل (8) ماجرا شده است.

 

 

شکل (8): میانگین دبی روزانة رود قره­سو در سه ماه نخست سال 2010 (فصل پرآبی رود قره­سو)

 

با توجه به خروجی مدل مشخص شد که بیشترین مقدار سرعت جریانات برابر با 025/0 متر بر ثانیه و بیشترین مقدار آن، بالا آمدگی، تراز سطح آب کمتر از 2 میلی­متر است. در اکثر نواحی خلیج­گرگان هیچ تغییری از لحاظ هیدرودینامیکی در اثر خروجی رود قره­سو به­وجود نمی­آید. بنابراین می­توان نتیجه گرفت که رود قره­سو که مهم­ترین رود حوضة آبریز خلیج­گرگان است، تقریبا" هیچ اثری در هیدرودینامیک خلیج­گرگان ندارد.

 

3-2-3- مدل­سازی هیدرودینامیک خلیج­گرگان تحت اثر تغییرات تراز سطح آب در مرز باز آن

از آنجا که خلیج­گرگان تنها در ارتباط با دریای خزر است و جزر و مد در این دریا ناچیز است لذا تغییرات کوچکی در تراز سطح آب خلیج­گرگان به وجود می­آید. به­ منظور بررسی اثر تغییرات، تراز سطح آب مرز باز، بر هیدرودینامیک خلیج گرگان 3 ماه شبیه­سازی جریانات تنها تحت اثر تغییرات تراز مرز باز انجام شد. شکل (9) تغییرات زمانی تراز سطح آب در مرز باز مدل خلیج­گرگان را نمایش می­دهد.

 

شکل (9): تغییرات زمانی تراز سطح آب در مرز باز مدل خلیج­گرگان در سه ماه نخست سال 2010

 

شکل (10) تغییرات تراز سطح آب خلیج­گرگان را نمایش می­دهد. که طی 3 ماه مدل­سازی، بیشترین مقدار مشاهده شده است و در شکل (11) نیز جریانات خلیج­گرگان در تاریخ مذکور ارائه شده است. همان­طور که مشخص است در این حالت شاهد توپوگرفیک جایر نیستیم و سرعت جریانات در نواحی عمیق شدیدتر می­باشد.

 

 

شکل (10): تغییرات تراز سطح آب خلیج گرگان  

 

 

شکل(11): جریانات خلیج­گرگان، تحت اثر تغییرات تراز سطح آب مرز باز

3-2-4-مدل­سازی هیدرودینامیک خلیج­گرگان

هیدرودینامیک خلیج­گرگان از ابتدای ژوئن تا انتهای سپتامبر سال 2010 مورد شبیه­سازی قرارگرفت. در این دورة 4 ماهه، یک ­ماه اول به­ عنوان دورة گرم شدن[10]مدل می­باشد بنابراین تنها نتایج 3 ماه بعدی از صحت قابل قبولی برخوردار هستند. در ابتدای مدل­سازی، شرایط آب ساکن و تراز سطح آب خلیج گرگان 5/26 متر پایین­تر از تراز متوسط سطح آب خلیج­ فارس در بندر شهید رجایی به مدل اعمال شد. با توجه به نتایج مدل­سازی، مشخص شد که جریانات خلیج گرگان تحت تاثیر باد غالب و تغییرات توپوگرافی بستر است و الگوی غالب گردش آب به صورت پاد ساعت­گرد و با سرعت میانگین 4% متر بر ثانیه می­باشد (شکل (12)).

 

 

شکل (12): الگوی جریانات لایة سطحی خلیج­گرگان در جولای2010 تحت وزش باد واقعی

 

3-2-5-مدل­سازی هیدرودینامیک خلیج گرگان با استفاده از مدل Dynamics PMO و

مقایسة نتایج مدل PMOوMIKE

هر دو مدل MIKE و PMO  در شرایط یکسان اجرا، و نتایج آنها مقایسه شد. از آنجا که جریانات خلیج­گرگان تابعی از وزش باد است لذا تحت بادهای 270 درجه (باد غالب)، 315 درجه (دومین باد غالب) و 360 درجه جریانات خلیج گرگان شبیه­سازی شدند. همان­طور که در شکل (13) ارائه شده است مدل PMO توانایی شبیه­سازی الگوی کلی جریانات را دارا می­باشد، اما با مقایسة به­ عمل آمده در سرعت جریانات مشخص شد که اختلاف قابل‌توجهی بین نتایج مدل MIKE و PMO وجود دارد (به‌طور میانگین در کل خلیج تا 50% سرعت­های پیش­بینی‌شده توسط مدل ایرانی پایین­تر از سرعت جریانات در مدل MIKE می­باشد).

 

 

 

شکل (13): مقایسة جریاناتمدل­سازی شده توسط مدل­های PMO و MIKE

 (اشکال ستون سمت راست مربوط به مدل PMO می­باشند)

 

4- نتیجه‌گیری

در این پژوهش، با استفاده از مدل­سازی عددی هیدرو­دینامیک خلیج گرگان ارزیابی شد و طبق نتایج مشخص گردید که جریانات خلیج گرگان تحت تأثیر باد غالب و تغییرات توپوگرافی بستر است و اکثر مواقع الگوی گردش آب به صورت باد ساعت­گرد و با سرعت میانگین 4% متر بر ثانیه می­باشد. هدف دیگر این پزوهش بررسی عملکرد مدل PMO  Dynamicsدر مدل­سازی جریانات نواحی کم‌عمق ساحلی با رژیم آرام امواج و جریانات بود که مشخش شد مدل ایرانی توانایی شبیه­سازی الگوی جریانات را دارا می­باشد، اما سرعت جریانات را تا50% کمتر از مقدار صحیح تخمین می­زند. بر اساس نتایج این پژوهش پیشنهاد می­شود که توسعه­دهندگان در صدد برطرف­سازی مشکل مذکور باشند و از سوی دیگر توانایی شبیه‌سازی جریانات باروکلینیک و مدل­سازی 3 بعدی بدنه­های آبی را به امکانات مدل PMO  Dynamicsاضافه کنید. همچنین پیشنهاد می‌شود کارهای آینده پژوهشی در زمینة مدل­سازی 3 بعدی هیدرودینامیک خلیج گرگان با در نظرگرفتن اثرات اختلاف چگالی ما بین خلیج و دریای خزر باشد. از سوی دیگر با توجه به فقر داده­های در دسترس و اهمیت زیست محیطی خلیج گرگان، جمع‌آوری جامع پارامترهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خلیج گرگان پیشنهاد می‌شود.



[1]. Semi-Implicit

[2]. Implicit

[3]. Explici

[4]. Sigma coordinate

[5]. Lagrangian Drifter

[6]. Waypoint

[7]. Particle Tracking

[8]. Coupled

11.Topographic gyres

[10].Warmup period

  1. رنجبر، محمدحسن. (1393). بررسی ظرفیت جذب خلیج گرگان در رابطه با ورود مواد مغذی گیاهان با استفاده از مدل­سازی عددی. پایان­نامة کارشناسی ارشد، دانشگاه تهران.
  2. پورمندی­ یکتا، امیر حسین. (1382). بررسی تبادل آب میان دریای خزر و خلیج گرگان. مرکز تحقیقات آب، تهران.
  3. ارزیابی مدل ایرانی PMO Dynamics. پایش و مطالعات شبیه­سازی سواحل ایران. (1394). http://irancoasts.pmo.ir.
دوره 4، شماره 2
شهریور 1397
صفحه 50-58
  • تاریخ دریافت: 23 مهر 1395
  • تاریخ پذیرش: 16 آبان 1396