چهارشنبه ۱ اردیبهشت ۱۴۰۰
 

مدل سازی

مدلسازی میدان باد

با توجه به اینکه اهمیت میدان باد سطحی در شبیه ‏سازی پدیده‏های هیدرودینامیکی اقیانوسی از جمله جریان و موج، بنابراین افزایش دقت و کیفیت میدان باد شبیهسازی شده نزدیک سطح یکی از پارامترهای مهم و هدف بسیاری از مراکز دانشگاهی و تحقیقاتی و صنعتی میباشد. ازاین رو، شبیه‏ سازی میدان باد سطحی با دقت  1/0 درجه جغرافیایی و در بازه زمانی ۳5 ساله (1983 تا 2017) روی خلیج ‏فارس یکی از اهداف پروژه پایش و شبیه ‏سازی سواحل استان خوزستان می‏باشد.

برای شبیه ‏سازی میدان باد مدل میان مقیاس WRF انتخاب شد که یک مدل تحقیقاتی و پیشبینی جو بوده و در حال حاضر توسط موسسه های تحقیقاتی متعددی در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می‏گیرد.

داده های مورد نیاز این مدل داده های عوارض زمین (شامل نسبت سبزینگی ناهمواری ها دما و رطوبت خاک شامل، آلبدو، نسبت سبزینگی، دمای خاک، ناهمواری‏ها، جنس خاک و کاربری زمین)‌ و میدان های هواشناسی (شامل فشار تراز دریا، فشار سطحی، u و v سطحی، دمای سطحی، رطوبت سطحی و ارتفاع)‌ می‌باشد. که در این مطالعه از داده‌های عوارض زمین جهانی سایت USGS با دقت ۳۰ ثانیه جغرافیایی استفاده شده است و برای داده‌های شرایط مرزی میدان‏های هواشناسی از داده‌های ERA Interim ECMWF  با دقت 75/0 درجه جغرافیایی و گام زمانی ۶ ساعت استفاده شده است.

صحت سنجی مدل با استفاده از اطلاعات دیدبانی ایستگاه‏های سینوپتیک ساحلی و ایستگاه‏های واقع در جزایر و همچنین اطلاعات ماهواره‏های ASCAT و QuikSCAT انجام شده است، که حاکی از همخوانی بالای اطلاعات میدان باد شبیه ‏سازی شده توسط مدل WRF می‏باشد.

 

wind

مدلسازی جریان و تراز آب

مدل سراسری جریان و ترازآب دربرگیرنده کل محدوده خلیج‌فارس و همچنین رودخانه‏های اروندرود، بهمن‏شیر و زهره می‏باشد. این مدل‏سازی در بازه زمانی ۳5 ساله (1983 تا 2017)  برای مدل‏سازی جریان و تراز آب توسط مدول هیدرودینامیک نرم‌افزار MIKE (در حالت دو بعدی MIKE21 HD FM) انجام شده است. در این مدلسازی، از شبکه‌بندی مثلثی و چهارضلعی (منظم و یا منحنی الخط) به کار رفته است. در فرآیند مدل‌سازی، شبیه‌سازی جریان در برگیرنده شرایط هیدرودینامیکی منطقه بوده و نیروهای جزر و مدی، دبی ورودی اروند و نیروی کریولیس لحاظ شده است. در این مدل، تأثیرات خشکی و تری در ساحل لحاظ گردیده است برای شرایط مرزی مدل در این شبیه‌سازی با توجه به شرایط هیدرودینامیکی و داده‌های در دسترس، محدوده مدل طوری انتخاب گردید که دو مرز باز در آن وجود دارد: مرز باز در دریای عمان و در محدوده جاسک و نیز مرز بالادست اروندرود.

 

شبکه‌بندی مدل بزرگ مقیاس جریان کشندی

 

برای مرز جاسک در دریای عمان، از اطلاعات تراز سطح آب استفاده شده است. برای مرز بالادست اروند از دبی ورودی استفاده شده است. بر اساس مطالعات پیشین، دبی ورودی بالادست رودخانه اروند در این مطالعات m3/s 70 در نظر گرفته شده است.

نتایج این مدل‏سازی شامل اطلاعات سرعت و جهت جریان، مولفه ‏های جهتی جریان و تغییرات تراز سطح می‏باشد.

 

سرعت جریانسرعت جریان

 


تغییرات تراز آب
تغییرات تراز آب

 

مدلسازی موج

امواج مربوط به سواحل باز استان خوزستان تابعی از امواج شکل‌گرفته در مقیاس بزرگ بوده و شناخت آن‌ها نیازمند شناخت اقلیم کلی امواج در محدوده شمال غرب خلیج‌فارس است. بنابراین برای شبیه‌سازی این امواج طی یک مدل بزرگ‌مقیاس، تولید شده و انتقال امواج در محدوده خلیج‌فارس با تأکید بر مناطق شمال غربی آن در بازه زمانی ۳5 ساله (1983 تا 2017) شبیه‌سازی شده است. به این منظور از مدل عددی MIKE21-SW استفاده شده است.

برای مدلسازی موج از شبکه محاسباتی ترکیبی (سه ضلعی و چهارضعی) استفاده شده است. این شبکه‌بندی دارای ابعاد 005/0 تا 12/0 درجه در نقاط مختلف بوده است.

 

01

واسنجی مدل با استفاده از ضرایب سفیدک راس موج Cdis و δdis و ضریب زبری بستر صورت گرفته است. ارزیابی نتایج مدل در مقایسه با اندازه‌گیری‌ها در ایستگاه‌های مختلف در اعماق 25، 15، 5 و 4 متری انجام‌شده است. نتایج نشان از همخوانی مناسب مقادیر شبیه‌سازی‌شده با مقادیر اندازه‌گیری شده داشته است. همچنین ارزیابی کمی مقادیر شبیه‌سازی‌شده در مقایسه با اندازه‌گیری‌ها با استفاده از شاخص‌های خطا نیز نشان از دقت مناسب شبیه‌سازی‌ها دارد. برای پریود امواج نیز مقایسه‌ها در ایستگاه‌های مختلف انجام‌گرفته و دقت آن‌ها مناسب بوده است.

 


02
 

 

مطالعات رسوب

در بخش مطالعات رسوب پروژه پایش و مطالعات شبیه‌سازی سواحل استان خوزستان بخش های متنوعی بررسی شده است. در ابتدای کار به معرفی اطلاعات و داده‌های موجود منطقه و مربوط به این مطالعات پرداخته شده است. این اطلاعات شامل دانه‌بندی و جنس رسوبات بستر بر اساس اندازه‌گیری‌های موجود، معرفی تصاویر ماهواره‌ای مورد استفاده، اطلاعات دبی رودخانه‌ها و رابطه آن با دبی رسوبی آن‌ها، غلظت رسوبات معلق و سرعت نشست رسوبات بر اساس اندازه‌گیری‌ها، و نیز الگوی جریانات غالب در سواحل باز و خورها و رودخانه‌ها بوده است. از نظر جنس رسوبات، غالب رسوبات منطقه ریزدانه و از جنس سیلت یا سیلت ماسه‌ای هستند. هر چند در سواحل شرقی استان نواحی‌ای با جنس ماسه‌ای نیز وجود دارد. اطلاعات مربوط به دانه‌بندی رسوبات بستر برای نواحی بوطاهری، بحرکان، مصب زهره، قمر، خور موسی و اطراف آن، بندر امام و نیز دهانه اروند تهیه و ارائه شده است. از این میان بیشترین اطلاعات موجود مربوط به بندر امام خمینی و اطراف آن بوده است. بر اساس این اندازه‌گیری‌ها، غالب رسوبات منطقه در محدوده سیلت با قطر میانه اندازه رسوبات کمتر از 63 میکرون قرار می‌گیرند. شکل زیر الگوی پراکندگی قطر و جنس رسوبات سازنده بستر در منطقه مورد مطالعه را بطور حدودی نشان می دهد.

الگوی پراکندگی رسوبات اصلی سازنده بستر در منطقه مورد مطالعه

الگوی پراکندگی رسوبات اصلی سازنده بستر در منطقه مورد مطالعه

 

در یکی دیگر از بخشهای مطالعات رسوب با مرور اطلاعات دبی و دبی رسوبی اندازه‌گیری شده در ایستگاه‌های هیدرومتری مستقر بر روی رودخانه زهره و رودخانه کارون (به عنوان منبع اصلی تامین کننده رسوبات رودخانه اروند)، رابطه بین این دبی‌ها استخراج و ارائه شده است. همچنین اطلاعات دبی رودخانه بهنشیر و اروند (از دجله و فرات) نیز مورد بررسی قرار گرفته است. برای نمونه نمودار دبی دبی رسوبی برای ایستگاه های پل فلور (رودخانه زهره) و فارسیات (رودخانه کارون) در شکل های زیر نشان داده شده است.

نمودار دبی- دبی رسوب برای ایستگاه پل فلور

نمودار دبی- دبی رسوب برای ایستگاه پل فلور

نمودار دبی- دبی رسوب برای ایستگاه فارسیات

نمودار دبی- دبی رسوب برای ایستگاه فارسیات

 

همچنین در بخش مطالعات رسوب، غلظت رسوبات معلق و سرعت سقوط ذرات اندازه‌گیری شده در منطقه نیز ارائه شده است. این اطلاعات شامل اندازه‌گیری‌ها در نواحی مختلف از جمله خور موسی و نواحی اطراف بندر امام بوده است. بر اساس اطلاعات موجود، متوسط غلظت رسوبات معلق بین 2/0 تا 1 گرم بر لیتر بوده و بیشترین فراوانی مربوط به عدد 4/0 گرم بر لیتر بوده است.

در ادامه مطالعات رسوب تلاش شد تا با مشاهدات محلی و نیز بررسی اطلاعات موجود، مکانیزم انتقال رسوب در سواحل و خورهای استان خوزستان تعیین گردد. بررسی‌ها نشان داد که منشأ اصلی رسوبات منطقه، رسوبات بستر دریا و رسوبات حمل شده توسط رودخانه‌ها هستند. رودخانه‌های کارون از طریق بهمنشیر و اروندرود و رودخانه زهره از طریق دلتای هندیجان به دریا ریخته و حجم عظیمی از رسوبات را به دریا منتقل می‌کنند. خور موسی به عنوان بزرگترین خور کشندی کشور در کنار این رودخانه‌ها واقع شده که با سواحل همجوار و دریا تبادل رسوبی چشمگیری دارد. رسوبات خروجی دلتای رودخانه‌ها در طی مد به درون خور موسی راه می‌یابند و در مقابل رسوبات معلق و کرانه‌ای خور موسی و اروند در طی جزر به کل سواحل باز استان راه می‌یابند. سواحل خور موسی، کاملاً جزر و مدی بوده و طی ترازهای مختلف کشندی به‏طور کامل تر و خشک می‏شوند. این سواحل دارای ارتفاع بسیار اندک بوده و تقریبا هنگام مد به‌صورت کامل مغروق می‏شوند. فرسایش این سواحل یکی از منابع تغذیه رسوبی خور موسی است.

تصویر ماهواره‏ای از انتقال رسوبات رودخانه زهره به نواحی جنوب شرقی و شمال غربی

تصویر ماهواره‏ای از انتقال رسوبات رودخانه زهره به نواحی جنوب شرقی و شمال غربی

وضعیت بسی متری بستر دریا بر اساس هیدروگرافی‌های موجود

وضعیت بسیمتری بستر دریا بر اساس هیدروگرافی‌های موجود (وجود زبانه بزرگ مقیاس رسوبی ناشی از آورد بلند مدت رسوبی زهره به خوبی مشهود است)

همچنین در بخشهای دیگری از مطالعات رسوب ژئومورفولوژی و مورفولوژی منطقه بر اساس اطلاعات موجود مورد بررسی قرار گرفته است. لندفرم‌های غالب ساحلی استان خوزستان شامل لندفرم‌های دشت سیلابی، پهنه گلی، پهنه جزر ومدی و خور است. در این بخش از مطالعات برای بخشهای مختلف سواحل استان خوزستان موقعیت این لندفرم‌ها و خصوصیات آنها تشریح شده است. علاوه‌براین وضعیت مورفولوژیکی دهانه خور موسی و مصب رودهای اروند و زهره در دو سوی آن مورد بررسی قرار گرفته و منابع رسوبی تحت تأثیر قرار دهنده آنها و چگونگی توزیع رسوبات در سواحل آنها تشریح شده است. در ادامه مطالعات همچنین به بررسی تغییرات پروفیل بستر و خط ساحلی و برآورد تغییرات دراز مدت آن پرداخته شده است. برای ارزیابی تغییرات خط ساحلی از مقایسه ادواری تصاویر ماهواره‌ای استفاده شده است. همچنین جهت بررسی تغییرات پروفیل بستر و برآورد تغییرات دراز مدت آن، از مقایسه هیدروگرافی‌های ادواری موجود منطقه بهره گرفته شده است. علاوه بر این نتایج بررسی وضعیت پیچانرودی و تغییرات مئاندری رودخانه‌های زهره، بهمنشیر و اروند ارائه شده است. بر این اساس رودخانه زهره بیشترین تغییرات مئاندری را در بستر دشتی که در آن جاری است داشته است، در حالیکه بهمنشیر و اروند تغییرات چندانی در این زمینه نداشته‌اند.

قطع‌شدگی پیچش‌های مسیر رودخانه زهره در نزدیکی محل نصب آن

قطع‌شدگی پیچش‌های مسیر رودخانه زهره در نزدیکی محل مصب آن در تصاویر مربوط به سال‌های 1356 و 1395

طبیعت دینامیکی رود زهره (منطقه امیر نعمائی)

طبیعت دینامیکی رود زهره (منطقه امیر نعمائی)

در بخش دیگری از مطالعات رسوب پروژه پایش خوزستان وسعت پلوم رسوبی رودخانه‌ها بر اساس تصاویرماهواره‌ای مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. بر این اساس با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای برای روزهای مختلف، میزان وسعت پلوم رسوبی تخلیه شده از سوی رودخانه‌های زهره و اروند در مصب آنها بدست آمده است. سپس با بررسی وضعیت بارش در حوضه آبریز این رودخانه‌ها، میزان همبستگی میان وسعت پلوم رسوبی و بارش در حوضه بدست آمده است.

همبستگی بین بارش تجمعی و وسعت پلوم رسوبی در مصب در رودخانه زهره

همبستگی بین بارش تجمعی و وسعت پلوم رسوبی در مصب در رودخانه زهره

 

در ادامه، به شبیه سازی دوبعدی انتقال رسوب و ارزیابی نتایج شبیه‌سازی در سواحل استان خوزستان پرداخته شده است. برای مدل سازی رسوب، با توجه به جنس رسوبات منطقه که عمدتا از نوع چسبنده ریزدانه هستند، از ماژول Mud Transport (MT) مدل عددی MIKE21 استفاده شده است. در این مطالعه با توجه به اینکه مصب رودخانه ها و محیط دریای باز در معرض امواج نیز قرار دارد، شبیه‌سازی با در نظر گرفتن اثر توأم موج و جریان (MIKE21 FM-MT) انجام شده است. مدل رسوب اجرا شده بطور همزمان با مدل هیدرودینامیک (جریان و تراز آب) اجرا شده و اطلاعات پایه ورودی مدل رسوب از مدل هیدرودینامیک در هر گام زمانی اخذ شده است.

 شبکه‌بندی مورد استفاده در مدل‌سازی دو بعدی انتقال رسوب

شبکه‌بندی مورد استفاده در مدل‌سازی دو بعدی انتقال رسوب

برای شرایط مرزی مدل هیدرودینامیک در مرز باز جنوبی مدل از اطلاعات استخراج شده از مدل سراسری موج و جریان خلیج‌فارس (اجرا شده در پروژه پایش و شبیه‌سازی سواحل استان خوزستان) استفاده شده است. برای دبی وارده از رودخانه‌های اروند، بهمنشیر و زهره، شبیه‌سازی سرتاسری این رودخانه‌ها به همراه مدل کلی سواحل خلیج‌فارس منجر به افزایش قابل توجه و غیر منطقی زمان اجرای مدل می‌گردد. بنابراین شرایط سیلابی این رودخانه‌ها به‌صورت مجزا و در غالب مطالعات رودخانه‌های جزر و مدی سواحل استان خوزستان اجرا شده و خروجی آن مدلها در نزدیکی دهانه آنها استخراج و به عنوان شرایط مرزی در مدل فعلی استفاده شده است.

مقایسه غلظت رسوبات معلق نتایج مدلسازی و مقادیر اندازه‌گیری نسان می‏دهد که اندازه‌گیری‌های غلظت رسوبات معلق خروجی مدل همخوانی مناسبی با داده‌های اندازه‌گیری شده در بار موسی دارند.

مقایسه غلظت رسوبات معلق نتایج مدلسازی و مقادیر اندازه‌گیری

 

تغییرات تراز بستر خروجی مدل در اطراف بندر امام در انتهای یکسال شبیه‌سازی در شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که دیده می‌شود بیشترین میزان نشست رسوبات در قسمت جنوب غربی بندر و روبروی خور موسی رخ می‌دهد. با ارزیابی بسیمتری منطقه کم عمق بودن این ناحیه نسبت به سایر نواحی اطراف بندر امام به خوبی دیده می‌شود که همخوان با نتایج مدل است. لازم به ذکر است که رسوبگذاری در این منطقه (ناحیه نارنجی رنگ دراین شکل) توسط شواهد محلی نیز تایید شده و بیشترین لایروبی بندر امام در این ناحیه صورت می‌پذیرد.

تغییرات تراز بستر خروجی مدل در اطراف بندر امام در انتهای یکسال شبیه‌سازی

تغییرات تراز بستر خروجی مدل در اطراف بندر امام در انتهای یکسال شبیه‌سازی

بسی متری خورهای اطراف بندر امام

بسی متری خورهای اطراف بندر امام


تغییرات وسعت پراکنش رسوبات در مدل و مقایسه آن با تصویر ماهواره‌ای 02
تغییرات وسعت پراکنش رسوبات در مدل و مقایسه آن با تصویر ماهواره‌ای 01

تغییرات وسعت پراکنش رسوبات در مدل و مقایسه آن با تصویر ماهواره‌ای ثبت شده در 17/8/2017

 

در انتها به ارائه مفهوم سلول رسوبی پرداخته شده و تعیین سلول‌ها و زیرسلول‌های رسوبی سواحل استان خوزستان انجام گرفته است. با بررسی وضعیت پراکنش رسوبات معلق را در سواحل استان خوزستان مشخص شد که خور بزرگ موسی و دلتاهای رودخانه‌های اروند، بهمنشیر و زهره از مهمترین عوارض جغرافیایی سواحل استان خوزستان به شمار می‌روند که با یکدیگر و دریا تبادل رسوبی چشمگیری دارند و دماغه‌ها و عوارض طبیعی موجود‌ قادر به محدود ساختن انتقال رسوبات بین این نواحی نیستند. بنابراین، عملا کل سواحل استان خوزستان در یک سلول رسوبی جای می‌گیرد.

وضعیت پراکنش رسوبات معلق در سواحل استان خوزستان

وضعیت پراکنش رسوبات معلق در سواحل استان خوزستان (11/01/2019)