مدل سازی دو بعدی نرخ تجدیدپذیری آب در خلیج گرگان

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره نوزدهم،ویژه نامه شماره 5 ، تابستان1396

مدل­سازی دوبعدی نرخ تجدیدپذیری آب در خلیج گرگان

سعید شربتی [1]*

s_sharbaty@yahoo.com

حامد کلنگی میان­دره [2]

چکیده

زمینه و هدف: نرخ تجدیدپذیری از جمله شاخص­های مهم در تجزیه ­و­ تحلیل وضعیت کیفی احجام آبی محسوب می­گردد. در این تحقیق به­منظور بررسی نرخ تجدیدپذیری آب در خلیج گرگان نسبت به جفت نمودن دو ماژول هیدرودینامیکی و انتقال-پخش مدل دو بعدی مایک21 اف­ام اقدام گردیده است.

روش بررسی: مدل­سازی تحت 4 رویداد فرضی مختلف با در نظر گرفتن عوامل وزش باد، ورودی رودخانه­ها، بارش، تبخیر و نوسان آب در دهانه آشورآده-بندرترکمن اجرا گردید.

یافته‌ها: نتایج مدل­سازی بیان­گر آن بود که خلیج گرگان دارای نرخ تجدیدپذیری کل به میزان 0181/0 بر روز می­باشد. تغییرات به ­وجود آمده در میزان نرخ تجدیدپذیری به ­شدت تحت تاثیر رژیم هیدرودینامیک حاکم بر خلیج گرگان قرار داشت. نرخ تجدیدپذیری در فاصله 1 کیلومتر از دهانه ورودی کم­تر از یک بر روز بود. نرخ این شاخص زمانی با حرکت در امتداد محور طولی خلیج از شرق به غرب کاهش یافت. نرخ تجدیدپذیری در نواحی شمال­شرقی نسبت به نواحی متناظر در جنوب­شرق بیشتر بوده است. در نواحی غربی خلیج تفاوت چندانی در میزان این شاخص زمانی در بخش­های شمالی و جنوبی وجود نداشت. نتایج مدل­سازی در چهار فصل سال بیان­گر آن بود که میزان تجدیدپذیری کل در فصل زمستان و بهار بیشتر از تابستان و پاییز می­باشد که به­ ترتیب با روندهای افزایش و کاهش درون­ سالیانه سطح آب در دریای کاسپی منطبق می­باشند.

بحث و نتیجه‌گیری: با توجه به کم بودن نرخ تجدیدپذیری آب در خلیج گرگان می­توان به صراحت گفت که سیستم تعویض آب در این پیکره آبی با سرعت آهسته­ای انجام شده و هرگونه استفاده از آن باید با مطالعات و تمهیدات بیشتر صورت پذیرد.

واژه­های کلیدی: مدل­سازی، دوبعدی، نرخ تجدیدپذیری، خلیج گرگان، مایک21 اف­ام.

Two Dimensional Modeling of Net Water Renewal Time in Gorgan Bay

Saeed Sharbaty [3]*

s_sharbaty@yahoo.com

Hamed Kolangi Miandareh [4]

Abstract

Background and Objective: Net Renewal Time is one of the most important indicators for water quality analysis in the water bodies. In this study, in order to investigate the Net water Renewal Time in Gorgan Bay, two modules from two dimensional Mike21FM model including Advection-Dispersion and Hydrodynamic were coupled.

Method: Modeling was performed under 4 different scenarios with inclusion of some factors such as wind stress, river input, precipitation, evaporation and water fluctuations in spans of Ashoradeh-Bandaretorkaman.

Findings: The modeling results showed that integral Net Renewal Time in Gorgan Bay was 0.0181 per days. Variations in the amounts of Net Renewal Time were strongly influenced by prevailing hydrodynamic regime in Gorgan Bay. Net Renewal Time in distance of 1 km from the input spans was less than one day. This time index rate decreases by moving along longitudinal axis of the bay from east to west. Net Renewal Time in northeastern area was more than the corresponding areas in southeastern part. There was no significant difference in the Net Renewal Time for southern and northern parts of the west area. The modeling results in the four seasons showed that the Renewal amounts in winter and spring were more than those in summer and fall, and these results were consistent with increasing and decreasing inter-annual water level trend in the Caspian Sea, respectively.

Conclusion: Due to the low water Net Renewal Time in Gorgan Bay, it can be concluded that the water flushing system has very low speed in this water body and any use of it must be done with further studies and arrangements.

Keywords: Modeling, Two Dimensional, Net Renewal Time, Gorgan Bay, Mike21 FM.   

مقدمه

در بوم­سازگان­های آبی، جابه­جایی برخی از موجودات همچون زی­شناوران، تخم و لارو ماهیان، مواد مغذی، آلاینده­های زیست محیطی، ذرات معلق و گازهای محلول توسط جریانات صورت می­پذیرد. لذا داشتن اطلاعات کافی در خصوص رژیم هیدرودینامیک حاکم بر منطقه و مقیاس­های زمانی انتقال از گام­های اولیه در مدل­سازی فرآیندهای بوم­شناختی احجام آبی محسوب می­گردد (1). چگونگی وقوع برخی از فرآیندهای فیزیکی در آب بیان­گر میزان سلامتی بوم­سازگان­های آبی می­باشد. از جمله فرآیندهای فیزیکی مهم که بر سلامتی، تولیدات زیستی و میزان کیفیت آب تاثیرگذار بوده و به عنوان شاخصی جهت ارزیابی میزان آسیب­های وارده به محیط­های آبی مطرح می­گردد، مقیاس­های زمانی تبادل آب بین دو پهنه آبی بزرگ می­باشد (2). از جمله مقیاس­های زمانی قابل توجه می­توان به نرخ تجدیدپذیری[5] احجام آبی همچون خلیج­ها اشاره نمود. این مقیاس زمانی بیان­گر آهنگ تغییرات مدت زمان لازم جهت تعویض کل آب موجود در یک پیکره آبی با آب­های تازه وارد از محیط­های مجاور از طریق مرزهای ورودی همچون دهانه، تنگه، رودخانه و یا کانال­ها می­باشد. از این مفهوم می­توان جهت توصیف فرآیندهایی هم­چون لایه­بندی دمایی محیط­های آبی، بررسی ترکیب ایزوتوپیک عناصر، تعیین میزان غلظت ترکیبات آلی کربن­دار محلول در آب، بررسی خصوصیات pH آب، برآورد نسبت عناصر فلزات سنگین در آب، تعیین میزان غلظت مواد مغذی در آب، نرخ معدنی شدن مواد آلی و برآورد میزان تولیدات اولیه زیستی استفاده نمود (1). به منظور تعیین نرخ تجدیدپذیری حوضه آبی که معکوس زمان تجدیدپذیری[6] می­باشد، می­توان از سه شیوه ردیابی مواد رادیواکتیو، روابط تجربی و مدل­سازی­های عددی استفاده نمود (3). از میان سه روش مذکور مدل­سازی­های عددی دارای امتیازهای بیشتری نسبت به دو روش دیگر به  دلیل صرف کمتر هزینه­های مادی و زمانی و افزایش امکان مطالعه حوضه آبی با جزییات بیشتر در مقیاس­های زمان-مکانی بزرگ­تر می باشد. از طرفی ­در مدل­سازی این شاخص زمانی می­توان از سه روش لاگرانژی، جابجایی-پخش و یا ترکیبی از هر دو استفاده نمود (4). در خصوص تحقیقات انجام شده جهت مدل­سازی این مقیاس زمانی، می­توان به کارهای انجام شده توسط مانوژ (2)، ­برنس و همکاران (5)، وانگ و همکاران (6)، اویلون و همکاران (7)، شلدون و آلبر (8)، استامو و همکاران (9)، لی و کیان (10) و صدری­نسب و کمپ (11) اشاره نمود. مدل  سازی­های انجام شده با توجه به عمق و داده­های موجود از حوضه تحت بررسی دو و یا سه بعدی بوده است.

خلیج گرگان به عنوان بزرگ ترین خلیج ایران در آب­های جنوبی سواحل دریای کاسپی با داشتن ویژگی­های طبیعی خاص خود یکی از با ارزش­ترین زیستگاه­های گیاهی و جانوری دنیا است که در کنوانسیون رامسر به­عنوان ذخیره­گاه زیست­کره به ثبت رسیده است. با کاهش کیفیت آب خلیج گرگان از طریق پساب­های شهری، صنعتی و کشاورزی، این بوم سازگان آبی ارزش­مند در معرض آلودگی زیست محیطی قرار گرفته است (12). کاهش کیفیت آب خلیج نه تنها با عوامل انسان­زادی در ارتباط بوده بلکه با وضعیت هیدرودینامیکی خلیج نیز ارتباط مستقیم دارد. پویایی جریان آب در خلیج به موجب جریان­های دریایی و فرآیند اختلاط، سبب افزایش میزان خودپالایی آب در خلیج می­گردد. با توجه به نیمه بسته بودن خلیج، تنها راه ارتباطی موثر آن با دریای کاسپی از طریق دهانه آشورآده-بندرترکمن می­باشد. در نتیجه رژیم حاکم بر وضعیت هیدرودینامیکی خلیج کمتر تحت تاثیر انرژی دریافتی از دریای کاسپی قرار گرفته و بیشتر متاثر از فرآیندهای فیزیکی واقع در حوضه خود هم­چون وزش بادهای غالب می­باشد (13). با توجه به اندازه­گیری­های میدانی جریان (14) و مدل­سازی­های دو بعدی جریان (15)، مقادیر سرعت جریان در خلیج بالا نبوده و گمان می­رود سیستم تعویض آب در این پیکره آبی با سرعت مناسبی انجام نشود. در نتیجه می­توان انتظار داشت که آلودگی­ها و مواد معلق در این پهنه آبی انباشته و یا با سرعتی بسیار آهسته از آن خارج و یا در بخش­هایی از آن تمرکز یافته و بدین صورت سبب کاهش میزان کیفیت آب خلیج گردند. با توجه به وضعیت آلودگی کنونی خلیج و تلاش مسوولین و برنامه­ریزان منطقه برای راه اندازی بنادر نیمه­فعال ترکمن، خوجه­نفس و گز و احداث مزارع پرورش ماهیان گرم­آبی، سردآبی و فیل­ماهی در بخش­هایی از خلیج این احتمال وجود دارد که در سال­های آتی بار آلودگی در این حوضه افزایش یابد. لذا در این تحقیق مدل­سازی هیدرودینامیک خلیج گرگان به­منظور آگاهی از تغییرات مکان-زمانی نرخ تجدیدپذیری کل[7] و محلی[8] در این پهنه آبی مد نظر قرار گرفته است، چرا که داشتن اطلاعات مناسب و دقیق در خصوص عوامل زمانی مذکور منجر به شناسایی نواحی حساس و آسیب­پذیر در این پهنه آبی ارزش­مند و اتخاذ تصمیمات مناسب به­منظور استفاده هر چه بهتر از پتانسیل­های خلیج می­گردد.

روش بررسی

 خلیج گرگان با طول تقریبی60 کیلومتر، حداکثر عرض 12 کیلومتر، میانگین عمق 5/1 متر و با مساحت تقریبی 460 کیلومترمربع حوضه آبی نیمه بسته­ای است که از شمال با منطقه حفاظت شده شبه جزیره میانکاله و از جنوب با استان­های گلستان و مازندران و در بخش شمال شرقی از طریق دهانه آشورآده-بندرترکمن با دریای کاسپی در ارتباط دایمی می­باشد (شکل 1).

شکل 1– موقعیت خلیج گرگان در جنوب شرق دریای کاسپی

Figure 1- Gorgan Bay position in south-east of the Caspian Sea

در این تحقیق به منظور مدل­سازی نرخ تجدید­پذیری آب در حوضه خلیج گرگان نسبت به جفت نمودن به هنگام دو ماژول هیدرودینامیک و انتقال-پخش[9] از مدل مایک21 اف­ام استفاده شده است. مدل پایه هیدرودینامیک مایک21 اف­ام، یک سیستم مدل سازی عددی پیشرفته جهت شبیه‌سازی سطوح آب و جریان­ها در مصب، خلیج و مناطق ساحلی می‌باشد. مدل مذکور جریانات دو بعدی غیر‌ یکنواخت را در یک لایه از سیال که به طور عمودی از لحاظ چگالی همگن است شبیه‌سازی می‌نماید. دلیل انتخاب مدل دو بعدی در این تحقیق، کم عمق بودن و کوچک بودن تغییرات عوامل حرکت در راستای قایم در حوضه خلیج گرگان می­باشد. معادلات به کار رفته در مدل همان معادلات آب­های کم عمق پایستگی جرم و اندازه حرکت است که به روش تفاضل محدود گسسته‌سازی شده و پس از انتگرال‌گیری در عمق، مولفه‌های میانگین‌گیری شده سرعت  و تراز سطح آب به دست خواهد آمد. مدل مایک21 اف­ام از شیوه ضمنی جاروب دوطرفه[10] برای انتگرال‌گیری از معادلات پیوستگی جرم و اندازه حرکت در میدان فضا-زمانی و با دقت مرتبه دوم استفاده می‌کند (16). معادلات پیوستگی و اندازه حرکت به کار گرفته شده در مدل مایک به­صورت زیر می­باشد.

(1)               معادله پیوستگی   

 (2) معادله اندازه حرکت در جهت     x

(3) معادله اندازه حرکت در جهت      y

در معادلات فوق، :عمق آب،: تراز لحظه­ای سطح آب،  : دبی در واحد عرض و  مقادیر سرعت درجهات  ،c : ضریب مانینگ، : شتاب جاذبه،: ضریب اصطکاک باد،: بزرگی سرعت باد و مولفه‌های آن در دو جهت  ، : پارامتر کوریولیس، : فشار جو،: چگالی آب و  : مولفه‌های تنش برشی موثر می‌باشند. معادلات فوق پس از گسسته‌سازی به روش تفاضل محدود بر روی شبکه‌های بی­ساختار مثلثی حل می­شوند.

جهت مدل­سازی هندسه خلیج گرگان، از سه نقشه­ آب­نگاری خلیج با مقیاس 1:25000 و متعلق به سازمان نقشه­برداری کشور استفاده شده و سپس با وارد کردن نقاط مرزی و داده­های تراز عمقی و درون­یابی داده­ها در محیط تولیدگر مش در نرم­افزار دی­اچ­آی، شبکه­بندی بی­ساختار مثلثی خلیج گرگان با 8997 المان و 4746 گره تولید گردید. جهت معرفی تنش باد به عنوان ورودی مهم به مدل به صورت ثابت در مکان و متغیر در زمان، از داده­های جهت و سرعت باد ایستگاه هواشناسی بندرترکمن در بخش جنوب شرقی خلیج گرگان با فواصل زمانی ده دقیقه­ای در دوره زمانی مدل­سازی استفاده شده است. برای اعمال تغییرات ضرایب اصطکاک باد به دلیل تغییرات سرعت باد از رابطه اسمیت و بنک استفاده ‌گردید (17). برای اعمال شرط مرز باز به مدل از اطلاعات نوسان­های سطح آب در ایستگاه آشوراده متعلق به مرکز ملی مطالعات دریای خزر استفاده شد و آمار فوق به تنها مرز باز خلیج در دهانه آشوراده–بندرترکمن در دوره زمانی شاخص اعمال گردید. دوره شبیه­سازی بالغ بر 3153600 گام زمانی با فواصل زمانی 10 ثانیه از ابتدای زمستان 1388 الی پایان پاییز 1390 می­باشد. با توجه به فواصل زمانی و فواصل مکانی انتخاب شده، عدد کورانت که بیان­گر پایداری مدل می­باشد برابر 8/0 به دست آمد. در این تحقیق از میانگین ماهانه بارش، تبخیر و دبی ورودی 13 رودخانه به خلیج منطبق با دوره زمانی مدل­سازی استفاده شده است (18). اثر نیروی کوریولیس علی­رغم عرض جغرافیایی بسیار ناچیز منطقه در نظر گرفته شده است. حوضه خلیج گرگان دارای مناطق کم عمق بسیاری در نواحی ساحلی و به­خصوص غربی می­باشد و به­منظور در نظر گرفتن خشکی و تری سواحل در اثر افت و خیز سطح آب دریای کاسپی، از ضرایب خشکی 005/0 و تری 05/0 متر در مدل­سازی حاضر استفاده شده است. شرایط اولیه شبیه­سازی به صورت سطح اولیه آب و از قرائت اولین عدد نوسان­نگار سطح آب در مرز ورودی به مدل اعمال شد. به ­منظور مدل­سازی اثر گردابه­ای، از فرمول اسماگورینسکی بر اساس سرعت آب با ضریب ثابت 5/0 استفاده گردید (19). در این مدل­سازی مقاومت بستر به عنوان مهم­ترین عامل تاثیرگذار در مناطق کم­عمق، با توجه به وضعیت بافت رسوبات سطحی خلیج که عمدتاً در محدوده ماسه­­-گلی قرار دارد (20) از طریق روابط ارایه شده توسط دیکس و همکاران (21) به­صورت متغیر در مکان و ثابت در زمان برای اعماق کمتر از 2 متر معادل 32 و برای اعماق بیشتر از 2 متر معادل 36 در نظر گرفته شد. ضرایب تمامی عوامل در نظر گرفته شده در اجرای مدل هیدرودینامیکی مایک21، پیش­تر در قالب یک طرح تحقیقاتی انجام شده بود و از آن­ها در اجرای مدل­سازی نرخ تجدیدپذیری آب در خلیج گرگان استفاده گردید (22). همان­طور که اشاره شد نتایج مدل هیدرودینامیک مایک21 شامل سرعت جریان و نوسان سطح آب، اساس و پایه اجرای زیرمدل انتقال­-پخش می­باشد. بدین صورت که با جفت نمودن مدل­های هیدرودینامیک و انتقال­-پخش، در ابتدا مدل­ هیدرودینامیک مایک21 اف­ام با شرایط اعمال شده به اجرا در آمده و سپس از نتایج آن جهت اجرای زیرمدل انتقال­-پخش به­طور هم­زمان استفاده می­گردد. معادله انتقال و پخش دو بعدی استفاده شده در مایک21 همان معادله موازنه جرم بر حسب غلظت به صورت زیر می­باشد (23): 

در معادلات فوق  و  به ترتیب بیان­گر ضرایب نفوذ یا پخش در جهات  و ،  و  به ترتیب بیان­گر سرعت در جهات  و ،  منبع انتشار،  غلظت ماده مورد نظر،  دبی منابع ورودی و یا خروجی و  عمق آب می­باشد. در مدل­سازی نرخ تجدیدپذیری یک حوضه نیمه بسته، غلظت یک ماده پایستار را (با واحد یا بدون واحد) در کل حوضه برابر 100 درصد در نظر گرفته و با اعمال آبی با غلظت صفر از طریق مرزهای ورودی مدل، مدت زمان لازم را برای این­که غلظت ماده پایستار در حوضه به 37 درصد مقدار اولیه خود برسد، محاسبه می­نمایند (24). از آن­جا که در این تحقیق نرخ تجدیدپذیری در خلیج گرگان مد نظر بوده است، لذا غلظت دبی وارده از طریق رودخانه­ها و بارش نیز هم­چون مرز ورودی در دهانه آشوراده-بندرترکمن معادل صفر در نظر گرفته شد. از طرفی جهت بررسی نرخ تجدیدپذیری محلی در نواحی مختلف حوضه حل، خلیج گرگان در 22 ناحیه با مساحت بیشینه 25 کیلومترمربع مورد بررسی واقع گردید. با میانگین­گیری از مقادیر نرخ تجدیدپذیری محلی در 22 ناحیه تحت بررسی، نرخ تجدیدپذیری کل محاسبه می­گردد (25). مدل­سازی تحت 4 رویداد فرضی مختلف به منظور مقایسه و بررسی الف- اثر ورودی آب از طریق دهانه آشوراده-بندرترکمن بدون احتساب باد و منابع ورودی، ب- اثر توامان وزش باد بر کل حوضه خلیج و نوسان در دهانه بدون منابع ورودی، ج- اثر نوسان در دهانه به­همراه منابع ورودی و د- اثر تمامی عوامل اجرا گردید. هم­چنین برای بررسی نرخ تجدیدپذیری خلیج در فصول مختلف سال، نتایج اجرای مدل با در نظر گرفتن تمامی مجموعه عوامل برای چهار فصل سال به­طور مجزا در دوره زمانی شاخص یک ساله مورد مطالعه واقع شد.

یافته­ها

مدل­سازی دوبعدی جریان در خلیج گرگان در طی دوره شاخص یک ساله به منظور به دست آوردن زمان و نرخ تجدیدپذیری در خلیج گرگان با شرایط اعمال شده به مدل مایک21 اف­ام تحت 4 رویداد فرضی انجام شد (جدول 1).

جدول 1- میزان نرخ تجدیدپذیری کل و زمان تجدیدپذیری کل تحت اجرای 4 رویداد فرضی در خلیج گرگان

Table 1- Integral Net Renewal Time and Local Net Renewal Time in the Gorgan Bay under 4 Hypothetical Scenario

اجرای مدل تحت رویداد فرضی1 یعنی تنها در نظر گرفتن اثر ورود و خروج آب از طریق دهانه آشوراده-بندرترکمن نشان داد که میزان تجدیدپذیری کل 7/58 روز بوده و اعمال شرط دهانه در خلیج گرگان در مقایسه با رویدادهای فرضی دیگر دارای نرخ تجدیدپذیری کمتر و زمان تجدیدپذیری بیشتر می­باشد (جدول 2). در این سناریو مدت زمان لازم برای تجدیدپذیری آب در ناحیه 22 از خلیج گرگان معادل 6/68 روز محاسبه گردید.

جدول 2- میزان نرخ تجدیدپذیری محلی تحت اجرای  رویداد فرضی اول در خلیج گرگان (برحسب  روز/1)

Table 2- Local Net Renewal Time in the Gorgan Bay under First Hypothetical Scenario (1/day)

بررسی نتایج مدل در رویداد فرضی2 تحت عوامل نوسان در دهانه و وزش باد در سطح خلیج نشان داد که عامل وزش باد بر روی سطح خلیج سبب کاهش مدت زمان تجدید­پذیری کل به میزان 51/3 روز و 41/2 روز به ترتیب در مقایسه با رویداد فرضی اول و سوم می گردد (جدول 3). در این سناریو مدت زمان لازم برای تجدیدپذیری آب در ناحیه 22 از خلیج گرگان معادل 12/67 روز محاسبه گردید.

جدول 3- میزان نرخ تجدیدپذیری محلی تحت اجرای  رویداد فرضی دوم در خلیج گرگان (برحسب  روز/1)

Table 3- Local Net Renewal Time in the Gorgan Bay under Second Hypothetical Scenario (1/day)

نتایج اجرای مدل تحت رویداد فرضی3 بیان­گر نقش قابل توجه ورودی رودخانه­ها در افزایش نرخ تجدیدپذیری خلیج و کاهش چشم­گیر زمان تجدیدپذیری­ کل خلیج در سواحل جنوبی در مقایسه با سناریوهای 1 و 2 به میزان یک روز می­باشد (جدول 4). در این سناریو مدت زمان لازم برای تجدیدپذیری آب در ناحیه 22 از خلیج گرگان معادل 1/66 روز محاسبه گردید.

جدول 4- میزان نرخ تجدیدپذیری محلی تحت اجرای  رویداد فرضی سوم در خلیج گرگان (برحسب  روز/1)

Table 4- Local Net Renewal Time in the Gorgan Bay under Third Hypothetical Scenario (1/day)

با در نظر گرفتن تمامی مجموعه عوامل نتایج مدل­سازی در رویداد فرضی4 نشان داد که خلیج گرگان در خلال دوره شاخص دارای نرخ تجدیدپذیری کل 0181/0 بر روز می­باشد. با این نرخ تجدیدپذیری، کل آب خلیج گرگان در طی 2/55 روز متاثر از الگوی وزش باد، نوسان آب در دهانه آشوراده-بندرترکمن، بارش و ورودی رودخانه­ها از نو تجدید می­گردد. بررسی تغییرات توزیع مکان-زمانی نرخ تجدیدپذیری محلی در 22 ناحیه از خلیج گرگان نشان داد که در امتداد محور شرقی-غربی با دور شدن از دهانه آشوراده-بندرترکمن نرخ تجدیدپذیری کاهش می­یابد (جدول 5 و شکل2). میزان تجدیدپذیری در فاصله­ یک ­کیلومتر