شبيه‌سازي سه‌بعدي جريان‌هاي خليج فارس در آب‌هاي عميق و ساحلي

 

 چکیده

در اين تحقيق تلاش مي‌شود يك سامانه پيش‌بيني جريان توسعه بيابد و راه‌اندازي شود. در اين سامانه با درنظر گرفتن واداشت‌هاي اصلي شامل جزر و مد و ميدان باد سطحي، تخمين مناسبي از جريان‌هاي خليج فارس به‌دست مي‌آيد و عملكرد سامانه در آب‌هاي كم‌عمق و عميق توأمان بررسي مي‌شود. در اين راستا، نخست با به‌كارگيري مدل FVCOM سامانه شبيه‌سازي راه‌اندازي شده است. سپس مدل برپا شده با اعمال تراز جزر و مدي و ميدان باد سطحي در بازه‌اي كه داده ميداني موجود بوده، براي تمام خليج فارس اجرا شده است.

در ادامه، با مقايسه تراز سطح آب و اندازه سرعت جريان در چند ايستگاه، مدل براي پارامترهاي ضريب زبري بستر، اندازه شبكه، تعداد ترازهاي سيگما در راستاي قائم، واسنجي و صحت‌سنجي شده و اثر اعمال ميدان باد سطحي نيز بررسي شده است. سرانجام، بهترين شرايط براي اجراي مدل انتخاب و نتايج ايستگاه‌هاي مختلف بررسي شده است. مقايسه نتايج شبيه‌سازي جريان با داده‌هاي مشاهداتي، ميزان موفقيت مدل را در شبيه‌سازي جريان نشان مي‌دهد.

داده‌هاي اندازه‌گيري و نتايج شبيه‌سازي سه‌بعدي جريان با مدل FVCOM در خليج فارس براي اندازه سرعت جريان و تراز سطح آب، همخواني خوبي با هم دارند. با انجام واسنجي، مناسب‌ترين اندازه شبكه براي مدل خليج فارس تخمين زده شده و مقادير مناسب ضريب زبري بستر براي آب كم‌عمق و عميق به‌دست آمده است. نتايج اين شبيه‌سازي نشان مي‌دهد مدل حاضر در هر دو بخش آب كم‌عمق و عميق از دقت مناسبي برخوردار است.

 

 ۱. مقدمه

خليج فارس درياي نيمه بسته كم‌عمق است. عمق ميانگين اين پهنه آبي ۳۶ متر است و پس از خليج مكزيك و خليج هادسون، سومين خليج بزرگ جهان به شمار مي‌آيد. خليج فارس از شرق از طريق تنگه هرمز و درياي عمان به درياي عرب و اقيانوس هند راه دارد و از غرب به دلتاي رودخانه اروندرود، كه حاصل پيوند دو رودخانه دجله و فرات و پيوستن رود كارون به آن است، ختم مي‌شود. به سبب وجود منابع سرشار نفت و گاز در خليج فارس و سواحل آن، اين آب‌راهه يك منطقه مهم دريايي در جهان به‌شمار مي‌آيد كه بخش مهمي از فعاليت‌هاي توسعه دريايي را به خود اختصاص مي‌دهد.

جريان‌هاي عمومي در خليج فارس اغلب از سه منشأ جزر و مدي، باد و تغييرات چگالي نشأت مي‌گيرند كه اثر نسبي جريان‌هاي ناشي از جزر و مد، باد و چگالي را به‌صورت تقريبي مي‌توان به ترتيب ۱۰۰، ۱۰ و ۱ در نظر گرفت. مطالعات متعددي درباره جريان‌هاي دريايي خليج فارس انجام شده است. يكي از مهم‌ترين اين مطالعات، تحقيق رينولدز (۱۹۹۳) است كه در آن از فوريه تا ژوئن در خليج NOAA سال ۱۹۹۲ از داده‌هاي كشتي تحقيقاتي فارس، تنگه هرمز و درياي عمان استفاده و با تحليل آن اطلاعات، تغييرات پارامترهاي فيزيكي اين پهنه آبي بررسي شده است.

نتايج اين تحقيق از اواسط زمستان تا اوايل تابستان سال ۱۹۹۲ را دربرمي‌گيرد. در اين بازه مشاهده شده است كه گرماي خورشيد ترموكلاين شديدي ايجاد مي‌كند و لايه آميخته سطحي را از لايه داخلي آب جدا مي‌كند. همچنين، در اين بازه جريان ورودي به ساحل شمالي كه در زمستان به وسيله بادهاي شمال تضعيف مي‌شود، در تابستان تقويت مي‌‌شود و تا شمال غرب خليج فارس گسترش مي‌يابد كه نشان دهنده تطابق مناسب اندازه‌گيري‌ها با شبيه‌سازي‌ها است.

كمپ و صدري‌نسب (۲۰۰۶) مدل COHERENS را كه يك مدل سه‌بعدي هيدروديناميك است، براي مطالعه جريان و ويژگي‌هاي توده آب خليج فارس به‌كار گرفتند. نتايج آن پژوهش، همخواني خوبي با شواهد تجربي داشت. عظام و همكاران (۲۰۱۰) از مدل POM و داده‌هاي مشاهداتي سال ۱۹۹۲ براي مطالعه ساختار جريان خليج فارس و بررسي اثرهاي گسترش اين جريان‌ها بر مشخصات فيزيكي درياي عمان استفاده كردند. يائو و جونز (۲۰۱۰) جريان در خليج فارس را با استفاده از مدل HYCOM تحت تأثير ميدان‌هاي مختلف فشار جوي مطالعه كردند. ميدان‌هاي جريان سطحي به دست‌ آمده از شبيه‌سازي، به‌ طور كلي با ويژگي‌هاي مشاهده شده تطبيق داشته است.

عوامل محرك جريان سطحي در خليج فارس، اصولاً فشار باد سطحي و جريان ورودي با شوري كم از درياي عمان (IOSW) هستند. الوسيري و همكاران (۲۰۱۱) از مدل عددي سه بعدي خور، درياچه و اقيانوس ساحلي (ELCOM) استفاده كردند كه مدل را كشتي تحقيقاتي ماونت ميچل (R/V Mt. Mitchell) در سال ۱۹۹۲ اعتبارسنجي كرد. آن‌ها مدل صحت‌سنجي شده را براي محاسبه تغييرات جغرافيايي ضريب پخش افقي در سراسر خليج فارس به كار بردند. نتايج اين تحقيق نشان داد كه پخش، اغلب با واداشت‌هاي جزر و مدي به دست مي‌آيد.

در طول ساحل عربستان، باد به عنوان يك منبع انرژي مهم اضافه براي پخش ارزيابي شد. ويك و همكاران (۲۰۱۵) سازوكارهاي درگير در پخش آب خليج فارس در خليج عمان و اندركنش اين دو پهنه آبي را با استفاده از شبيه سازي عددي با نرم افزار ROMS بررسي كردند. اين شبيه‌سازي گواه بر نقش مهم ادی‌هاي ميان‌مقياس در پخش آب خليج فارس در خليج عمان در يك بازه زماني فصلي است.

معماري و سيادت‌موسوي (۲۰۱۸) شيوه پخش پلوم شوري و حرارت را در تنگه خوران در خليج فارس با استفاده از مدل FVCOM بررسي كردند. با مقايسه پخش شوري و حرارت ناشي از فعاليت‌هاي بشري در محدوده تعريف شده طبق استاندارد زيست محيطي ايران و مقادير مجاز آن، روشن شد كه مقادير شوري طبق تخليه فعلي، قادر به برآورده كردن استاندارد است، اما مقدار حرارت، بسيار فراتر از محدوده تعيين شده در استاندارد است؛ بنابراين، با تعريف چند سناريو، مكان مناسب براي تخليه پساب با توجه به معيار زيست محيطي ارزيابي شده است.

همه اين مطالعات و شبيه‌سازي‌ها در محدوده آب‌هاي كم‌عمق صورت پذيرفته است و شبيه‌سازي عمومي جريان در آب‌هاي عميق خليج فارس نادر است. يكي از تنگناهاي پيشِ رو در مطالعات جامع درباره بخش‌هاي عميق‌تر اين پهنه آبي آن است كه اندازه‌گيري‌هاي آب عميق بسيار نادر است و بيشتر اندازه‌گيري‌ها تا عمق‌هاي مرسوم براي نصب دستگاه‌هاي كف‌خواب ADCP، يعني حدود ۲۵ متر انجام مي‌شود.

علاوه بر اين، اندازه‌گيري‌هاي موجود اغلب در نزديك‌ترين فواصل به نوار ساحلي انجام شده است. در تحقيق حاضر تلاش شده است تا يك سامانه شبيه‌سازي جريان به نحوي توسعه يابد كه با در نظر گرفتن واداشت‌هاي جزر و مد و باد، تخمين دقيقي از جريان‌هاي خليج فارس به دست بيايد و عملكرد سامانه شبيه‌سازي در آب‌هاي عميق‌تر نيز ارزيابي شود. اين مهم با دسترسي به يك مجموعه از داده‌هاي نادر اندازه‌گيري آب عميق يعني تا اعماق بيش از ۸۰ متر و در نواحي مياني خليج فارس حاصل آمده است.

براي اين منظور، در تحقيق حاضر از نرم‌افزار FVCOM استفاده شده است كه در نواحي عميق و كم‌عمق كاربرد دارد. پيش از اين، هيگن و همكاران (۲۰۰۶) از نرم‌افزار FVCOM براي شبيه‌سازي نواحي ساحلي و عميق حتي تا عمق ۸۰۰۰ متري در محدوده خليج مكزيك، درياي كارائيب و بخش شمالي اقيانوس اطلس استفاده كرده‌اند و نتايج خوبي نيز به دست آورده‌اند.

 

 ۲. روش‌شناسي مطالعه حاضر

در مطالعه حاضر، شبيه‌سازي سه‌بعدي جريان‌هاي خليج فارس به كمك مدل سه‌بعدي FVCOM روي يك شبكه بي‌ساختار مد نظر است؛ ازاين‌رو، نخست با اجراي مدل در شرايط متفاوت در محدوده خليج فارس، مدل براي پارامترهاي اندازه شبكه‌بندي، ضريب زبري بستر و تعداد ترازهاي قائم سيگما واسنجي شده است.

در گام بعد، بهينه‌ترين شرايط براي اجراي مدل در اين پهنه آبي تعيين و سپس مدل در اين شرايط اجرا و نتايج شبيه‌سازي براي تراز سطح آب و سرعت جريان در ايستگاه‌هاي موجود، اعم از كم عمق و عميق، صحت‌سنجي شده است.

۱.۲. معرفي منطقه مورد مطالعه و داده‌هاي موجود اندازه‌گيري

منطقه مورد مطالعه، كل پهنه آبي خليج فارس است و مرز مدل، در شرق تنگه هرمز و حد فاصل سيريك در ايران تا مصندم در عمان انتخاب شده است. انتخاب مرز، پيرو مطالعه انجام شده است. جهت بررسي عملكرد مدل در شبيه‌سازي سه‌بعدي جريان با مدل FVCOM در خليج فارس، لازم است تا نتايج شبيه‌سازي براي برخي از ايستگاه‌هاي اندازه‌گيري در اين پهنه با داده‌هاي اندازه‌گيري موجود مقايسه شوند. شكل ۱ عمق‌سنجي منطقه مورد مطالعه را به همراه مكان ايستگاه‌هاي اندازه‌گيري مد نظر نمايش مي‌دهد.

 

 

در ناحيه عميق براي اندازه‌گيري سرعت جريان در ايستگاه سكو (P1) از دستگاه RCM9 (با برداشت مقاطع ساعتي از روي شناور) و در ناحيه كم‌عمق جهت اندازه‌گيري سرعت جريان در ايستگاه سلخ از AWAC و براي اندازه‌گيري تراز سطح آب از دستگاه RBR استفاده شده است. كنترل كيفي داده‌ها با كاليبراسيون دستگاه اندازه‌گيري طي عمليات ميداني انجام شده است.

۲.۲. معرفي مدل FVCOM

مدل FVCOM يك مدل متن باز سه‌بعدي حجم محدود است كه امكان استفاده از شبكه‌هاي بدون ساختار را فراهم مي‌آورد و برخلاف مدل‌هاي اجزاء محدود و تفاضل محدود كه از شكل ديفرانسيلي حاكم استفاده مي‌كنند، از شكل انتگرالي معادلات استفاده مي‌كند. استفاده از روش حجم محدود سبب مي‌شود پايستگي جرم در مدل به صورت دقيق رعايت شود كه مي‌تواند مزيتي بر مدل‌هاي معمول تفاضل محدود تلقي شود.

معادلات حاكم در مدل، از معادلات پايستگي تكانه، پيوستگي، دما، شوري و معادله حالت تشكيل شده است. با استفاده از تقريب هيدرواستاتيك و بوسينيسك، معادلات ساختاري به شكل زير هستند:

 

 

 

y ،x و z به ترتيب مؤلفه‌هاي شرقي-غربي، شمالي-جنوبی و ارتفاعی در دستگاه مختصات دکارتی  v ،u و w به ترتيب مؤلفه‌هاي سرعت در جهت‌هاي y ،x و z هستند. پارامترهاي f ،P ،ρ ،S ،T و g به ترتيب دماي آب، شوري آب، چگالي آب، فشار، ضريب كوريوليس و شتاب گرانش زمين هستند. F_t ،F_v ،F_u ،K_h ،K_m و F_s به ترتيب ضريب و شكساني در راستاي قائم، ضريب پخش گرما در راستاي قائم و جمله‌هاي پخش افقي تكانه، گرما و شوري هستند.

اين ضرايب به سطح اغتشاشات وابسته‌اند و هيچ فرمولي وجود ندارد كه هميشه و در همه شرايط جواب بدهد. براي محاسبه ضرايب و شكساني، پخش افقي و پخش در راستاي قائم مي‌توان از رابطه اسماگرينسكي (Smagorinsky) و بسط ملور و يامادا (Mellor and Yamada 5/2) در مدل استفاده كرد.

الگوريتم‌هاي پيشرفته خشك و تر شدن نيز در مدل اعمال شده است و اجازه مي‌دهد مدل براي نقاط ساحلي كه در معرض چنين فرايندي هستند، دچار مشكل نشود و موفق عمل كند. مدل FVCOM با استفاده از شبكه‌بندي مثلثي مي‌تواند براي خطوط ساحلي نامنظم و تغييرات عمق با شيب زياد يك مزيت تلقي شود.

در راستاي قائم، از دستگاه مختصات سيگما و در راستاي افقي از شبكه‌بندي مثلثي استفاده شده است. هر عدد شبكه مثلثي از يك جزء، سه نقطه و سه جانب تشكيل شده است. حل معادلات حاكم، اغلب با محاسبه مقدار شار ورودي به حجم جزء صورت مي‌گيرد.

از مزاياي روش حجم محدود مي‌توان به شبكه‌بندي به روش مثلثي و همچنين سامانه گسسته‌سازي بهينه براي حل معادلات اشاره كرد. به علاوه، اين روش تا حدود زيادي در برآورده كردن پايستاري جرم، تكانه، شوري و دما در مناطق ساحلي به خوبي عمل مي‌كند. از ديگر مزيت‌هاي مدل FVCOM متن‌باز بودن است و مي‌توان براي هر پهنه آبي كه معادله چگالي متفاوتي داشته باشد، معادله موردي آن پهنه را براساس دما، شوري و فشار به مدل اعمال كرد. همچنين اين مدل براي مناطقي كه تغييرات دما تأثير جدي دارد، نتايج مناسب‌تري دارد؛ چون شرط مرزي دما را مناسب‌تر شبيه‌سازي مي‌كند.

 

 

۳.۲. اطلاعات مورد استفاده جهت برپايي مدل

جمع‌آوري اطلاعات پايه جهت برپايي مدل هيدروديناميك خليج فارس گام نخست در شبيه‌سازي سه‌بعدي جريان‌هاي اين پهنه مهم آبي است. در اين تحقيق به اطلاعات عمق‌سنجي، جزر و مد و باد براي اجراي مدل احتياج است.

براي تهيه شبكه‌بندي مدل، داده‌هاي ورودي مورد نياز شامل موقعيت مرزها و عمق‌سنجي محدوده مدل است. داده‌هاي عمق‌سنجي عمومي در محدوده خليج فارس از داده‌هاي سازمان نقشه برداري كشور (NCC) تهيه شده است و در مواردي كه داده‌هاي اندازه‌گيري عمق‌سنجي از مرجع نخست (NCC) موجود نبود، از داده‌هاي ETOPO2v2 استفاده شده است. براي تعيين مرزهاي مدل، از مرجع ESRI استفاده شده و گاهي به كمك برنامه Google Earth تصحيح شده است.

روي مرز باز كه در شرق تنگه هرمز و حد فاصل سيريك تا مصندم قرار دارد، جزر و مد به صورت تاريخچه زماني و شرط مرزي در نظر گرفته شده است. براي داده‌هاي مرز باز مدل از مدل جهاني جزر و مدي OTPS استفاده شده است. صحت نتايج OTPS در اين محدوده را شركت برد و شركت جهاد تحقيقات آب و انرژي (۲۰۰۹) ارزيابي كرده است.

همچنين، اطلاعات ميدان باد شامل سرعت و جهت آن براي دوره اجراي مدل به كل حوزه خليج فارس اعمال شده است. اين اطلاعات از اجراي مدل WRF به دست آمده است. جهت صحت‌سنجي عملكرد مدل، به داده‌هاي اندازه‌گيري تراز سطح آب و سرعت جريان براي مقايسه با شبيه‌سازي در ايستگا‌ه‌هاي مختلف خليج فارس نياز است كه شرح داده‌هاي مورد استفاده در بخش ۱.۲ ارائه شد.

 

 ۳. برپايي مدل و واسنجي

در اين پژوهش، از نسخه ۳.۲.۱ مدل FVCOM جهت شبيه‌سازي سه‌بعدي جريان‌هاي خليج فارس استفاده شده است و واداشت‌هاي جزر و مدي و ميدان باد سطحي به مدل اعمال شده‌اند. شبيه‌سازي براي يك بازه يك‌ماه‌ و نيم در سال ۲۰۱۳ در دو ايستگاه سلخ و P1 واسنجي شده است. گام زماني اجرا، ۵ ثانيه انتخاب و با مقايسه تراز سطح آب و سرعت جريان در ايستگاه سلخ با داده‌هاي اندازه‌گيري و مقايسه مقطع اندازه سرعت در ايستگاه P1 با داده‌هاي اندازه‌گيري، واسنجي انجام شده است.

واسنجي مدل براي پارامترهاي تفكيك مكاني شبكه محاسباتي، تعداد ترازهاي قائم سيگما و ضريب زبري بستر انجام شده و مقادير بهينه به دست آمده است. علاوه بر اين، اثر اعمال واداشت ميدان باد سطحي بر نتايج شبيه‌سازي نيز بررسي شده است.

۱.۳. تفكيك مكاني شبكه محاسباتي

براي بررسي ميزان حساسيت مدل به تفكيك مكاني شبكه‌بندي محاسباتي، از سه شبكه در پيكربندي مدل استفاده شده است. به اختصار، ويژگي‌هاي هر كدام از شبكه‌ها در جدول ۲ آورده شده است و نمايي از سه شبكه منتخب در شكل ۳ مشاهده مي‌شود. نحوه تنظيم ابعاد شبكه و دسته‌بندي ابعاد مختلف با پيروي از روش ارائه شده هيگن و همكاران (۲۰۰۶) انجام شده است. در اين روش براي ناحيه عميق، اندازه مبنا انتخاب شده است و نواحي كم‌عمق و ساحلي طي دو مرحله ريز شده‌اند.

 

 

 

نتايج اجراي مدل برپا شده با شبکه‌های ۱، ۲ و ۳ با ضریب زبری ۰/۰۰۱ و هفت تراز سیگما در راستای قائم همراه با اعمال میدان باد سطحی به مدل در شکل‌های ۴ تا ۶ برای تراز سطح آب در ایستگاه سلخ و اندازه سرعت جریان در ایستگاه‌های سلخ و P1 ارائه شده است. برای مقایسه سرعت جریان، هم از مقایسه سرعت‌ها در عمق میانی، به نمایندگی از مقادیر میانگین سرعت در عمق و هم از مقایسه مقطع سرعت در عمق استفاده شده است تا درک مناسب‌تری از عملکرد مدل حاصل آید.

 

 

 

 

جدول ۳ پارامترهای آماری محاسبه شده برای نتایج اجرای شبکه‌های ۱، ۲ و ۳ را با ضریب زبری ۰/۰۰۱ و تعداد تراز سیگمای هفت همراه با اعمال میدان باد سطحی به مدل نشان می‌دهد. میزان همبستگی و خطای جذر میانگین مربعات هردو ایستگاه، برای دو پارامتر تراز سطح آب و اندازه سرعت جریان ارائه شده است.

 

 

با توجه به شکل‌های ۴ تا ۶ و مقادیر پارامترهای آماری در جدول ۳، می‌توان نتیجه گرفت که نتایج شبکه ۳ کمی بهتر از شبکه ۲ و البته خیلی بهتر از شبکه ۱ است. هردو شبکه ۱ و ۲ نتایجی خوب و نزدیک به هم برای تراز سطح آب و اندازه سرعت جریان دارند و مقادیر خطا برای شبکه‌های ۱ و ۲ تفاوت چندانی ندارند؛ بنابراین، در راستای بهینه کردن هزینه محاسباتی، شبکه ۲ برای شبیه‌سازی برگزیده شده است.

۲.۳. تعداد ترازهای سیگما

برای حساسیت‌سنجی رفتار مدل نسبت به تعداد ترازهای قائم مفروض جهت شبیه‌سازی سه‌بعدی جریان، مدل با پیکربندی یکسان و تعداد ترازهای متفاوت برای خلیج فارس اجرا شده است. در این اجراها از شبکه ۲ استفاده و زیری بستر، مقدار ثابت ۰/۰۰۱ فرض شده و میدان باد سطحی نیز به مدل اعمال شده است. در شکل‌های ۷ تا ۹ نتایج این شبیه‌سازی‌ها برای تراز سطح آب و اندازه سرعت جریان با یکدیگر مقایسه شده‌اند. این نتایج برای تعداد هفت، یازده و بیست و یک تراز سیگما نمایش داده شده است تا میزان حساسیت مدل به این پارامتر بررسی شود.

 

 

 

 

 

جدول ۴ مقادیر پارامترهای آماری محاسبه شده برای تراز سطح آب و اندازه سرعت جریان را در مقایسه با مقادیر مشاهداتی برای ایستگاه‌های سلخ و P1 ارائه می‌دهد.

با توجه به شکل‌های ۷ تا ۹ و پارامترهای آماری در جدول ۴ مشخص می‌شود که نتایج به‌کارگیری یازده تراز سیگما بهتر از هفت تراز سیگما و بهتر از بیست و یک تراز سیگما است. نتایج ایستگاه P1 که در آب عمیق قرار دارد، حائز اهمیت است. درنتیجه، حاصل این بخش از واسنجی‌ها برای دریافت خروجی‌های بهتر جهت شبیه‌سازی سه‌بعدی، استفاده از یازده تراز سیگما در راستای قائم است.

پارامتر دیگری که حساسیت مدل به تغییرات آن بررسی شده است، ثابت زبری بستر است. به این منظور، با در نظر گرفتن هفت تراز سیگما در شبکه ۲ همراه با اعمال میدان باد سطحی و ثابت‌های زبری بستر متفاوت، مدل به اجرا گذاشته شده است. با توجه به آنکه محدوده ضریب زبری بستر در مدل FVCOM از ۰/۰۰۱ تا ۰/۰۳۵ است، در اجرای اول از ثابت ۰/۰۱۸ استفاده شده است. ثابت زبری بستر در اجرای سوم نیز ۰/۰۳۵ فرض شده است. نتایج این اجراها در شکل‌های ۱۰ تا ۱۲ نشان داده شده و پارامترهای آماری این اجراها در جدول ۵ ارائه شده است.

جدول مقادیر پارامترهای آماری محاسبه شده برای اجرای مدل را با ضرایب زبری ۰/۰۰۱، ۰/۰۱۸ و ۰/۰۳۵ در شبکه ۲ و با هفت تراز سیگما در راستای قائم نمایش می‌دهد. از جدول پیداست که پارامتر تراز سطح آب برای ایستگاه سلخ در تمامی ضرایب زبری بستر، همبستگی خوبی دارد و مقدار خطای جذر میانگین مربعات کم است.

همچنین، پارامتر اندازه سرعت جریان برای ایستگاه سلخ در ضریب زبری ۰/۰۰۱ همبستگی بهتری نسبت به ضرایب زبری بیشتر دارد. این پارامتر برای ایستگاه P1 که در آب عمیق واقع شده است، در ضریب زبری بستر ۰/۰۰۱ همبستگی خوبی ندارد و در ضریب زبری بستر ۰/۰۱۸ بهتر است، اما در ضریب زبری بستر ۰/۰۳۵ همبستگی بسیار خوبی برای اندازه سرعت جریان در آب عمیق مشاهده می‌شود.

 

 

 

 

 

از شکل‌های ۱۰ تا ۱۲ و پارامترهای آماری جدول ۵ این نتیجه برداشت می‌شود که مناسب‌ترین ضریب زبری بستر برای شبیه‌سازی سه‌بعدی جریان‌های خلیج فارس در آب کم‌عمق ۰/۰۰۱ و در آب عمیق ۰/۰۳۵ است.

۴.۳. اثر باد

در این پژوهش، علاوه بر اعمال واداشت جزر و مدی به مدل، میدان باد سطحی نیز به عنوان یک واداشت موثر به مدل اعمال شده است و نتایج بر تاثیر مثلت آن دلالت داشته است. در نتیجه، شبیه‌سازی‌ها برای ایستگاه سلخ و P1 در سال ۲۰۱۳ و نایبند در سال ۲۰۰۹ با اعمال میدان باد سطحی و بدون اعمال آن در مقایسه با اندازه‌گیری‌ها در ایستگاه سلخ ارائه شده است. همان‌طور که از نمودارها پیداست، باد تاثیر مثبت بر بهبود نتایج شبیه سازی داشته است.

 

 

 

در جدول ۶ پارامترهاي آماري مربوط به اندازه سرعت جريان با و بدون اعمال ميدان باد سطحي آورده شده است و پيداست كه باد، تأثير مثبت چشم‌گيري بر بهبود نتايج داشته است.

 

۴ نتايج اجراهاي نهايي

پس از انجام حساسيت‌سنجي‌هاي مشروح در بخش پيشين، برپايش بهينه براي اجراي نهايي انتخاب مي‌شود. براي شبكه محاسباتي در سطح افقي از شبكه‌بندي مثلثي و در راستاي قائم از يازده تراز سيگما استفاده شده است. شبكه محاسباتي مورد استفاده همان شبكه ۲ است كه طي فرايند حساسيت‌سنجي انتخاب شده است.

در اين شبكه، كمترين فاصله سلولي ۱۲۰۴ متر و بيشترين آن ۸۶۱۱ متر است. شبكه‌بندي در پلان شامل ۷۱۹۳ گره و ۱۳۶۳۹ سلول است. كمترين و بيشترين زاويه سلول‌ها برابر ۳۰ و ۱۲۰ درجه فرض شده است. گفتني است بيشترين تعداد سلول متصل به يك گره، زير ۸ عدد تنظيم شده است. سرعت‌هاي اوليه در دامنه محاسباتي برابر صفر است و اجراي مدل با شرايط اوليه سكون يا همان Cold Start آغاز شده است.

از آنجاييكه جريانات چگال در مقايسه با جريانات جزر و مدي در اين منطقه بزرگي كمتري دارند، فرضيات فوق خطاي زيادي در محاسبات وارد نخواهد كرد و مدل با توجه به سرعت زياد جزر و مدي در محل، به مقادير واقعي سرعت نزديك مي‌شود. براي اجراها از حالت هيدروستاتيك مدل استفاده شده است و از اثرهاي امواج بر جريان صرف نظر شده است.

فرض بر اين است كه منطقه مورد مطالعه، فشارورد است و مدل با اين پيش‌فرض اجرا مي‌شود. مدل تحت تأثير دو واداشت جزر و مد و باد اجرا شده است. بازه‌هاي اجراي مدل در جدول ۷ ارائه شده است. همچنين، با توجه به واسنجي‌هاي انجام شده در بخش قبل، شبكه ۲ با يازده تراز سيگما و ضريب زبري بستر ۰/۰۰۱ براي اجراهاي مناسب آب كم عمق و ۰/۰۳۵ برای اجراهاي مناسب آب عميق جهت اجراي مدل انتخاب شده است.

 

 

در ادامه، به بررسي نتايج شبيه‌سازي سه‌بعدي جريان با اجرا در حالت انتخاب شده در فرايند حساسيت‌سنجي مدل پرداخته شده است. در شكل‌هاي ۱۴ تا ۱۹ نتايج شبيه‌سازي مدل با داده‌هاي ميداني موجود براي تراز سطح آب و اندازه سرعت جريان در ايستگاه‌هاي اندازه‌گيري مقايسه شده است.

چنانچه از اين نتايج بر مي‌آيد، شبيه‌سازي سه‌بعدي اجرا شده با مدل FVCOM و با احتساب ضريب زبري بستر ۰/۰۳۵ به نتايج بهتري براي محدوده آب عميق و اندازه‌گيري‌هاي موجود در آن ناحيه منجر مي‌شود، درحاليكه اجراهاي انجام شده با ضريب ۰/۰۰۱ نتايج بهتري در مناطق آب كم‌عمق دارند. يازده تراز سيگما در راستاي قائم در شبكه ۲ به همراه ميدان باد سطحي در پهنه خليج فارس براي همه اجراها به مدل اعمال شده است. نتايج از دقت خوبي برخوردارند و در كل، عملكرد خوبي ارائه شده است.

 

 

 

 

 

 

۵. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

هدف از مطالعه حاضر، راه‌اندازی یک سامانه محاسباتی برای شبیه‌سازی سه بعدی جریان‌های دریایی در محدوده خلیج فارس است به گونه ای که صحت عملکرد آن در کلیه مناطق ساحلی و فراساحلی قابل اعتماد باشد. اهمیت خلیج فارس به عنوان یک پهنه استراتژیک آبی که فعالیت‌های توسعه‌ای و ناوبری در جای‌جای آن در جریان است و تنها به نواحی نزدیک ساحل محدود نمی‌شود، لزوم این مطالعه را دوچندان هویدا می‌سازد.

در این راستا برای راه‌اندازی سامانه مذکور، از مدل سه‌بعدی احجام محدود FVCOM استفاده شده است که یک مدل متن‌باز است و امکان استفاده از لایه‌بندی سیگما در راستای قائم وجود دارد. در روند برپایی سامانه محاسباتی، ابتدا سه شبکه محاسباتی با مشخصات متفاوت مد نظر قرار گرفته است و طی روند واسنجی، شبکه بهینه انتخاب و سایر پارامترها از قبیل تعداد لایه‌های سیگما و مقادیر بهینه ضریب زبری بستر تعیین شده است.

در نهایت برای بازه‌هایی که داده اندازه‌گیری در آب کم‌عمق و عمیق وجود داشته است، اجراي نهايي انجام و صحت عملكرد مدل ارزيابي شده است. اجراهاي مدل تحت دو واداشت اصلي جزر و مد و باد انجام شده است و عملكرد مدل در مقايسه با داده‌هاي اندازه‌گيري، خوب ارزيابي مي‌شود. موارد زير هم دستاوردهاي اين مطالعه را توصيف مي‌كند:

• با توجه به نمودارهاي ارائه شده كه مقايسه اين دو پارامتر را براي ايستگاه‌هاي اندازه‌گيري ميداني در خليج فارس نشان مي‌دهد، شبيه‌سازي سه‌بعدي جريان با مدل FVCOM در خليج فارس براي اندازه سرعت جريان و تراز سطح آب، نتايج خوبي ارائه داده است و پارامترهاي آماري ارائه شده، همخواني نسبي خوب نتايج شبيه‌سازي با اندازه‌گيري‌هاي ميداني را نشان مي‌دهد؛
• در اين پژوهش علاوه بر اعمال واداشت جزر و مدي به مدل كه بيشترين تأثير را بر جريان‌هاي خليج فارس دارد، باد نيز به عنوان دومين پارامتر مؤثر به مدل اعمال شده و تأثير مثبتي در بهبود نتايج داشته است؛ درنتيجه، تمامي شبيه‌سازي‌ها با اعمال ميدان باد سطحي در بازه مورد نظر اجرا شده‌اند و نتايج آن نسبت به نتايج مدل در حالت جزر و مدي بهبود يافته است؛
• نتيجه مهم ديگر اين مطالعه آن است كه براي دست يافتن به نتايج با دقت زياد، ضرايب زبري مختلفي بايد در سرتاسر مدل به‌كار گرفته شود؛ بهترين نتايج با فرض مقدار ۰/۰۰۱ براي نواحي كم‌عمق و مقدار ۰/۰۳۵ براي نواحي عميق به دست آمده است.

 

مرجع:

رزاقی، ش.،  حق شناس، س.، قادر، س.، یازجی، د.، دلخوش، ا.، فرهنگ‌مهر، ع.، “شبيه‌سازي سه‌بعدي جريان‌هاي خليج فارس در آب‌هاي عميق و ساحلي”، مجله ژئوفيزيك ايران، ۱۳۹۸، جلد ۱۳ ، شماره ۳،  صفحه ۶۹-۸۵