تحلیل هیدرودینامیکی بر روند رسوبگذاری در بنادر جنوبی دریای کاسپین تحت تأثیر کاهش تراز سطح آب ( مطالعه موردی بندر نوشهر)

1. چکیده

دریای کاسپین ( شکل 1 ) به‌عنوان بزرگ‌ترین دریاچه بسته جهان با مساحتی به طور متوسط در حدود ۴۰۰ هزار کیلومتر مربع در منطقه‌ای بین اروپا و آسیا واقع شده و توسط پنج کشور ساحلی شامل جمهوری اسلامی ایران، روسیه، قزاقستان، ترکمنستان و جمهوری آذربایجان احاطه شده است. طی چند صد سال گذشته، سطح تراز آب دریای کاسپین با نوسانات قابل توجهی همراه بوده است که این تغییرات در چند دهه اخیر روندی کاهشی یافته و به‌عنوان یکی از چالش‌های اساسی زیست‌محیطی و اقتصادی در منطقه شناخته می‌شود. کاهش سطح تراز آب علاوه بر تغییر الگوهای هیدرودینامیکی و رژیم جریان‌های ساحلی، اثرات مستقیم و غیرمستقیمی بر فرآیند انتقال رسوب و نحوه رسوب‌گذاری در محدوده بنادر شمالی ایجاد می‌کند که این مسئله می‌تواند عملکرد عملیاتی بنادر، هزینه‌های لایروبی، ایمنی ناوبری و زیرساخت‌های ساحلی را تحت تأثیر قرار دهد. در این مطالعه تلاش شده است با بهره‌گیری از مدل‌سازی عددی ، تأثیر کاهش تراز سطح آب دریای کاسپین بر روند رسوب‌گذاری در بنادر منتخب شمالی  ( بندر نوشهر ) مورد بررسی و تحلیل قرار گیرد.. نتایج این پژوهش ضمن ارائه تصویری دقیق از تغییرات احتمالی الگوهای رسوب‌گذاری، می‌تواند به‌عنوان مبنایی علمی برای مدیریت بهینه عملیات لایروبی، طراحی سازه‌های ساحلی مقاوم و تدوین راهکارهای تطبیقی در برابر کاهش سطح آب در بنادر شمالی دریای کاسپین مورد استفاده قرار گیرد.

2. مقدمه

بنادر شمالی ایران از جمله بنادر نوشهر، انزلی، امیرآباد، فریدونکنار ، به‌عنوان شریان‌های حیاتی حمل‌ونقل و تجارت منطقه، به‌طور مستقیم به سطح تراز آب دریای کاسپین وابسته هستند. طی چند دهه اخیر، سطح تراز آب این دریاچه تحت تأثیرتغییرات اقلیمی نظیر گرمایش جهانی، افزایش نرخ تبخیر و تغییر الگوهای بارش، فعالیت‌های انسانی از جمله برداشت بی‌رویه آب از رودخانه‌های تأمین‌کننده اصلی خزر (به‌ویژه ولگا)، احداث سدهای متعدد در حوضه‌های آبریز، توسعه بی‌رویه کشاورزی و تغییر کاربری اراضی حوضه‌های بالادست، سهم قابل توجهی در کاهش ورودی آب به دریاچه داشته‌اند. این تحولات باعث تشدید روند افت سطح آب، کا هش عمق آبخور حوضچه‌های بندری و تغییر در رژیم هیدرودینامیکی مناطق ساحلی شده است.

بندر نوشهر ( شکل 2 ) به‌عنوان یکی از مهم‌ترین و قدیمی‌ترین بنادر شمالی کشور در سواحل دریای کاسپین، نقش کلیدی در اقتصاد و تجارت منطقه ایفا می‌کند. این بندر که در سال ۱۳۰۹ هجری خورشیدی احداث و در سال ۱۳۱۸ به بهره‌برداری رسید،. در سال‌های اخیر، بهره‌برداری از بندر نوشهر با مشکلاتی ناشی از رسوب‌گذاری تحت تاثیر کاهش سطح تراز آب فعال بوده است.

شکل 1 – دریای کاسپین

شکل 2 – بندر بوشهر

از سال ۲۰۲۰ تا سال ۲۰۲۵، سطح تراز آب دریای کاسپین ( شکل 3 ) حدود ۹۵ تا ۱۰۰ سانتی‌متر کاهش یافته است. این کاهش محسوس در ارتفاع سطح آب، به‌طور مستقیم منجر به تشدید فرآیند رسوب‌گذاری در بنادر شمالی ایران شده و چالش‌های متعددی را در بهره‌برداری پایدار و نگهداری زیرساخت‌های بندری ایجاد کرده است. مطابق اندازه‌گیری‌های اخیر، تراز فعلی سطح آب دریای کاسپین در حدود ۲۸.۱۵- متر پایین تر از سطح دریاهای آزاد ثبت شده است. این روند نزولی عمق موجب تغییرات قابل توجهی در الگوهای هیدرودینامیکی و انتقالرسوبات در نواحی ساحلی شده است که این مسئله نیاز به برنامه‌ریزی دقیق‌تر، لایروبی مستمر و طراحی راهکارهای مدیریتی مبتنی بر تحلیل‌های عددی و پایش‌های دوره‌ای را بیش از پیش ضروری است.

شکل 3 – تراز سطح آب دریای کاسپین

شکل 4 – نوسانات تراز آب دریای کاسپین

3- تحلیل نقشه های هیدروگرافی با استفاده از شبیه سازی

با توجه به روند کاهش سالانه سطح تراز آب دریای کاسپین، میزان رسوب‌گذاری در محدوده بنادر شمالی  کشور به‌طور مستمر در حال افزایش است. در صورت عدم اجرای برنامه‌ریزی‌شده و منظم عملیات لایروبی، استمرار بهره‌برداری ایمن و کارآمد این بنادر با چالش‌های جدی مواجه خواهد شد. از این‌رو، تدوین و به‌کارگیری راهبردهای لایروبی علمی و مبتنی بر پایش هیدرودینامیک و رسوب، امری ضروری و اجتناب‌ناپذیر است.. در بندر نوشهر، جهت غالب امواج از سمت شمال و شمال‌غربی بوده و جهت جریان‌های ساحلی عمدتاً به‌صورت موازی با خط ساحل از غرب به شرق امتداد می‌یابد. نرخ متوسط انتقال رسوب در این منطقه به طور متوسط حدود ۲۰۰ هزار مترمکعب در سال برآورد می‌شود که بخش عمده‌ای از این حجم، پس از پر شدن فضای پشت موج‌شکن غربی، از آن عبور کرده و به‌دلیل ساختار هندسی محدوده بندر و شکل‌گیری جریان‌های چرخشی، به‌طور پراکنده در مسیر کانال دسترسی پراکنده و انباشته می‌شود. بیشترین انباشت رسوب معمولاً در پایین‌دست و پشت موج‌شکن شرقی، به‌دلیل کاهش سرعت جریان رخ می‌دهد و در ادامه، تحت تأثیر جهت غالب جریان از شرق به غرب، این رسوبات به‌تدریج به سمت کانال دسترسی مهاجرت کرده و مشکلات بهره‌برداری و ناوبری را تشدید می‌کنند.

     شکل 5 – هیدروگرافی خرداد ماه 1404

شکل 6 – مدل عددی بدست آمده از نتایج هیدروگرافی

بر اساس نتایج مدل‌سازی عددی و تحلیل نقشه‌های هیدروگرافی در شکل 6 نشان می دهد بیشترین انباشت رسوب درپایین دست و پشت موج شکن شرقی رخ می دهد خطوط زرد – قهوه ای و قرمز به وضوح نواحی با پتانسیل رسوب گذاری بالا را مشخص می کنند ، در حالی که سایر خطوط نشانگر مناطق تحت تاثیر فرسایش طبیعی و لایروبی انجام شده را مشخص میکنند با ضخامت های مختلف ، درکانال و حوضچه با تراز فعلی سطح آب دریای کاسپین در حدود ۲۸.۱۵- متر، حجم تقریبی عملیات لایروبی موردنیاز در محدوده طرح به‌منظور دستیابی به عمق هدف بهره‌برداری، حدود ۲0۰ تا 250 هزار مترمکعب برآورد می‌شود. بدیهی است در صورت تداوم روند کاهشی سطح تراز آب، حجم لایروبی موردنیاز متناسب با افت تراز افزایش یافته و این امر لزوم برنامه‌ریزی دقیق، پایش مستمر و مدیریت بهینه عملیات لایروبی را دوچندان خواهد کرد..

3-تاثیرات کاهش سطح تراز آب بر میزان رسوبگذاری:

کاهش سطح تراز آب در محیط‌های ساحلی و بندری می‌تواند به‌طور مستقیم و غیرمستقیم فرآیندهای انتقال و ته‌نشینی رسوبات را دستخوش تغییرات قابل توجهی کند. با افت سطح آب، عمق مؤثر حوضچه‌ها، کانال‌های دسترسی و آبراهه‌های مجاور کاهش می‌یابد که این موضوع منجر به تغییر سرعت جریان، افزایش تلاطم موضعی و تغییر در توزیع انرژی جریان می‌شود.

در این مطالعه، به‌منظور ارزیابی دقیق تأثیر افت سطح تراز آب بر الگوی رسوب‌گذاری و حجم لایروبی موردنیاز در محدوده طرح، سه سناریوی مشخص برای تراز سطح آب در نظر گرفته شده است. این سناریوها شامل مقادیر 28.15- متر، 29.15- متر و 30.15- متر نسبت به تراز مبنا می‌باشند. به‌منظور صحت‌سنجی نتایج و تطبیق با شرایط واقعی، مدل‌سازی عددی با نرم‌افزار مایک 21 و بر اساس تحلیل جامع نقشه‌های هیدروگرافی موجود انجام شده است نتایج شبیه‌سازی‌ نشان می‌دهد رسوبات به دلیل پر شدن پشت موج شکن غربی از آن منطقه عبور کرده و به صورت پراکنده در کانال و حجم اصلی رسوبات در پایین دست جمع آوری شده است ، در تراز فعلی سطح آب (۲۸٫۱۵- متر)، ( شکل 7 )  ( نقاط قرمز رنگ در اشکال پایین وضعیت و عمق مناسب بالای 5.5 متر را نشان می دهد )با احتساب لایروبی انجام‌شده به طور متوسط به میزان 200 هزار مترمکعب در سال ، به‌منظور تأمین عمق هدف عملیاتی ۵٫۵ متر حجم موردنیاز عملیات لایروبی حدود ۱۱۰۰۰۰ مترمکعب برآورد در مجموع حدود 300000 هزار مترمکعب در سال با سطح تراز فعلی لایروبی جهت رسیدن به عمق هدف نیاز است. بر اساس روند تحلیلی افت تراز آب و در نظر گرفتن پیش‌بینی‌های خوش‌بینانه مبنی بر کاهش میانگین یک‌متری سطح تراز در افق زمانی حدود ۶ سال آینده، در تراز ۲۹٫۱۵- متر، ( شکل 8 )میزان رسوب‌گذاری تجمعی در محدوده کانال دسترسی و حوضچه بندری برای حفظ عمق هدف مذکور با افزایش قابل توجهی روبه‌رو خواهد بود و نیاز به لایروبی را تا حدود 5۳۰۰۰۰ مترمکعب در سال افزایش خواهد داد. همچنین در سناریوی سوم که کاهش بیشتر سطح تراز آب را تا حدود ۳۰٫۱۵- متر ( شکل 9 ) در بر می‌گیرد، پیش‌بینی می‌شود به‌دلیل افت عمق مفید، تغییر الگوی جریان و افزایش مساحت مناطق کم‌عمق، حجم عملیات لایروبی نگهداری به حدود 85۰۰۰۰ مترمکعب در سال برسد که این میزان نیازمند بازنگری جدی در برنامه‌های مدیریت رسوب و طراحی دوره‌های لایروبی سالانه خواهد بود. در عین حال این نتایج نشان‌می دهد بندر نوشهر در مقایسه با سایر بنادر شمالی ایران، از انعطاف‌پذیری بالاتری در مواجهه با پدیده کاهش سطح تراز آب دریای کاسپین برخوردار است. ارزیابی‌های فنی نشان می‌دهد که در صورت تداوم روند نزولی سطح تراز آب تا حدود ۳۱- متر، این بندر به‌واسطه موقعیت جغرافیایی خاص و نزدیکی به خط شکست موج و آب عمیق، با افزایش طول کانال دسترسی از ۸۰۰ متر فعلی به حدود ۱۰۰۰ متر، قادر خواهد بود عمق عملکردی و قابلیت بهره‌برداری ایمن خود را با حفظ لایروبی مدون و برنامه ریزی شده حفظ نماید و قابلیت سازگاری بهتری با کاهش تراز آب از خود نشان دهد این ویژگی، بندر نوشهر را از منظر پایداری عملکرد لایروبی، نسبت به سایر بنادر منطقه متمایز می‌سازد.

    شکل 7 – تراز فعلی 28.15-

   شکل 8 – تراز  29.15-

شکل 9 – تراز  30.15-

4 – اقدامات پیشنهادی برای کنترل رسوب:

با توجه به روند کاهشی سطح تراز آب در بسیاری از مناطق ساحلی و بنادر، اتخاذ تدابیر کنترلی هدفمند برای کاهش نرخ رسوب‌گذاری و بهینه‌سازی عملیات لایروبی نگهداری ضروری است. افت تراز آب باعث کاهش عمق مفید، تمرکز جریان در مقاطع محدودتر و جابجایی مناطق تمرکز رسوب به نواحی حساس عملیاتی می‌شود. در این راستا، مجموعه‌ای از راهکارهای فنی و اجرایی قابل پیاده‌سازی به شرح زیر پیشنهاد می‌گردد.

4.1 مدیریت بهره‌برداری و پایش پیوسته

استقرار سیستم‌های پایش لحظه‌ای عمق آب، جریان و بار رسوب معلق به‌منظور واکنش سریع به تغییرات هیدرودینامیکی در ترازهای مختلف آب.

برنامه‌ریزی لایروبی نگهداری براساس نتایج پایش و پیش‌بینی‌های مدل‌سازی عددی با نرم‌افزارهای  دریایی نظیر MIKE 21 و DELFT 3D

4.2 هدایت و انحراف جریان‌های حامل رسوب

طراحی و نصب آب‌شکن‌ها، موج‌شکن‌های انحرافی یا دیواره‌های هدایت جریان برای تغییر مسیر جریان‌های حاوی رسوب قبل از ورود به حوضچه بندر.

احداث کانال‌های انحرافی یا کانال‌های بای‌پس رسوب برای کاهش فشار مستقیم بر کانال اصلی ناوبری.

4.3 تثبیت منابع و کانون‌های تأمین رسوب

اجرای پوشش‌گذاری و حفاظت سواحل فرسایشی در بالا‌دست و حریم رودخانه‌های منتهی به بندر. بازآرایی سازه‌های کنترلی در دهانه رودخانه‌ها به‌منظور کاهش ورودی رسوبات معلق به محدوده بندری

5. نتیجه گیری:

با توجه به نتایج تحلیل‌های عددی و شواهد هیدروگرافی، کاهش سطح تراز آب نه‌تنها به‌عنوان یک عامل اقلیمی، بلکه به‌عنوان یک محرک کلیدی در تشدید الگوی رسوب‌گذاری و افزایش نیاز به عملیات لایروبی در بنادر و آبراهه‌های ساحلی شناخته می‌شود. مطالعات صورت‌گرفته در سطوح تراز مختلف نشان می‌دهد که حتی افت محدود سطح آب می‌تواند هندسه جریان و توزیع انرژی هیدرودینامیکی را به‌گونه‌ای تغییر دهد که مناطق رسوب‌گیر جدیدی ایجاد شده و بار رسوب‌گذاری در حوضچه‌های عملیاتی و کانال‌های دسترسی به‌طور تصاعدی افزایش یابد. در چنین شرایطی، استفاده از ترکیبی از اقدامات پیشگیرانه و کنترلی، اعم از تثبیت منابع تأمین رسوب، هدایت بهینه جریان‌های رسوب‌دار، طراحی تله‌های رسوب‌گیر کارآمد و بازآرایی سازه‌های ساحلی، ضرورتی اجتناب‌ناپذیر برای تضمین پایداری عملکرد بنادر است. علاوه بر این، تلفیق سیستماتیک پایش لحظه‌ای، مدل‌سازی عددی پیوسته و بازنگری دوره‌ای برنامه‌های لایروبی، بستر لازم را برای تصمیم‌گیری‌های بهنگام و اقتصادی فراهم می‌سازد. بدیهی است که تحقق این اهداف مستلزم هم‌افزایی میان فناوری‌های نوین، ظرفیت مهندسی، مدیریت کلان و رویکردهای پایدار محیط‌زیستی خواهد بود. در نهایت، با اتخاذ این راهبردها می‌توان اثرات منفی کاهش سطح تراز آب را به فرصت‌هایی برای ارتقاء تاب‌آوری زیرساخت‌های بندری و بهینه‌سازی مدیریت رسوب در مقیاس منطقه‌ای و ملی تبدیل کرد.