تغییرات خط ساحل دریای خزر با استفاده از مدل ریاضی (مطالعه موردی بندر امیرآباد)

 

 

چکیده

سواحل دریاها بدون دخالت­های انسانی، پایداری طبیعی خود را حفظ نموده و علیرغم تغییرات کوتاه مدت، نهایتاً با یک محیط زیست سالم ساحلی مواجه هستیم. منطقه امیرآباد مازندران طی سال­های اخیر با تحولات توسعه­ای از جمله احداث بندر امیرآباد همراه بوده و لذا تغییرات خط ساحل این منطقه در سال­های اخیر، هم ناشی از نوسانات دریا و هم حاصل احداث سازه در منطقه می­باشد. سواحل منطقه امیرآباد به دلیل احداث تأسیسات بندری از وضعیت تعادل و پایداری خارج شده و در سواحل بالادست­(ضلع غربی)و پایین­دست­(ضلع شرقی) به ترتیب رسوبگذاری و فرسایش دیده می­شود. منطقه ویژه اقتصادی امیرآباد در سه فاز طراحی شده، که در مجموع با داشتن ۳۴ پست اسکله در آینده نزدیک به بزرگترین و مهمترین بندر حاشیه دریای مازندران تبدیل می­گردد. با توجه به اینکه بندر امیرآباد در حال توسعه بوده، شناختی کاربردی و مناسب از مشخصات این منطقه امری ضروری است. به دلیل هزینه بالای برداشت­های دریایی به صورت گسترده، امروزه با بالارفتن سرعت پردازش رایانه­ها و نیز رشد روش­های عددی برای حل معادلات حاکم بر فیزیک مسأله، معمولاً جهت پیش­بینی خصوصیات پدیده­های هیدرودینامیکی از شبیه­سازی عددی استفاده می­گردد. در این تحقیق، با توجه به اطلاعات باد و موج دوره زمانی ۱۱ ساله مربوط به سال­های ۱۹۹۲ تا ۲۰۰۳، به بررسی امواج و جریان­های ناشی از آنها در محدوده بندر امیرآباد با استفاده از مدول­های SW  و  HD  نرم­افزار MIKE 21  پرداخته شده و بر اساس جریان­های کرانه­ای، نرخ انتقال رسوب کرانه ناشی از موج در این منطقه تعیین گردیده است. بر اساس نتایج مدل جریان، الگوی غالب جریان از سمت غرب به شرق و بر عکس می­باشد. به تبعیت الگوی جریان، انتقال رسوب در منطقه نیز از سمت غرب به شرق و بر عکس می­باشد. نرخ انتقال رسوب در مدل دو بعدی حدود ۱۰۰۰ متر­مکعب از سمت غرب به شرق و حدود ۵۰۰ مترمکعب از سمت شرق به غرب در یک سال می­باشد. بر اساس شواهد تصاویر  ماهواره­ای و بررسی تحقیقات گذشته، پتانسیل نرخ انتقال در سمت غرب تأمین می­گردد و لذا پتانسیل سمت شرق برآورد نمی­گردد.

با توجه به میزان نشست رسوب، توقع می‏رود تا ده سال آینده ظرفیت حجم رسوب در پشت بازوی غربی پر نگردد و از این حیث نگرانی کوتاه­مدت وجود ندارد. جهت مرتفع نمودن این مشکل در بلند مدت می­توان از لایروبی و یا ساخت رانه رسوب­گیر استفاده کرد. در این پروژه، با احداث یک رانه رسوب­گیر در امتداد بازوی غربی، به رفع مشکل پرداخته شده، که با توجه به نرخ نشست سالیانه حدود ۱۵۰۰ متر­مکعب در سال حدود ۲۰۰ سال مشکل انتقال در سمت غرب بندر امیرآباد مرتفع  می­گردد.

واژه­های کلیدی : بندر امیرآباد ، باد و موج ، رسوب و فرسایش ، مایک ۲۱

 

فهرست مطالب

فصل اول: مقدمه ۷

۱-۱- مقدمه. ۸

۱-۲- بیان مسئله تحقیق.. ۹

۱-۳- اهمیت و ضرورت انجام تحقیق.. ۱۰

۱-۴- نوآوری تحقیق.. ۱۲

۱-۵- اهداف تحقیق.. ۱۲

۱-۶- فرضیات تحقیق و محدودیت­ها ۱۳

۱-۷- روش­شناسی تحقیق.. ۱۴

۱-۸- ساختار فصول پایان­نامه. ۱۵

فصل دوم : تعاریف و مروری بر منابع  ۱۷

۲-۱- مقدمه. ۱۸

۲-۲- تعاریف… ۱۸

۲-۲-۱- محیط ساحلی.. ۱۸

۲-۲-۲- امواج ثقلی سطح.. ۱۸

۲-۲-۳- انرژی موج.. ۱۸

۲-۲-۴- توان موج.. ۱۹

۲-۲-۵- انعکاس موج.. ۱۹

۲-۲-۶- اثرات باد. ۱۹

۲-۲-۷- تنش تشعشعی.. ۲۰

۲-۲-۸- امواج ایستا ۲۰

۲-۲-۹- شکست موج.. ۲۰

۲-۲-۱۰- انکسار موج.. ۲۲

۲-۲-۱۱- تفرق موج.. ۲۲

۲-۲-۱۲- سرعت گروه موج.. ۲۲

۲-۲-۱۳- تسونامی.. ۲۳

۲-۲-۱۴- جریان‌های ساحلی.. ۲۳

۲-۲-۱۵- فرآیندهای ناحیه ساحلی.. ۲۳

۲-۲-۱۶- نیمر‌خ ساحلی و تغییرات آن.. ۲۴

۲-۲-۱۷- نیمرخ تابستانی ونیمرخ زمستانی.. ۲۴

۲-۲-۱۸- سازه‌های عمود بر ساحل. ۲۴

۲-۲-۱۹- سازه­های موازی ساحل. ۲۶

۲-۲-۲۰- احیاء ساحل و تخلیه رسوب.. ۲۶

۲-۲-۲۱- مبانی نظری.. ۲۷

۲-۳- مروری بر ادبیات موضوع.. ۲۷

فصل سوم: روش تحقیق ۳۴

۳-۱- مقدمه. ۳۵

۳-۲- معرفی نرم­افزار. ۳۵

۳-۲-۱- مدول­های نرم­افزار مایک ۲۱٫٫ ۳۶

-۲-۲-۳ قابلیت­های نرم­افزار مایک ۲۱٫٫ ۳۷

۳-۳- مراحل اجرای مدل و معادلات بکار رفته در مدول­ها ۳۹

۱-۳-۳- مدل­سازی انتشار امواج- مدول SW… 40

3-3-1-1- معادلات پایه در مدل sw…………………………………………………………………………………………….43

3-3-1-2- معادلات پایستگی کنش موج………………………………………………………………………………………….۴۳

۳-۳-۱-۳- توابع مربوطه به چشمه……………………………………………………………………………………………………۴۴

۳-۳-۱-۴- ورودی باد………………………………………………………………………………………………………………………..۴۴

۳-۳-۱-۵- تشکیل سپیدک رأس موج………………………………………………………………………………………………۴۵

۳-۳-۱-۶- اصطکاک بستر………………………………………………………………………………………………………………..۴۶

۳-۳-۱-۷- شکست موج……………………………………………………………………………………………………………………۴۹

۳-۳-۱-۸- شرایط مرزی…………………………………………………………………………………………………………………۵۰

۳-۳-۲- مدول هیدرودینامیک (HD  ). ۵۰

۳-۳-۳- مدول انتقال رسوب ( ST ). 53

3-4- منطقه مورد پژوهش… ۵۸

۱-۴-۳- جغرافیای خزر. ۵۸

۳-۴-۲- موقعیت بندر امیرآباد. ۵۹

۳-۵- مشخصات باد و موج منطقه. ۶۳

۳-۶- مشخصات توپوگرافی و عمق­نگاری منطقه. ۶۶

فصل چهارم: نحوه برپایی و اجرای مدل­ها ۷۱

۴-۱- مدل­سازی انتقال موج از آب عمیق تا  محدوده­ی مطالعاتی بندر. ۷۲

۴-۲- تعیین گام زمانی حل معادلات.. ۷۵

-۳-۴ ضرایب ثابت مدل­سازی.. ۷۵

۴-۴- اجرای مدل و خروجی­های نرم­افزار. ۷۶

۴-۵-  بحث ونتیجه­گیری ازخروجی مدل­ها ۷۷

۴-۵-۱- خروجی مدل موج و جریان.. ۷۷

۲-۵-۴- نتایج خروجی مدل رسوب.. ۸۸

۴-۵-۲-۱- پتانسیل انتقال رسوب از غرب به شرق…………………………………………………………………………..۸۸

۴-۵-۲-۲- پتانسیل انتقال رسوب از شرق به غرب…………………………………………………………………………..۹۰

۴-۵-۲-۳- پتانسیل انتقال رسوب در دهانه بندر……………………………………………………………………………….۹۲

۴-۶- بررسی شواهد میدانی و تحقیقات گذشته. ۹۴

-۱-۶-۴ ارزیابی نحوه جابجایی خطوط ساحلی از سال ۱۳۴۵ تا سال ۱۳۸۳٫٫ ۹۴

۴-۶-۲- ارزیابی نحوه جابجایی خطوط ساحلی از سال ۱۳۸۳  تا سال ۱۳۹۱٫٫ ۹۸

فصل پنجم: نتیجه گیری وپیشنهادها ۱۰۱

۵-۱- بحث و نتیجه­گیری.. ۱۰۲

۵-۲- پیشنهادات و راهکارها ۱۰۴

 

5-2-1- پیشنهادات.. ۱۰۴

۲-۲-۵- راهکارها ۱۰۵

منابع  ۱۰۷

فهرست شکل­ها

شکل (‏۲‑­۱) طیف نمونه انر‍‍‍ژی موج اقیانوسی.. ۱۹

شکل (‏۲‑۲) نحوه تشکیل امواج ایستا ۲۰

شکل (‏۲‑۳) رده بندی شکست موج.. ۲۲

شکل (‏۲‑۴) آبشکن­های عمود بر ساحل. ۲۵

شکل (‏۲‑۵) موج­شکن­های موازی ساحل. ۲۶

شکل (‏۲‑۶) موقعیت بندر امیرآباد در سواحل جنوب شرقی دریای خزر. ۳۰

شکل(‏۳‑۱) موقعیت بندر امیرآباد در سواحل جنوب شرقی دریای خزر. ۵۹

شکل( ‏۳‑۲) بندر امیرآباد. ۶۱

شکل (‏۳‑۳) طرح توسعه بندر امیرآباد. ۶۲

شکل (‏۳‑۴) نمایش گل­موج آب عمیق در ناحیه مرزی.. ۶۴

شکل( ‏۳‑۵) نمایش سری­زمانی موج آب عمیق در ناحیه مرزی.. ۶۴

شکل (‏۳‑۶) نمایش گل­باد در آب عمیق در ناحیه مرزی.. ۶۵

شکل (‏۳‑۷)نمایش سری­زمانی باد در آب عمیق در ناحیه مرزی.. ۶۶

شکل (‏۳‑۸) عمق آب در حوالی بندر و فراساحل. ۶۷

شکل (‏۳‑۹) نقشه عمق­نگاری با مقیاس ۱:۵۰۰۰٫ ۶۸

شکل (‏۳‑۱۰) عمق­نگاری در محدوده بندر. ۶۹

شکل (‏۴‑۱) نحوه ساختار شبکه­بندی عمق­نگاری جهت انتقال موج.. ۷۴

شکل (‏۴‑۲) نحوه ریزشدن شبکه­بندی عمق­نگاری در محدوده بندر. ۷۴

شکل (‏۴‑۳) موقعیت استخراج مشخصات موج از ناحیه آب عمیق تا محدوده بندر. ۷۸

شکل (‏۴‑۴) الف تا ی ،گل­موج­های استخراج شده از ناحیه آب عمیق تا محدوده بندر. ۷۹

شکل (‏۴‑۵) سری­زمانی مشخصات موج استخراج شده از ناحیه آب عمیق تا محدوده بندر. ۸۴

شکل (‏۴‑۶) لف و ب نمونه­هایی از الگوی انتشار جریان از شرق به غرب در محدوده بندر در سال۱۹۹۶٫ ۸۵

شکل (‏۴‑۷) الف و ب ، نمونه­هایی از الگوی انتشار جریان از غرب به شرق در  محدوده بندر در سال ۱۹۹۶  ۸۷

شکل (‏۴‑۸) مقطع عمود بر ساحل غربی محدوده بندر. ۸۹

شکل (‏۴‑۹) نرخ انتقال رسوبات عبوری از مقطع عمود بر ساحل غربی محدوده بندر. ۸۹

شکل (‏۴‑۱۰) مقطع عمود بر ساحل شرقی محدوده بندر. ۹۱

شکل (‏۴‑۱۱) نرخ انتقال رسوبات عبوری از مقطع عمود بر ساحل شرقی محدوده بندر. ۹۱

شکل (‏۴‑۱۲) مقطع مقابل دهانه ورودی بندر. ۹۳

شکل (‏۴‑۱۳) نرخ انتقال رسوبات عبوری از مقطع مقابل دهانه بندر. ۹۳

شکل (‏۴‑۱۴) وضعیت تغییرات خط ساحل در منطقه بندر امیرآباد در بازه زمانی ۱۳۴۵ تا ۱۳۸۳   ۹۵

شکل (‏۴‑۱۵) مقایسه تغییرات خط ساحلی در شراط احداث و عدم احداث بندردر بازه زمانی ۱۳۴۵ تا ۱۳۸۳   ۹۷

شکل (‏۴‑۱۶) وضعیت تغییرات خط ساحل در منطقه بندر امیرآباد در بازه زمانی ۱۳۸۳تا ۱۳۹۱ در دو ضلع شرقی و غربی………………………………………………………………………………….. ۹۹

شکل (‏۵‑۱) نمونه ای از اطاله بازوی اصلی بندر امیرآباد جهت ترفیع مشکل انتقال رسوب از سمت غرب به سمت دهانه بندر. ۱۰۳

فهرست جداول

جدول ‏۴‑۱- ارزیابی مختصات نقاط و فاصله آنها از بندر. ۷۷

جدول ‏۴‑۲- ارزیابی تغییرات در ضلع شرقی بندر در بازه زمانی ­۱۳۴۵­ تا ۱۳۸۳٫٫ ۹۶

جدول ‏۴‑۳-­ ارزیابی تغییرات در ضلع غربی بندر در بازه زمانی ۱۳۴۵ تا ۱۳۸۳­ ۹۶

فصل اول:
مقدمه

 

1-1-    مقدمه

سواحل تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند موج، جریان و باد قرار دارند. این عوامل موجب فرسایش و رسوبگذاری در سواحل می­شوند. یکی از مهم‌ترین و مؤثرترین فرآیندهای انتقال رسوب در مناطق ساحلی، انتقال رسوب کرانه‌ای[۱] می‌باشد و بررسی کیفی و کمی این پدیده سبب درک بهتری از رژیم فرسایش و رسوبگذاری در اطراف بندر و سازه‌های ساحلی می­گردد. سرعت و جهت جریان‌های دریایی یکی از اصلی‌ترین پارامترهای هیدرودینامیکی موثر در انتقال رسوب می‌باشند. جریان‌های کرانه‌ای به سبب تأثیرات متقابل موج و بستر دریا، در ناحیه شکست امواج[۲] ایجاد می­گردند. در این ناحیه گرادیان ایجاد­­ شده در تنش‌های برشی سبب تشکیل جریان‌های کرانه‌ای می­گردد، که این جریان‌ها در انتقال بار رسوبی محدوده­ی ساحلی نقش عمده‌ای به عهده دارند. منطقه شکست از لحاظ پدیده­های هیدرودینامیکی، فعالترین ناحیه ساحلی است که در آن انتقال رسوب و تغییرات بستر دریا در اثر امواج شکنا و جریان­های نزدیک ساحل به وقوع می­پیوندد. در نزدیکی ساحل، عمق متغیر آب می­تواند تغییرات عمده­ای در شرایط موج در فاصله کم ایجاد کند. در واقع پارامتر مهم فیزیکی، عمق آبی است که امواج سطحی روی آن حرکت می­کنند. در طبیعت، عمق آب ثابت نیست و در اثر گردباد، خیزش طوفان یا دیگر دلایل، تغییر می­کند. این تغییرات سطح آب، بر الگوی شکست موج تأثیر می­گذارد

 

12000 تومان – خرید