مجله ژئوفیزیک ایران

مجله ژئوفیزیک ایران

شبیه‌سازی عددی دوبعدی انتقال رسوبات ریزدانه دریایی در کانال بندر بوشهر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، دانشکده علوم و فنون دریایی، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران
2 دانشیار، دانشکده علوم و فنون دریایی، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران
3 دانشیار، موسسه ژئوفیزیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران
4 دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران
چکیده
مطالعه رسوبگذاری در بنادر و لنگرگاه‌ها، موضوعی جدی در مطالعات مهندسی سواحل و اقیانوس شناسی است. رسوبات دریایی ریزدانه به دلیل رفتارشان، ویژگی‌های پیچیده خاصی نسبت به سایر رسوبات دریایی دارند. این نوع رسوبات دریایی می‌توانند در دو فاز منتقل شوند: بار معلق و بار بستر، که هر کدام پیامدها و ویژگی‌های متفاوتی را به دنبال دارد. در این مطالعه یک مدل دوبعدی توسعه داده شده (مدل عددی)، که شامل تمام فرآیندهای مرتبط با انتقال رسوبات چسبنده دریایی مانند توده‌سازی‌ و تأثیر آن بر سرعت ته‌نشینی ذرات رسوبات چسبنده دریایی، تحکیم لایه‌های بستر و انتقال رسوبات دریایی بین لایه‌ها، تغییرات تنش برشی بستر تحت تاثیر حضور همزمان موج و جریان، مورفولوژی بستر، رسوب‌گذاری و فرسایش می‌شود، به کار برده شده است. برای ارزیابی نحوه انتقال رسوبات دریایی، تمامی فرآیندها در نظر گرفته شدند. برای تأیید عملکرد مدل، نتایج مدل با نتایج مدل اقیانوسی ساحلی حجم محدود (FVCOM) و داده‌های میدانی گزارش‌شده در مرحله شبیه‌سازی خلیج بوشهر، یک مطالعه موردی، مقایسه شده‌اند. در بخش عملکرد ماژول رسوب چسبنده، نتایج حاصل از مدل با و بدون اعمال تغییرات مورفولوژی، با نتایج حاصل از مدل FVCOM مقایسه شدند. مقایسه‌ها نشان می‌دهد که مدل با موفقیت هیدرودینامیک و رسوب چسبنده را در جولای 2010، در منطقه خلیج بوشهر شبیه‌سازی کرده است. در مورد نتایج ارتفاع سطح و سرعت جریان مطابقت خوبی بین دو مدل و داده‌های اندازه‌گیری وجود دارد. همچنین در بخش رسوب، داده‌های غلظت رسوب با اعمال مورفولوژی برای مدل عددی نوسان بیشتری را تجربه می‌کند که به آنچه که در طبیعت رخ می‌دهد نزدیک‌تر است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

The 2D numerical simulation of fine-grained marine sediment transport in the channel of the Bushehr Port

نویسندگان English

Sara Movahedinejad 1
Maryam Soyuf Jahromi 2
Seyed Mostafa Siadatmousavi 3
Seyed Abbas Haghshenas 4
1 Ph.D. Student, Faculty of Marine Science and Technology, University of Hormozgan, Bandar Abbas, Iran
2 Associate Professor, Faculty of Marine Science and Technology, University of Hormozgan, Bandar Abbas, Iran
3 Associate Professor, Institute of geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran
4 Associate Professor, School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

The study of sedimentation in ports and harbors is a serious topic in coastal engineering and oceanography studies which is annually accompanied by high dredging costs. Study of sediment transport and determination of deposition and erosion rates are fundamental studies in construction and development of ports. Numerical modeling of fine-grained and cohesive sediments transport and morphodynamics provides an effective tool for understanding sediment problems in coastal areas with fine-grained material. Study of sedimentary processes depends on the type of sediment. Due to this fact that many coastal zones have fine-grained or cohesive sediment, studying of this kind of sediment is important. Fine-grained marine sediments, due to their behavior, have certain complex characteristics compared to other marine sediments. This type of marine sediment can be transported in two phases: suspended load and bed load, each of which has different consequences and characteristics. In this study, a two-dimensional numerical model was used, which includes all processes related to the transport of marine cohesive sediments such as flocculation and its effect on the settling velocity of marine cohesive sediment particles, consolidation of bed layers and transport of marine sediments between layers, changes in bed shear stress under the influence of the simultaneous presence of waves and currents, bed morphology, deposition and erosion. To evaluate the transport of marine sediments, all processes were considered. To simulate fine-grained sediment transport, the main parts of the computational engine are an advection-dispersion engine and some experimental formulas related to cohesive sediment processes. This model determines the rate of erosion and deposition of cohesive sediment under different wave and current conditions. To verify the model performance, the model results were compared with the Finite Volume Coastal Ocean Model (FVCOM) results and field data reported in the Bushehr Bay simulation phase, a case study. In the performance section of the cohesive sediment module, the model results with and without applying morphological changes were compared with the FVCOM model results. The comparisons show that the model successfully simulated the hydrodynamics and cohesive sediment in the Bushehr Bay area in July 2010. The location chosen for comparing sedimentation between the two models is located exactly at the beginning of the outer channel. This location has high dynamics in terms of sedimentation and erosion. This is because the natural outlet path of Bushehr Bay intersects with the outer channel at this location, which results in more complex sedimentation patterns, including deposition and erosion.

کلیدواژه‌ها English

Cohesive sediment
sediment transport
numerical model
hydrodynamics
حق‌شناس، سید عباس (1391). انتشار موج روی بستر گلی. رساله دکتری. به راهنمایی محسن سلطان‌پور. گروه مهندسی عمران. دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، 2-21.
ژرف‌ دریا پژوهش پارس (1399). گزارش بررسی تغییرات الگوی رسوب‌گذاری ناشی از توسعه بندر بوشهر.
سازمان بنادر و دریانوردی (1399). بررسی تغییرات الگوی رسوب‌گذاری ناشی از توسعه بندر بوشهر.
شرکت جهاد تحقیقات آب و انرژی (1379). گزارش اندازه‌گیری‌های دریایی بندر بوشهر.
صادقیان، آرزو، یاری، صادق و نجفی علمداری، مهدی (1395). بررسی روند رسوب‌گذاری کانال های دسترسی بندر بوشهر با استفاده از داده های هیدروگرافی دقیق.کنفرانس ملی مهندسی فناوری اطلاعات مکانی. تهران.
موحدی‌نژاد، سارا (1396). پیاده‌سازی مدل انتقال رسوبات معلق ریزدانه در نرم‌افزار PMODynamics. پایان‌نامه کارشناسی ارشد. به راهنمایی اصغر بهلولی. گروه فیزیک فضا. موسسه ژئوفیزیک. دانشگاه تهران.
Baird and JWERC (2009). Marine measurements in the third phase (Bushehr).
Berlamont, J. E., Ockenden, M. C., Toorman, E. A., and Winterwerp, J. C. (1993). The characterization of cohesive sediment properties. Coast. Eng. 21(1–3), 105–128. https://doi.org/10.1016/0378-3839(93)90047-C.
Cui, Z., Huang, L., Fang, H., Han, D., Bombardelli, F. (2023). Exploring Cohesive Sediment Flocculation With Surface Heterogeneity: A Theoretical Lagrangian-Type Flocculation Model. Water. Resour. Res. Volume 59, Issue 11. https://doi.org/10.1029/2022WR034374.
Dearnaley, M. P., Roberts, W., Jones, S., Leurer, K. C., Lintern, D. G., Merckelbach, L. M., Sills, G. C., Toorman, E. A., Winterwerp, J. C. (2002). Proceedings in Marine Science, Volume 5, 57-73. https://doi.org/10.1016/s1568-2692(02)80008-0.
DHI (2005).  Modeling studies of Bushehr Port.
Einstein, H. A. and Krone, R. B. (1962). Experiments to determine modes of cohesive sediment transport in salt water, J. Geophys. Res. 67(4), 1451-1461.‏ https://doi.org/10.1029/jz067i004p01451.
Farhangmehr, A., Haghshenas, S. A., and Zarinfar, E. (2021). Investigating
Sedimentation in Bushehr Port Access Channel, Adopting Periodic Sonar Surveys and Numerical Simulations, Conference: International Conference on Cohesive Sediment At: Delft, The Netherlands.
Heydari, N., Diplas, P. (2022). Three-Dimensional Turbulent Flow Characteristics Near the Leading Edge of a Longitudinal Structure in the Presence of an Inclined Channel Bank. J. Water. 14(21), 3524. https://doi.org/10.3390/w14213524.
Issaka, S., Ashraf, M. A. (2017). Impact of soil erosion and degradation on water quality: a review, Journal of Geology, Ecology, and Landscapes. 1-11. https://doi.org/10.1080/24749508.2017.1301053.
Leupi, C. (2005). Numerical modeling of cohesive sediment transport and bed morphology in estuaries, Thesis, P.D.: DIPET II de l’Université de Douala, Cameroun et de nationalité camerounaise.
LeVeque, R. J. (2007). Finite Difference Methods for Ordinary and Partial Differential Equations
Liu, M., Zeng, L., Wu, L., Zhu, C., Abi, E. (2022). Effect of periodic water-sediment laden flow on damage for steel piles, J. Front. Env. Sci. https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.971786.
McCave, I. N. (1984). Erosion, transport and deposition of fine-grained marine sediments. Geological Society, London, Special
 
     Publications, 15(1), 35-69. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142025
Mehta, A. J., Hayter, E. J., Parker, W. R., Krone, R. B., Teeter, A. M. (1989). Cohesive Sediment Transport. I: Process Description. J. Hydraul. Eng. (N Y), Volume 115, Issue 8. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1989)115:8(1076).
MIKE21 (2012). Mud Transport Models, Release 2.7, User Guide and Reference Manual, Danish Hydraulic Institute.
Mitchener, H. J., and Torfs, H. (1996). Erosion of mud/sand mixtures. Coast. Eng. 29 (1–2), 1–25. https://doi.org/10.1016/S0378-3839(96)00002-6.
Movahedinejad, S.; Bohluly, A; Haghshenas, S. A.; Bidokhti, A. A. (2023). A 2D numerical model for simulation of cohesive sediment transport, Comput. Geosci. http://doi.org/10.1007/s10596-023-10201-w.
Namin, M. (2003). A fully three-dimensional non-hydrostatic free surface flow model for hydro-environmental prediction, Ph.D. Thesis, Cardiff School of Engineering, Cardiff University.
Normant, C.L. (2000). Three-dimensional modelling of cohesive sedi ment transport in the Loire estuary. Hydrol. Process. 14(13), 2231–2243.
Parchure, T. M. and Mehta, A. J. (1985). Erosion of soft cohesive sediment deposits, J.  Hydraul. Eng. 111(10), 1308-1326. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1985)111:10(1308).
Partheniades, E. (1965). Erosion and deposition of cohesive soils, J. Hydraul. Eng. 91(1), 105-139. https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0001165.
Sogreah (2006). Bushehr Port complex development – Design supporting hydraulic studies.
Teeter, A. M. (1986).Vertical transport in fine-grained suspension and newly-deposited sediment, In Estuarine cohesive sediment dynamics, Lecture Notes on Coastal and Estuarine Studies, vol 14. Springer, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-4936-8_9.
Thorne, P. D., Hardcastle, P. J. and Soulsby, R. L. (1993). Analysis of acoustic measurements of suspended sediments, J. Geophys. Res.: Oceans 98(C1), 899-910. http://dx.doi.org/10.1029/92JC01855.
Torfs, D., Mitchener, H., Huysentruyt, H., and Toorman, E. (1996). Settling and consolidation of mud/sand mixtures. Coast. Eng. 29 (1– 2), 27–45. https://doi.org/10.1016/S0378-3839(96)00013-0.
Torfs, H. (1997). Erosion of mixed cohesive/non-cohesive sediments in uniform flow. Cohesive sediments, N. Burt, R. Parker, and J. Watts, eds., Wiley, New York, 245–252.
Yanenko N. N. (1971). The Method of Fractional Step, Springer-Verlag.
دوره 20، شماره 4
مرداد و شهریور 1405
صفحه 119-130

  • تاریخ دریافت 23 آذر 1404
  • تاریخ بازنگری 27 اسفند 1404
  • تاریخ پذیرش 24 خرداد 1405
  • تاریخ اولین انتشار 24 خرداد 1405
  • تاریخ انتشار 01 مرداد 1405