0-87295

نشریه مهندسی دریــا سال 1393/ شماره20 / پاییز و زمستان (39-49)
شبیه سازي انتقال رسوب پشت موج شکن بندر انزلی با هـدف مقایسـه نـرم افـزار
MIKE21 و PMO Dynamics ایرانی
الهام جعفرزاده1، سید علی ایوب زاده2*، مسعود منتظري نمین3، اصغر بهلولی4

١دانش آموخته کارشناسی ارشد سازه هاي آبی، دانشگاه تربیت مدرس؛ [email protected]
دانشیار، گروه سازه هاي آبی، دانشگاه تربیت مدرس؛ [email protected]
استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه تهران؛ [email protected]
دکتري مهندسی عمران، شرکت نامرود؛ [email protected]
26090889964928

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

احداث بنادر و سازه هاي ساحلی در حقیقت باعث تغییر در الگوي جریانات ساحلی و به تبـع آن تغییـر درالگوي رسوبگذاري می شود. در این تحقیق به منظور شبیه سازي انتقال رسوبات پس از احداث موج شکن هاي جدید انزلی دو مدل عددي PMO Dynamics که یک مدل ایرانی از انواع مدل هاي دوبعدي است و MIKE 21 مورد استفاده قرار گرفت این دو مدل از دو روش متفاوت در حل شبکه محاسباتی استفاده می کنند که به منظور مقایسه بین دو روش، پس از تحلیل حساسیت و واسنجی ضرایب در هر مرحلـه، شـبیهسازي الگوي انتشار امواج با ارتفاع 5/0، 1 و 5/1 متر در مدول موج طیفی، جریان هاي کرانه اي حاصل از انتقال امواج در مدول هیدرودینامیک و در نهایت شبیه سازي انتقال رسوب در مدول انتقال رسوب انجـامشد و در هر مرحله نتایج دو مدل مقایسه گردید همبستگی حدود 90 درصد بین نتایج مدل ایرانی و مدل MIKE21 نشان داد با استفاده از مدل ایرانی و شبکه بندي از نوع نقطه مرکز با انجام محاسبات ساده تر و در زمانی تا 4 برابر کمتر می توان جواب هاي قابل قبولی را بدست آورد. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 16/4/93 تاریخ پذیرش مقاله: 23/10/93
تاریخ انتشار مقاله: 20/12/1393

کلمات کلیدي:
MIKE21
PMO Dynamics شبیه سازي انتقال رسوب بندر انزلی

Simulation of Sediment Transport behind Anzali Breakwater with the purpose of Comparison of Iranian PMO Dynamics Software and MIKE 21

Elham Jafarzadeh1, Seyed Ali Ayyoubzadeh 2*, Masoud Montazeri Namin 3, Asghar Bouhloly4

1Graduate in Water Structures, Tarbiat Modarres University; [email protected]
2Associate Professor, Department of Water Structures, Tarbiat Modarres University; [email protected]
3Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Tehran University; [email protected]
4 PhD in civil Engineering, Namrood Company; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History:
Received: 7 Jul. 2014
Accepted:13 Jan. 2015
Available online: 11 Mar. 2015 Construction of ports and coastal structures actually affects the coastal flow pattern and results in the changing of the sedimentation pattern. The research carried out in this paper, aims to simulate sedimentation process following the construction of the Bandar-e Anzali New Breakwaters at the site, using Iranian developed PMO

Keywords:
MIKE21
PMO Dynamics Simulation
Sediment Transport
Bander Anzali

hydrodynamics and well known MIKE21 modeling package developed by DHI. These two models utilize different mesh technique to solve the governing flow hydrodynamics and transport equations. So to compare the results obtained from these two models, sensitivity analysis and calibration procedures using field data were undertaken firstly. Then wave propagation pattern of waves with heights of 0.5, 1 and 1.5 m in the spectral wave module (SW), long shore currents in the hydrodynamic module (HD) and sediment transport simulation in the sediment transport module (SD) have been considered using both models. Various statistical parameters were obtained and the results showed good agreement between the two mentioned models with at least 90% correlation coefficient in all cases. Furthermore, the study showed acceptable results can be obtained by center point mesh-type technique using PMO Dynamics model with much easier calculation procedures that reduces the computation time significantly even by a factor of 4.
1- مقدمه
با نزدیک شدن موج به ساحل و کم شدن عمق آب، طول موج کاهش می یابد و به دلیل فشردگی موج، شکل موج از حالت سیونسی خارج شده و ارتفاع آن زیاد می شود که این امر باعث ایجاد جریانهاي ساحلی و نقل و انتقالات رسوبی در سواحل می شود و نیروي وارده از موج به سازه هاي ساحلی افزایش می یابد. پدیده شکست موج وقتی اتفاق می افتد که ارتفاع موج خیلی زیاد باشد که نهایتاً موج ناپایدار شده و باعث نقل و انتقالات رسوبی به سمت دریا می شود. احداث بنادر و سازه هاي ساحلی از جمله موج شکن ها باعث تغییر در الگوي جریانات ساحلی و به تبع آن تغییر در الگوي رسوب گذاري می شود. به واسطه جابجایی رسوبات ساحلی، مسئله رسوب گذاري سواحل و فرسایش در سواحل مطرح می گردد که هر یک از این پدیده ها، کاربري تأسیسات و سازه هاي ساخته شده در دریا را می تواند با مشکل مواجه نماید که به دلیل اهمیت این مسئله الگوي رسوب گذاري با استفاده از مدل هاي عددي متعددي شبیه سازي می شود از میان مدل هاي ریاضی مطرح در جهان، در تحلیل پدیده هاي حاکم بر محیط دریا، مدل ریاضی MIKE21 تهیه شده توسط انستیتوي هیدرولیک دانمارك یکی از شناخته شده ترین و پرکاربردترین آنهاست .مدل ریاضی 1MIKE2 مدل دو بعدي است که براي شبیه سازي هیدرولیک، انتقال رسوبات ،انتقال امواج و شبیه سازي امواج مرتبط با پدیده هاي دریاچه ها ،خلیج ها، نواحی ساحلی و دریاها بکار می رود.این مدل سیستم جامعی براي مدل کردن جریان هاي روباز دوبعدي است که در آن لایه آن لایه بندي جریان سیال قابل صرفنظر کردن باشد. رقم هاي پسوند 21 به ترتیب از چپ به راست، نمایانگر کاربرد این سیستم براي جریان هاي دو بعدي، یک لایه می باشد. این مدل با دارا بودن قابلیت هاي گوناگون در دریافت اطلاعات ورودي در محدوده وسیعی از کاربردها و ارائه خروجیهاي مناسب جهت کاربردهاي تحقیقاتی و مهندسی، ابزار مناسبی جهت تحلیل پدیده ترسیب و فرسایش در سواحل و انتقال رسوبات ساحلی می باشد اما مدل هاي تجاري و غیر تجاري خارجی الزاماً نمیتوانند در مطالعات دریا و سواحل جوابگوي همه نیازهاي داخلی باشند. مشکلاتی مانند عدم دسترسی به کد اصلی برنامهها و در نتیجه آن عدم امکان اعمال تغییرات متناسب با نیازهاي بهرهبرداري در مدل هاي تجاري و غیر تجاري خارجی باعث توسعه مدل ایرانی شده است. مدلPMO Dynamics یک مدل ایرانی از انواع مدل هاي دوبعدي است که به مدل هاي میانگین گیري شده در عمق و یا مدل هاي آب هاي کم عمق معروفند. این مدل قادر است بر اساس ویژگی ها و قابلیت هاي معادلات دو بعدي ،شرایط حاکم بر محیط هاي آبی و هیدرودینامیک جریان هاي ساحلی را شبیه سازي نماید و بگونه اي توسعه یافته است که امکان شبیه سازي جریان در بدنه هاي مختلف آبی با ابعاد و اندازه هاي متفاوت به راحتی، با دقت مناسب و در زمان مناسب امکان پذیر باشد .این دو مدل از دو روش متفاوت در حل شبکه محاسباتی استفاده می کنند که به منظور مقایسه بین دو روش و برآورد کارایی مدل ایرانی، مسئله رسوب گذاري پشت موج شکن هاي انزلی توسط شبیه سازي الگوي انتشار امواج در مدول SW ، جریان هاي کرانه اي حاصل از انتقال امواج در مدول هیدرودینامیک HD و در نهایت شبیه سازي انتقال رسوب در مدول ST بررسی شد و در هر مرحله نتایج دو مدل مقایسه گردید.
هر دو مدل PMO Dynamics و MIKE21 اساسـاً بـا اسـتفاده ازمعادلات یکسانی پیش بینی هاي مـوج، جریـان و رسـوب را انجـاممی دهند با این تفاوت که هر یک از مدل هاي مـذکور ویژگـی هـايخاصی در روش هاي استفاده شده و یا نوع شبکه محاسباتی دارند .
شبکه محاسباتی بکار رفته در مدل PMO Dynamics یک شـبکهبدون ساختار غیرهمپوشان مثلثی است که چه در حالت منظم و چه نامنظم شبکه اي غیر یک در میان می باشد و حجم کنترل هـاي ایـنشبکه در حالت نامنظم از برخورد عمود منصف هاي مثلث هاي پدید آورنده شبکه بوجود می آیند. اجزاء موجود در این شبکه رامـی تـواندر سه گروه گره ها یا نقاط محاسباتی، مثلث هاي پدید آورنده شبکه و اضلاع مثلث هاي پدید آوردنده شـبکه و یـا بـه عبـارتی یـال هـايمحاسباتی تقسیم نمود. بنابراین حجم کنترل هاي مورد اسـتفاده درمدل چند ضلعی هایی هستند که مرکز آنها رئوس مثلث هـاي پدیـدآورنده شبکه می باشد. این حجم کنتـرل هـا بـا یکـدیگر همپوشـانیندارند و بعلاوه مرز هاي این حجم کنترل ها نیز بر اضلاع مثلث هـايپدید آورنده شبکه عمود هستند. به این ترتیب می توان گفت که در این شبکه براي انجام محاسبات نیـازي بـه تولیـد نقـاط محاسـباتیاضافه نمی باشد. این شبکه از نوع نقطه مرکز است و تمامی متغیر ها و مجهولات مدل در محل رئوس مثلث ها قرار گرفتـه انـد. در شـکل زیر نمایی از شبکه محاسباتی مورد استفاده نمایش داده شده است .

شکل 1 – نمایی کلی از شبکه محاسباتی مورد استفاده در مدل PMO
Dynamics (خطوط قرمز رنگ مرز هاي حجم کنترل ها هستند)

مدل MIKE21 به منظور گسسته سازي معادلات حاکم بر فرایندها نظیر معادلات پیوسـتگی، مـومنتم و انتقـال -انتشـار از روش حجـم محدود میان سلولی استفاده میکنـد. گسسـته سـازي معـادلات بـه روش مش هاي منعطف مثلثـی کـه از نـوع بـی سـاختار مـی باشـد وبیشترین تناسب تراکم پذیري با دامنه حل را دارند.
از روش تقریبی Riemann Solver براي محاسبه شارهاي انتقالی استفاده شده است و براي اجتناب از نوسانات عددي محدود کننده هاي شیب TVD درجه دوم مورد استفاده قرار گرفته است و روش درجه دوم Runge-Kutta براي محاسـبه انتگـرال زمـانی اسـتفادهشده است [1].

مواد و روش ها
با توجه به وجود پتانسیل انتقال رسوب همراه با جریانهاي مـوازي ساحل، رسوبات حمل شده پـس از برخـورد بـا بدنـه مـوج شـکن ترسیب نموده و بتدریج مورفولوژي ساحل در پشت بازو تغییر می یابد و با انباشت تدریجی رسوبات، در نهایت شرایطی فراهم می آید که رسوبات تمام طول بازوي موج شکن را می پوشانند.
به منظور یافتن میزان حمل انتقال رسوبات به موازات ساحل(کرانه اي)، شبیه سازي به وسیله ي مدل هاي عددي در سه مرحله انجام می گیرد در مرحله ي اول توسط مـدولSW شـبیه سـازي انتقـالامواج از آب عمیق به آب هاي کم عمق صورت گرفتـه و سـپس بـااستفاده از مدول HD جریان ایجاد شده حاصل از شکسـت مـوج درمنطقه ي شکست، شبیه سازي میشود و در نهایـت انتقـال رسـوبناشی از جریان هاي ایجاد شده توسط مدول ST شبیه سـازي مـیگردد .مشخصات هیدرودینامیک جریان در مناطق ساحلی و دریاهـااز نقطه اي به نقطه دیگر تغییر می کند. همچنین با توجه بـه تغییـرشرایط محیطی، این مشخصات در زمان نیز عوض مـی شـود. بـدینترتیب روابط تجربی باید بارها و بارها مورد استفاده قرار گیرنـد کـهاین دفعات شامل گام هـاي زمـانی مختلـف و نقـاط مختلـف شـبکهمحاسباتی می باشد. به همین دلیل لازم است تا مدل انتقال رسـوببه همراه مدل جریان و به صورت همزمان با آن عمل نمایـد. بـدینترتیب شرایط هیدرودینامیکی بدست آمده در هر گام زمـانی بـراياستفاده در مدل انتقال رسوب در اختیار خواهد بود.

2-1- مدول SW
هدف اصـلی ایـن مـدول حـل معادلـه تعـادل عمـل مـوج بمنظـوراستخراج چگونگی توزیع مشخصات مـوج در مختصـات جغرافیـاییاست. معادله مذکور پدیده هاي فیزیکی از قبیل انتشار موج، انکسـارم وج، خی زآب م وج، ایج اد و رش د م وج، اف ت م وج و همچن ین اندرکنش غیر خطی موج- موج را در برمی گیرد و در فضـاي طیفـیحالت عمومی این معادلـهDN / Dt  S / مـی باشـد کـه بـهصورت مبسوط زیر مورد استفاده قرار می گیرد.

540639130312

2479548130312

N cgxN cgyN cN cN  S (1)
txy  
1858709480719

در ایــن معادلــه (N(x,,,t چگــالی عمــل مــوج،x(x,y) مختصات جغرافیایی،(v(cgx,cgy,c,c مولفه هاي سرعت انتقال یک گـروه مـوج، ( 2f  gk tanh(kd فرکـانس نسـبیزاویه اي ، جهت انتقال مـوج،d عمـق آب وk معـرف عـدد مـوجمی باشد.
در این مدل مشخصات موج بوسیله انتگرال گیري از طیـف چگـالیعمل موج N کـه بـا چگـالی انـرژي مـوج (E(x,,,t نسـبتمس تقیم دارد، بدس ت آم ده اس ت (N  (E/. س مت چ پ معادله( 1) مشتق کامل چگالی عمل موج است که شـامل تغییـراتمکانی چگالی عمل موج و همچنین تغییـرات طیفـی چگـالی عمـلموج است.
سمت راست معادله تعـادل در برگیرنـده چشـمه- چـاههاسـت کـهپدیده هاي فیزیکی هستند کـه موجـب افـزایش یـا کـاهش انـرژيسیستم می شوند این چشمه – چاه ها شامل اثر بـاد، انـدرکنش غیـرخطی امواج، اصطکاك کف و اتلاف انرژي ناشی از شکست مـوج درمنطقه کم عمق و یا اتلاف ناشی از چرخک هاي سطحی است. توابع S از سه قسمت عمده تشکیل شده اند که عبارتند از: Sin اثر باد به عنوان عامل اصلی ایجاد مـوج،Sds کلیـه عوامـل میـرا کننـده بـهعنوان توابع اتلاف انرژي موج و Snt اندر کنش غیـر خطـی مـوج- موج [2].
در مــدل PMO Dynamics روش حــل شــامل 1St Order, QUICKEST, FROMM بوده و در مدل MIKE21 با استفاده از روش تفاضلهاي محدود به وسیله تکنیک ADI حل گردیـ ده انـد
.[3]

2-2- مدول HD
معادلات آب هاي کم عمق مناسبترین ویژگی ها را براي شـبیه سـازيهیدرودینامیک جریان آبهاي سطحی داراست .این معادلات یکـی ازانواع معادلات شناخته شده هیدرودینامیک جریـان اسـت کـه فـرمدوبعدي این معـادلات در صـفحه افـق شـامل معادلـه پیوسـتگی ومعادلات اندازه حرکت در جهت هاي x و y می باشد. ایـن معـادلات،که به معادلات میانگین عمقی نیز معروفند، بکمک انتگرال گیري در جهت قائم از معادلات ناویر- استوکس از کف کانال تا سطح آب بـههمراه اعمال شرایط مرزي مناسب در بستر و سطح جریـان بدسـتمی آیند. معادلات آب هاي کم عمق در صورت برقرار بـودن دو شـرط اساسی توزیع فشار هیدرواستاتیک و یکنواختی پروفیل قائم سـرعتقابل استفاده می باشند. دو فرض فوق در اکثر جریان هاي دریایی که نسبت عمق جریان به عرض آنها کم است برقـرار مـی باشـند. روش حل عددي معادلات در مدل Low ، Higher Order ، MIKE21
,Time ، PMO Dynamics مـ ی باشـ د و در مـ دل Order
.[4] می باشد 2nd Order Roe, 1st Order Roe Splitting

2-3- مدول ST
بستر رسوبی دریاها و مناطق ساحلی همواره تحت تاثیر تـنش هـايبرشی ناشی از جریان و امواج می باشد. وجود این مسئله باعث شـدهاست بحث بسیار گسترده اي به نام انتقال رسوب شکل گیرد. اگر چه نمی توان به صورت دقیق وقایع و پدیدهاي رسوبی را درك و آنرا بـااستفاده از روابط ریاضی بیان نمود، اما تحقیقـات بسـیار زیـادي دراین رابطه انجام شده و نتیجه آن روابط تجربی متعـدد نـرخ انتقـالرسوب می باشد که با توجه بـه مشخصـات جریـان، مـوج و رسـوبمیزان جریان رسوب جابجا شده را تخمین می زند. با استفاده روابـطموجود می توان تخمین هاي مناسبی از نرخ جریان رسوبی بـا توجـهبه مشخصات جریان و رسوب هر نقطه بدست آورد.
مهمترین استفاده اي که می توان از مدل هـاي انتقـال رسـوب نمـود،شبیه سازي تغییر شکل بستر تحت تاثیر جریان هاي مختلف ساحلی می باشد. این مسئله موقعی اهمیت بیشتري می یابد کـه سـازه هـايغیرطبیعی که توسـط انسـان سـاخته مـی شـود ، شـرایط طبیعـی ومتعادل را بر هم زده باشد .
در مدل PMO Dynamics رسوب غیرچسـبنده بـا اسـتفاده از دوروش تعادلی و غیر تعادلی مدل سازي مـی شـود. همچنـین در ایـنمدل انتقال رسوب هم در شرایط جریـان و هـم در شـرایط ترکیـبموج و جریان شبیه سـازي مـی گـردد. در خصـوص تعیـین ظرفیـتحمل رسوب از سه روش بایکر، یانـگ و ون رایـن کـه از معتبرتـرینروش هاي ظرفیت حمل رسوب هستند، استفاده شده است.به جهت در نظر گرفتن روشی مشـترك در دو مـدل جهـت تعیـین ظرفیـتحمل رسوب از روش بایکر که در دو مدل در دسترس است استفاده می گردد [5].
مهم ترین خروجی مدلهاي انتقال رسوب، نرخ انتقال رسوب اسـت.
مدل PMO Dynamics این کمیت را خروجی نمیدهد، امـا مـی-توان آن را با استفاده از خروجیهاي مدلهاي جریـان و رسـوب بـااستفاده از معادله 5 تخمین زد.

=× ℎ ×× 10
که در این معادله، qs نرخ انتقـال رسـوب (m3/s/m) و Cs غلظـترســـوب h ، (ppm) عمـــق آبVR ،(m) ســـرعت متوســـطجریان(m/s) است .لازم به ذکر است بـا بـه کـارگ یري معادلـه فـوقفرض میکنیم که سرعت حرکـت رسـوبات همـان سـرعت حرکـتسیال است و ذرات رسوبی در کل عمق آب به صورت یکنواخـت درحال حرکت هستند.
منطقه مورد مطالعه
بندر انزلی در کشور ایران در جنوب غربی دریاي خـزر، حـد فاصـلرشت (مرکز استان گیلان) و تـوالش قـرار دارد. موقعیـت بنـدر بـهلحاظ طول و عرض جغرافیایی عبـارت اسـت از 28 49 شـرقی و 2537 شمالی. ساختگاه دقیق بندر محل اتصـال تـالاب مشـهورانزلی به دریا است. شکل 2 موقعیت کلی بندر انزلی و وضعیت موج شکن هاي شرقی و غربی را نشان می دهد.

CASPIAN

SEA

I.R. Of
Iran

CASPIAN

SEA

CASPIAN



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید