تحقیق مقاله پیش بینی سرعت و جهت باد های فرساینده در ایران

مقدمه

فرسایش  بادی یک معضل جدی در بیشتر مناطق خشک و نیمه خشک دنیا و ایران است . توانائی پیش بینی دقیق فرسایش بادی خاک برای بسیاری منظورها ، از جمله برنامه های حفاظتی ، منابع طبیعی ، و کاهش آلودگی هوا ناشی از طوفان ضروری است ( 3 ) .  از آنجایی که نیروی باد در طول سال ، ماه وحتی روز تا حد زیادی تغییر می نماید ، و همچنین قدرت فرسایندگی باد بستگی به توان سوم سرعت باد دارد . به منشور پیش بینی و کنترل فرسایش بادی در هر منطقه توزیع سرعت باد حائز اهمیت میباشد . همچنین علاوه برسرعت باد ، دانستن چگونگی تغییرات جهت باد در منطقه نیز امری ضروری است . زیرا نسبت جهت باد به جهت اضلاع زمین ، بادشکن ها ، ردیف کاشت گیاهان ، و شخم زمین ، نقش مهمی را در پیش بینی مقدار و جهت فرسایش بادی ایفا می کند ( 4) . مدل های مختلفی برای نشان دادن توزیع سرعت باد استفاده شده است . بی شک توزیع ویبل یکی از گسترده ترین توزیع هایی است که تا بحال برای نشان  دادن پراکندگی سرعت باد مورد استفاده قرار گرفته است ( 5 ) . اهداف این پژوهش عبارت بودند از : 1 ) شبیه سازی ساعتی سرعت و جهت باد به روش استوکاستیک با استفاده از توزیع ویبل ، به منظور استفاده در مدل WEPS  ، برای پیش بینی فرسایش بادی در شهرهای مختلف ایران ، 2) آزمون اعتبار سنجی توزیع ویبل و مدل کامپیوتری windpred  ، در پیش بینی ساعتی سرعت و  جهت باد ، . 3) ترسیم نقشه های سرعت و جهت بادهای فرساینده در ایران .

مواد و روشها

ابتدا 38  شهر که دارای حداقل 10 سال آمار ساعتی سرعت و جهت باد بودند ، انتخاب گردیدند . در مرحله بعد تعداد سال آماری هر شهری به دو دوره برابر تقسیم گردید ، بطوریکه از دوره اول برای شبیه سازی و از دوره دوم برای آزمون اعتبار سنجی مدل ( با استفاده از معنی دار بودن  و نبودن ضرائب همبستگی ) استفاده شد . سپس با استفاده از توزیع ویبل ، شبیه سازی سرعت و جه باد بصورت ساعتی توسط برنامه Windpred  ( 2 و 1 ) انجام گرفت . تابع توزیع تجمعی ویبل F (U)  به صورت زیر میباشد :

(1)                                                            [-(u/c)k]F(u)=1-exp

که در این معادله u  سرعت باد ( متر بر ثانیه )  ، c، پارامتر مقیاس ( با واحد سرعت ) ، و k  پارامتر شکل ( بدون واحد ) ، میباشند ( 6 ) . در هرمرحله بعد ، دوره های باد آرام حذف و فراوانی باد در هر گروه سرعتی نرمالیزه گردیدند . بنابراین :

(2)                                    [-(u/c)k]= 1-exp [ (F(u)-F0 ) / (1-F0)] F1(u)  =

که در آن F1(u)  توزیع تجمعی در حالتی است که دوره های باد آرام حذف شده است ، و F0 فراوانی دوره های باد آرام میباشد . پارامترهای k, c  به روش حداقل مربعات و بکارگیری تابع توزیع تجمعی محاسبه شدند ( معادله 2 ) .

با استفاده از پارامترهای توزیع ویبل (c,k)  فراوانی سرعت باد در هر ماه و در سال بصورت تجمعی و نرمال شده بدست آمد . به منظور شبیه سازی جهت باد ، اعداد بین صفر و یک بصورت تصادفی انتخاب ، و با جدول توزیع تجمعی جهت باد مقایسه گردیدند . برای شبیه سازی سرعت باد براساس جهت باد تعیین شده ، پارامترهای c،k  توزیع ویبل برای آن جهت خاص از جدول های تعیین شده قبلی ، بدست امد و از معادله زیر استفاده گردید :

U= c{-1n[1-(F(u)-F0]/(1-F0)}1/k

با استفاده از روش انتخاب عدد تصادفی ، یک عدد بین صفر و یک انتخاب گردید . سپس این مقدار را به جای F(u)   قرارداده و در نهایت سرعت باد شبیه سازی شده محاسبه گردید . به دلیل اینکه هدف شبیه سازی سرعت باد بصورت ساعتی بود ، با استفاده از رابطه زیر سرعت باد بصورت ساعتی شبیه سازی شد :

U(1)= Urep+0.5(umax-Umin) Cos[2p(24-hrmax+I)/24]

که در آن ، hrmax  ساعتی از روز که سرعت باد حداکثر است ،  I   شاخص ساعت روز ، Umax  سرعت باد حداکثر ، Umin  سرعت باد حداقل ، و Urep  سرعت شبیه سازی شده حاصل از معادله( 3 ) میباشد .

در مرحله  بعد ، با استفاده از نتایج شبیه سازی شده ، نقشه درصد سرعت بادهای فرساینده و جهت غالب آنها ، و همچنین نقشه حداکثر سرعت باد و جهت غالب باد در هر ایستگاه با استفاده از نرم افزارهای SURFER  و CorelDRAW10  برای ماه های مختلف سال تهیه گردید . بعنوان نمونه نقشه درصد سرعت بادهای فرساینده و جهت غال آنها ، برای ماه جولای نشان داده شده است ( شکل 1 ) لازم به ذکر است که در این نقشه ها ، شهرها به صورت دایره ، اسم شهرها واطلاعات مربوط به سرعت باد شهرها در داخل دایره و جهت باد غالب آنها هم بر روی دایره بشکل حروف و بصورت علامت پیکان ، نمایش داده شده است . همچنین برای نشان دادن سرعت حداکثر و درصد سرعت باد های فرساینده ، از رنگهای مختلفی نیز استفاده گردید .

نتایج و بحث

با استفاده از داده های خام سرعت باد متعلق به نیمه اول هر دوره ، توزیع تجمعی ویبل بصورت ماهانه در تمامی ایستگاه ها ترسیم شد . سپس با استفاده از داده های خام همان دوره در مدل ، مقادیر شبیه سازی سرعت باد بدست آمد در ادامه ، ضریب های همبستگی بین توزیع تجمعی ویبل و سرعت شبیه سازی شده مشخص ، و معنی دار بودن یا نبودن آنها نیز تعیین گردیدند . مقادیر ضریب های همبستگی در تمامی ایستگاه ها و در تمامی ماه های سال بین 93/0 تا 0/1 بوده و در سطح یک درصد معنی دار بودند . بنابراین میتوان ادعا نمود که داده های سرعت باد از توزیع ویبل پیروی نموده ، و استفاده از این توزیع در امر شبیه سازی سرعت باد یتواند قابل قبول میباشد . در ادامه هم به منظور اعتبار سنجی مدل کامپیوتری Windpred  ، مقایسه هایی بین توزیع فراوانی سرعت و جهت باد شبیه سازی شده ( با استفاده از داده های خام دوره اول ) ، و داده های خام دوره دوم صورت گرفت ، و ضریب های همبستگی آنها نیز تعیین گردیدند . مقادیر ضریب های همبستگی در تمامی ایستگاه ها و در تمامی ماه های سال ، برای سرعت باد بین 94/0 تا 0/1 ، و برای جهت باد بین 46/0 تا 0/1 بودند ، که در سطح یک درصد معنی دار می باشند . از اینرو میتوان نتیجه گرفت که همبستگی بسیار قوی بین سرعت و جهت باد شبیه سازی شده و داده های خام وجود دارد . در مرحله بعد درصد سرعت باد های فرساینده و جهت غالب آنها در شهرهای مختلف ایران در ماه جولای ترسیم شد ( شکل 1 ) همانطور که مشاهده میشود ، در ماه جولای ، بیشترین میزان باد های فرساینده متعلق به شهر زابل ( %7/61 ) با جهت باد غالب شمال شمال غربی ،و کمترین میزان باد های فرساینده ، متعلق به شهر تبریز ( %1/0 ) با جهت باد غالب شرق میباشند .