فني

يادداشت

فني

يادداشت

مدل سازي هيدروديناميكي جنوب خليج فارس با استفاده از مدلDelft3D-FLOW

علي اصغر گلشني1*1

1- استاديار پژوهشي، موسسه ملي اقيانوس شناسي
چكيده هدف از اين مطالعه، مدل سازي جريانات و تراز سطح آب (بركشند طوفان) در خليججفارس با در نظر گرفتن همزمان جزر و مد و باد ميجباشد. مدل Delf3D-FLOW براي مدت يك ماه يعني ژانويه 2000 كه در آن بادهاي شَمَال زمستاني قوي ميجوزند ،اجرا شده است. از اطلاعات باد مدل PERGOS به عنوان باد ورودي و از مولفهجهاي هارمونيكي استخراج شده از جداول جزر و مدي دريانوردي UKHO به عنوان شرايط مرزي در مرزهاي باز مدل استفاده شده است. از داده هاي جريان و تراز سطح آب مدل
PERGOS و دادهجهاي جريان بويه Ghasha دريافت شده از UKHO نيز براي واسنجي نتايج مدل سازي استفاده شده است. خطاي تراز سطح آب كمتر از 25% دامنه جزر و مد مي باشد. در 95% مواقع، اختلاف كمتر از 1/0 متر بر ثانيه بين نتايج مدل و دادهجهاي جريان نقاط واسنجي ديده ميججشود كه نشان ميجدهد كه نتايج مدل رضايت بخش ميجباشد. با تغيير پارامترهاي واسنجي در يك محدوده منطقي، نتايج مدل به شكل قابل محسوسي تغيير نميجكند كه اين مساله نشان ميجدهد كه مدل پايدار است.
كلمات كليدي: مدلجسازي جريان، مدل سازي بركشند طوفان، خليج فارس، مدل Delft3D-FLOW

TECHNICAL NOTE

TECHNICAL NOTE

A HYDRODYNAMIC STUDY OF THE SOUTH OF PERSIAN GULF USING DELFT3D-FLOW

Aliasghar Golshani1
1-Research Assistant Professor, Iranian National Institute for Oceanography

Abstract
The goal of this study was to simulate the hydrodynamics induced by con-current wind and tide loading in the southern part of the Persian Gulf. The model was calibrated with a 28 day lunar cycle, in which both neap and spring tide were modeled. The model boundaries were forced using tidal water levels obtained from the United Hydrographic Tide Tables. Wind data extracted from PERGOS database was used as input to the model. Current data recorded at Ghasha buoy, as well as current and water level data from PERGOS database were used for calibration of the model. The error in water level prediction is typically less than 25% of tidal range. Currents were also predicted with accuracy of 0.1 m/s (95% of time). Model results are insensitive to variations of calibration parameters over the recommended range, which demonstrates that the model is robust and can be used with confidence.
Keywords: Current Modeling, Storm Tide Modeling, Delft3D-FLOW, the Persian Gulf
[email protected] نويسنده مسوول مقاله *
مقدمه
تاثير جريانات ناشي از جزر و مد، باد و امواج و همچنين دامنه تغييرات تراز سطح آب بر فعاليت هاي مرتبط با محيط دريا موجب شده است تا راهح لهاي گوناگوني براي تعيين مشخصههاي اين پارامترها توسط محققين ارائه شود. اندازه گيري هاي ميداني، بررس يهاي تحليلي، روشهاي تجربي و نيمه تجربي، مدل سازي هاي فيزيكي و شبيه سازي هاي عددي از جمله روشهايي هستند كه بنا بر مقتضيات طرح (اهميت، دقت موردنظر، امكانات و زمان) مورد استفاده قرار م يگيرند .در اين راستا، شبيهجسازي هيدروديناميكي با استفاده از مدل هاي عددي، يكي از جديدترين تلاشها در زمينه شناخت صحيح اقليم جريان و محدوده تغييرات ارتفاع سطح آب به شمار مي رود.

اقليم خليج فارس
ماههاي نوامبر تا مارس، شَمال زمستاني ناميده شد .اين اداره همچنين اطلاعات جريانهاي ناشي از جزر
منطقه خليج فارس، منطقهججاي است با آب و هواي نسبتا گرم كه از مشخصات آن وزش بادهاي شَمال با قدرت بيش از 02 متر بر ثانيه ميجباشد. شَمال نامي است كه به بادهاي فصلي شمال غربي كه در زمستان و تابستان در خليج فارس ميجوزند، اطلاق ميجشود .
منابع مختلف اطلاعات باد، جريان و تراز سطح آب در منطقه
اطلاعات نسبتا دقيقي از پروژه PERGOS در نقطهجاي در جنوب خليججفارس به مختصات 5625/25 شرقي و 5/42 شمالي استخراج شده است. دادهجهاي اين پروژه كه محصول مشترك شركت هاي DHI و OceanWeather ميجباشد، حاصل از اجراي مدل هاي عددي موج و جريان در خليج فارس با رزولوشن مكاني 0625/0 درجه و رزولوشن زماني يك ساعت به مدت بيست سال (از تاريخ 1/1/1983 تا 13/21/2002) مي باشد. اين دادهججها شامل باد، موج، جريان و تراز سطح آب ميجباشند [2]. از اطلاعات باد اين مدل كه در مقايسه با مدل هاي عددي ديگر موجود در منطقه مانند
NCEP/NCAR و ECMWF ERA40 از دقت بيشتري برخوردار است [3]. به عنوان ورودي مدل و از اطلاعات جريان و تراز سطح آب آن براي واسنجي
(كاليبراسيون) مدل استفاده مي شود .
جداول ترازهاي جزر و مدي دريانوردي نيز از اداره هيدروگرافي انگلستان براي ايستگاه هاي مختلف در منطقه مورد مطالعه قابل دريافت است كه از آنها به عنوان شرايط مرزي در مرزهاي مدل استفاده خواهد
قابليت ديد و درياهاي طوفاني ميجباشد [1]. شَمال زمستاني پديده اي نسبتا نادر بوده كه در طي آن در اكثر نقاط خليججفارس بادهاي بيشتر از 01 متر بر ثانيه در كمتر از 5 درصد زمان وقوع آن رخ ميجدهد.
ششَمال تابستاني معمولا از اوايل ژوئن تا اواسط ژوئيه رخ
ميجدهد و دليل آن وجود كم فشارهاي حرارتي در درياي عربي و اقيانوس هند ميجباشد و از شَمال

شكل 1- منطقه مورد مطالعه به همراه نقاط واسنجي
( Google Earth: منبع) زمستاني ضعيف تر ميجباشد.

1935751283092

ميجشود كه مربوط به اغتشاشات ميان عرض جغرافيايي است كه از غرب به شرق پيش مي رود. اين مسأله باعث عبور جبهه هواي سرد شده كه مشخصه آن وزش بادهاي قوي شمال غربي است كه قويترين آنها در ماههاي دسامبر، ژانويه و فوريه رخ ميجدهد و همراه با شرايط هوايي وارونه مانند طوفان، توربولانس، كم بودن و مد را در چندين ايستگاه داراست كه از اطلاعات ايستگاه بويه غاشا(St4223a) براي واسنجي نتايج جريان استفاده خواهد شد. شكل 1 منطقه مورد مطالعه همراه با مكان نقاط مدل PERGOS و بويه Ghasha را نشان ميججدهد [4].

Delft3D-FLOW مدل جريان

جدول 1- مشخصات نقشه هاي آدميراليتي موجود در منطقه

نام نقشه شماره نقشه(UKHO) مقياس
(A) Strait of Hormuz to Qatar 2837 1:750000
(B) Outer approaches to Abu Dhabi 3177 1:125000
(C) Approaches to Mubarraz Terminal 3178 1:125000
(D) Sir Bani Yas to Khawr Al Udayd 3951 1:150000
(E) Jazirat Das to Ar Ru’ays 3179 1:125000
(F) Approaches to Jabel Az Zannah and Ar Ru’Ays 3780 1:35000
مدل جريان از نرم افزار دلفت يك مدل چند بعدي ( دو يا سه بعدي) هيدروديناميكي و انتقال است. اين مدل قابليت محاسبه جريانات ناپايدار و پديدهجهاي انتقال ناشي از جزر و مد و باد را بر روي شبكه مستطيلي يا شبكه منحني دارا ميجباشد. در حالت سه بعدي، شبكه عمودي با استفاده از روش مختصات سيگما تعريف ميجشود [5].
برپايي مدل
منابع اصلي اطلاعات عمقجيابي براي ساخت شبكه محاسباتي، نقشهجهاي آدميراليتي يا دريانوردي از منبع
UKHO بوده كه در جدول 1 با ذكر مقياس آنها آمده اند. نقشه هاي (A) تا (E) مقياس بزرگتري داشته و محدوده وسيعجتري را پوشش مي دهند. در حالت هم پوشاني آنها با نقشه (F) كه دقيق ترين مقياس را داراست، از اطلاعات نقشه (F) استفاده مي شود .

در اين مطالعه از شبكه اي منحني استفاده شده كه در محدوده نقاط واسنجي (نقاط PERGOS و Ghasha) به اندازه كافي ريز شده است. شكل 2 اين شبكه را نشان مي دهد. به علت دستيابي به اطلاعات باد تنها در يك نقطه از خليج فارس (نقطه PERGOS) ، محدوده اين مدل تنها در بخش جنوبي آن در نظر گرفته شده تا اين باد با تقريب نسبتا خوبي نماينده باد در كل ميدان مدل باشد.
نقشهجهاي عمقجيابي در نقاط اين شبكه درونيابي شده و با انتقال تراز متوسط دريا به نحوي اصلاح شده اند كه نماينده شرايط تراز متوسط دريا باشند. لازم به ذكر است كه تراز متوسط دريا در اين محدوده محاسباتي نسبتا ثابت ميجباشد.
از مولفهجهاي هارمونيكي استخراج شده از جداول ترازهاي جزر و مدي دريانوردي UKHO به عنوان شرايط مرزي تراز آب در اين مدل استفاده شده است.
شماره ايستگاه هاي مورد استفاده به عنوان شرايط مرزي در شكل 2 نشان داده شده است. تعداد اين اجزا براي هر كدام از مرزها مختلف است ولي همگي شامل مولفه هاي هارمونيكي اصلي ميجباشند (M2,S2,K1,O1). همچنين مولفهجهاي هارمونيكي بلند مدت ((SA,SSA,MSM,MM,MSF از آناليز هارمونيكي دادهججهاي تراز سطح آب بيست ساله مدل PERGOS با استفاده از نرمجافزار Tidal Analysis
Toolbox به دست آمده اند [6]. مولفه هاي هارمونيك P1,Q1,TAU1 نيز از جداول UKHO استخراج شده و مورد استفاده قرار مي گيرند. اين پارامترها مجموعا 95% تغييرات دامنه جزر و مدي را در ناحيه مورد نظر تشكيل مي دهند. لازم به ذكر است كه تاثيرات فشار اتمسفري، موج و باد تنها در مولفهجهاي هارمونيكي بلند مدت در نظر گرفته شده اند.
استفاده از مولفهجهاي جزر و مدي هارمونيكي مورفولوژيكي از وقوع رزنانس در مرزها جلوگيري كرده و خطا را كاهش مي دهد.

پارامترهاي عددي
مدل در حالت دو بعدي كاليبره شده است. گام زماني توسط عدد كورانت كه تابعي از بعد شبكه محاسباتي و سرعت جريان ميجباشد، محدود مي شود.
عمق آستانه، رزولوشن آلگوريتم خشك شدگي به تر شدگي را نشان مي دهد. عرض جغرافيايي نيز به منظور در نظر گرفتن نيرو هاي كوريوليس در مدل ميجباشد.
جدول 2 پارامترهاي عددي مورد استفاده در مدل را بيان ميجكند:
جدول 2 – پارامترهاي عددي مدل
مقدار پارامتر مدل
1 تعداد لايه ها
06 ثانيه گام زماني
1/0 متر عمق آستانه
5/42 درجه عرض جغرافيايي

پارامترهاي واسنجي

شكل 2- محدوده اجراي مدل Delft3D و عمق (متر)
زبري كف با استفاده از عدد مانينگ (N) بيان مي شود كه بايستي مقدار آن براي هر پروژه تنظيم شود. اين عدد در كل محدوده پروژه يكنواخت در نظر گرفته شده است. محدوده اين عدد از 016/0 ( براي كانالهاي حفاري شده تميز Sellin 1969 [7] ) تا 40/0 ميجباشد كه براي مدل دلفت توصيه شده است. حساسيت سنجي نسبت به اين پارامتر در مدل نشان داد كه نتايج خيلي وابسته به اين عدد نمي باشند چرا كه عمق جريان در منطقه مورد نظر نسبتا زياد بوده و تحت تاثير شرايط زبري طبيعي قرار نمي گيرد.
لزجت گردابه اي افقي و پخش شدگي گردابه اي افقي نيز در كل محدوده پروژه بصورت ثابت در نظر گرفته شده اند. اين ضرائب نيز مربوط به شبكه محاسباتي و رژيم جريان مي باشند. مهندسين ارتش امريكا (USACE) مقدار لزجت گردابه اي افقي را براي آبهاي سطحي بين 1−m2s01/0 تا 1−m2s100
توصيه مي كند. راهنماي مدل جريان دلفت مقدار بين 1−m2s1 تا1−m2s 01 براي مدلهاي دقيق با رزولوشن تقريبا 01 متر و بين 1−m2s01 تا 1−m2s100 براي مدلهاي كلي با رزولوشن صد ها متر يا بيشتر را توصيه مي كند كه در اينجا مورد نظر قرار گرفته است [5].
بدليل اينكه مطالعه ما شامل فرآيندهاي انتقال مانند شوري يا درجه حرارت نمي باشد، لذا پارامتر پخش شدگي گردابه اي افقي، واسنجي مدل را تحت تاثير قرار نمي دهد. ضريب انعكاس آلفا در مرز 05 در نظر گرفته ميشود. اين ضريب براي شرايط مرزي جزر و مدي در نظر گرفته مي شود چرا كه انعكاس امواج با پريود كوتاه به دامنه محاسباتي را محدود مي كند. جدول 3 پارامترهاي واسنجي مدل كه بهترين تطابق براي تراز آب و جريانات را دارد را ارائه مي كند :

جدول 3 – پارامترهاي واسنجي مدل
مقدار پارامتر واسنجي
0/03 زبري يكنواخت
50 ضريب انعكاس از مرز آلفا
5 m2s−1 لزجت گردابه اي افقي يكنواخت (رزولوشن زياد)
50 m2s−1 لزجت گردابه اي افقي يكنواخت (رزولوشن كم)

8- اجراي مدل و نتايج واسنجي

شكل 3- نتايج مدل Delft3D در مقايسه با مدل PERGOS
(بالا: تراز آب (متر) ، وسط: مقدار جريان (متر بر ثانيه) ، پايين: جهت جريان (درجه) )

اين مدل براي ژانويه 2000 كه شامل يك دوره 82 روزه قمري و مهكشند و كهشكند است و همچنين ماهي است كه در آن بادهاي شَمال زمستاني قوي مي وزند، اجرا مي شود. شكل 3 مقايسه نتايج اين مدل با نتايج مدل PERGOS شامل تراز آب و سرعت و جهت جريان را نشان مي دهد. در ارتباط با تراز سطح آب خطاي كمتر از 01 سانتي متر در شرايط مهكشند و تا 03 سانتي متر در شرايط كهكشند ديده ميجشود. اين مقدار كه كمتر از 25% دامنه جزر و مد ميجباشد ،ميجتواند به دليل در نظر گرفتن تعداد نسبتا محدود از مولفه هاي جزر و مدي به عنوان شرايط مرزي باشد و با در نظر گرفتن تعداد بيشتري از اين مولفهجها ميجتوان دقت مدل را افزايش داد. همچنين در شرايط كهكشند تاثير تغييرات اتمسفري، امواج و باد در مدل هيدروديناميكي بيشتر از كم دقتي مدل مي باشد. نتايج اين مدل در شرايط كهكشند محافظه كارانه مي باشد.
در ارتباط با شدت جريان در شرايط كهكشند به مدت چند روز جريانات ندرتا بيشتر از 51/0 متر بر ثانيه هستند و عمدتا ناشي از وزش باد شمال هستند.
جريانات در شرايط مهكشند دو برابر جريانات در شرايط كهكشند هستند. در حالت مد افولي مهكشند، جريان به سمت شرق به مقدار m/s 2/0-1/0 و در حالت سيل مدي مهكشند، جريان به سمت غرب به مقدار m/s 52/0- 51/0 وجود دارد.
شكل 4 مقايسه تجمعي مربوط به تفاوت ميان شدت جريان به دست آمده از مدل در مقايسه با اطلاعات مدل PERGOS و بويهGhasha را نشان مي دهد.
جدول 4 نيز پارامترهاي آماري مربوط به اين مقايسه را نشان ميجدهد. با توجه به اين جدول در 59 % مواقع اختلاف كمتر از 1/0 متر بر ثانيه ديده مي شود كه نشان مي دهد كه نتايج مدل رضايت بخش ميجباشد. 9- حساسيت سنجي مدل
با تغيير پارامترهاي واسنجي از قبيل زبري كف ،لزجت گردابه اي و ضريب انعكاس از مرز در يك محدوده منطقي، نتايج مدل به شكل قابل محسوسي تغيير نمي كند كه اين مساله نشان مي دهد كه مدل پايدار است و مي توان با اعتماد كافي از نتايج آن استفاده نمود.

جدول 4- پارامترهاي آماري مربوط به مقايسه جريان
(متر بر ثانيه)

Ghasha بويه PERGOS مدل پارامتر آماري
0/153 0/147 ماكزيمم خطا
0/095 0/085 95% خطا
0/035 0/034 متوسط خطا

نهايتا شكل 5 الگوي جريان مربوط به سيل مدي و مد افولي مهكشند را نشان ميجدهد. با توجه به اين شكل ماكزيمم جريان 7/0 متر بر ثانيه در منطقه در اثر باد و جزر و مد ايجاد مي شود.

01- نتيجه گيري
نتايج حاصل از اين پژوهش به اجمـال شـامل مـواردزير ميباشد:
خطاي كمتر از 01 سانتي متر در شرايط مهكشند و تا 03 سانتي متر در شرايط كهكشند در تراز سطح آب ديده مي شود كه كمتر از 25% دامنه جزر و مد ميجباشد.
اختلاف كمتر از 1/0 متر بر ثانيه بين نتايج مدل و دادهجهاي جريان نقاط واسنجي در 95% مواقع ديده مي شود كه نشان مي دهد كه نتايج مدل رضايت بخش مي باشد.
در هنگام كهكشند به مدت چند روز جريانـات نـدرتابيشتر از 51/0 متر بر ثانيـه هسـتند و عمـدتا ناشـي ازوزش باد شمال هستند.
اندازه جريانـات د ر شـرايط مهكشـند دو برابـر انـدازهجريانات در شرايط كهكشند هستند.
در حالت مد افولي مهكشند، جريان به سمت شرق به مقدار m/s 2/0-1/0 و در حالت سيل مـدي مهكشـند، جريان به سمت غرب به مقدار m/s 25/0-51/0 وجود دارد.
ماكزيمم جريان 7/0 متر بر ثانيه در منطقه مورد مطالعه در اثر باد و جزر و مد ايجاد مي شود.
با در نظر گرفتن تعداد بيشتري از مولفه هاي جـزر ومدي در مرزها ميجتوان دقت مدل را افزايش داد.
با تغيير پارامترهاي واسنجي در يك محدوده منطقي ،نتايج مدل به شكل قابل محسوسي تغيير نمي كنـد كـهاين مساله نشان ميجدهد كه مدل پايدار است.

شكل 4- مقايسه تجمعي خطاي جريان در نقاط واسنجي

74



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید