پایان نامه ارزيابي و بررسی مدل¬ شبیه سازی بادهاي موضعي با استفاده از نرم افزار Windninja (مطالعه¬ي موردي استان آذربايجان غربي)
فهرست محتوا
چکیده
یکی از عناصر اقلیمی و تعیین کننده در علوم آب و هواشناسی، باد میباشد که نقش بسزائی در طبیعت و پدیدههای پیرامونی آن نظیر فرسایش، تبخیر تعرق، توسعه پارکهای تولید انرژی بادی، پروژههای آبیاری تحت فشار و …. دارد. در اغلب مناطق دنیا نظیر ایران، عدم پوشش مکانی ایستگاهها و اندازهگیری پارامترهای هواشناسی یکی از مشکلات اصلی به شمار میرود. لذا در اغلب موارد بدست آوردن سرعت و سمت باد در ارتفاعات و در محلهای دور از محل ایستگاههای هواشناسی مورد نیاز میباشد. در حال حاضر برای این رفع مشکل، با استفاده از امکانات سیستم اطلاعات مکانی (Gis) و تحلیلهای هندسی، مدل رقومی ارتفاعی مدلهای شبیه سازی موضعی باد توسعه یافته است که از آن جمله میتوان به نرم افزار ویندینجا (Windninja) اشاره نمود. در تحقیق حاضر هدف بر آن است که با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی (DEM) منطقه و نرم افزار ویندینجا، جهت و سرعت باد غالب در ناهمواریهای اطراف ایستگاههای سینوپتیک استان آذربایجان غربی مورد ارزیابی قرار گیرد. نتایج حاکی بر آن بوده است که ناهمواریها و پدیدهای تولیدکننده بادهای موضعی، اثرات بسیاری در میزان سرعت و جهت باد دارند. در نتیجه با توجه به شبیه سازی بعمل آمده توسط نرم افزار، متوسط ریشه میانگین مربع خطا، با اندازهٔ سلول m 2000ˣ2000 برای SRTM و اندازهٔ سلول خروجی m 2000 عددی برابر با (m/s) 2/1 بدست آمد. با کوچکتر کردن اندازهٔ سلول بمیزان m1000ˣ1000 برای SRTM و اندازهٔ سلول خروجی m 1000، متوسط ریشه میانگین مربع خطا برای چهار ایستگاه سینوپتیک ارومیه، اشنویه، نقده و میاندوآب، عددی برابر با (m/s) 32/0 برآورد گردید که در مقایسه با حالت اول 73٪ افزایش دقت در پیش بینی داشته است. درواقع با نزدیکتر شدن به موقعیت ایستگاهها، پیش بینی با دادههای مشاهداتی تطابق نزدیکتر پیدا میکند، که این نتیجه تصدیق کننده درون یابی به روش عکس مجذور فاصله توسط مدل میباشد. همچنین در نتیجهٔ صحت سنجی مدل، متوسط ریشه میانگین مربع خطا برای چهار ایستگاه مذکور عدد (m/s) 4/0 حاصل گردید. بنابراین نتیجه گرفته میشود که پارامترهای باد تحت تأثیر ناهمواریها در شیبهای درهای و کوهپایهای تغییر یافته است که این خود عامل مهمی در اجرای طرحهای عمرانی و پروژههای تحت فشار و استفاده بهینه از منابع آبی خواهد بود.
واژههای 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 فرآیند 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 بمنظور 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 استفاده از مدلWindninja. 70
- 4-3-1. تعیین تغییرات پارامترهای سرعت باد در ناهمواریها با استفاده از مدل Windninja برای کل استان آذربایجان غربی.. 71
- 4-3-2. تعیین تغییرات پارامترهای سرعت باد در ناهمواریها با استفاده 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
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 قسمتهای 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 هزینههای ثابت و هزینههای 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 مؤثر بر راندمان کاربرد آب در آبیاری بارانی ذکر شده است. وجود بادهای شدید در یک منطقه میتواند عامل محدود کنندهای 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 تأثیر هر یک از این پارامترها بر روی تبخیر- تعرق میتواند ضمن افزایش شناخت از عوامل مؤثر 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 میآید که خود تأثیر بسزایی در پدیدههایی همچون تأمین نیاز آبی گیاهان، طبقه بندی اقلیمی، تلفات آب از سطح رودخانهها و مخازن سدها، ابعاد و اندازهٔ شبکههای آبیاری و جابجایی ذرات از بستر خود و حمل به مکانی دیگر و … دارد. همچنین آتش سوزیها میتواند 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 نمیتواند گسترش یابد. رشد آتش و افزایش در سرعت بادهای همرفتی در سطح زمین بطور قابل ملاحظهای افزایش مییابد و هر چقدر سرعت وزش باد بیشتر باشد، شدت آتش سوزی نیز زیادتر میگردد، 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 میتواند یکی از عوامل مؤثر 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 کنندهٔ نیروی برق و در نتیجه کمک به اقتصاد کشور را دارد. هر زمان که سرعت متوسط باد دو برابر میشود، انرژی موجود در باد و نیروی برق حاصل از باد به صورت ضریبی از هشت افزایش مییابد، بنابراین حتی تغییرات اندک در سرعت متوسط میتواند 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 میآید. لذا در اغلب موارد نیاز به تعمیم سرعت و جهت باد در ناهمواریها میباشد که در طراحی پروژهها، از جمله پروژههای آبیاری تحت فشار در نظر گرفته شود. لازم بذکر است که طبق رابطهٔ حاکم برنولی در حرکت سیالات، حرکت در طبیعت تحت تأثیر 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 میکند. 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 میشود. 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 فرآیند تبخیر-تعرق محسوب میشود. همچنین سمت و سرعت وزش باد تعیین کنندهٔ شدت و نحوهٔ 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 افزارهای 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 به WindStation، 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 متأثر از سرعت و جهت باد میباشد، دستیابی به روشهای سریع، ساده و با دقت بالا میتواند کمک شایانی در اجرا و بهرهبرداری طرحهای عمرانی و پروژههای آبیاری تحت فشار و جلوگیری از خسارات به وجود آمده از آتش سوزی و تبخیر را داشته باشد.
1-3. فرضیههای تحقیق
فرضیههای تحقیق کنونی بشرج زیر است:
- سرعت باد تحت تأثیر ناهمواریهای روی سطح زمین است.
- جهت باد تحت تأثیر 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، توسعهٔ پارکهای تولید انرژی بادی، پروژههای آبیاری تحت فشار و … دارد. باد هم از نظر سرعت و هم از نظر جهت، پدیدههای موجود در سطح زمین را تحت تأثیر 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 پروژههای 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 پروژهها مورد توجه قرار نمیگیرند. همچنین با شناسایی مکانهای بادخیز و استقرار توربینهای تولید کنندهٔ نیروی برق با استفاده 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 استفاده 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 شاخصهای آماری از جمله مجموع مربعات خطا برای کنترل نتایج استفاده خواهد شد. سؤال 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 پروژههای آبیاری تحت فشار و ارزیابی طرحهای موجود از حیض یکنواختی پخش آب.
- استفاده از نتایج مدل در پروژههای 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 تأثیر 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، فرضیههای تحقیق و واژههای 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 عددی Windninja به کار گرفته شده در این تحقیق اختصاص دارد. در فصل چهارم فرآیند 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 نتیجهگیریهای حاصل از این تحقیق و ارائه برخی پیشنهادهای لازم جهت تکمیل و ادامهٔ تحقیق اختصاص دارد. در انتهای تحقیق نیز فهرست منابع مورد استفاده در این تحقیق ارائه شده است.
Abstract
One of the climatic and determinant issues in climatology is wind which plays an important role in nature and the phenomena around it such as erosion, evaporation, transpiration, development of wind energy production parks, high pressure irrigation projects, etc. In many areas of the world such as Iran, the lack of coverage of local stations and measurement of climatic parameters is a major problem. Therefore in majority of case it is needed to obtain the speed and direction of the wind in highlands and areas far from the stations. Currently to solve this problem, numerical height model of local wind simulation models has been developed using global information system (Gis) and geometric analysis among which is Windninja software. In this research the goal was to investigate the direction and speed of dominant wind in elevations around synoptic stations of province Western-Azarbajyan using digital elevation model (DEM) of the area and Windninja software. Results showed that the elevations and local wind generating phenomena had important effects on the direction and speed of the wind. Therefore according to the simulations done with the software, the mean square root of the error with a cell size of 2000×2000m for SRTM and the exit cell size of 2000m was calculated as being equal to 1.2 (m/s). by reducing the cell size to 1000×1000m for SRTM and the exit cell size of 1000m the mean square root of the error for four synoptic stations in Urmia, Oshnavieh, Naghadeh and Miandoab was calculated as being equal to 0.32 (m/s) which was 73% higher in prediction accuracy compared to the former situation. In fact by getting closer to the stations, there is more agreement between the predicted and observed data, which validates the interpolation by inverse-square of distance using the model. Also as a result of validation test of the model, the mean square root of the error for the four aforementioned stations was calculated as 0.4 (m/s). therefore it can be concluded that wind parameters are changed under the influence of elevations in the steep of the valleys and foothills which is an important factor in performing civil plans and high pressure projects and improved exploitation of water sources.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.