پایان نامه ارزيابي و بررسی مدل شبیه سازی بادهاي موضعي با استفاده از نرم افزار Windninja
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 اندازهی سلول m 2000ˣ2000 برای SRTM و اندازهی سلول خروجی m 2000 عددی برابر با (m/s) 2/1 بدست آمد. با کوچکتر کردن اندازهی سلول بمیزان m1000ˣ1000 برای SRTM و اندازهی 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 نتیجهی 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.
واژه های کلیدی: بادهای موضعی، مدل رقومی ارتفاعی، Windninja, Gis, Wrplot
فهرست مطالب
- 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
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. يكنواختي آبياري به اين معني است كه 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 اندازهی شبکههای آبیاری و جابجایی ذرات از بستر خود و حمل به مکانی دیگر و … دارد. همچنین آتش سوزيها ميتواند توسط عوامل طبيعي يا عوامل انساني ايجاد شود. در اين ميان نقش عوامل جوي در وقوع و گسترش آتش سوزي مهم ميباشد. اهميت شرايط جوي نه تنها به عنوان عامل منفرد براي ايجاد آتش سوزي نيست بلكه ميتوان گفت تأثير عوامل ديگر آتش سوزي، هم چون عوامل انساني، خود تابعي از عوامل جوي است، چرا كه اگر شرايط جوي مساعد نباشد، آتش سوزي ايجاد شده نمیتواند گسترش يابد. رشد آتش و افزايش در سرعت بادهاي همرفتي در سطح زمين بطور قابل ملاحظهای افزايش ميیابد و هر چقدر سرعت وزش باد بيشتر باشد، شدت آتش سوزي نيز زيادتر میگردد، اين امر به اين دليل است كه وزش باد باعث جابجايي هوا و در نتيجه رسيدن ميزان بيشتري اكسيژن به محيط در حال سوختن ميگردد. در اين زمينه اگر باد از ناحيه خشكي بوزد اثر زيادتري به علت نداشتن رطوبت در افزايش آتش سوزي دارد. افزايش دما باعث افزايش تبخير-تعرق و در نتيجه خشك شدن مواد سوختني ميگردد و ميتواند يكي از عوامل مؤثر در بروز آتش سوزي 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 کنندهی 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 اهميت است. در اغلب مناطق دنيا نبود ايستگاهها يكي از مشكلات اصلي بشمار میآید. لذا در اغلب موارد نياز به تعميم سرعت و جهت باد در ناهمواريها ميباشد كه در طراحي پروژهها، از جمله پروژههاي آبياري تحت فشار در نظر گرفته شود. لازم بذكر است كه طبق رابطهي حاكم برنولي در حركت سيالات، حركت در طبيعت تحت تأثیر اختلاف پتانسيل ارتفاعي، اختلاف پتانسيل سرعت، اختلاف پتانسيل فشار و اختلاف پتانسيل غلظت انجام ميگيرد. با ثابت بودن گذر حجمي سيال و با كاهش سطح مقطع، سرعت عبور افزايش پيدا ميكند. هوا نيز وقتي مابين ساختمانها يا كوهها يا موانع در حركت باشد فشرده شده و سرعت باد بطور قابل ملاحظهاي افزايش مييابد كه بعنوان تونل در طبيعت شناخته ميشود. قرار دادن توربين بادي در چنين تونلهاي طبيعي يك راه زيركانه براي بدست آوردن انرژی از سرعت باد بيشتر از محيط اطراف منطقه است. از طرفی باد یک عامل اساسی و مهم در فرآیند تبخیر-تعرق محسوب میشود. همچنین سمت و سرعت وزش باد تعیین کنندهی شدت و نحوهی 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 اين پژوهش توسط نرم افزار Windninja که یک مدل عددی پایدار است، به شبيه سازي بادهاي موضعي در هشت ايستگاه سينوپتيك استان آذربایجانغربي پرداخته و مقادير حاصله از شبيه سازي را با مقادير مشاهداتي در ايستگاهها مورد مقايسه قرار خواهيم داد. با توجه به اين مهم كه بسياري از طرحهاي تحت فشار متأثر از سرعت و جهت باد ميباشد، دستيابي به روشهاي سريع، ساده و با دقت بالا ميتواند كمك شاياني در اجرا و بهرهبرداري 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.
- ميتوان توسط امكانات Gis شبيه سازي سرعت و جهت باد را انجام داد.
1-4. بیان مسئله و اهداف تحقیق
يكي از عناصر اقليمي و تعيين كننده در علوم آب، باد ميباشد كه نقش بسزايي در طبيعت و پديدههاي پيراموني آن نظير فرسايش، تبخير-تعرق، توسعهي پاركهاي توليد انرژي بادي، پروژههاي آبياري تحت فشار و … دارد. باد هم از نظر سرعت و هم از نظر جهت، پديدههاي موجود در سطح زمین را تحت تأثیر قرار ميدهد. در اغلب مناطق دنيا نظير ايران، عدم پوشش مكاني ايستگاهها يكي از مشكلات اصلي بشمار ميرود. از آنجايي كه ايستگاههاي تبخيرسنجي زير نظر سازمان آب منطقهاي و ايستگاههاي سينوپتيك و كيلماتولوژي مربوط به سازمان هوا شناسي كشور در ارتفاعات پایین و دشتهای واقع ميباشند، لذا در اغلب موارد تعميم نتايج سرعت و سمت باد در ارتفاعات و در محلهايي دور از ايستگاههاي هواشناسي بشدت مورد نياز است چرا كه نبود اطلاعات يكي از عوامل عدم موفقيت اجراي طرحها ميباشد. به طور مثال در اغلب پروژههاي آبياري تحت فشار استان آذربايجان غربي، فقدان اطلاعات موضعي باد موجب بروز مشكلات عديدهاي در مسائل طراحي و بهره برداري گرديده است. بادهاي موضعي در اثر ناهمواريها و پديدههاي توليد كننده بادهاي موضعي، اثرات بسياري در ميزان سرعت و جهت باد دارد كه در طراحي و اجراي بسياري از پروژهها مورد توجه قرار نميگيرند. همچنین با شناسایی مکانهای بادخیز و استقرار توربینهای تولید کنندهی 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 تحقيق حاضر سعي بر آن است كه براي رفع موارد فوق با استفاده از امكانات Gis و تحليلهاي هندسي، توسط نرم افزار Windninja به شبيه سازي بادهاي موضعي در هشت ايستگاه سينوپتيك استان آذربایجانغربی پرداخته و مقادير حاصله از شبيه سازي را با مقادير مشاهداتي در ايستگاهها مورد مقايسه قرار خواهيم گرفت و شاخصهاي آماري از جمله مجموع مربعات خطا برای کنترل نتایج استفاده خواهد شد. سؤال اصلی این تحقیق این است كه آيا ميتوان از نرم افزار براي تعميم جهت و سرعت باد در ناهمواريها استفاده كرد يا خير؟
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 پروژههاي آبياري تحت فشار و ارزيابي طرحهاي موجود از حیض یکنواختی پخش آب.
- استفاده از نتایج مدل در پروژههاي عمراني و ساخت كارخانجات و طراحي بادبند در نواحي مختلف استان آذربايجان غربي.
- تخمين صحيح تبخير-تعرق مرجع براساس معادلات پنمن – مانتيث – فائو و غيره.
- شناسایی مکانهای بادخیز و در نتیجه بهرهوری از انرژی باد.
- پیش بینی جهت گسترش آتش تحت تأثیر باد در جنگل.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.