واژه­ های کلیدی: بادهای موضعی، مدل رقومی ارتفاعی، Windninja, Gis, Wrplot

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                              صفحه                                                                                                                   

فصل اول: کلیات و ضرورت انجام تحقیق

1-1. مقدمه. 2

1-2. ضرورت انجام تحقیق.. 3

1-3. فرضیه های تحقیق.. 4

1-4. بیان مسئله و اهداف تحقیق.. 4

1-5. ساختار پایان نامه. 6

   فصل دوم: مروری بر مطالعات انجام شده

2-1. مقدمه. 8

2-2. انواع باد. 13

2-2-1. بادهای آلیزه (تجارتی) 13

2-2-2. بادهای موسمی.. 13

2-2-3. بادهای غربی.. 14

2-2-4. بادهای محلی.. 14

2-3. پارامترهای متاثر از باد. 15

2-3-1. ضریب یکنواختی پخش آب در آبیاری تحت فشار 15

2-3-2. تاثیر باد در فرایند تبخیر- تعرق.. 17

2-3-3. انرژی باد. 18

2-3-4. تاثیر باد در آتش سوزی جنگل­ها 19

2-4. مدل­های توزیع سرعت باد. 20

2-5. روش­های پیش بینی  و تخمین پارامترهای باد. 21

2-6. مدل­های پیش بینی بادهای محلی.. 22

2-6-1. مدل پایدار جرمی ( mass-consistent model) 23

2-6-2. مدل سیال دینامیکی محاسباتی(CFD Model) 24

2-6-3. مدل خطی دینامیکی((dynamic linearized model 24

2-7. مدل Windninja. 25

2-8. خلاصه فصل.. 27

فصل سوم: مواد و روش­ها

3-1. مقدمه. 29

3-2. نرم افزار Gis. 29

3-2-1. تعریف Gis. 30

3-2-2. منابع ورود داده در  Gis. 30

3-2-3. ضرورت استفاده از Gis. 30

3-2-4. ورودی و خروجی داده ها 31

3-2-5. محاسن یک سیستم اطلاعات جغرافیایی(Gis) 32

3-2-6. معایب یک سیستم اطلاعات جغرافیایی.. 32

3-2-7. کاربردهای  Gis. 32

3-3. مدل عددی Windninja. 35

3-3-1. کاربردهای مدل Windninja. 36

3-3-2. معادلات حاکم مدل.. 37

3-4. منطقه ی مورد مطالعه. 39

3-5. آماده سازی داده های ورودی مدل Windninja بکمک نرم افزار Gis. 41

3-5-1. تهیه ی مدل رقومی ارتفاعی استان آذربایجان غربی(Digital Elevation Model: DEM) 42

3-5-2. آماده سازی جدول اکسل ورودی مدل Windninja. 47

3-5-3. مدل Windninja. 55

3-6. مشاده و تنظیم خروجی حاصل از مدل Windninjaدر محیط Gis. 56

3-6-1. فراخوانی فایل اجرا شده توسط مدل  windninja به محیط Arc Gis. 56

3-6-2. تبدیل واحد سرعت… 56

3-6-3. انجام تنظیمات مربوطه به ترتیب زیر. 56

3-6-4. دستور Clip. 57

3-6-5. کوچکتر کردن مش بندی و اندازهی سلول خروجی برای تحلیل و دقت بیشتر. 57

3-6-6. صحت سنجی مدلWindninja. 60

3-7. خلاصه فصل.. 61

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1. مقدمه. 63

4-2. استفاده از نرم افزار Wrplot به منظور تعیین متوسط سرعت و جهت باد غالب ایستگاه­های سینوپتیک استان آذربایجان غربی در طول سا­ل­های 2006 الی 2009.. 64

4-3. تعیین تغییرات پارامترهای سرعت باد در ناهمواری­ها با بهره گرفتن از مدلWindninja. 70

4-3-1. تعیین تغییرات پارامترهای سرعت باد در ناهمواری­ها با بهره گرفتن از مدل Windninja  برای کل استان آذربایجان غربی.. 71

4-3-2. تعیین تغییرات پارامترهای سرعت باد در ناهمواری­ها با بهره گرفتن از مدل Windninja با مشبندی و اندازه ی سلول خروجی کوچکتر. 73

4-3-3. صحت سنجی مدل.. 77

فصل پنجم: خلاصه نتایج و پیشنهادات

5-1. نتایج کلی حاصل از تحقیق.. 80

5-2. پیشنهادات… 82

 فهرست منابع و مراجع.. 84

                                            

فهرست جداول

جدول ‏3‑1: مقادیر ,   برای شرایط مختلف جوی.. 37

جدول ‏3‑2: مشخصات ادارات هواشناسی فعال استان آذربایجان غربی.. 40

جدول ‏3‑3: ورودی نرم افزار ویندینجا در طول سال­های2006 الی 2009.. 54

جدول ‏3‑4: جدول اکسل ورودی مدل Windninja برای قسمتی از حوضه­ی ارومیه استان آذربایجان غربی.. 60

جدول ‏4‑1: خروجی نرم افزار Wrplot  در طول سال­های 2006 الی 2009 بصورت متنی (ایستگاه سینوپتیک ارومیه). 69

جدول ‏4‑2: متوسط سرعت و  جهت باد غالب حاصل از مدل Wrplot  در طول سال­های 2006 الی 2009.. 70

جدول ‏4‑3: نتایج شبیه سازی سرعت و جهت باد غالب در حواشی  ایستگاه­های سینوپتیک استان آذربایجان غربی در دراز مدت (2006 الی 2009). 72

جدول ‏4‑4: نتایج شبیه سازی سرعت و جهت باد غالب در چهار ایستگاه سینوپتیک استان آذربایجان غربی با اندازه  مش­بندی و سلول کوچکتر برای خروجی (m 1000  1000) بکمک نرم افزار ویندینجا در دراز مدت (2006 الی 2009). 75

جدول ‏4‑5: نتایح حاصل از درصد افزایش دقت مدل با کوچکتر کردن اندازه ی مش بندی و سلول خروجی مدل.. 76

جدول ‏4‑6: نتایج شبیه سازی سرعت باد غالب در چهار ایستگاه سینوپتیک استان آذربایجان غربی حاصل از صحت سنجی غربی با اندازه سلول کوچکتر برای خروجی(m 1000 1000) بکمک نرم افزار ویندینجا در دراز مدت (2006 الی 2009). 77

جدول ‏5‑1: نتایج حاصله برای 16 ایستگاه سینوپتیک استان آذربایجان غربی.. 81

 

 

 

 

 

فهرست اشکال

شکل ‏2‑1: الگوی خطوط همفشار و مناطق پرفشار و کم فشار در عرض­های جغرافیایی میانه ( جعفرپور، 1373). 9

شکل ‏2‑2: نمایی از چگونگی بروز گرادیان فشار ( جعفرپور، 1373). 10

شکل ‏2‑3: مقطع یک چرخند در نیمکره ی شمالی.. 11

شکل ‏2‑4: حرکات عمودی هوا در کانون­های همگرایی(Divergence) و کانون­های واگرایی(Convergence) (رجائی، 1358). 12

شکل ‏3‑1: نمایی کلی از مدل Windninjaو ساختار آن.. 41

شکل ‏3‑2:   مدل رقومی ارتفاعی منطقه مطالعاتی و موقعیت و سرعت ایستگاه های هواشناسی مورد مطالعه در طول سال­های 2006-2009.. 43

شکل ‏3‑3: شبکه بندی منطقهی مورد مطالعه با ابعاد مستطیلی منظم. 44

شکل ‏3‑4 : مدل رقومی ارتفاعی مستطیل محیط شده بر استان آذربایجان غربی.. 45

شکل ‏3‑5: نمونهای از جدول اکسل ورودی نرم افزار WRPLOT.. 51

شکل ‏3‑6: نمایی کلی از نرم افزار WRPLOT.. 52

شکل ‏3‑7: شبکه بندی قسمتی از حوضهی ارومیه استان آذربایجان غربی در محیط Gis. 58

شکل ‏3‑8: مدل رقومی ارتفاعی ) (DEM قسمتی از حوضهی ارومیه استان آذربایجان غربی.. 59

شکل ‏4‑1: نمایانگر گلبادهای رسم شده توسط نرم افزار برای 16 ایستگاه سینوپتیک استان در طول      سال­های.. 64

شکل ‏4‑2: خروجی شماتیکی از نرم افزار Wrplotدر طول سال­های 2006 الی 2009.. 68

شکل ‏4‑3: نتایج شبیه سازی سرعت و جهت با غالب در استان آذربایجان غربی در دراز مدت… 71

شکل ‏4‑4: نتایج شبیه سازی سرعت و جهت باد غالب قسمتی از حوضه ارومیه استان آدربایجان غربی با اندازه سلول کوپکتر برای خروجیm)1000 1000) در دراز مدت (2006 الی 2009). 74

 

 

 

 

 

فصل اول

کلیات و ضرورت انجام تحقیق

 

 

فصل اول

کلیات و ضرورت انجام تحقیق

1-1. مقدمه

کمبود و محدودیت منابع آب، خصوصاً در ایران شرایطی را می­طلبد که از آب حداکثر استفاده صورت گرفته و تا حد امکان از تلفات آن جلوگیری به عمل آید. یکی از اساسی­ترین گام­ها در صرفه جویی و حفاظت بیشتر منابع آب در کشاورزی، به کارگیری سیستم­های آبیاری بارانی، با پتانسیل به دست آوردن راندمان و یکنواختی بالا می­باشد. یکنواختی آبیاری به این معنی است که مقدار یکسانی آب در تمام قسمت ­های زمین توزیع شود. عملاً یکنواختی صددرصد در آبیاری امکان پذیر نیست، زیرا عوامل غیر قابل کنترلی در آن نقش دارند. از آنجا که یکنواختی­های زیاد معمولاً با افزایش هزینه­ های ثابت و هزینه­ های بهره برداری و نگهداری همراه است، بایستی طرح به صورتی باشد که علاوه بر برخورداری از یکنواختی زیاد، از نظر اقتصادی نیز قابل توجیه باشد. عوامل زیادی بر یکنواختی توزیع آب در آبیاری بارانی موثرند که باد به عنوان یکی از عوامل موثر بر راندمان کاربرد آب در آبیاری بارانی ذکر شده است. وجود بادهای شدید در یک منطقه می ­تواند عامل محدود کننده ­ای در طرح ریزی سیستم آبیاری بارانی بوده و یا حداقل زمان کار آن ­را محدود به شب که در آن سرعت باد کمتر است، بنماید. بعلاوه یکی از راه­های هدررفت آب در مناطق مختلف آب و هوایی ایران، تبخیر-تعرق است. این پدیده سهم مهمی در اتلاف آب، بویژه در مناطق کویری کشور دارد و تابع پارامترهای مختلف اقلیمی و ویژگی­های توپوگرافی هر منطقه است. الویت بندی و تعیین شدت تاثیر هر یک از این پارامترها بر روی تبخیر- تعرق می ­تواند ضمن افزایش شناخت از عوامل موثر بر تبخیر – تعرق در هر منطقه به مدیریت منابع آب در آن منطقه بسیار کمک کند. باد یکی از عوامل مهم در پدیده­هایی همچون تبخیر- تعرق و فرسایش بشمار می ­آید که خود تاثیر بسزایی در پدیده­هایی همچون تامین نیاز آبی گیاهان، طبقه بندی اقلیمی، تلفات آب از سطح رودخانه­ها و مخازن سدها، ابعاد و اندازه­ شبکه­ های آبیاری و جابجایی ذرات از بستر خود و حمل به مکانی دیگر و … دارد. همچنین آتش سوزی­ها می ­تواند توسط عوامل طبیعی یا عوامل انسانی ایجاد شود . در این میان نقش عوامل جوی در وقوع و گسترش آتش سوزی مهم می­باشد. اهمیت شرایط جوی نه تنها به عنوان عامل منفرد برای ایجاد آتش سوزی نیست بلکه می­توان گفت تأثیر عوامل دیگر آتش سوزی، هم چون عوامل انسانی، خود تابعی از عوامل جوی است، چرا که اگر شرایط جوی مساعد نباشد، آتش سوزی ایجاد شده نمی تواند گسترش یابد. رشد آتش و افزایش در سرعت بادهای همرفتی در سطح زمین بطور قابل ملاحظه ای افزایش می­یابد و هر چقدر سرعت وزش باد بیشتر باشد، شدت آتش سوزی نیز زیادتر می گردد، این امر به این دلیل است که وزش باد باعث جابجایی هوا و در نتیجه رسیدن میزان بیشتری اکسیژن به محیط در حال سوختن می­گردد. در این زمینه اگر باد از ناحیه خشکی بوزد اثر زیادتری به علت نداشتن رطوبت در افزایش آتش سوزی دارد. افزایش دما باعث افزایش تبخیر-تعرق و در نتیجه خشک شدن مواد سوختنی می­گردد و می ­تواند یکی از عوامل موثر در بروز آتش سوزی باشد. از طرفی منابع بادی، سوخت یک ایستگاه برق بادی می­باشند که ایجاد تنها تغییراتی اندک، اثرات بزرگی بر ارزش تجارتی و سطح کارایی توربین­های تولید کننده­ نیروی برق و در نتیجه کمک به اقتصاد کشور را دارد. هر زمان که سرعت متوسط باد دو برابر می­ شود، انرژی موجود در باد و نیروی برق حاصل از باد به صورت ضریبی از هشت افزایش می­یابد، بنابراین حتی تغییرات اندک در سرعت متوسط می ­تواند تغییرات بزرگی در میزان کارایی ایجاد کند. پس این جزئیات و اطلاعات قابل اطمینان در مورد میزان قدرت و سمت وزش باد و اینکه چقدر باد بطور مرتب می­وزد، برای هرگونه برنامه توسعه احتمالی، حیاتی و مهم می­باشد. 

1-2. ضرورت انجام تحقیق

باد هم از نظر سرعت و هم از نظر جهت حائز اهمیت است. در اغلب مناطق دنیا نبود ایستگاه­ها یکی از مشکلات اصلی بشمار می آ­ید. لذا در اغلب موارد نیاز به تعمیم سرعت و جهت باد در ناهمواری­ها می­باشد که در طراحی پروژه­ ها، از جمله پروژه­ های آبیاری تحت فشار در نظر گرفته شود. لازم بذکر است که طبق   رابطه­ حاکم برنولی در حرکت سیالات، حرکت در طبیعت تحت تاثیر اختلاف پتانسیل ارتفاعی، اختلاف پتانسیل سرعت، اختلاف پتانسیل فشار و اختلاف پتانسیل غلظت انجام می­گیرد. با ثابت بودن گذر حجمی سیال و با کاهش سطح مقطع، سرعت عبور افزایش پیدا می­ کند. هوا نیز وقتی مابین ساختمان­ها یا کوه­ها یا موانع در حرکت باشد فشرده شده و سرعت باد بطور قابل ملاحظه­ای افزایش می­یابد که بعنوان­­ تونل در طبیعت شناخته می­ شود. قرار دادن توربین بادی در چنین تونل­های طبیعی یک راه زیرکانه برای بدست آوردن انرژی از سرعت باد بیشتر از محیط اطراف منطقه است. از طرفی باد یک عامل اساسی و مهم در فرایند تبخیر-تعرق محسوب می­ شود. همچنین سمت و سرعت وزش باد تعیین کننده­ شدت و نحوه­ گسترش آتش در محیط جنگل بشمار می­آید. فاینی و همکارانش در سال 2009 با شبیه سازی اثر بیش از 1000 مورد وزش باد بر آتش سوزی‌های به وجود آمده طی سه سال در سراسر ایالات متحده به پراکندگی دود، پراکندگی جهت پرواز حشرات و پرندگان و سایر  کاربردهای دیگر پرداختند. از نظر مدیران آتش نشانی اطلاعات بدست آمده قابل اعتماد، بموقع و دقیق بوده و توانایی تصمیم گیری آگاهانه ایشان را نسبت به ایمنی عمومی و مدیریت آتش سوزی­ها افزایش داده است(Finney et al., 2009)

در سال‌های اخیر نرم افزار های شبیه سازی باد به طور چشم گیری توسعه و مورد استفاده قرار گرفته است . بعضی نرم افزارها با Gis لینک شده‌اند یا به طور مستقل اجرا می‌شوند. استفاده از امکانات Gis و تحلیل‌های هندسی، مدل رقومی ارتفاعی مدل‌های شبیه سازی موضعی باد توسعه یافته است که از آن جمله می‌توان بهWindStation ،  Windninja و Windwizard اشاره نمود. در این پژوهش توسط نرم افزار Windninja که یک مدل عددی پایدار است، به شبیه سازی بادهای موضعی در هشت ایستگاه سینوپتیک استان آذربایجان­غربی پرداخته و مقادیر حاصله از شبیه سازی را با مقادیر مشاهداتی در ایستگاه­ها مورد مقایسه قرار خواهیم داد. با توجه به این مهم که بسیاری از طرح­های تحت فشار متاثر از سرعت و جهت باد می­­باشد، دستیابی به روش­های سریع، ساده و با دقت بالا می ­تواند کمک شایانی در اجرا و بهره ­برداری    طرح­های عمرانی و پروژه­ های آبیاری تحت فشار و جلوگیری از خسارات به وجود آمده از آتش سوزی و تبخیر را داشته باشد.

1-3. فرضیه ­های تحقیق

فرضیه ­های تحقیق کنونی بشرج زیر است:

• سرعت باد تحت تاثیر ناهمواری­های روی سطح زمین است.
• جهت باد تحت تاثیر ناهمواری­های روی سطح زمین است.
• می­توان توسط امکانات Gis شبیه سازی سرعت و جهت باد را انجام داد.

1-4. بیان مسئله و اهداف تحقیق

یکی از عناصر اقلیمی و تعیین کننده در علوم آب، باد می­باشد که نقش بسزایی در طبیعت و    پدیده­های پیرامونی آن نظیر فرسایش، تبخیر-تعرق، توسعه­ پارک­های تولید انرژی بادی، پروژه­ های آبیاری تحت فشار و … دارد. باد هم از نظر سرعت و هم از نظر جهت، پدیده­های موجود در سطح زمین را تحت تاثیر قرار می­دهد. در اغلب مناطق دنیا نظیر ایران، عدم پوشش مکانی ایستگاه­ها یکی از مشکلات اصلی بشمار می­رود. از آنجایی که ایستگاه­های تبخیرسنجی زیر نظر سازمان آب منطقه­ای و ایستگاه­های سینوپتیک و کیلماتولوژی مربوط به سازمان هوا شناسی کشور در ارتفاعات پایین و دشت­های واقع می­باشند، لذا در اغلب موارد تعمیم نتایج سرعت و سمت باد در ارتفاعات و در محل­هایی دور از ایستگاه­های هواشناسی بشدت مورد نیاز است چرا که نبود اطلاعات یکی از عوامل عدم موفقیت اجرای طرح­ها می­باشد. به طور مثال در اغلب پروژه­ های آبیاری تحت فشار استان آذربایجان غربی، فقدان اطلاعات موضعی باد موجب بروز مشکلات عدیده­ای در مسائل طراحی و بهره برداری گردیده است. بادهای موضعی در اثر ناهمواری­ها و پدیده­های تولید کننده بادهای موضعی، اثرات بسیاری در میزان سرعت و جهت باد دارد که در طراحی و اجرای بسیاری از پروژه­ ها مورد توجه قرار نمی­گیرند. همچنین با شناسایی مکان­های بادخیز و استقرار توربین­های تولید کننده­ نیروی برق با بهره گرفتن از انرژی باد می­توان در راستای بهبود شرایط اقتصادی کشور اقدام کرد و یا حتی با پیش بینی سمت و سرعت باد، از گسترش آتش سوزی­های عظیم در محیط جنگل جلوگیری بعمل آورد. در تحقیق حاضر سعی بر آن است که برای رفع موارد فوق با بهره گرفتن از امکانات Gis و تحلیل­های هندسی، توسط نرم افزار Windninja به شبیه سازی بادهای موضعی در هشت ایستگاه سینوپتیک استان آذربایجان­غربی پرداخته و مقادیر حاصله از شبیه سازی را با مقادیر مشاهداتی در ایستگاه­ها مورد مقایسه قرار خواهیم گرفت و شاخص ­های آماری از جمله مجموع مربعات خطا برای کنترل نتایج استفاده خواهد شد. سوال اصلی این تحقیق این است که آیا می­توان از نرم افزار برای تعمیم جهت و سرعت باد در ناهمواری­ها استفاده کرد یا خیر؟

اهداف اصلی این تحقیق عبارت است از:

• استفاده از مدل Windninja برای پیش بینی سمت و سرعت وزش باد در ناهمواری­ها و مناطقی که اطلاعاتی از پارامترهای باد در آن مناطق در اختیار نیست.
• استفاده از نتایج پیش بینی مدل Windninja در پروژه­ های آبیاری تحت فشار و ارزیابی طرح­های موجود از حیض یکنواختی پخش آب.
• استفاده از نتایج مدل در پروژه­ های عمرانی و ساخت کارخانجات و طراحی بادبند در نواحی مختلف استان آذربایجان غربی.
• تخمین صحیح تبخیر-تعرق مرجع براساس معادلات پنمن – مانتیث – فائو و غیره.
• شناسایی مکان­های بادخیز و در نتیجه بهره­وری از انرژی باد.
• پیش بینی جهت گسترش آتش تحت تاثیر باد در جنگل.

 

1-5. ساختار پایان نامه

کارهای انجام شده در این تحقیق در پنج فصل ارائه شده است. فصل اول این پایان نامه با عنوان کلیات، به اهمیت و ضرورت انجام تحقیق بر روی این موضوع پرداخته و شامل اهداف، فرضیه ­های تحقیق و واژه­ های اختصاصی می­باشد. فصل دوم به معرفی پدیده­های حاصل از بادزدگی در طرح­های آبیاری تحت فشار، تبخیر، تولید انرژی، آتش سوزی در جنگل، بررسی سوابق تحقیق و معرفی مدل­های شبیه سازی پارامترهای باد پرداخته است. فصل سوم این پایان نامه به معرفی روابط، معادلات و روش بکارگیری و حل مدل عددیWindninja  به کار گرفته شده در این تحقیق اختصاص دارد. در فصل چهارم فرایند شبیه سازی جریان باد در ناهمواری­های اطراف ایستگاه­های سینوپتیک استان آذربایجان غربی توسط مدل عددی Windninja، تحلیل و تفسیر نتایج بدست آمده از شبیه سازی و کالیبراسیون ارائه شده است. فصل پنجم نیز به جمع بندی تحقیق و ارائه نتیجه ­گیری­های حاصل از این تحقیق و ارائه برخی پیشنهادهای لازم جهت تکمیل و ادامه­ تحقیق اختصاص دارد. در انتهای تحقیق نیز فهرست منابع مورد استفاده در این تحقیق ارائه شده است.