تأثيرات الرياح على سطح المياه

1996 المصبات البحرية لمياه الصرف الصحي

أ.د عادل رفقي عوض

KFAS

تأثيرات الرياح على سطح المياه علوم الأرض والجيولوجيا

أ- إجهاد الرياح والضغط الجوي:

إن اجهاد الرياح على سطح المياه يعبر عنه عادة بالعلاقة:

حيث أن يمثل كثافة الهواء و عامل الجرّ (drag) و سرعة الرياح على ارتفاع "10" م فوق سطح الماء.

إن عامل الجر يتغير ضمن المجال ³10 حتى  وذلك لسرعة رياح متوسطة الشدة.

ويمكن تقدير اجهاد الرياح من خلال استخدام العلاقة التجريبية:

 

حيث يحدد الإجهاد بواحدة كغ/م2 (m²/Kg) وتكون فيها سرعة الرياح معبراً عنها بواحدة م/ ثانية (m/s)

وبالإضافة إلى إجهاد الرياح فإن تغيرات الضغط الجوي يمكن أن ترفع من تغيرات مستوى المياه وكذلك من تغيرات التيارات البحرية.

ومع ملاحظة أن تزايد الضغط الجوي بمقدار 1mb (ميللي بار) يخفض من ارتفاع مستوى مياه البحر بمقدار(1) سم.

إن التغيرات الموسمية للضغط الجوي تسبب تغيرات موسمية لمستوى المياه الوسطي بحيث يكون مستوى المياه الوسطي فوق الاعتيادي عند النصف الشمالي من الكرة الأرضية خلال الصيف, وتحت الاعتيادي خلال الشتاء والعكس صحيح في النصف الجنوبي من الكرة الأرضية.

 

ب- أثر اتجاه (وضعية) الرياح:

تسبب الرياح العاصفة فوق حوض مائي اضطراباً كبيراً في سطح المياه بحيث يكون أخفض مستوى للمياه موجوداً على أحد طرفي حركة الأخدود الريحي (الشكل رقم 2-5)

إن تقدير الاختلاف في مستوى المياه ما بين نهايات الحوض يمكن أن يحدد بواسطة اعتبار توازن القوى:

 

وباستخدام العلاقة (13) نحصل على العلاقة التالية:

والعلاقة توضح أن تأثير الإعصار الريحي يكون متناسباً عكساً مع عمق المياه.

لذا فإن فعالية الريح يمكن أن تسبب انحرافات ذات قيمة اعتباراً من المستوى المتوسط لمياه البحر في المنطقة الساحلية المنخفضة.

 

ج- تيارات الرياح:

ترفع إجهادات الرياح من حركات المياه كما هو ظاهر في الشكل رقم (2-5) فعلى السطح تجري المياه باتجاه الرياح, بينما تتشكل في الطبقات الأعمق غالباً تيارات مائية (تيارات التعويض) (compensation current) معاكسة لاتجاه الرياح.

(بشكل مشابه لأثر تيارات المد والجزر في السطح وأعماق البحر).

إن سرعة تيار الرياح على سطح المياه يمكن أن تقدّر بواسطة معادلة سرعة الاحتكاك لتيار الهواء مع سرعة الاحتكاك للتيارات السطحية للمياه وفق العلاقة التالية

حيث Uo سرعة الطبقة السطحية الرقيقة و تمثل الأوزان النوعية للهواء والمياه المالحة.

في أحواض مغلقة ذات قاع أفقي منبسط فإن الرياح تحرّض على تناقص سرعة التيارات بحدود (3%) من سرعة الرياح w₁₀ وحتى (0%) على مستوى 0,2-0,3 من عمق الحوض اعتباراً من السطح وباتجاه الأسفل.

 

عملياً فإن الرياح تولد تيارات مختلفة من دوّامات في المستوى الأفقي كما هو الحال في المستوى الرأسي وسوف يميل الجريان الطبيعي ليأخذ الاتجاه نفسه للرياح في المناطق المنخفضة, بينما يتشكل تيار مائي معاكس (compensation flow) في الاتجاه المعاكس للتيارات البحرية في الأجزاء الأعمق (الشكل رقم 2-6)

في المناطق غير المحددة (غير المحصورة) فإن إجهاد الرياح سوف يرفع من سرعة التيارات التي يمكن أن تقدر باستخدام العلاقة رقم (7) وكمثال نعتبر عاصفة رياح موازية لخط الشاطئ بسرعة (w₁₀) فالعلاقتان رقم (7)  ورقم (13) تعطياننا العلاقة التالية:

فلأجل عدد مانينغ بقيمة N = 40م^3/1 ثا وبعمق (5) متر فإن السرعة الوسطية للتيار على المقطع الرأسي تكون محسوبة بحدود (3%) من سرعة الرياح w10 ولأجل رياح عاصفة بزاوية ما عن خط الشاطئ.

 

فإن سرعة الجريان الوسطي الطبيعي للتيارات الموازية للشاطئ يمكن أن تقدّر بواسطة اعتبار تحليل حزمة (شعاع) سرعة الرياح باتجاه موازٍ للشاطئ.

تشكل الرياح السطحية تأثيرات هامة على الانتشار القمعي (PLUME) للملوثات في المياه المتلقية وذلك نتيجة قوى القص التي تخلقها هذه الرياح.

فتيارات القص على سطح المياه والمحرضة بتأثير الرياح تلعب دورا هاما على عمليات انتشار المواد (الملوثات) وعلى مستويات تراكيزها عند المياه الساحلية، إذ تساعد على زيادة الخلط بين المياه الملوثة والمياه المتلقية (البحر).

 

إن تحليل المعطيات الخاصة بالرياح لعدة سنوات (على الأقل 10 سنوات) وتحديد الموجة التصميمية لتكرار n = 50 سنة (أي تكرار مرة واحدة كل خمسين سنة) والخاصة بخواص المياه العميقة ستساعد في تحديد المنحى الأمثل لزاوية توضع واتجاه المصب البحري.

إن تغيرات أعماق المياه فوق موقع قناة المصب البحري أو قياس أعماق قاع البحر تعتبر عاملاً بيئيّاً آخر يؤثر على القوى الهيدرورديناميكية.

وطالما أن هذه التغيرات تؤثر على الموجات التصميمية بسبب عمليات انكسار الموجات وظواهر وجود المياه الضحلة، لذلك فإنه من المهم جدا تحديد أعماق قاع البحر بدقة وموثوقية.

 

إن الاعتبارات والقوانين المعطاة سابقا يجب أن تطبق بحذر طالما أن الافتراضات المبنية عليها هي قليلة التحقيق في الطبيعة. ذلك أن عدم الانتظام للمعطيات الطبوغرافية يؤثر في إحداث تغيرات في أشكال التيارات المدروسة والتي لا يمكن أن يتم تقديرها ببساطة.

إن التنبؤات المرنة والأكثر دقة يجب أن تقوم على النماذج الفيزيائية أو الرياضية المختبرة والمحققة على أساس من القياسات الميدانية.

 

د- الأمواج وتياراتها:

من القوى الخارجية المؤثرة بشكل رئيسي على المصبات البحرية تلك القوى المتولدة من حركة الأمواج.

إن حركة الأمواج في المنطقة البحرية المدروسة حيث سيتوضّع المصب البحري يعتبر عاملاً بيئياً هاماً يجب أخذها بعين الاعتبار في التصاميم الإنشائية لنظم المصبات البحرية.

وطالما أن قوى الأمواج تابعة لارتفاع الموجة ومدتها وللزاوية الكائنة بين اتجاه الأمواج القادمة ومحور توضّع المصب البحري، لذا فإن قوى الموج سترتبط مباشرة مع زاوية توضع قناة المصب البحري.

 

وتجدر الإشارة إلى أن التغيرات في سرعة الرياح ومدتها وأعماق المياه المتأثرة باتجاه الرياح، هذه كلها تؤثر على حركة الموج.

لذا نستطيع هناك أن نحدد المنحى الأمثل لتوضع واتجاه قناة المصب بحيث تكون القوى الموجية أصغرية وبالتالي نضمن تخفيض تكاليف الإجراءات الانشائية للمصب البحري.

يلزم أثناء الحساب أخذ عمليات انكسار الموجات أو انحرافها وبلوغها المستويات الضحلة للمياه بعين الاعتبار في دراسة تأثيرها على ارتفاعات الموجة واتجاهاتها.

– إذا كان عمق المياه (d) صغيرا بالمقارنة مع طول الموجة (L)  فإنه علينا في هذه الحالة تطبيق العلاقة (8) لأمواج المد والجزر.

– وفي حالة  تطبق خاصة بالأمواج (مرجع 5)

 

في حالة الحركة المثالية للموجة فإن جسيمات المياه تسمح بتحركات بشكل أشبه بالقطع الناقص على سطح البحر (المحور الصغير يساوي ارتفاع الموجة) ويحدث اضطراب وتذبذب على طول الخط المستقيم عند أسفل الموجة (سطح البحر).

ذلك أن حركة الموجة تولد فقط انتقالا صافياً وخفيفا في البحر المفتوح، بينما يكون الانتقال الصافي ذا قيمة معتبرة في المساحات المنخفضة وخصوصا في منطقة الأمواج المتكسرة عند الشاطئ (تيارات ساحلية).

إن انكسار الموجة يحدث على عمق من المياه يساوي تقريبا 1.3 مرة ارتفاع الموجة، وهذا يعني أن عمق المياه عند الشواطئ غالباً ما يكون أصغر بكثير من عمق المصب البحري الذي يزيد عادة عن عشرين مترا.

 

هنالك شكل آخر من التيارات المحرضة وهي تدعى بالتيارات المازقة، وهي تحدث عند انكسار الموجه عند حاجز منخفض فترفع من مستوى المياه داخل الحاجز.

وتجري المياه الفائضة بعد ذلك باتجاه البحر على شكل تيارات مازقة سريعة، وضيقة في قناة من صنعها.

من الاستنتاجات الهامة المستفادة من بعض الأبحاث، أن دراسات النمذجة الفيزيائية بينت التأثيرات السلبية التي يمكن أن يخلقها مناخ الأمواج على سلوكية وعمل المصبات البحرية في حال الجريانات الصغيرة لمياه الصرف الصحي الخارجة من فتحات هذه المصبات البحرية عند نهايتها.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]