این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
چکیده
سواحل دریاها بدون دخالت¬هاي انسانی، پایداري طبیعی خود را حفظ نموده و علیرغم تغییرات کوتاه مدت، نهایتاً با یک محیط زیست سالم ساحلی مواجه هستیم. منطقه امیرآباد مازندران طی سال¬هاي اخیر با تحولات توسعه¬اي از جمله احداث بندر امیرآباد همراه بوده و لذا تغییرات خط ساحل این منطقه در سال¬های اخیر، هم ناشی از نوسانات دریا و هم حاصل احداث سازه در منطقه می¬باشد. سواحل منطقه امیرآباد به دلیل احداث تأسیسات بندري از وضعیت تعادل و پایداري خارج شده و در سواحل بالادست¬(ضلع غربی)و پایین¬دست¬(ضلع شرقی) به ترتیب رسوبگذاري و فرسایش دیده می¬شود. منطقه ویژه اقتصادي امیرآباد در سه فاز طراحی شده، که در مجموع با داشتن 34 پست اسکله در آینده نزدیک به بزرگترین و مهمترین بندر حاشیه دریاي مازندران تبدیل می¬گردد. با توجه به اینکه بندر امیرآباد در حال توسعه بوده، شناختی کاربردي و مناسب از مشخصات این منطقه امري ضروري است. به دلیل هزینه بالاي برداشت¬هاي دریایی به صورت گسترده، امروزه با بالارفتن سرعت پردازش رایانه¬ها و نیز رشد روش¬هاي عددي براي حل معادلات حاکم بر فیزیک مسأله، معمولاً جهت پیش¬بینی خصوصیات پدیده¬هاي هیدرودینامیکی از شبیه¬سازي عددي استفاده می¬گردد. در این تحقیق، با توجه به اطلاعات باد و موج دوره زمانی 11 ساله مربوط به سال¬های 1992 تا 2003، به بررسی امواج و جریان¬هاي ناشی از آنها در محدوده بندر امیرآباد با استفاده از مدول¬هاي SW و HD نرم¬افزار MIKE 21 پرداخته شده و بر اساس جریان¬های کرانه¬ای، نرخ انتقال رسوب کرانه ناشی از موج در این منطقه تعیین گردیده است. بر اساس نتايج مدل جريان، الگوي غالب جريان از سمت غرب به شرق و بر عكس مي¬باشد. به تبعيت الگوی جريان، انتقال رسوب در منطقه نیز از سمت غرب به شرق و بر عكس مي¬باشد. نرخ انتقال رسوب در مدل دو بعدي حدود 1000 متر¬مكعب از سمت غرب به شرق و حدود 500 مترمكعب از سمت شرق به غرب در یک سال مي¬باشد. بر اساس شواهد تصاوير ماهواره¬اي و بررسي تحقيقات گذشته، پتانسيل نرخ انتقال در سمت غرب تأمين مي¬گردد و لذا پتانسيل سمت شرق برآورد نمي¬گردد.
با توجه به ميزان نشست رسوب، توقع ميرود تا ده سال آينده ظرفيت حجم رسوب در پشت بازوي غربي پر نگردد و از اين حيث نگراني كوتاه¬مدت وجود ندارد. جهت مرتفع نمودن اين مشكل در بلند مدت مي¬توان از لایروبی و یا ساخت رانه رسوب¬گیر استفاده کرد. در این پروژه، با احداث يك رانه رسوب¬گير در امتداد بازوي غربي، به رفع مشكل پرداخته شده، كه با توجه به نرخ نشست ساليانه حدود 1500 متر¬مكعب در سال حدود 200 سال مشكل انتقال در سمت غرب بندر اميرآباد مرتفع مي¬گردد.
واژه¬های کلیدی : بندر امیرآباد ، باد و موج ، رسوب و فرسایش ، مایک 21
فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه 7
1-1- مقدمه 8
1-2- بیان مسئله تحقیق 9
1-3- اهمیت و ضرورت انجام تحقیق 10
1-4- نوآوری تحقیق 12
1-5- اهداف تحقیق 12
1-6- فرضیات تحقیق و محدودیت¬ها 13
1-7- روش¬شناسی تحقیق 14
1-8- ساختار فصول پایان¬نامه 15
فصل دوم : تعاریف و مروري بر منابع 17
2-1- مقدمه 18
2-2- تعاریف 18
2-2-1- محیط ساحلی 18
2-2-2- امواج ثقلی سطح 18
2-2-3- انرژی موج 18
2-2-4- توان موج 19
2-2-5- انعکاس موج 19
2-2-6- اثرات باد 19
2-2-7- تنش تشعشعی 20
2-2-8- امواج ایستا 20
2-2-9- شکست موج 20
2-2-10- انکسار موج 22
2-2-11- تفرق موج 22
2-2-12- سرعت گروه موج 22
2-2-13- تسونامی 23
2-2-14- جریان‌های ساحلی 23
2-2-15- فرآیندهای ناحیه ساحلی 23
2-2-16- نیمرخ ساحلی و تغییرات آن 24
2-2-17- نیمرخ تابستانی ونیمرخ زمستانی 24
2-2-18- سازه‌های عمود بر ساحل 24
2-2-19- سازه¬های موازی ساحل 26
2-2-20- احیاء ساحل و تخلیه رسوب 26
2-2-21- مباني نظري 27
2-3- مروري بر ادبيات موضوع 27
فصل سوم: روش تحقیق 34
3-1- مقدمه 35
3-2- معرفی نرم¬افزار 35
3-2-1- مدول¬های نرم¬افزار مایک 21 36
-2-2-3 قابلیت¬های نرم¬افزار مایک 21 37
3-3- مراحل اجرای مدل و معادلات بکار رفته در مدول¬ها 39
1-3-3- مدل¬سازی انتشار امواج- مدول SW 40
3-3-1-1- معادلات پايه در مدل sw..........................................................................................................43
3-3-1-2- معادلات پايستگي كنش موج.......................................................................................................43
3-3-1-3- توابع مربوطه به چشمه..................................................................................................................44
3-3-1-4- ورودي باد.........................................................................................................................................44
3-3-1-5- تشكيل سپيدک رأس موج............................................................................................................45
3-3-1-6- اصطكاك بستر................................................................................................................................46
3-3-1-7- شكست موج....................................................................................................................................49
3-3-1-8- شرايط مرزي.................................................................................................................................50
3-3-2- مدول هیدرودینامیک (HD ) 50
3-3-3- مدول انتقال رسوب ( ST ) 53
3-4- منطقه مورد پژوهش 58
1-4-3- جغرافیای خزر 58
3-4-2- موقعیت بندر امیرآباد 59
3-5- مشخصات باد و موج منطقه 63
3-6- مشخصات توپوگرافی و عمق¬نگاری منطقه 66
فصل چهارم: نحوه برپایی و اجرای مدل¬ها 71
4-1- مدل¬سازي انتقال موج از آب عمیق تا محدوده¬ي مطالعاتي بندر 72
4-2- تعیین گام زمانی حل معادلات 75
-3-4 ضرایب ثابت مدل¬سازی 75
4-4- اجرای مدل و خروجی¬های نرم¬افزار 76
4-5- بحث ونتیجه¬گیری ازخروجی مدل¬ها 77
4-5-1- خروجی مدل موج و جریان 77
2-5-4- نتایج خروجی مدل رسوب 88
4-5-2-1- پتانسیل انتقال رسوب از غرب به شرق......................................................................................88
4-5-2-2- پتانسیل انتقال رسوب از شرق به غرب......................................................................................90
4-5-2-3- پتانسیل انتقال رسوب در دهانه بندر...........................................................................................92
4-6- بررسي شواهد ميداني و تحقيقات گذشته 94
-1-6-4 ارزیابی نحوه جابجایی خطوط ساحلی از سال 1345 تا سال 1383 94
4-6-2- ارزیابی نحوه جابجایی خطوط ساحلی از سال 1383 تا سال 1391 98
فصل پنجم: نتیجه گیری وپیشنهادها 101
5-1- بحث و نتیجه¬گیری 102
5-2- پیشنهادات و راهکارها 104
5-2-1- پیشنهادات 104
2-2-5- راهکارها 105
منابع 107
فهرست شکل¬ها
شکل (2 ¬1) طيف نمونه انرژي موج اقيانوسي 19
شکل (2 2) نحوه تشکیل امواج ایستا 20
شکل (2 3) رده بندی شکست موج 22
شکل (2 4) آبشکن¬های عمود بر ساحل 25
شکل (2 5) موج¬شکن¬های موازی ساحل 26
شکل (2 6) موقعیت بندر امیرآباد در سواحل جنوب شرقی دریاي خزر 30
شکل(3 1) موقعیت بندر امیرآباد در سواحل جنوب شرقی دریاي خزر 59
شکل( 3 2) بندر امیرآباد 61
شکل (3 3) طرح توسعه بندر امیرآباد 62
شکل (3 4) نمایش گل¬موج آب عمیق در ناحیه مرزی 64
شکل( 3 5) نمایش سری¬زمانی موج آب عمیق در ناحیه مرزی 64
شکل (3 6) نمایش گل¬باد در آب عمیق در ناحیه مرزی 65
شکل (3 7)نمایش سری¬زمانی باد در آب عمیق در ناحیه مرزی 66
شکل (3 8) عمق آب در حوالی بندر و فراساحل 67
شکل (3 9) نقشه عمق¬نگاری با مقیاس 1:5000 68
شکل (3 10) عمق¬نگاری در محدوده بندر 69
شکل (4 1) نحوه ساختار شبکه¬بندی عمق¬نگاری جهت انتقال موج 74
شکل (4 2) نحوه ریزشدن شبکه¬بندی عمق¬نگاری در محدوده بندر 74
شکل (4 3) موقعیت استخراج مشخصات موج از ناحیه آب عمیق تا محدوده بندر 78
شکل (4 4) الف تا ی ،گل¬موج¬های استخراج شده از ناحیه آب عمیق تا محدوده بندر 79
شکل (4 5) سری¬زمانی مشخصات موج استخراج شده از ناحیه آب عمیق تا محدوده بندر 84
شکل (4 6) لف و ب نمونه¬هايي از الگوي انتشار جريان از شرق به غرب در محدوده بندر در سال1996 85
شکل (4 7) الف و ب ، نمونه¬هايي از الگوي انتشار جريان از غرب به شرق در محدوده بندر در سال 1996 87
شکل (4 8) مقطع عمود بر ساحل غربي محدوده بندر 89
شکل (4 9) نرخ انتقال رسوبات عبوري از مقطع عمود بر ساحل غربي محدوده بندر 89
شکل (4 10) مقطع عمود بر ساحل شرقي محدوده بندر 91
شکل (4 11) نرخ انتقال رسوبات عبوري از مقطع عمود بر ساحل شرقي محدوده بندر 91
شکل (4 12) مقطع مقابل دهانه ورودی بندر 93
شکل (4 13) نرخ انتقال رسوبات عبوري از مقطع مقابل دهانه بندر 93
شکل (4 14) وضعیت تغییرات خط ساحل در منطقه بندر امیرآباد در بازه زمانی 1345 تا 1383 95
شکل (4 15) مقایسه تغییرات خط ساحلی در شراط احداث و عدم احداث بندردر بازه زمانی 1345 تا 1383 97
شکل (4 16) وضعیت تغییرات خط ساحل در منطقه بندر امیرآباد در بازه زمانی 1383تا 1391 در دو ضلع شرقی و غربی 99
شکل (5 1) نمونه اي از اطاله بازوي اصلي بندر اميرآباد جهت ترفيع مشكل انتقال رسوب از سمت غرب به سمت دهانه بندر 103
فهرست جداول
جدول 4 1- ارزیابی مختصات نقاط و فاصله آنها از بندر 77
جدول 4 2- ارزیابی تغییرات در ضلع شرقی بندر در بازه زمانی ¬1345¬ تا 1383 96
جدول 4 3-¬ ارزیابی تغییرات در ضلع غربی بندر در بازه زمانی 1345 تا 1383¬ 96
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 می¬شوند. یکی از مهم‌ترين و مؤثرترين فرآيندهاي انتقال رسوب در مناطق ساحلی، انتقال رسوب كرانه‌اي مي‌باشد و بررسي كيفي و كمي اين پديده سبب درك بهتري از رژيم فرسايش و رسوبگذاری در اطراف بندر و سازه‌های ساحلی مي¬گردد. سرعت و جهت جريان‌هاي دريايي یکی از اصلي‌ترين پارامترهای هيدروديناميکي موثر در انتقال رسوب مي‌باشند. جریان‌هاي كرانه‌اي به سبب تأثيرات متقابل موج و بستر دريا، در ناحية شكست امواج ايجاد مي¬گردند. در اين ناحيه گراديان ايجاد¬¬ شده در تنش‌هاي برشي سبب تشكيل جریان‌هاي كرانه‌اي مي¬گردد، كه اين جریان‌ها در انتقال بار رسوبي محدوده¬ی ساحلي نقش عمده‌اي به عهده دارند. منطقه شکست از لحاظ پدیده¬های هیدرودینامیکی، فعالترین ناحیه ساحلی است که در آن انتقال رسوب و تغییرات بستر دریا در اثر امواج شکنا و جریان¬های نزدیک ساحل به وقوع می¬پیوندد. در نزدیکی ساحل، عمق متغیر آب می¬تواند تغییرات عمده¬ای در شرایط موج در فاصله کم ایجاد کند. در واقع پارامتر مهم فیزیکی، عمق آبی است که امواج سطحی روی آن حرکت می¬کنند. در طبیعت، عمق آب ثابت نیست و در اثر گردباد، خیزش طوفان یا دیگر دلایل، تغییر می¬کند. این تغییرات سطح آب، بر الگوی شکست موج تأثیر می¬گذارد. در ناحیه شکست می¬بایست تغییرات موج، تراز سطح آب و مشخصات جریان¬های ساحلی محاسبه شود تا بر اساس آنها امکان برآورد تخریب ناشی از طوفان( ناشی از سیلاب یا امواج )، محاسبه تغییرشکل تدریجی خط ساحلی و تغییر شکل پروفیل عمود بر ساحل و طراحی ایمن سازه¬های¬ ساحلی ( همچون آبشکن¬ها و دیواره¬های حفاظت ساحلی) فراهم گردد[1]¬.
امواج که به ساحل نزدیک می¬شوند تحت تأثیر پدیده¬هایی نظیر تفرق و شکست، انرژی آنها افزایش یافته و می¬توانند پدیده¬های فرسایش را تسریع بخشند. از عوامل مؤثر بر فرسایش سواحل، دخالت-های انسانی و ساخت سازه¬های ساحلی است، چنانچه این سازه¬ها به درستی جانمایی نگردند، می-توانند اثرات تخریبی قابل توجهی به ساحل و فرسایش آن داشته باشند.
امروزه به¬هم¬خوردگی شرایط طبیعی سواحل و فرایندهاي ساحلی، تحت تاثیر ساخت و سازهاي بندري و نیروگاه¬هاي مولد انرژي بطور فزاینده درناحیه ساحلی دریاها و اقیانوس¬ها جریان دارد. به-ویژه در سواحل جنوبی دریاي خزر در طی 30 سال اخیر، توأم با پیشروي آب دریا، ساخت¬و¬ساز و دخل¬و¬ تصرف در این عرصه طبیعی به شدت صورت گرفته است .ضرورت مطالعه این تغییرات که ناشی از عوامل طبیعی و انسانی و تأثیر متقابل آنها می¬باشد، در زمینه مدیریت نواحی ساحلی بسیار حائز اهمیت است.
یکی از نرم¬افزارهای موجود برای تحلیل جریان و پتانسیل نرخ انتقال رسوب، نرم¬افزار Mike 21 میباشد. این نرم¬افزار توسط موسسه تحقیقات دلفت دانمارک تهیه و گسترش یافته¬است که می¬تواند الگوی جریان در بخش¬های مختلف ناشی از تغییر عمق جریان در ناحیه ساحلی و همچنین پدیده حمل رسوب را به خوبی مدل نماید. با استفاده از این نرم¬افزار می¬توان تغییراتی که در خط ساحل در اثر احداث سازه¬ها و هرگونه دخل و تصرف انسانی تعیین نمود.
1-2- بیان مسئله تحقیق
منطقه ساحلی جاییست که موج، ¬¬ بستر را حس می¬کند و انتهای این ناحیه ساحلی بالاروی موج روی ساحل است. موج در بیرون از ناحیه ساحلی به دلیل عدم تماس با بستر متقارن است و با ورود به ناحیه ساحلی دچار آشفتگی شده و بعد از شکست، آشفتگی موج زیاد می¬شود و بسته به ارتفاع موج، دوره¬تناوب موج و نوع ساحل به شکل¬های مختلف میشکنند. بطورکلی چهار نوع اصلی برای شکست امواج در نظر گرفته می¬شود که عبارتند از آشفته، چرخان، ریزشی و لغزان. در اثر شكست امواج در ناحيه كم عمق ساحلي، جريان كرانه¬اي ايجاد مي¬شود كه علت اصلي جابجايي¬ها و نقل و انتقال رسوب در سواحل مي¬باشد. مطالعه هیدرودینامیکی مناطق ساحلی اولین قدم در طراحی سازه¬هاي ساحلی است و ریخت شناسی سواحل، انتقال رسوب، فرسایش، انتشار و پخش آلودگی، از دیگر پدیده¬هاي مرتبط با ساحل می¬باشد. بخش مهمی از مطالعه هیدرودینامیک معطوف به مطالعه جریان¬هاي ساحلی و بررسی علل ایجاد و الگوي آنها می¬گردد. جريان‌های موازی با ساحل مسئول انتقال رسوب و آلاينده‌ها به موازات ساحل هستند و زماني كه انرژی خود را از دست بدهند يا به مانعي همچون موج‌شكن بندرها برخوردكنند، رسوب را برجای مي¬گذارند و مشكلات جدی برای سازه‌های ساحلي ايجاد می‌كنند[2و3].
در این تحقیق با استفاده از نرم¬افزار MIKE 21 ، الگوی انتشار موج، جریان¬های موازی ساحل ناشی از موج و نرخ انتقال رسوب کرانه¬ای مدل¬سازی شده و در نهایت بر اساس برآورد نرخ انتقال رسوب کرانه¬ای، تغییرات ایجاد شده در خط ساحل دریای خزر در محدوده بندر امیرآباد مورد بررسی قرار می¬گیرد.
1-3- اهمیت و ضرورت انجام تحقیق
با توجه به اینكه مناطق ساحلی به طور مستمر در تعامل با محیط آبی دریا و اقیانوس پیرامون قرار دارند، لذا شناخت رفتار محیط آبی دریا و اقیانوس پیرامون در شناخت رفتار سواحل ضروری است. سواحل هر كشور از نظر سياسي، نظامي، اجتماعي و اقتصادي از اهميت بسيار بالايي برخوردار است.
مناطق ساحلي علاوه¬ بر ¬اينكه داراي توان اقتصادي هستند، به عنوان پلي براي بهره¬برداري از منابع عظيم موجود در درياها و اقيانوس¬ها عمل مي¬كنند. از اين رو حفاظت و عمران مناطق ساحلي داراي اهميت زيادي است. متأسفانه در كشور ما با وجود داشتن سواحل بسيار طولاني به عمران و حفاظت آنها اهميت زيادي داده نشده¬ است و از اين نعمت خدادادي بهره¬برداري بهينه صورت نمي-گيرد. سواحل طبیعی دریاها اگرچه ممکن است در فرآیندهاي طوفانی زمستانه دچار فرسایش شوند ولی با فرآوري¬هاي مناسب رسوبی تابستانه شکل هندسی اولیه خود را باز می¬یابند، این¬گونه سواحل اصطلاحاً سواحل پایدار نامیده می¬شوند و سواحلی که به دلایل مختلف و از جمله مهمترین آنها دخالت¬هاي انسانی، مقاطع عرضی وخطوط ساحلی آنها دچار دگرگونی و تغییرات غیر قابل بازگشت می¬شود، را سواحل غیر¬پایدار می¬نامند. در این میان دریاي خزر به دلیل ماهیت نوسانات تراز آب در مقیاس¬هاي فصلی، سالانه و بلندمدت، داراي ویژگی¬هاي خاصی در تعادل سواحل است که در واقع ارضاء پارامترهاي مرتبط با ایجاد سواحل پایدار را در طرح¬هاي توسعه¬اي با چالش¬هاي بیشتري در مقایسه با دریاهاي آزاد مواجه می¬نماید. بنابراين شناسايي وضعيت سواحل جنوبي درياي خزر از لحاظ ويژگي¬¬هاي فرسايش¬پذيري و رسوبگذاري براي تعيين مناطق حساس و ناپايدار در مقابل نواحي رسوبي فعال و پايدار به منزله مسئله اصلي است.
افزايش سطح تراز آب درياي خزر طي 30 سال اخير به ميزان 1.5 متر (طي سال 1357 تا 1387)
مشكلات بسيار عمده¬اي را براي كاربري¬ها و جوامع انساني حاشيه درياي خزر به وجود آورد[2]. درحقيقت توسعه نيروهاي هيدروديناميكي دريا به صورت امواج فرساينده و جريان¬هاي ساحلي ناشي از آن با پيشروي آب دريا در محدوده اراضي خشك ساحلي، شرايط شدت آسيب¬پذيري فرسايشي مناطق ساحلي را افزايش داد. بنابراين نوسان¬هاي سطح تراز آب، امواج و جريان¬هاي ساحلي به منزله عوامل موثر بر فرسايش¬پذيري مناطق ساحلي درياي خزر محسوب مي¬شوند و عكس¬العمل ساختاري سواحل با توجه به ماهيت رسوب¬شناختي و ساختار فيزيكي متفاوت، عامل بسيار مهمي در ميزان شدت ناپايداري است.
با انجام این تحقیقات، شناخت بیشتری از جریان¬های نزدیک ساحل ناشی از شکست موج حاصل شده و با توجه به نقش مستقیم و غیر¬مستقیم این جریان¬ها در سازه¬های دریایی، فرسایش ساحل و انتقال رسوب، مسائل زیست¬محیطی و مطالعه صید و شیلات و از جمله نقش مهم آن در تأثیر این جریان¬ها بر فعالیت¬های نفتی وگازی در منطقه مورد بررسی، ضرورت انجام این تحقیق کاملأ محسوس به نظر می¬رسد.
1-4- نوآوری تحقیق
در سال¬هاي اخیر در بنادري مانند بندرانزلی، بندرنوشهر و بندرکیاشهر در دریاي خزر مطالعاتی در زمینه جریان¬هاي ناشی از موج انجام گرفته است. براساس این تحقیق می‌توان میزان نشست رسوب در طرفین موج‌شکن‌های بندر را ارزیابی نمود و عمر مفید بندر را تقریب زد. در صورت وجود شرایط بحرانی که در انتهای مدل¬سازی‌ها منتج می¬گردد، دستک رسوب‌گیر برای تثبیت شرایط ساحلی و سایر مباحث کنترل رسوب پیشنهاد می¬گردد. همچنین بر اساس میزان نشست رسوب در دوره‌های مختلف سالیانه و چندساله که از نتایج مدل¬سازی استخراج می¬گردد، می‌توان دوره‌های لایروبی و احجام لایروبی را برآورد نمود.
بررسی الگوی رسوب به صورت گرافیکی و نمایش دوبعدی جهت تجسم کردن الگوی واقعیت فرسایش و نشست رسوب در محدوده بندر از نوآوری‌های این تحقیق میباشد.
1-5- اهداف تحقیق
اهداف مورد نظر در این تحقیق شامل تعیین وضعیت خط ساحل در منطقه بندري امیرآباد شرایط کنونی و گذشته و ارزیابی میزان و روند تأثیر سازه¬هاي بندري و نوسانات دریاي خزر در بازه زمانی مورد مطالعه می¬باشد. هدف اصلی این پروژه ارائه یک مدل جهت بررسی الگوی موج، جریان ناشی از موج و بررسی پتانسیل نرخ انتقال رسوب در اطراف بندر امیرآباد میباشد.
در این تحقیق، تغییرات و تبعات ایجاد شده در خط ساحل دریای خزر در اثر احداث بندر امیرآباد مورد بررسی قرار می¬گیرد. مکان¬هایی از ساحل که در اثر تغییرات دچار فرسایش و رسوبگذاری می-گردند، شناسایی می¬شوند و در ادامه راهکارهای مقابله با پدیده¬ها بررسی و راهکارهای علاج بخشی ارائه خواهد گردید.