اثرات بازگشایی کانال خزینی بر الگوی عمومی جریان در خلیج گرگان (جنوب شرق دریای کاسپی)

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره هجدهم، ویژه نامه شماره3، زمستان 1395

اثرات بازگشایی کانال خزینی بر الگوی عمومی جریان در خلیج گرگان

(جنوب شرق دریای کاسپی)

سعید شربتی [1]*

S_Sharbaty@yahoo.com

علی شعبانی [2]

چکیده

زمینه و هدف: کانال خزینی دومین راه ارتباط دایمی خلیج گرگان با دریای کاسپی می­باشد که در سال­های اخیر در اثر کاهش سطح آب و رژیم رسوب­گذاری مسدود گردیده است. در تحقیق حاضر نتایج مدل­سازی دوبعدی الگوی جریان با استفاده از مدل مایک21 اف­ام به منظور بررسی اثرات بازگشایی کانال خزینی بر الگوی عمومی جریان خلیج گرگان تحت 24 سناریوی مختلف مورد مقایسه قرار گرفت.

روش بررسی: مدل­سازی­ها بر روی دو نوع مش بی­ساختار به مدت 5 ساعت و 50 دقیقه و با گام­های زمانی30 ثانیه­ای اجرا گردید. در تمامی مدل­سازی­ها از میانگین سالانه بارش، تبخیر و ورودی 13رودخانه به خلیج و اثر باد غالب شرق­وزان با 6 سرعت مختلف استفاده شد. اثرات مولفه­های تابش امواج ناشی از باد غالب در 6 سناریوی مجزا با اجرای مدل موج مایک21 ان­اس­دبلیو به مدل هیدرودینامیک مایک21 اف­ام اعمال گردید. جهت اعمال شرایط مرزی در مرزهای باز از مقادیر میانگین دبی حداکثری ورودی و خروجی در دهانه آشورآده-بندرترکمن و کانال خزینی استفاده شد.

یافته­ها: نتایج شبیه­سازی بیان­گر آن بود که الگوی جریان در خلیج گرگان تحت تاثیر دبی ورودی و خروجی در دهانه آشورآده-بندرترکمن و وزش باد غالب قرار دارد.

نتیجه گیری: بازگشایی کانال خزینی هیچ تاثیری بر الگوی عمومی گردش جریان خلیج نداشته و تنها در بخش­های بسیار نزدیک به کانال سبب تغییر الگوی جریان محلی به صورت شمالی-­ جنوبی می­گردد. در مواقع طوفانی حداکثر سرعت جریان 23/0 متر بر ثانیه در نواحی نزدیک به کانال مشاهده می­گردد.

واژه­های کلیدی: خلیج گرگان، کانال خزینی، مایک21اف­ام، مایک21 ­ان­اس­دبلیو.

Impacts of Khozeini Canal Reopening on General Current Pattern in Gorgan Bay (South East of the Caspian Sea)

Saeed Sharbaty [3]*

s_sharbaty@yahoo.com

Ali Shabani [4]

Abstract

Background and Objective: Khozeini canal is the second permanent connection way of Gorgan Bay with the Caspian Sea which has been blocked as a result of water level decreases and sedimentation in recent years.

Methods: In this investigation, 2D modeling results of current pattern using MIKE 21 FM model for investigating the impacts of Khozeini canal reopening on the general current pattern in Gorgan bay under 24 different scenarios were compared. Modeling was implemented on two types of unstructured meshes for 5 hours, 50 minutes and with 30 seconds time steps. In all modelings, the mean annual precipitation, evaporation and 13 rivers input to the bay as well as the effect of dominant eastern wind with 6 different speeds were used. The effects of components of the wave radiation induced by dominant wind were included by implementation of the wave model of MIKE 21 NSW in the 6 distinct considered in the hydrodynamic model of MIKE 21 FM. In order to include boundary conditions at the open boundaries, the mean maximum discharges of inlet and outlet in the Ashoradeh-Bandartorkaman spans and Khozeini canal were used.

Results: Simulation results represented that the current pattern in Gorgan Bay is influenced by the inlet and outlet discharges at the spans of Ashoradeh-Bandartorkaman and prevailing wind.

Conclusion: Reopening of the Khozeini canal has no significant effect on the general circulation current pattern of the bay and only in areas very close to the canal changes the local current pattern to be North-South. In stormy times, the maximum current velocity of 0.23 meters per second was observed in areas close to the canal.

Keywords: Gorgan Bay, Khozeini canal, MIKE 21 FM, MIKE 21 NSW.

مقدمه

خلیج گرگان تنها خلیج ایران در سواحل جنوبی دریای کاسپی می­باشد که در کنوانسیون رامسر به ­عنوان ذخیره­گاه زیست­کره به ثبت رسیده است. تنها راه ارتباطی مستمر خلیج گرگان با آب­های دریای کاسپی دهانه آشورآده-بندرترکمن با عرض تقریبی2500 متر و حداکثر عمق 3/3 متر در سال­های افزایش تراز سطح آب دریای کاسپی در شمال‌شرقی خلیج می­باشد (1).

با توجه به روند کاهش سطح آب دریای کاسپی در طی سال­های گذشته بیم آن می­رود که تنها راه ارتباط طبیعی خلیج با دریای کاسپی یعنی دهانه آشورآده-بندرترکمن کاهش یافته و یا به طورکلی مسدود گردد. لذا یافتن راه­حل­هایی که منجر به افزایش طول عمر این بوم­سازگان منحصر به ­فرد ­گردد از اقدامات اولیه مطالعاتی پیش از هرگونه اقدام اجرایی به ­منظور افزایش بقاء محیط زیست و بهره­وری­های اقتصادی در تمامی زمینه­ها در آن می­باشد که باید مد نظر تمامی دستگاه­های ذی­ربط قرار گیرد.

مطمئناً لایروبی دهانه آشورآده-بندرترکمن و ناحیه چاپقلی مهم­ترین گزینه جهت افزایش سن حیات خلیج و میزان تعویض­پذیری آب محسوب می­شود. ولیکن با ادامه روند رو به کاهش سطح آب در خلیج گرگان، ایجاد کانال­های جدید از طریق شبه­جزیره میانکاله می­تواند سبب افزایش میزان ارتباط خلیج با دریای کاسپی و به ­تبع آن توان خودپالایی خلیج گردد.

کانال خزینی دومین راه ارتباط غیر دایمی خلیج با دریا است که در گذشته به­ منظور توسعه کشتیرانی در دریای کاسپی احداث گردیده ولیکن پس از جنگ جهانی دوم نقش اصلی خود را در این پیکره آبی از دست داده و در سال­های گذشته نیز با کاهش سطح آب دریا و افزایش رژیم رسوب­گذاری در کانال به ­کلی مسدود گردیده و تنها ترازهای بالای لحظه­ای سطح آب در دریای کاسپی آن هم در مدت زمان­های بسیار کم در مواقع پر آبی و یا برکشند طوفان سبب بازگشایی آن می­گردد.

باید در نظر داشت که بازگشایی یک کانال در شرایط فعلی حجم آب خلیج، می­تواند الگوی گردش آب را در آن تغییر داده و تغییر الگوی جریان در خلیج گرگان بسیاری از فرایندهای زیست­محیطی، شیمیایی، فیزیکی و هیدرودینامیکی  در آن را دست­خوش تغییر و تحول خواهد نمود. این امر در دراز مدت موجبات تغییر پوشش گیاهی منطقه، مناطق تجمع زی­شناوران­گیاهی و به­دنبال آن آب­زیان می­گردد که در تحول بوم­سازگان خلیج گرگان نقش انکارناپذیری ایفا خواهد نمود.

بی­شک مدل­سازی­ها بهترین شیوه جهت برآورد و تعیین پارامترهای هیدرودینامیکی در یک بدنه آبی در اثر تغییرات به وجود آمده در ساختار مرزی و ساحلی آن می­باشد که پیش از احداث هرگونه سازه مهندسی باید مورد توجه قرار گیرد. با استفاده از مدل مایک21 تحقیقات بسیاری در ایران و خارج از آن صورت پذیرفته است. نتایج استفاده از مدل مایک21 در خصوص احداث موج­شکن در سواحل بنگ­خون­تین نشان داد که موج­شکن می­تواند از فرسایش خطوط ساحلی جلوگیری نموده و انرژی امواج را تا 40 درصد کاهش دهد (2). بررسی نتایج مدل­سازی احداث موج­شکن بر الگوی جریان خلیج سالاد در تایلند با استفاده از مدل مایک21 نشان داد که احداث موج­شکن می­تواند بر الگوی جریان، فرسایش بستر و نرخ انتقال رسوب در خلیج موثر باشد (3). در تحقیقی با به دست آوردن توپوگرافی سطح آب و مدل کردن آن با ماژول‌های هیدرودینامیکی و امواج مدل مایک21 به بررسی مورفولوژی ساحلی در خلیج تیگنموت انگلستان پرداخته شد (4). نتایج مدل­سازی جریان­های کشندی در خلیج کاچه هندوستان با استفاده از مایک21 روشن ساخت که نیروی باد نقش مهمی در تعیین هیدرودینامیک و انتقال رسوب منطقه بازی می‌کند (5). هیدرودینامیک دریاچه ارومیه با استفاده از مدل مایک21 در یک سال شاخص تحت عوامل محیطی شبیه­سازی گردید. نتایج نشان داد که تحت شرایط متعارف باد اصلی‌ترین عامل به وجود آورنده جریان‌ها می­باشد (6). جریانات کرانه‌ای منطقه کیاشهر با استفاده از مدل مایک21 شبیه‌سازی گردید. نتایج نشان داد که جریان­های ناشی از امواج شرقی در مقایسه با امواج شمالی، شمال غربی و شمال شرقی تأثیر بیشتری بر دهانه مرداب کیاشهر می‌گذارند. هم­چنین مقایسه جریان‌های کرانه‌ای برای دو حالت روشن ساخت که با احداث جتی‌ها، سرعت جریان‌ها در اطراف ورودی مرداب کیاشهر حدود 35 درصد کاهش یافته است (7). کاربرد مدل مایک 21 جهت روندیابی سیل‌های جزرومدی رودخانه زهره مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که تغییرات هیدروگراف ورودی و خروجی به بازه در هنگام مد که جهت جریان به سمت رودخانه است، مشابه روندیابی جریان در رودخانه است، ولی در حالت جزر که جهت جریان به دریاست، هیدروگراف‌های ورودی و خروجی از قوانین روندیابی جریان در رودخانه‌های معمولی تبعیت می‌کند (8). نتایج شبیه­سازی کوتاه مدت جریانات در خلیج گرگان با استفاده از مایک21 نشان داد که هیدرودینامیک خلیج عمدتاً تحت تاثیر وزش باد و دهانه آشورآده-بندرترکمن قرار دارد (9). مدل­سازی دو بعدی الگوی جریان­ در خلیج گرگان با استفاده از مدل مایک21 در طی دوره یک ساله نشان داد که الگوی جریان در خلیج عمدتاً به صورت پادساعتگرد می­باشد (10).

با توجه به مطالب گفته شده هدف از این پژوهش یافتن پاسخی برای این سوال است که آیا بازگشایی کانال خزینی تاثیری بر الگوی عمومی جریان خلیج گرگان دارد؟ بدین منظور از نرم افزار مایک21 با اعمال شرایط اقلیمی، هیدرولوژیکی، هیدرودینامیکی، هیدروگرافی و مرزی سواحل استفاده گردیده است.

روش بررسی

موقعیت جغرافیایی خلیج گرگان: خلیج گرگان به ­گونه­ای در منتهی­الیه جنوب شرقی دریای کاسپی واقع گردیده است که از شمال با منطقه حفاظت شده شبه­جزیره میانکاله و از جنوب با استان­های گلستان و مازندران هم­جوار می­باشد. خلیج گرگان در حد فاصل طول جغرافیایی 53 درجه و 3 دقیقه تا 53 درجه و 35 دقیقه شرقی و عرض جغرافیایی 36 درجه و 48 دقیقه و  36 درجه و 54 دقیقه شمالی قرار گرفته است. وسعت خلیج بالغ بر ۴50 کیلومتر مربع و دارای حداکثر طول 60 و حداکثر عرض 12 کیلومتر می­باشد. خلیج گرگان کم عمق بوده و دارای میانگین عمق 5/1 متر و حداکثر عمق 9/3 متر می­باشد.

برای انجام مطالعات نظری و محاسبه­ای، استفاده از مدل ریاضی کار‌آمد و قابل اطمینان بسیار حایز اهمیت می‌باشد. مدل جریان مایک21 اف­ام  (Mike 21 Flow Model Flexible Mesh) جریان­های دوبعدی غیر‌یکنواخت را در یک لایه از سیال که به طور عمودی از لحاظ چگالی همگن است شبیه‌سازی می‌نماید. این سیستم مدل­سازی بر اساس شیوه مش­های بی­ساختار طراحی شده و در بسیاری از مسایل مهندسی زیست­محیط دریایی که در آن بحث پیش­یابی اثرات سازه­های دریای بر محیط زیست مطرح می­باشد قابل به­کارگیری است. ماژول هیدرودینامیکی بر اساس حل دو بعدی معادلات میانگین­گیری شده عمقی و غیرقابل تراکم بنا گردیده و شامل معادلات پیوستگی و اندازه حرکت می­باشد (11).

معادله پیوستگی

 (1)           

معادله اندازه حرکت در جهت x

(2)

معادله اندازه حرکت در جهت y

(3)

در معادلات فوق  عمق کل آب،  تراز لحظه­ای سطح آب،  عمق آب بر حسب سطح مبنای محاسباتی، , مقادیر میانگین سرعت درجهات ،   شتاب جاذبه،  مولفه­های اصطکاک بستر در جهات  ، عامل کوریولیس که به عرض جغرافیایی وابسته است،  زمان،  سرعت زاویه­ای زمین،  عرض جغرافیایی محل،  فشار جو،  چگالی آب،  مولفه­های اصطکاک باد بر روی سطح دریا در جهات  و  مولفه‌های تنش برشی موثر حاصل از تابش امواج در جهات ،  مولفه‌های لزجت گردابه­ای در جهات  می‌باشند.

گسسته­سازی مکانی معادلات اولیه با استفاده از شیوه احجام محدود سلول مرکزی و عبارات زمانی از شیوه صریح انجام می­پذیرد. حوضه حل توسط زیر تقسیمات پیوسته­ای از المان­ها و سلول­های غیر هم­پوشان به صورت شبکه­های بی­ساختار مثلثی در صفحه افق گسسته می­گردد. با توجه به عمق کم خلیج (میانگین عمق 5/1 متر) و نداشتن تغییرات چگالی موثر در امتداد قایم به خصوص در بازه­های زمانی کوتاه مدت هم­چون تحقیق حاضر، می­توان از فرض دو بعدی بودن جریان در این حوضه استفاده نمود (12). مانند هر مدل دیگری جهت مدل­سازی باید به ضوابط پایداری مدل نیز توجه نمود. در این تحقیق این ضابطه در سیستم مختصات کارتزین با عدد کورانتی معادل 7/5 مشخص گردید. در این تحقیق از داده­های باد ایستگاه سینوپتیک دریایی بندرترکمن با طول آمار 12 ساله واقع در 2 کیلومتری جنوب دهانه ورودی خلیج شامل جهت و سرعت باد و داده­های بارش و تبخیر ایستگاه هواشناسی تیرتاش با طول آمار 28 ساله با میانگین سالانه بارش 602 میلی­متر در سال و تبخیر1490 میلی­متر در سال به صورت ثابت در مکان و زمان استفاده شده است. بررسی گل­باد 12 ساله خلیج گرگان نشان داد که این حوضه آبی بیشتر تحت تاثیر بادهای شرق­وزان با احتمال وقوع 18 درصد قرار داشته و تمامی مدل­سازی­ها بر اساس این نوع باد با 6 سرعت مختلف 5/2، 5، 5/7، 10، 5/12 و 15 متر بر ثانیه به جهت ارزیابی تغییرات الگوی جریان در ایام طوفانی و کم­ باد اجرا گردیده است. با توجه به این که اصطکاک باد در سطح دریا به همراه سرعت باد تغییر می‌نماید، لذا جهت اعمال تغییرات ضرایب اصطکاک باد از فرمول تجربی ارایه شده توسط وو استفاده ‌گردید (13). جهت اعمال منابع چشمه­ای به مدل از میانگین سالیانه دبی ورودی 13 رودخانه منتهی به خلیج استفاده شد (14). در این مقاله با توجه به اهداف تحقیق از دو نوع مش بی­ساختار استفاده گردیده است. این امر ایجاب می­نماید تا در اجرای مدل تعداد و نوع مرزهای باز مد نظر قرار گیرد. زمانی­که هدف تنها مدل­سازی الگوی جریان خلیج گرگان بدون در نظر گرفتن اثر کانال خزینی ­باشد، می­توان دهانه ورودی خلیج گرگان را به عنوان تنها مرز باز مدل در نظر گرفت. ولیکن زمانی که بازگشایی کانال خزینی و اثرات آن بر روی الگوی عمومی جریان خلیج مد نظر باشد لازم است علاوه بر اثر مرز باز در دهانه آشورآده-بندرترکمن، اثر مرز باز کانال خزینی نیز در نظر گرفته شود. جهت اعمال شرط مرز باز میانگین دبی­های حداکثری در دهانه آشورآده-بندرترکمن از نتایج خروجی مدل­سازی الگوی جریان در خلیج گرگان در خلال یک دوره یک ساله با دبی 1000 متر مکعب بر ثانیه استفاده گردید (10). از آن­جا که کانال خزینی در حال حاضر مسدود می­باشد لذا باید شرط مرز باز را جهت بازگشایی مجدد آن تعیین نمود. در خصوص اعمال شرط مرزی میانگین دبی­های حداکثری در کانال خزینی نیز نسبت به استحصال مولفه­های سرعت در ناحیه نزدیک به کانال از طریق مدل­سازی سه بعدی الگوی جریان در حوضه جنوب شرق دریای کاسپی استفاده گردید (15). در تحقیق حاضر به منظور اجرای مدل در تمامی سناریوها از ضرایب مهم­ترین عوامل موثر بر جریان خلیج گرگان که در مدل­سازی­های پیشین مورد استفاده واقع گردیده، شامل عدد مانینگ 32 جهت مقاومت بستر و ضریب لزجت گردابه­ای برابر 5/0 استفاده شد (9). اثر نیروی ظاهری کوریولیس علی­رغم ناچیز بودن عرض جغرافیایی منطقه در نظر گرفته شد. به منظور ساخت شکل هندسی حوضه خلیج گرگان از روش بی­ساختار مثلثی با استفاده از رقومی­سازی نقشه­­های آب­نگاری خلیج گرگان با مقیاس 1:25000 استفاده گردید. مثلث­بندی حوضه خلیج به شیوه دلاونی انجام شد. با توجه به اهداف تحقیق نسبت به ساخت دو نوع مش اقدام گردید، بدین صورت که در مش اول از 7303 گره و 13644 المان با یک مرز ورودی برای مدل­سازی هندسی کل حوضه خلیج و در مش دوم نیز از 7660 گره و 14264 المان با دو مرز ورودی برای مدل­سازی هندسی کل حوضه به همراه جانمایی کانال در بخش شمال شرقی خلیج استفاده شد. عمق کانال به اندازه 4 متر با توجه به تردد شناورهای حمل کالا در اسکله بندرترکمن در سال­های گذشته با حداکثر آبخور 9/2 متر در نظر گرفته شد (16). عرض کانال پیشنهادی 300 متر و طول آن 4 کیلومتر می­باشد که در گذشته و تا قبل از افت سطح آب دریای کاسپی و مسدود شدن آن بر اثر رژیم رسوب­گذاری در عریض­ترین ناحیه آن  تقریباً به همین میزان بوده است.

اجرای مدل مایک21 ان­اس­دبلیو: خلیج یک پیکره آبی کم عمق می­باشد و شکست امواج در اثر برخورد ناو موج با مناطق کم عمق بستر سبب ایجاد جریان می­گردد (17). در این تحقیق اثرات مولفه­های تنشی تابش امواج  در نظر گرفته شده است. بدین منظور از نتایج خروجی مدل موج مایک21­ ان­اس­دبلیو (MIKE 21 Near Shore Wave) به عنوان یکی از ورودی­ها به مدل جریان مایک21 اف­ام استفاده گردید. معادلات به کارگرفته شده در مدل موج مایک21 به صورت زیر می­باشد (18):

  (4)      

(5)        

در معادلات فوق  بیانگر اثر طیف مرتبه صفرم،  بیانگر اثر طیف مرتبه اول،   مولفه­های سرعت گروهی موج در جهات ،  سرعت انتشار در جهت،  جهت انتشار موج و  و  عبارت چشمه­ای می­باشند. از طرفی عبارت   به صورت زیر تعریف می­گردد:

(6)

در رابطه فوق  بسامد مطلق و  چگالی طیفی موج می­باشد. سرعت­های انتشار از طریق تئوری امواج خطی به دست می­آیند. در سمت چپ معادلات اصلی، اثرات انکسار و کم عمقی لحاظ گردیده است. عبارات  اثرات تولید باد محلی و پخش انرژی به واسطه اصطکاک بستر و شکست امواج را در معادلات لحاظ می­نمایند. مدل موج بر روی یک مش با ساختار به تعداد 230×688 مربع به ضلع 100 متر و به­ صورت شبه­ ایستا و با دوره زمانی منطبق با دوره شبیه­سازی مدل هیدرودینامیکی اجرا گردید. جهت اعمال ضریب اصطکاک موج با بستر از عامل زبری نیکارادزه با مقدار ثابت 002/0 متر استفاده شد. جهت اعمال اثر شکست امواج در واپاشی انرژی موج از فرمول ارایه شده توسط باتیس و جانسون بهره­برداری گردید (19). بدین صورت مدل موج با جهت باد غالب شرق وزان ثابت 270 درجه در شش سناریو مجزا با سرعت­های 5/2، 5، 5/7، 10، 5/12 و 15 متر بر ثانیه به اجرا در آمد.

اجرای مدل مایک21­ اف­ام: همان­طور که اشاره گردید با توجه به هدف اصلی تحقیق، از دو مش متفاوت جهت ارزیابی الگوی جریان خلیج بعد از بازگشایی کانال خزینی به ترتیب با نام­های مش1 و مش2 استفاده گردیده است. اجرای مدل بر روی هر مش با 12 سناریو متفاوت صورت گرفت. این 12 سناریو شامل 6 حالت رفتی و 6 حالت برگشتی جریان در مرزهای ورودی با اعمال دبی­­های ثابت به منظور در نظر گرفتن اثرات افت و خیز سطح آب دریای کاسپی در فصول سرد و گرم سال و از طرفی در نظر گرفتن اثرات باد غالب شرق­وزان با سرعت های 5/2، 5، 5/7، 10، 5/12 و 15 متر بر ثانیه بر الگوی عمومی جریان خلیج می­باشد (جدول 1). تنش ناشی از تابش امواج متناظر با هر سناریو به مدل اعمال گردید. جهت ارضای شرط پایداری، مدل با گام­های زمانی30 ثانیه­ای و به مدت 5 ساعت 50 دقیقه به اجرا در آمد. از مقادیر میانگین سالیانه بارش و تبخیر و دبی میانگین سالیانه 13رودخانه ورودی به خلیج به­ صورت 13 منبع چشمه­ای استفاده شد. لازم به ذکر است که در تمامی اجراها شرایط اولیه نوسان سطح آب و مولفه­های سرعت جریان در حوضه حل معادل صفر در نظر گرفته شد و از نتایج اجرای مدل در 2 ساعت اولیه به منظور رسیدن مدل به یک حالت پایا صرف ­نظر گردید.

 اجرای مدل بر روی مش1: هدف از اجرای مدل بر روی مش1 به دست آوردن الگوی جریان خلیج در شرایط فعلی یعنی مسدود بودن کانال خزینی می­باشد. از آن­جا که خلیج گرگان با شروع فصل گرما دارای دبی مثبت از سمت دریای کاسپی به درون خلیج می­باشد، لذا در 6 اجرای اول (سناریوی 1 تا 6) از 6 باد غالب شرق­وزان با سرعت­های مختلف ولیکن با جهت ثابت 270 درجه و با دبی ورودی آب به میزان 1000 متر مکعب بر ثانیه در تنها مرز ورودی در دهانه آشورآده-بندرترکمن به عنوان شرط مرزی باز استفاده شد. از طرفی با شروع فصل سرما و کاهش سطح آب در دریای کاسپی توده­های آب از خلیج گرگان از طریق دهانه آشورآده-بندرترکمن با میانگین مقادیر حداکثری دبی منفی 1000 متر مکعب بر ثانیه از خلیج خارج می­گردند، لذا تحت چنین شرطی در 6 اجرای دوم (سناریوی 7 تا 12)، هدف مدل­سازی تاثیر خروج آب از خلیج تحت 6 باد غالب شرق­وزان با سرعت­های مختلف ولیکن با جهت ثابت 270 درجه مد نظر قرار گرفت (جدول 1).

جدول 1- مقادیر دبی­ اعمال شده منطبق با سناریوهای (1 الی 12) در مرزهای ورودی مدل مایک 21 اف­ام به­ همراه وزش باد شرق­وزان متناظر با آن

Table 1- Discharges Applied in Accordance with scenarios (1 to 12) in Mike 21 FM Open Boundaries Along with Easterly Wind

اجرای مدل بر روی مش2: اجرای مدل بر روی مش2 به منظور لحاظ نمودن اثر کانال خزینی بر الگوی عمومی جریان خلیج گرگان می­باشد. تمامی عوامل استفاده شده در اجرای مدل بر روی مش1 که در آن تنها اثر مرز باز دهانه آشورآده-بندرترکمن مورد توجه قرار گرفته بود نیز در اجرای مدل بر روی مش2 مد نظر قرار گرفته است، با این تفاوت که در این مدل­سازی­ها از سناریوی 13 تا 18 از دبی مثبت 360 متر مکعب بر ثانیه در فصل گرم سال و از سناریوی 19 تا 24 از دبی منفی 360 متر مکعب بر ثانیه در فصل سرد سال در مرز باز کانال خزینی استفاده شده است (جدول 2).

جدول 2- مقادیر دبی­ اعمال شده منطبق با سناریوهای (13 الی 24) در مرزهای ورودی مدل مایک 21 اف­ام به­ همراه وزش باد شرق­وزان متناظر با آن

Table 2- Discharges Applied in Accordance with scenarios (13 to 24) in Mike 21 FM Open Boundaries Along with Easterly Wind

یافته­ها

 نتایج اجرای مدل تحت سناریو 1، 2 و 3 بیان­گر وجود یک جریان عمومی از شرق به غرب در بخش میانی و عمیق خلیج می­باشد. این جریان تحت تاثیر دبی ورودی 1000 متر مکعب ­بر ­ثانیه از دهانه خلیج قرار داشته و کمترین تاثیر را از وزش بادهای متناظر با این 3 سناریو دارد. حداکثر سرعت جریان متناظر با این سه سناریو در حوضه خلیج 06/0 متر بر ثانیه می­باشد. در منتهی­الیه بخش کم عمق غربی خلیج، جریانات بادرانه و موج­رانه ضعیف با حداکثر سرعت 06/0 متر بر ثانیه مشاهده می­گردد. این جریانات حداکثر تا بخش جنوبی جزیره اسماعیل­سای ادامه یافته و پس از برخورد با جریانات شرقی-غربی ناشی از دهانه خلیج منطقه جبهه­ای ضعیفی را به­ وجود می­آورند (شکل1).

شکل1- تشکیل منطقه جبهه جریان متاثر از ورود آب از دهانه به خلیج و باد غالب شرق­وزان با سرعت 5 متر برثانیه

Figure 1- Current Front Zone Formation Affected by the Entry of Water from the Mouth of the Bay and Prevailing Easterly Wind at a Speed of 5 Meters per Second

ساختار جریان در ناحیه کانال خزینی بسیار ضعیف می­باشد ولیکن دو الگوی متفاوت جریان در آن دیده می­شود. در ناحیه کرانه نزدیک کانال یک جریان بسیار ضعیف غربی-شرقی به موازات ساحل با حداکثر سرعت جریان 05/0 متر بر ثانیه تحت تاثیر جریانات موج­رانه شرقی مشاهده می­گردد. ولیکن در ناحیه کرانه دور کانال یک جریان بسیار ضعیف شرقی-غربی به موازات ساحل با حداکثر سرعت جریان 06/0 متر بر ثانیه تحت تاثیر دبی ورودی از طریق دهانه آشورآده-بندرترکمن مشاهده می­گردد. به طورکلی الگوی جریان در این سناریوها بیشتر متاثر از تنها مرز باز خلیج قرار دارد. در سناریوهای 13، 14 و 15 نیز الگوی عمومی جریان همچون سناریو 1، 2 و 3 متاثر از دبی ورودی از طریق دهانه آشورآده-بندرترکمن به صورت یک جریان کلی از شرق به غرب با حداکثر سرعت جریان 06/0 متر بر ثانیه می­باشد. ساختار جریان در ناحیه کانال خزینی در اثر دبی ورودی 360 متر مکعبی بر ثانیه نسبت به سناریوهای 1 ، 2 و 3 تقویت گردیده و حداکثر سرعت جریان 19/0 متر بر ثانیه در آن قابل مشاهده می­باشد. جریان ورودی از کانال به داخل خلیج با جهت شمالی-جنوبی پس از طی مسافت 2 کیلومتر تحت تاثیر جریانات قوی­تر ایجاد شده توسط مرز ورودی در دهانه آشورآده-بندرترکمن به سمت غرب تغییر جهت می­دهد. منطقه جبهه­ای تشکیل شده در سناریوهای 1، 2 و 3 نیز بدون تغییر در این سناریوها مشاهده می­گردد. مقایسه نتایج الگوی جریان تحت اجرای مدل در سناریوهای 1، 2 و 3 با 13، 14 و 15 نشان می­دهد که بازگشایی کانال خزینی تاثیری بر الگوی عمومی جریان خلیج به جز در منطقه­ایی کوچک در مجاورت کانال نخواهد داشت. شکل2 توزیع بردارها و کانتورهای سرعت جریان را در بخش شمال شرقی خلیج تحت تاثیر ورودی آب از دو مرز باز مدل واقع در دهانه آشورآده-بندرترکمن و کانال خزینی و وزش باد غالب شرق­وزان با سرعت ثابت 5 متر بر ثانیه نمایش می­دهد.

                شکل2- نمایش توزیع بردارها و کانتورهای سرعت جریان حاصل از باد شرق­وزان با سرعت 5 متر بر ثانیه در بخش شمال شرقی خلیج

Figure 2- Distribution of Velocity Current Vectors and Contours Resultant of Easterly Wind in the Northeast of the Bay at a Speed of 5 Meters per Second

نتایج اجرای مدل تحت سناریوهای 4، 5 و 6 بیانگر وجود یک جریان عمومی از شرق به غرب در بخش میانی و عمیق خلیج می­باشد. این جریان نیز همانند سناریوهای 1، 2 و 3ام تحت تاثیر دبی مثبت 1000 متر مکعب بر ثانیه در دهانه قرار داشته و با دور شدن از دهانه به تدریج ضعیف می­گردد. حداکثر سرعت­های به­وجود آمده تحت عوامل درگیر در این سناریوها معادل 21/0 متر بر ثانیه در نواحی کم عمق سواحل و بخش کم­ عمق غربی خلیج می­باشد. در نیمه کم عمق غربی و در کرانه­های سواحل شمال و جنوب، جریانات غربی-شرقی متاثر از بادهای غالب شرق­وزان و جریانات موج­رانه متناظر با این 3 سناریو وجود دارد. این جریانات در بخش غربی سواحل شهرستان گلوگاه با جریانات ورودی از طریق دهانه آشورآده-بندرترکمن برخورد کرده و منطقه جبهه جریانات را به­وجود می­آورد که در مقایسه با سناریوهای 1، 2 و3 به سبب افزایش سرعت باد قوی­تر بوده و جبهه جریان مذکور جابه­جایی قابل ملاحظه­ای را به­سمت شرق داشته است (شکل3).

شکل3- تشکیل منطقه جبهه جریان متاثر از ورود آب از دهانه به خلیج و باد غالب شرق­وزان با سرعت 15 متر برثانیه

Figure 3- Current Front Zone Formation Affected by the Entry of Water from the Mouth of the Bay and Prevailing Easterly Wind at a Speed of 15 Meters per Second

ساختار جریان در ناحیه کانال خزینی با افزایش سرعت باد در حوضه حل نسبت به سناریوهای 1، 2 و 3 تا حدی قوی­تر گردیده و می­­­توان دو الگوی متفاوت جریان را در آن به وضوح مشاهده نمود. در ناحیه کرانه نزدیک کانال یک جریان نسبتاً قوی غربی-شرقی به موازات ساحل تحت تاثیر جریانات موج­رانه شرقی با حداکثر سرعت جریان 1/0 متر بر ثانیه مشاهده می­گردد. ولیکن در ناحیه کرانه دور کانال یک جریان نسبتاً قوی شرقی-غربی تحت تاثیر دبی ورودی از طریق دهانه آشورآده-بندرترکمن با حداکثر سرعت جریان 12/0 متر بر ثانیه مشاهده می­گردد. جریان مذکور به تدریج با حرکت به سمت جنوب قدرت بیشتری می­یابد. به طورکلی الگوی جریان در این سناریوها بیشتر متاثر از اثر تنها مرز ورودی مدل یعنی دهانه آشورآده-بندرترکمن و وزش باد غالب شرق­وزان می­باشد. در سناریو 16، 17 و 18 نیز الگوی عمومی جریان هم­چون سناریوهای 4، 5 و 6 می­باشد. ساختار جریان در ناحیه کانال خزینی در اثر دبی ورودی 360 متر مکعب بر ثانیه نسبت به سناریوهای 4، 5 و 6ام تقویت گردیده است. بخشی از جریان ورودی از کانال به داخل خلیج با جهت شمالی-جنوبی پس از طی مسافت 5/2 کیلومتر تحت تاثیر جریانات قوی­تر ایجاد شده توسط مرز ورودی دهانه آشورآده-بندرترکمن با حداکثر سرعت جریان 13/0 متر بر ثانیه به سمت غرب تغییر جهت می­دهد. بخش دیگری از جریان خروجی از کانال نیز به موازات کرانه­های ساحلی به سمت شرق با حداکثر سرعت جریان 12/0 متر بر ثانیه حرکت می­نماید. منطقه جبهه­ای تشکیل شده در سناریوهای 4، 5 و 6 نیز بدون تغییر در سناریوهای 16، 17 و 18 مشاهده می­گردد. مقایسه نتایج الگوی جریان تحت اجرای مدل در سناریوهای 4، 5 و 6 با 16، 17 و 18 نشان می­دهد که بازگشایی کانال خزینی تاثیری بر الگوی عمومی جریان خلیج به جز در منطقه­ای کوچک در مجاورت کانال نخواهد داشت. شکل (4) توزیع بردارها و کانتورهای سرعت جریان را در بخش شمال شرقی خلیج تحت تاثیر ورود آب از دو مرز باز مدل واقع در دهانه آشورآده-بندرترکمن و کانال خزینی و وزش باد غالب شرق­وزان با سرعت ثابت 15 متر بر ثانیه نمایش می­دهد.

شکل4-  نمایش توزیع بردارها و کانتورهای سرعت جریان حاصل از باد شرق­وزان با سرعت 15 متر بر ثانیه در بخش شمال شرقی خلیج

Figure 4- Distribution of Velocity Current Vectors and Contours Resultant of Easterly Wind in the Northeast of the Bay at a Speed of 15 Meters per Second

نتایج اجرای مدل تحت سناریوهای 7، 8 و 9 بیان­گر وجود یک الگوی عمومی جریان از غرب به شرق در تمامی بخش­های خلیج می­باشد. این جریان تحت تاثیر دبی منفی 1000 متر مکعب بر ثانیه در دهانه و وزش باد غالب قرار داشته و با نزدیک شدن به دهانه به تدریج سرعت جریان از مقادیر 02/0 به 2/0 متر بر ثانیه افزایش می­یابد. ساختار جریان در ناحیه کانال

خزینی در کرانه دور و نزدیک به آن تغییرات محسوسی ندارد. به طورکلی الگوی جریان در این سناریوها متاثر از اثرات توأمان وزش باد غالب شرق­وزان متناظر با سناریوها و تنها مرز ورودی یعنی دهانه آشورآده-بندرترکمن می­باشد. در سناریوهای 19، 20 و 21 نیز الگوی عمومی جریان هم­چون سناریوهای 7، 8 و 9 می­باشد، با این تفاوت که ساختار جریان در ناحیه کانال خزینی در اثر دبی خروجی 360 متر مکعب بر ثانیه نسبت به سناریوهای 7، 8 و 9 تغییرات اساسی یافته است. خروج توده­های آب خلیج از طریق کانال سبب گردیده است تا بخشی از جریانات ناحیه میانی با جهت غربی-شرقی و با سرعت 1/0 متر بر ثانیه به سمت شمال تغییر جهت یابند. مقایسه نتایج الگوی جریان تحت اجرای مدل در سناریوهای 7، 8 و 9 با  19، 20 و 21 نشان می­دهد که بازگشایی کانال خزینی تاثیری بر الگوی عمومی جریان خلیج به جز در منطقه­ای کوچک در مجاورت کانال نخواهد داشت. شکل (5) توزیع سرعت و بردار جریان خلیج را در بخش شرقی خلیج در اثر وزش باد غالب شرق­وزان با سرعت ثابت 5 متر بر ثانیه و خروج آب از دو مرز باز مدل واقع در دهانه آشورآده-بندرترکمن و کانال خزینی نمایش می­دهد.

شکل5- نمایش توزیع بردارها و کانتورهای سرعت جریان حاصل باد شرق­وزان با سرعت 5 متر بر ثانیه و مرزهای باز در بخش شرقی خلیج

Figure 5- Distribution of Velocity Current Vectors and Contours Resultant of Easterly Wind at a Speed of 5 Meters per Secondand Open Boundaries in the East Part of the Bay

نتایج اجرای مدل تحت سناریوهای 10، 11 و 12 بیانگر وجود یک جریان موازی با سواحل از غرب به شرق در بخش­های کرانه­ای خلیج با حداکثر سرعت جریان 18/0 متر بر ثانیه و یک الگوی جریان غرب به شرق در بخش­های عمیق و میانی با حداکثر سرعت جریان 05/0 متر بر ثانیه می­باشد. این جریانات عمدتاً تحت تاثیر بادهای غالب شرق­وزان قرار داشته و با نزدیک شدن به دهانه سرعت جریان به تدریج تا 2/0 متر بر ثانیه افزایش می­یابد. بخش­های کرانه­ای و غربی خلیج به دلیل عمق کم و تشکیل جریانات موج­رانه در آن ها، در مقایسه با بخش­های میانی خلیج از سرعت­های جریان بیش از 2/0 متر بر ثانیه  برخوردار می­باشند. ساختار جریان در ناحیه کانال خزینی عرض بیشتری را به خود اختصاص داده و در کرانه دور و نزدیک به آن جهت جریان بدون تغییرات قابل توجهی از غرب به شرق می­باشد. در سناریوهای 22، 23 و 24 نیز الگوی عمومی جریان خلیج با سناریوهای 10، 11 و 12 مشابهت دارد. با این تفاوت که ساختار جریان در ناحیه کانال خزینی در اثر دبی خروجی 360 متر مکعب بر ثانیه نسبت به سناریوهای 10، 11 و 12 تغییرات اساسی یافته است. خروج توده­های آب خلیج از طریق

کانال سبب گردیده است تا بخش­هایی از جریانات کرانه دور سواحل شمالی با جهت غربی-شرقی و با حداکثر سرعت جریان 23/0 متر بر ثانیه به سمت شمال تغییر جهت یابند. مقایسه نتایج الگوی جریان تحت اجرای مدل در سناریوهای 10، 11 و 12 با 22، 23 و 24 نشان می­دهد که بازگشایی کانال خزینی تاثیری بر الگوی عمومی جریان خلیج به جز در منطقه­ای کوچک در مجاورت کانال نخواهد داشت. شکل (6) توزیع بردارها و کانتورهای سرعت جریان را در بخش شرقی خلیج در اثر وزش باد غالب شرق وزان با سرعت ثابت 15 متر بر ثانیه و خروج آب را از دو مرز باز مدل واقع در دهانه آشورآده-بندرترکمن و کانال خزینی نمایش می­دهد.

شکل6- نمایش توزیع بردارها و کانتورهای سرعت جریان حاصل باد شرق­وزان با سرعت 15 متر بر ثانیه و مرزهای باز در بخش شرقی خلیج

Figure 6- Distribution of Velocity Current Vectors and Contours Resultant of Easterly Wind at a Speed of 15 Meters per Secondand Open Boundaries in the East Part of the Bay

بحث و نتیجه­گیری

نتایج مدل­ دو بعدی مایک21 اف­ام در خلیج گرگان بر روی دو مش بی­ساختار به منظور بررسی اثرات بازگشایی کانال خزینی بر الگوی عمومی جریان خلیج تحت 24 سناریوی مختلف مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج بیان­گر آن بود که الگوی جریان در خلیج گرگان عمدتاً در ایام آرام جوی تحت تاثیر نوسان سطح آب و یا دبی ورودی و خروجی دهانه آشورآده-بندرترکمن قرار دارد و بازگشایی کانال خزینی هیچ تاثیری بر الگوی عمومی گردش جریان خلیج نداشته و تنها در بخش­های بسیار نزدیک به کانال سبب تغییر الگوی جریان محلی به صورت شمالی-­ جنوبی می­گردد. در ایام آرام جوی و زمانی که سرعت باد غالب شرق­وزان کمتر از 5 متر بر ثانیه می­باشد، الگوی عمومی جریان در فصل گرما متاثر از دبی ورودی به صورت شرقی-غربی با میانگین سرعت 05/0 متر بر ثانیه و در فصل سرما متاثر از دبی خروجی به صورت غربی-شرقی با میانگین سرعت 06/0 متر بر ثانیه می­باشد. با شروع فصل گرما و در حالت ورود آب به خلیج یک منطقه جبهه­ای جریان در نیمه غربی خلیج متاثر از وزش باد غالب شرق­وزان تولید می­گردد. این منطقه جبهه­ای با افزایش سرعت باد به سمت غرب حرکت کرده و نواحی بیشتری را تحت تاثیر خود قرار می­دهد. با افزایش سرعت باد الگوی عمومی جریان متاثر از باد غالب شرق­وزان و جریانات موج­رانه، در حالت ورود دبی آب به خلیج دچار تغییراتی می­گردد. در این حالت با افزایش سرعت باد جریانات کرانه­ای به موازات نواحی ساحلی شمال و جنوب از سمت غرب به شرق و در ناحیه کم عمق غربی تماماً جریانات غربی-شرقی با حداکثر سرعت 25/0 متر بر ثانیه تشکیل می­گردد. در بخش عمیق خلیج جریانات عمدتاً جهت شرقی-غربی دارند. اثر ورود دبی آب به خلیج از

طریق کانال خزینی نیز تاثیری بر روی الگوی عمومی جریان نداشته و در حالات طوفانی، جریان تنها در بخش­های بسیار نزدیک کانال دچار تغییرات محلی می­گردد. در حالت خروج دبی آب از طریق دهانه آشورآده-بندرترکمن الگوی عمومی جریان متاثر از افزایش سرعت باد غالب شرق­وزان و جریانات موج­رانه تماماً از غرب به شرق می­باشد. در نواحی عمیق و مرکزی خلیج جریانات با سرعت کمتر از 05/0 متر بر ثانیه از سمت غرب به شرق در حرکت می­باشند. اثر خروج دبی آب از خلیج به کانال خزینی نیز تاثیری بر روی الگوی عمومی جریان نداشته و در حالات طوفانی، جریان تنها در بخش­های بسیار نزدیک کانال دچار تغییرات محلی می­گردد.

به طورکلی نتایج تحقیق بیان می­دارد که بازگشایی کانال خزینی از طریق لایروبی کانالی به عرض 300 متر، عمق 4 متر و طول 4 کیلومتر نمی­تواند هیچ تاثیری بر روی الگوی عمومی جریان خلیج داشته باشد. ولیکن بازگشایی کانال مطمئناً می­تواند بر روی میزان تجدیدپذیری، خودپالایی و زمان اقامت آب در خلیج گرگان و در نتیجه افزایش بقاء آن موثر واقع گردد. لذا پیشنهاد می­گردد تا در مطالعات آتی صحت این موضوع از طریق مدل­سازی­های بعدی مورد تحقیق واقع گردد.

تشکر و قدردانی

مقاله حاضر مستخرج از طرح تحقیقاتی به شماره 74-283-89 و با حمایت مالی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان می­باشد و بدین­وسیله از زحمات تمامی دست­اندرکاران اجرای طرح تشکر و قدردانی می­گردد.

منابع

1-   رحیمی­پور­انارکی. ح، 1381، بررسی هیدرودینامیک جریان و پیش بینی الگوی فرسایش و رسوب­گذاری در خلیج گرگان، گزارش طرح تحقیقاتی، شرکت جهاد تحقیقات آب و انرژی، 85 صفحه.

2-      Wichaimekphat, W., Supharatid, S., Tingsanchali, T. 2006. A study of bang khun thien coastal erosion and protection. Vietnam-Japan Estuary Workshop. Hanoi. Vietnam. Pp: 134-139.

3-      Saengsupavanich, C. 2011. Impact of a Proposed Pier on Tidal Currents: Koa Kood Island, Thailand. World Academy of Science. Journal of Engineering and Technology. 81: 103-106.

4-      Huntley, D.A. and Davidson, A.D. 2002. Modeling Water Surface Topography at a Complex Inlet System Teingmouth UK. Journal of Coastal Res. 36: 675-685.

5-      Babu, M.T., Vethamony, P., Desa, E. 2005. Modeling Tide-driven Currents and residual eddies in the Gulf of Kacheh and their seasonal variability.A marine environmental planning perspective. Ecol Model Journal. 18: 4. 299- 312.

6-   توفیقی. م. ع، زین الدینی. م و گلشنی. ع. ا، 1385، شبیه­سازی دوبعدی هیدرودینامیک دریاچه ارومیه برای تعیین الگوی جریان، نشریه مهندسی دریا، شماره 47، صص 11 -13.

7-      اسماعیلی. م، 1388، شبیه­سازی جریان­های کرانه­ای با استفاده از مدل عددی مایک21، مجلة فیزیک زمین و فضا، دوره 35، شماره2، صص 139-156.

8-      کرمی­خانیکی. ع، گودرزی. م، دهقانی. م و موسوی. س.ف، 1385، کاربرد نرم­افزار MIKE 21 در روندیابی جریان رودخانه جزر و مدی زهره، مجله آب و فاضلاب، شماره 60، صص 89-96.

9-   شربتی. س، ایمانپور. م.ر، گرگین. س و حسینی. س.س، 1389، فاز اول مطالعات شبیه­سازی کوتاه مدت جریانات دریایی در خلیج گرگان، گزارش طرح پژوهشی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، 41 صفحه.

10- شربتی. س و حسینی. س.س، 1391، شبیه­سازی دو بعدی الگوی جریان خلیج گرگان در خلال یک دوره یک­ساله، گزارش طرح پژوهشی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، 29 صفحه.

11-  Manual of MIKE 21 FLOW MODEL FM. 2007. Coastal Hydraulic and Oceanography Hydrodynamic Module. Danish Hydraulic Institute (DHI Software). 72 p.

12-  Sharbaty, S. 2012 (a). 3-D Simulation flow pattern in the Gorgan Bay in during summer. International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA). 2:3. 700-707.

13-  Wu, J. 1994. The sea surface is aerodynamically rough even under light winds. Journal of boundary layer metheorology. 69: 149-158.

14- محمدخانی. ح، 1391، تهیه و اجرای آبزی­پروری خلیج گرگان. گزارش طرح پژوهشی. مرکز تحقیقات ذخائر آبزیان آب­های داخلی گرگان، 1391، فصل دوم، بخش هیدرولوژی،314 صفحه.

15-  شربتی. س، حسینی. س.س و تقی زاده. و، 1391، مدل سازی سه بعدی جریان­های بادرانه در حوضه جنوب شرق دریای کاسپی، گزارش طرح تحقیقاتی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، 51 صفحه.

16-  مهندسین مشاور سکو، 1386، مطالعات تکمیلی بندرترکمن، 68 صفحه.

17-  Sharbaty, S. 2012 (b). Simulation of wind-driven waves in the Gorgan Bay. Canadian Journal on Computing in Mathematics, Natural Sciences, Engineering and Medicine. 3:2. 40-44.

18-  Manual of MIKE 21 NSW. 2007. Near shore Spectral Wind-Wave Module. Danish Hydraulic Institute (DHI Software). 76 p.

19-  Battjes, J.a., and Janssen, J.P.F.M. 1978. Energy loss and set-up due to breaking of random waves. Proc. 16th Int. Conf. on Coastal Eng. Hamburg. pp: 569-587.