نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسنده
کارشناس ارشد مهندسی سواحل
چکیده
آرامش یک بندر و لنگرگاه آن در برابر امواج میتواند با طراحی جانمایی مناسب موجشکنها، کار اصلاحی روی سواحل و احداث هرگونه مستهلککننده موج در مناطق موردنظر تأمین شود. اغتشاشات موج درون حوضچة بندرگاه یکی از مهمترین عوامل تأثیرگذار بر انتخاب محل ساخت و تعیین جانمایی بهینه بندرگاه میباشد. بنابراین شناخت کامل فرآیند تفرق و نفوذ موج به درون بندر، ضروری میباشد. بندر کوهمبارک یکی از بنادر صیادی استان هرمزگان است که در مجاورت دریای عمان واقع شده است. براساس مطالعات صورتگرفته، مشخص شده است که جانمایی موجشکنهای بندر کوهمبارک نامناسب میباشد و این مسئله، عملکرد اسکلههای خدماتی و ناوبری شناورها را تحت تاثیر قرار میدهد. تحقیق حاضر به دنبال آن است تا با مطالعه موردی اغتشاشات و تلاطم حوضچة بندر کوهمبارک به کمک مدل MIKE 21-BW راهکاری کارا جهت طراحی مناسب جانمایی موجشکنهای این بندر و بنادری که در آینده در کشورمان ساخته خواهند شد، ارائه کند.
یافتههای پژوهش نشان داد آرامش این بندر در محل پهلوگیرها و حوضچة بندرگاه، براساس معیار آئیننامه ژاپن، در حد قابلقبولی قرار ندارد. حداکثر درصد ناآرامی سالیانة این بندر حدود 6/5 % به دست آمد. با توجه به اینکه آرامش سالیانة آن در محدودة مجاز آئیننامهای قرار نداشت، برای رفع مشکل ناآرامی در بندر کوهمبارک لازم است موجشکنی ابرویی در مقابل دهانه ورودی احداث شود. تحقیق حاضر نشان داد این موجشکن به خوبی امواج جهات جنوب و جنوبغرب را منحرف میکند و در نتیجه آرامش حوضچه را به میزان قابلتوجهی افزایش میدهد.
کلیدواژهها
جمهوری اسلامی ایران دارای حدود 3000 کیلومتر خط ساحلی در شمال و جنوب کشور میباشد و بیش از 10 میلیون نفر از جمعیت کشور، در استانهای ساحلی سکونت دارند. بدون شک اجرای هر یک از طرحهای عمرانی مستلزم کسب اطلاعات دقیق از شرایط محیطی و وضعیت هیدرولیکی منطقه موردنظر است. با عنایت به روند روبهرشد بهسازی، احداث و توسعه سازههای دریایی، گسترش حمل و نقل دریایی و تلاش برای بهرهبرداری بهینه از منابع دریایی کشور در خلیج فارس، دریای عمان و دریای خزر، تحلیل و پیشبینی مشخصات امواج و پدیدههای ناشی از آنها، امری ضروری است.
آرامش یک بندر و لنگرگاه آن در برابر امواج میتواند با طراحی جانمایی مناسب موجشکنها، کار اصلاحی روی سواحل و احداث هر گونه مستهلککننده موج برای مناطق موردنظر تأمین شود. امواج، جریانهای دریایی و باد از جمله عوامل مهمی هستند که بر روی آرامش لنگرگاه تأثیر میگذارند. حوضچة بندر باید در شرایط معمول دریا و نیز شرایط طوفانی از آرامش مناسبی برخوردار باشد. برای اطمینان از برقراری آرامش سالیانة قابلقبول در بندر، یک پلان مناسب که دارای موجشکنهایی با طول، مقطع و جانماییهایی متفاوت است باید بهگونهای باشد که اثر پدیدههای دریایی نظیر تفرق، بالاروی امواج و انعکاس آنها را به حداقل برساند. علاوه بر حوضچههای بندر، تلاطم دهانة ورودی بندر نیز باید حتیالامکان کاهش یابد. با کاهش تلاطم دهانة ورودی ناوبری شناورها به میزان زیادی تسهیل مییابد.
اغتشاشات موج درون حوضچة بندرگاه یکی از مهمترین عواملی است که در انتخاب محل ساخت و تعیین جانمایی بهینه بندرگاه تأثیر دارد. توزیع ارتفاع موج در یک بندرگاه یا خلیج توسط مشخصات تفرق موج چه در اثر ساختارهای طبیعی و چه در اثر ساخت سازههای ساحلی که برای حفاظت از هجوم امواج تهیه میشوند، مشخص میشود. بنابراین شناخت کامل فرآیند تفرق و نفوذ موج بهدرون این سازههای ساحلی ضروری میباشد. با توجه به تحقیقات صورتگرفته و پروژههایی که طی سالیان گذشته در کشورمان صورت پذیرفته است، مشخص شد بندر کوهمبارک یکی از بنادری است که جانمایی موجشکنهای آن نامناسب میباشد. این جانمایی نامناسب موجب شده است تا عملکرد اسکلههای خدماتی و ناوبری شناورها تحت تاثیر قرار گیرند.
تحقیق حاضر به دنبال آن است تا با مطالعه موردی اغتشاشات و تلاطم حوضچه بندر کوهمبارک راهکاری کلی جهت طراحی مناسب جانمایی موجشکنهای بندرهایی که در آینده در کشورمان ساخته خواهند شد، ارائه نماید. با توجه به تجربیات حاصل از انجام پروژههای مشابهی که در طی سالیان گذشته در کشورمان صورت پذیرفتهاند، پدیده تفرق و نفوذ موج و آرامش بنادر به کمک مدل عددی MIKE 21-BW بررسی شده است.
طی سالیان گذشته پروژههای اندازهگیری و مدلسازی مختلفی توسط سازمان بنادر و دریانوردی تعریف شده است. در این پروژهها، مدلسازیهای ریاضی به موازات اندازهگیریهای میدانی بهکار گرفته شده و در نتیجه مدلهای ریاضی بهروز و دقیقی تولید گردیده است. یکی از بخشهای مهم این نوع پروژهها مدلسازی تفرق و نفوذ امواج در حوضچة بنادر اصلی میباشد. این نوع مدلسازیها به طور مستقیم مهندسی و طراحی بندر را تحت تاثیر قرار خواهند داد. به علاوه، با رشد و توسعة پروژههای دریایی و احداث بنادر در حاشیة آبهای جنوبی و شمالی ایران، ارائه روشی مناسب برای طرح بهینة بندر بسیار ضروری بهنظر میرسد. به بیان دیگر راهکار ارائهشده برای محاسبة آرامش سالیانة بندر موجب میشود تا طراحان بندر روش و دستورالعملی کاربردی جهت طراحی بندر، کانال دسترسی و جانمایی موجشکنها در اختیار داشته باشند.
با توجه به اینکه در ارتباط با بندر کوهمبارک تاکنون فعالیت تحقیقاتی خاصی صورت نگرفته است، مطالعه موردی این بندر به بهرهبرداران و متولیان آن کمک خواهند کرد تا با استفاده از نتایج خروجی این تحقیق و راهکارهای توصیهشده در آن، طرحی بهینه و کارا برای ناوبری شناورهای بندر کوهمبارک و اسکلههای خدماتی آن در اختیار داشته باشند.
1-3- اهداف تحقیق
تحقیق حاضر صرفاً به دنبال مطالعه موردی بندر کوهمبارک نیست بلکه سعی دارد تا روشی برای تحلیل آرامش بنادر و پدیده نفوذ و تفرق امواج به دست دهد. بنابراین تحقیق حاضر در صدد دستیابی به این اهداف میباشد: (1) ارائه یک مدل مناسب برای بررسی الگوی نفوذ امواج، (2) شبیهسازی تفرق امواج در حوضچة بندر کوهمبارک، (3) بررسی تأثیر جهت و ارتفاع موج بر تلاطم پهلوگیرهای بندر کوهمبارک و دهانة ورودی آن، (4) محاسبة درصد آرامش سالیانه و همچنین ایام ناآرام حوضچه و پهلوگیرهای بندر و (5) ارائه راهکار برای کاهش ناآرامی بندر کوهمبارک.
شکل (1): محل تقریبی بندرکوه مبارک در استان هرمزگان و جانمایی آن
1-5- پیشینة پژوهش
نصرالهی و نبیاله دادی (1387) در تحقیق خود الگوی نفوذ موج بندر شهید بهشتی را با استفاده از مدل مدل بوسینسک نرمافزار مایک 21 مطالعه کردند. در تحقیق آنها پدیده تفرق موج در پشت موجشکن تحت شرایط مختلف طول و پریود موج، بررسی و تحلیل شد. برای شرایط مرزی از دو نوع موج تکجهته و جهتی استفاده شد. نتایجی که از این تحقیق به دست آمد نشاندهندة تأثیر زیاد جهتی بودن موج بر روی نتایج خروجی مدل بود. در این مطالعه مقدار بهینه ضریب n و حداکثر انحراف از جهت اصلی در رابطه توزیع جهتی برای این منطقه به دست آمد (نصرالهی و نبیاله دادی، 1387).
کبریایی (1392) الگوی نفوذ موج به داخل بندر لنگه را مطالعه کرده است که با توجه به جهت امواج غالب در محدودة طرح و جهت دهانة ورودی بندر، آرامش سالیانة حوضچة آن بندر مناسب نیست. در تحقیق کبریایی ضمن بررسی آرامش سالیانة حوضچههای بندر، طرحهای جایگزین برای این بندر بررسی شد و در نهایت طرحهایی پیشنهادی برای افزایش آرامش سالیانه ارائه گردید (کبریایی، 1392).
در مطالعات خارجی کارهای تحقیقاتی به مراتب بیشتری در ارتباط با مدل بوسینسک و نفوذ موج صورت گرفته است. از مطالعات معتبر موجود میتوان به مطالعات سورنسن و همکاران (2004) اشاره کرد. در مدل آنها، از معادلات دوبعدی بوسینسک و مشبندی نامنظم برای تفکیک دامنة مدل و روش استاندارد گالرکین همراه با درونیابی مختلط استفاده شده است. آنها از نتایج چهار آزمایش میدانی جهت صحتسنجی مدل و مقایسة نتایج خروجی مدلسازیها استفاده کردند (Sørensen et al., 2004).
برای انجام مدلسازیها و شبیهسازیهای ریاضی نیاز به اعمال فرضیات مختلفی میباشد. این فرضیات کمک میکنند تا مدلهای برپاشده، برحسب زمان و دقت بهینه به جواب مطلوب دست یابند. بنابراین در اِعمال فرضیات این تحقیق سعی شده است دقت نتایج در حد مطلوب و قابلقبولی حفظ شود.
یکی از ورودیهای مهم مدل نفوذ موج، امواج مرزی ورودی به مدل میباشند. در مدل نفوذ موج، تفرق و الگوی امواج در اثر این موجهای ورودی مطالعه میشود. بنابراین مشخصات این نوع امواج بر کیفیت نتایج تأثیرگذار خواهد بود. در مدل نفوذ موج، امواج را میتوان در مرزهای مدل به سه شکل تعریف کرد. برای ساختار انتشار امواج در مدل تحقیق حاضر، امواج در مرزهای مدل به صورت جهتی تعریف خواهند شد. در این نوع امواج، جهت موج برخلاف سایر شرایط مرزی، به صورت منفرد تعریف نمیشود بلکه به صورت طیفی تعریف میگردد. علاوه بر این نوع شرط مرزی، شرایط مرزی تک جهته نیز مطالعه، و نتایج خروجی این دو نوع موج مرزی با یکدیگر مقایسه میشود تا میزان تأثیر هریک از آنها بر تلاطم حوضچه مشخص گردد.
علاوه بر شرایط مرزی، با توجه به گسترة مطالعاتی تحقیق حاضر و اهداف آن، صرفا در مورد مدلسازی نفوذ موج به داخل حوضچه بندر کوهمبارک و همچنین تفرق امواج بحث میشود و سایر مباحث هیدرودینامیک نظیر مطالعات رسوب مطالعه نمیگردد. مطالعات رسوب نیازمند مطالعات دامنهدار دیگری میباشد که میتوان تحت عنوان جداگانهای به آن پرداخت.
این مدل قادر است تا اثرات ناشی از اکثر پدیدههای موج را که در مهندسی بنادر و مهندسی سواحل حائز اهمیت میباشند به صورت همزمان در نظر گیرد. انتقال امواج از آب عمیق به محوطة بندری که توسط موجشکنها حفاظت میشود، فرآیندی است که شامل پدیدههای کمعمقی، تفرق، انکسار و بازتاب امواج میباشد. مدل BW قادر است که این پدیدهها را برای بتیمتریهای پیچیده مدلسازی کند (DHI User Guide, 2009).
همچنین، مدل BW امکان اعمال تخلخل برای مدلسازی انعکاس و انتقال امواج از سازههای ساحلی و موجشکن را دارا میباشد. در این مدل نیز همچون سایر مدلهای پیشرفته، برای جذب کامل امواج در محلهایی که نیاز است (نظیر مرزهای باز دریا) از لایه اسفنجی استفاده میشود. مدول MIKE 21-BW همچنین قابلیت در نظر گرفتن امواج جهتی و یا تک جهتی را دارا میباشد. خاطر نشان میسازد که مدل BW برای محیطهای یک و دو بعدی ارائه شده است، که در اینجا از قابلیتهای دوبعدی این مدل استفاده میشود.(DHI User Guide, 2009).
تلاطم داخل بندر یکی از مهمترین عواملی است که مهندسان برای انتخاب ساختگاه و تعیین پلان بهینه بندر در نظر میگیرند. مدل بوسینسک میتواند برای مطالعة دینامیک امواج در بنادر و نواحی ساحلی کوچک و مطالعة تلاطم داخل بندر بهکار رود. مطالعة تلاطم ناشی از امواج در حوضچة بنادر و پهلوگیرهای آن برای پهلوگیری کشتیها، تخلیه و بارگیری شناورها و کاهش ریسک این عملیات حائز اهمیت میباشد
3- تجزیه و تحلیل دادهها
3-1- بررسی شاخص و درصد ناآرامی
پس از آمادهسازی اطلاعات ورودی، اطلاعات ورودی فایل عمقسنجی محدودة بندر به مدل معرفی و شرایط مرزی موردنظر تحلیل شد و عوامل آشفتگی امواج که اصلیترین خروجی مدل نفوذ امواج میباشد، با توجه به درصد وقوع امواج در محلهای شاخص سهگانهای از بندر که برای بهرهبرداری حائز اهمیت است، محاسبه گردید. شکل (2) ضریب تفریق امواج برای یکی از حالات مختلف جریان در سه مکان ذکرشده را نشان میدهد.
2 |
1 |
3 |
شکل (2): ضریب تفرق امواج برای جهت 18 درجه و Tp=10 sec
جهت سنجش آرامش سالیانة بندر و کمّیکردن آن پارامتری تحت عنوان درصد آرامش سالیانة بندر در آئیننامهها و دستورالعملهای طراحی، تعریف میشود. این پارامتر بر اساس ارتفاع موج شاخص در پای سازههای پهلوگیری هر بندر به دست میآید. به این صورت که یک مقدار بحرانی شاخص برای ارتفاع امواج تعیین میشود و سپس ارتفاع امواج پایسازهها براساس اطلاعات موج در محدودة بندر و همچنین به کمک مدلهای نفوذ موج محاسبه میگردد. سپس درصد ایامی که ارتفاع موج از مقدار بحرانی تعیینشده بیشتر است، محاسبه میشود و دستآخر، درصد ناآرامی سالیانة بندر به دست میآید. ارتفاع امواج برای اسکلههای خدماتی و تجاری و حوضچه جلوی پهلوگیرها باید براساس نوع شناورهای طرح، ابعاد آنها و نحوة عملیات بندری تعیین شود. جهت تعیین مقدار ارتفاع موج بحرانی از بین مراجع و آییننامههای معتبر بینالمللی عموماً از سه منبع (1) آییننامة طراحی سازههای دریایی ژاپن، (2) دستورالعمل پیانک و (3) آییننامة انگلستان بخش 6349 (BS 6349-PART1) استفاده میشود. در بین معیارهای ارائهشده، آییننامة OCDI تحلیل دقیقتری برای برسی وضعیت آرامش در بنادر ارائه میدهد. معیارهای سایر آییننامهها نیز مناسب است، اما ضریب اطمینان این آییننامه بالاتر میباشد. باتوجه به تحلیلهای انجامشده، درصد ناآرامی، برای خطوط شاخص بندر کوهمبارک در جهات مختلف موج ورودی طبق جدول (1) محاسبه شد. با توجه به کاربری بندر کوهمبارک معیار آرامش 30 سانتیمتر برای آن انتخاب گردید.
جدول (1): درصد ناآرامی بخشهای مختلف بندر کوهمبارک برای جهات مختلف
|
180 |
5/202 |
225 |
5/247 |
270 |
مجموع |
خط شاخص اول |
- |
051/0 |
015/0 |
040/0 |
007/0 |
11/0 |
خط شاخص دوم |
38/1 |
051/0 |
015/0 |
040/0 |
16/0 |
65/1 |
خط شاخص سوم |
13/4 |
015/1 |
030/0 |
11/0 |
31/0 |
6/5 |
براساس مقادیر محاسبهشده برای درصد ناآرامی سالیانه، خط شاخص سوم با 5/6% ناآرامی دارای بحرانیترین وضعیت از منظر ناآرامی نسبت به سایر خطوط میباشد. دلیل این امر آن است که این پهلوگیر دقیقاً روبروی دهانة ورودی واقع شده است و بنابراین نسبت به سایر خطوط که بخشی از آنها در سایة موجشکن واقع میشود. دارای تلاطم و در نتیجه ناآرامی بیشتری است. مطابق با مقادیر بهدستآمده در جدول (1) آرامش سالیانة بندرگاه مناسب و قابلقبول نمیباشد، بنابراین باید اقدام اصلاحی در بندر صورت پذیرد. برای افزایش آرامش سالیانه، راهکارهای مختلفی وجود دارد. در این پژوهش برای افزایش موفقیت بندر در استهلاک انرژی امواج، از یک موجشکن ابرویی یا منفصل در مقابل دهانة ورودی استفاده شد و نحوة عملکرد آن نسبت به فاصله از خط ساحل، فاصله از دهانه ورودی بندر و طول و راستای موجشکن تحلیل گردید. نحوة قرارگیری موجشکن ابرویی و تأثیر آن بر تفرق امواج در یکی از حالات موردمطالعه در شکل (3) نشان داده شده است.
شکل (3): ضریب تفرق امواج برای جهت 180 درجه و Tp=10 sec (پلان اصلاحی کوهمبارک)
به منظور مطالعة میزان اثرگذاری پلان اصلاحی برای افزایش درصد آرامش سالیانة بندر، تلاطم پای سازههای پهلوگیری محاسبه، و برای گزینه برتر در جدول (2) ارائه شده است. بهترین پاسخ توسط موجشکنی با فاصلة 250 متر از دهانة ورودی و به طول تقریبی 300 متر دریافت شد، به طوری که به خوبی امواج جهات جنوب و جنوب غرب را منحرف کرد و متعاقبا آرامش حوضچه را به میزان قابلتوجهی افزایش داد.
جدول (2): درصد ناآرامی بخشهای مختلف بندر کوهمبارک برای جهات مختلف
|
180 |
5/202 |
225 |
5/247 |
270 |
مجموع |
خط شاخص اول |
- |
- |
- |
- |
007/0 |
007/0 |
خط شاخص دوم |
- |
- |
- |
04/0 |
16/0 |
2/0 |
خط شاخص سوم |
- |
004/0 |
- |
09/0 |
31/0 |
5/0 |
براساس مقادیر محاسبهشده برای درصد ناآرامی سالیانه، با اجرای پلان اصلاحی (موجشکن ابرویی در مقابل بندر) آرامش سالیانة بندر در محدوده مجاز آئیننامهای قرار گرفت.
4- نتیجهگیری
نتایج مهمی که از تحقیق حاضر به دست آمد به این شرح میباشد: (1) امواج جهات جنوب (S) و جنوب غرب (SSW) بیشترین تلاطم و آشفتگی را در حوضچة بندرگاه و پهلوگیرهای آن ایجاد میکنند. مطابق انتظار، پهلوگیر مقابل دهانة ورودی در اثر این امواج دارای متلاطمترین وضعیت میباشد. پهلوگیرهای جنوبی بندر که در سایة موجشکن فرعی قرار دارند، دارای آرامترین وضعیت میباشند، (2) با توجه به جمیع مطالب بیان شده و نتایج خروجی حاصل از مدل بوسینسک، بندر کوه مبارک طبق معیار آئیننامة دریایی ژاپن دارای آرامش سالیانة قابلقبولی نمیباشد. علاوه بر معیار آئیننامه ژاپن، معیار پیشنهادی آئیننامه انگلستان نیز برای این بندر کنترل شد که طبق معیارهای پیشنهادی این آئیننامه، درصد ناآرامی سالیانة بندر کوهمبارک بسیار بالا بود. بنابراین، با در نظر داشتن معیارهای آئیننامه مذکور نیز پهلوگیری قایقهای صیادی کوچک به هیچ عنوان توصیه نمیشود، (3) امواج تکجهته تلاطم بیشتری را در حوضچة بندر و پهلوگیرهای آن پدید میآورند، اما امواج جهتی موجب ایجاد تلاطمهایی با تواتر بیشتر و دامنة کوچکتری میشوند. برای مطالعة آرامش بندرگاه هر دوی شرایط مرزی مناسب میباشند اما برای در نظر گرفتن نامناسبترین سناریوها بهتر است از شرط مرزی تکجهته استفاده شود. برای مطالعة الگوی تفرق امواج در محدودة موجشکنها نیز امواج جهتی خروجیهای نسبتا بهتر و همگونتری به دست میدهند، (4) دهانة ورودی بندر دارای تلاطم نامناسبی میباشد و میتواند موجب کاهش ضریب اطمینان ناوبری شناورها شود، بهتر است این دهانه بازنگری و اصلاح شود، (5) امواجی با پریودهای بالاتر به طور کل تلاطمهای بیشتری در حوضچه به وجود میآورند. امواجی با پریود کوچکتر نیز موجب ایجاد نوساناتی با دامنة بزرگ میشوند. در این خصوص نمیتوان به یک قاعده کلی دست یافت. به این معنی که با توجه به طبیعت تصادفی و اتفاقی امواج لزوما امواجی با پریود بزرگتر موجب تلاطم بیشتر نمیشود و بنابراین هنگام تحلیل ناآرامی حوضچههای بنادر باید همة پریودها درنظر گرفته شوند و (6) برای رفع مشکل ناآرامی در بندر کوهمبارک میتوان موجشکنی ابرویی در مقابل دهانة ورودی احداث نمود. این موجشکن به خوبی امواج جهات جنوب و جنوبغرب را منحرف میکند و در نتیجه آرامش حوضچه را به میزان قابلتوجهی افزایش میدهد. بنابراین، برای رفع مشکل تلاطم بندر و دهانة ورودی آن میتوان موجشکنی ناپیوسته در جلوی دهانة ورودی مطابق با مشخصات پیشنهادی این پژوهش ایجاد کرد.
برای انجام مطالعات بیشتر، با توجه به تنوع ورودیهای مدل بوسینسک، پیشنهاد میشود مقادیر متنوعی برای ورودیهای این مدل به خصوص لایههای تخلخل و اسفنجی در نظر گرفته شود. میتوان مقادیر متفاوتی به لایه تخلخل اختصاص داد و اثر آنها بر تفرق امواج را مطالعه کرد.
نقشههای اصلاحی دیگری برای بندر کوهمبارک میتواند مدنظر قرار گیرد و اثرات آنها برکاهش آرامش بندر کوهمبارک مطالعه شود و با نتایج تحقیق حاضر مقایسه گردد.