ارزیابی میزان رسوب‌گذاری اطراف بندر نوشهر با استفاده از تله رسوب‌گیر

به گزارش پایگاه اطلاع رسانی سازمان بنادر و دریانوردی، مقاله ارزیابی میزان رسوب گذاری اطراف بندر نوشهر با استفاده از تله رسوب گیر که توسط رسول کوه‌زاد؛ ‌دانش آموخته  مقطع ارشد دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل و رضا دزواره رسنانی؛ دانشیار گروه سازه و زلزله دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل تهیه شده با هدف به دست آوردن نرخ انتقال رسوبات بستر و معلق در جریانات موازی ساحل با استفاده از اندازه گیری میدانی در طوفان‌های کوچک در بنادر جنوبی دریای خزر مدنظر قرار گرفته است.

رسوبات یکی از عوامل کاهش عملکرد و کارایی بنادر هستند، بنادر شمالی ایران از این قاعده مستثنی نبوده و به همین منظور محدوده مورد مطالعه اطراف بندر نوشهر در نظر گرفته شده است. بندر نوشهر یکی از مهمترین و با سابقه ترین بنادر شمال کشور است و رسوبات از معضلات و مشکلات این بندر جهت رفت و آمد و پهلوگیری کشتی‌ها به شمار می آید و جهت تشخیص صحیح میزان رسوب‌گذاری داشتن اطلاعات دقیق از میزان رسوب وارد شده ‌نقش تعیین کننده‌ای در جانمایی ‌بهینه بنادر از نظر مشکل رسوب‌گذاری دارد.

مقدمه

خصوصیات فیزیکی رسوبات ساحلی که کنترل کننده رفتار آنها در برابر باد، موج و جریان‌ها هستند در جای خود در طراحی کارهای مهندسی سواحل دارای اهمیت ویژه و بیشترین توجه می‌باشند. ‌ترکیب جریان ناشی از موج در ناحیه شکست امواج و آشفتگی ناشی از شکست موج، انتقال رسوب در امتداد ساحل را ایجاد می کند و رسوبات یکی از عوامل کاهش عملکرد و کاربری بنادر به شمار می آیند. ‌یکی از مشکلات مهم بنادر در جهت پهلوگیری کشتی‌ها رسوبات ته نشین شده در بستر که مانع از ورود و خروج راحت و ایمن کشتی ها است. جهت تشخیص صحیح میزان رسوب‌گذاری پیشرفت‌های قابل توجهی در زمینه فرآیند انتقال رسوب در نواحی ساحلی از طریق آزمایش، مدل سازی عددی و همچنین هوش مصنوعی و روابط تجربی انجام گرفته است و به دلیل شرایط خاص ناحیه ساحلی استفاده از اندازه‌گیری میدانی کمتر مورد استفاده قرار گرفته و در این مقاله با استفاده از دستگاه تله‌گیر رسوبی قابل حمل که برای اندازه گیری بار بستر و بار معلق و انتقال رسوب موازی با ساحل کاربرد دارد استفاده شده است.

امواج و جریانات

هر پدیده‌ای در دریا که به شکل پریودیک یا نوسانی تغییر کند و متغیر با زمان باشد موج یا اثرات ناشی از موج می‌نامیم اما در حقیقت موج یک اثرات متوسطی هم دارد که به طور متوسط درزمان مقادیری تولید می‌کند. زمانی که موج در آب عمیق تشکیل می شود تراز متوسط سطح آزاد آب با تراز آب ساکن با هم برابرند. وقتی که موج به خط ساحل نزدیک می‌شود در محل خط شکست تراز سطح آزاد آب دچار افت و در محل خط شکست و بعد از خط شکست این تراز شروع به افزایش می‌کند و دیگر با هم برابر نیستند، عاملی که باعث تغییرات سطح آزاد آب در ناحیه ساحلی می‌شود، تنش‌های تشعشعی یا نیروهای خالص ناشی از حضور موج که باعث شکل‌گیری جریانات و انتقال رسوب در ناحیه ساحلی می شود.

جریانات موازی ساحل

وقتی که امواج با زاویه به سمت ساحل حرکت می‌کنند شاهد شکل‌گیری جریانات موازی ساحل هستیم و در بین خط شکست و خط ساحل یک رودخانه ساحلی تشکیل می شود و جریان در داخل این رودخانه ساحلی برقرار است به طوری ‌که خارج از محدوده شکست جریانی برقرار نیست ‌و انتقال رسوبی که توسط جریانات ناشی از امواج تشکیل می شوند، صفر است.

اگر یک نقطه ای داخل محدوده رودخانه ساحلی شکل (۱) در نظر بگیریم این ذره دچار حرکت‌های نامنظم در طول ساحل می‌شود و در حقیقت خط‌ چین‌های شکل زیر مسیر حرکت ذره را در طول ساحل را نشان می‌دهد.  به غیر از جریانات موازی ساحل، جریانات عمود بر ساحل، جریانات لبه‌ای، جریانات شکافنده در ناحیه ساحلی وجود دارد اما بیشترین نرخ انتقال رسوب و یکی از معضلات بنادر جریانات موازی ساحل است و رودخانه ها منشاء اصلی این رسوبات هستند. زمانی که در بالادست رودخانه ها سیلاب یا طوفانی رخ می‌دهد این رسوبات از سطح کوه‌ها کنده شده جاری می‌شوند و به سمت رودخانه‌ها حرکت می‌کنند و از طریق رودخانه به دریاها انتقال داده می‌شوند.  در بالادست رودخانه‌ها رسوبات به صورت درشت دانه هستند و هرچه به سمت دریا نزدیک می‌شوند بر اثر ضربه و شکسته شدن و خردشدن در نزدیک خط ساحل عمدتا سواحل ماسه‌ای هستند.

تا یک آستانه ای جریان محیطی قابلیت حرکت دادن رسوبات کف را نخواهند داشت از یک حدی که به سرعت ییشتر شد مقدار سرعت این جریانات با قدرت حملی که دارند رسوبات شروع به حرکت می کنند. زمانی که سرعت جریان بالاتر رفت رسوبات سبک تر از جای خود بلند شده و به موقعیت اولیه خود برنمی گردند و همراه جریانات رو به جلو حرکت می کنند (رسوبات معلق) و یک سری از رسوبات سنگین تر هنوز با بستر تماس دارند (رسوبات بستر) و نزدیک بستر حرکت می کنند.

 شکل ۱- جریانات موازی ساحل

مواد و روش ها

دریای خزر یا دریای کاسپین، شکل (۲) با داشتن طول ۱۲۰۰ کیلومتر، عرض تقریبی ۳۲۰ کیلومتر و مساحت ۴۳۸ هزار کیلومتر مربع بزرگ‌ترین دریاچه بسته دنیا به حساب می‌آید که خود به تنهایی ۴۰ درصد از مجموع مساحت دریاچه‌های دنیا را شامل می‌شود. سواحل دریای خزر مشترک بین ٥ کشور ایران، آذربایجان، روسیه، قزاقستان و ترکمنستان است. مجموع طول خط ساحلی خزر حدود ۶۵۰۰ کیلومتر است که از این مقدار ۶۵۷ کیلومتر آن سواحل ایران است. در این سواحل بنادر مهمی مانند انزلی، نوشهر و امیرآباد و… ‌قرار دارند.

یکی از مهمترین و با سابقه‌ترین بنادر شمالی کشور در سواحل دریای خزر بندر نوشهر است شکل (۳) این بندر یکی از اصلی‌ترین بنادر اقتصادی و تجاری ایران و قادر است سالانه حجم زیادی کالا از طریق این بندر مبادله شود. این بندر نزدیکترین بندر به مراکز تولیدی و صنعتی مهم کشور مستقر در شهرهای تهران و سمنان است و در این مقاله جهت تخمین نرخ انتقال رسوب محیط اطراف این بندر به عنوان محدوده مورد مطالعه انتخاب شده است.

                                                    
شکل ۲- دریای کاسپین ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌
‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌

 شکل ۳- بندر نوشهر

دستگاه تله رسوب‌گیر شکل (۴) مورد استفاده در این مطالعات، تله پیشنهادی در مطالعات Payo و همکاران (۲۰۲۰) است. این تله به نوعی اصلاح طرحی است که توسط Kraus (1987)  ارائه شده است. این دستگاه برای اندازه‌گیری انتقال رسوبات در کل عمق ساخته شده است. در مطالعات Payo و همکاران (۲۰۲۰) از این تله برای اندازه‌گیری انتقال رسوب موازی ساحل در نقطه‌ای از سواحل انگلستان استفاده شده بود. آزمایش میدانی مربوطه جهت به دست آوردن نرخ انتقال رسوب در سواحل جزر و مدی کشور انگلستان با استفاده از دستگاه تله رسوبگیر برای سواحل از جنس مخلوط شن و ماسه انجام پذیرفت. تست‌های مربوطه برای اعماق زیر ۱ متر و همچنین ارتفاع موج زیر ۵/۰ متر انجام گرفته است.

 شکل ۴- دستگاه تله رسوب‌گیر

در مطالعه حاضر از دستگاه مشابه مورد استفاده در مطالعات Payo و همکاران (۲۰۲۰) استفاده شده است. نوآوری که در مطالعات حاضر نسبت به دستگاه مورد استفاده در مطالعات Payo و همکاران (۲۰۲۰) انجام شده، استفاده از یک طبقه در داخل محفظه دستگاه برای جدا سازی رسوبات بستر و رسوبات معلق بوده است. طبق نظریه Bijker ارتفاع این جداسازی بین ۱/۰ تا ۰۱/۰ متر متغیر است و در این پژوهش این مقدار ۱۵/۰ متر درنظر گرفته شده است. ساخت دستگاه در تاریخ ۲۰/۰۷/۱۴۰۱ آغاز شد و به مدت یک سال در شرایط آب و هوایی مختلف به طول انجامید. دستگاه از یک قاب فولادی مستقر روی یک صفحه تشکیل شده است. این دستگاه از یک دهانه مستطیل شکل (به ارتفاع ۱۰۰۰ میلی‌متر و عرض ۲۵۰ میلی‌متر) تشکیل شده که به یک صفحه پایه مستطیل شکل متصل شده است. همچنین دو پایه برای نگهداری قاب به طور مورب به آن متصل شده است. قاب ورودی و پایه نگهدارنده آن به یک صفحه فلزی پایه مربعی (طول ۱۰۰۰ میلی‌متر در عرض ۱۰۰۰ میلی‌متر) متصل شده‌اند که سطح پایداری را فراهم می‌کند تا اپراتور در طول دوره مشاهده روی آن بایستند. تمام اجزای تله، از فولاد ضد زنگ هستند که مقاومت در برابر خوردگی نشان می‌دهند.

این دستگاه بعد از چند سعی و خطا در ساخت و نصب در تاریخ ۱۰/۱۴۰۱ اتمام پذیرفت و به مدت یک سال در شرایط آب و هوایی مختلف ۹۳ تست در ۳۱ روز برای اعماق زیر ۵/۱ متر و ارتفاع موج زیر ۱ متر تست‌ها انجام گرفت.

 شکل ۵- دستگاه تله‌گیر رسوبی

 

نتایج و بحث

تخمین نرخ انتقال رسوب بر اساس اندازه‌گیری میدانی ،اندازه‌گیری‌ها در طول حدود یک سال (از ۱۰/۱۴۰۱ تا ۱۰/۱۴۰۲) در شرایط آب و هوایی مختلف در ۲ کیلومتری موج شکن غربی بندر نوشهر و با فاصله ۲۰۰ متر عمود بر ساحل به صورت پراکنده انجام شده است. تعداد ۹۳ تست در طول یک سال انجام گرفته و توزیع تست‌ها به گونه‌ای انجام شده است تا اغلب تست‌ها در زمان‌هایی رخ دهد که ارتفاع امواج زیر ۱ متر باشد.

 شکل ۶- محدوده انجام اندازه‌گیری‌ها در غرب بندر
نوشهر

در نهایت این رسوبات وزن شده و وزن رسوبات برداشت شده مبنای محاسبات قرار می‌گیرند. نرخ انتقال رسوب برحسب m3/year/m محاسبه و بررسی شده است. برای به دست آوردن نرخ انتقال رسوب در طول یک سال، لازم است وضعیت موج آب عمیق در زمان انجام هر تست بررسی شده و بر اساس درصد وقوع امواج، درصد وقوع نرخ انتقال رسوب مربوطه استخراج شود و از آنجا که در مطالعات حاضر، اندازه‌گیری‌ها در اعماق مختلفی از آب از ۳/۰ متر تا ۳/۱ متر انجام شده است، تقسیم‌بندی بر اساس عمق نیز لازم است صورت پذیرد. برای این منظور در ابتدا تست‌های انجام شده در اعماق ۳/۰-۶/۰ متر (با متوسط عمق حدود ۵/۰ متر)،۷/۰ – ۹/۰ متر (با متوسط عمق حدود ۸/۰ متر) و ۱/۰-۳/۱متر (با متوسط عمق حدود ۱/۱متر)، از هم جداسازی شدند. در ادامه این اطلاعات بر اساس مقادیر ارتفاع موج مرتب‌سازی شدند. در نهایت نرخ انتقال رسوب برای مقادیر ارتفاع موج کوچکتر از ۵/۰ متر، بین ۵/۰ تا ۱/۰ متر و بزرگتر از ۱/۰ متر متوسط گیری شدند.

به عنوان مثال عمق اندازه‌گیری ۳/۰-۶/۰ متر، مقدار متوسط نرخ انتقال رسوب کل برای امواج بزرگتر از ۱/۰ متر  ۰۳۵۹/۰ به دست آمده است. این به این معنی است که در مواقعی از سال که ارتفاع امواج در آب عمیق بزرگتر از ۱/۰ متر است. حال اگر برای امواج مختلف درصد وقوع آن ها در طول سال به دست آید، با ضرب در نرخ انتقال رسوب به دست آمده، میزان رسوب منتقل شده در طول سال به دست می‌آید. براساس جدول گلموج سالیانه برای محدوده آب عمیق، درصد وقوع امواج کوچکتر از ۵/۰ متر ۹۸/۵۳ %، امواج بین ۵/۰ تا ۱ متر ۵۵/۳۲ % و امواج بزرگتر از یک متر ۴۷/۱۳% از سال است. بنابراین اگر کل سال ۸۷۶۰= 24 × ۳۶۵ ساعت درنظر گرفته شود، در ۴۷۲۹ ساعت از آن ارتفاع امواج کمتر از ۵/۰ متر، ۲۸۵۱ ساعت از آن ارتفاع امواج بین ۵/۰ تا ۱/۰ متر و در ۱۱۸۰ ساعت از آن ارتفاع امواج بزرگتر از ۱/۰ متر خواهد بود. حال با ضرب ساعت‌های فوق در مقادیر ساعتی، نرخ انتقال رسوب به دست آمده و جمع آن ها با هم، مقادیر انتقال رسوب سالیانه اندازه‌گیری شده به شرح جدول ذیل به دست می‌آید. مقادیر جدول برای عمق‌های مختلف در شکل‌های زیر نیز نمایش داده شده است.

جدول۱- مقادیر نرخ سالیانه انتقال رسوب اندازه‌گیری
شده در اعماق مختلف

 

با فرض نرخ متوسط کل بار رسوب ۱۴۰ مترمکعب در سال، برای همه اعماق و با فرض پیمایش حدود ۲۰۰ متر عمود بر راستای خط ساحلی از ساحل تا عمق ۵/۱متری، بار کل رسوب حدود ۲۸۰۰۰ مترمکعب در سال که از این مقدار سهم بار بستر به طور متوسط ۲۵۸۸۲ مترمکعب در سال و بار معلق ۲۱۱۸ مترمکعب در سال به دست می‌آید.

نتیجه‌گیری

محاسبه نرخ انتقال رسوبات موازی ساحل که در بیشتر موارد انتقال غالب در محدوده ساحل است، اهمیت فراوانی را در تعیین مشخصات کلی طرح‌های مهندسی در محدوده ساحل دارد. چنین نرخی در پیش‌بینی عمر طرح، میزان ایمنی آن در مقابل رسوب گذاری و در نهایت تعیین پریود لایروبی مورد نیاز نقش قابل توجهی دارد. همچنین چگونگی و روند تغییرات خط ساحل ناشی از اجرای طرح‌ها در محدوده ساحل بستگی مستقیمی به میزان انتقال رسوبات موازی ساحل خواهد داشت و به همین دلیل محاسبه آن با دقت مناسب و تا امکان نزدیک به واقعیت، حائز اهمیت فراوانی است. از طرف دیگر مسئله جریان و انتقال رسوب یکی از مهم ترین مسائل در طراحی بنادر و سازه‌های دریایی است که می‌تواند پس از ساخت کارایی را تحت تأثیر مستقیم قرار دهد. 

گفتنی است در این مقاله از دستگاه تله‌گیر رسوبی جهت اندازه گیری مقدار رسوب بستر و معلق و این دستگاه به وزن ۶۰ کیلوگرم با استفاده از دو طبقه به ارتفاع ۱۵ سانتی متر جهت جداسازی و تفکیک رسوبات بستر و معلق استفاده شده و به صورت نقطه‌ای ‌در شرایط آب و هوایی مختلف برای اعماق زیر ۵/۱ متر و ارتفاع موج زیر ۱ متر در عرض ۲۰۰ متر عمود بر خط ساحل توسط دو اپراتور حمل و ‌در محل مورد نظر ‌به مدت زیر ۱۰ دقیقه ثابت نگه داشته می شود. سپس دستگاه به ساحل انتقال داده و مقدار رسوب از داخل دستگاه تخلیه و وزن آن اندازه گیری می شود و در نهایت در واحد مترمکعب در طول یک سال  مقدار رسوبی که در طول ساحل در حرکت هستند اندازه‌گیری می شود. مقدار رسوب اندازه گیری شده با استفاده از این روش ۱۴۰ مترمکعب در سال به دست آمده که برای عرض ۲۰۰ متر عمود بر خط ساحل ۲۸۰۰۰ مترمکعب در سال از این مقدار سهم بار بستر ۲۵۸۸۲ و سهم بارمعلق ۲۱۱۸ مترمکعب در سال به دست آمده است.

 مراجع

۱.    Buscombe, D., & Masselink, G. (2006). Concepts in gravel beach dynamics. Earth-Science Reviews, ۷۹ (۱-۲), ۳۳-۵۲.

۲.    Bergillos, R. J., Masselink, G., & Ortega-Sánchez, M. (2017). Coupling cross-shore and longshore sediment transport to model storm response along a mixed sand-gravel coast under varying wave directions. Coastal Engineering, ۱۲۹, ۹۳-۱۰۴.

۳.    Wang, P., & Kraus, N. C. (1999). Longshore sediment transport rate measured by short-term impoundment. Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, ۱۲۵(۳), ۱۱۸-۱۲۶.

۴.    Allen, J. R. (1985). Field Measurement of Longshore Sediment Transport: Sandy Hooky New Jersey, USA. Journal of Coastal Research, ۲۳۱-۲۴۰.

۵.    Tonk, A., & Masselink, G. (2005). Evaluation of longshore transport equations with OBS sensors, streamer traps, and fluorescent tracer. Journal of Coastal Research, ۲۱(۵), ۹۱۵-۹۳۱.

۶. Kumar, V. S., Anand, N. M., Chandramohan, P., & Naik, G. N. (2003). Longshore sediment transport rate—measurement and estimation, central west coast of India. Coastal Engineering, ۴۸(۲), ۹۵-۱۰۹.

۷. Wang, P. (1998). Longshore sediment flux in water column and across surf zone. Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, ۱۲۴(۳), ۱۰۸-۱۱۷.

۸. Kraus, N. C. (1987). Application of portable traps for obtaining point measurements of sediment transport rates in the surf zone. Journal of coastal Research, ۱۳۹-۱۵۲.

۹.  Dawe, I. N. (2006). Longshore sediment transport on a mixed sand and gravel lakeshore.

۱۰. Chadwick, A. J. (1989). Field measurements and numerical model verification of coastal shingle transport. Advances in water modelling and measurement, ۳۸۱-۴۰۲.

۱۱. Bray, M. J., Workman, M., Smith, J., & Pope, D. (1996, July). Field measurements of shingle transport using electronic tracers. In Proceedings of the 31st MAFF Conference of River and Coastal Engineers, Loughborough, UK (Vol. 10, pp. 1-10).

۱۲. Rosati, J. D., & Kraus, N. C. (1989). Development of a portable sand trap for use in the nearshore. US Army Engineer Waterways Experiment Station.

۱۳. Katori, S. (1983). Measurement of sediment transport by streamer trap. Report of the 7th Cooperative Field Investigation, Nearshore Environment Research Center, Report No, ۱۷, ۱۱۰-۱۱۷.

۱۴. Kamphuis, J. W. (1991). Alongshore sediment transport rate. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ۱۱۷(۶), ۶۲۴-۶۴۰.

۱۵. Battjes, J. A., & Stive, M. J. F. (1985). Calibration and verification of a dissipation model for random breaking waves. Journal of Geophysical Research: Oceans, ۹۰(C5), 9159-9167.

۱۶. Payo, A., Kobayashi, N., & Yamada, F. (2009). Suspended sand transport along pier depression. Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, ۱۳۵(۵), ۲۴۵-۲۴۹.