بخشی از مقاله
ارزیابی شرایط کیفی آب در مخازن سدها با استفاده از مدل دوبعدي CE-QUAL-
W2 (مطالعه موردي مخزن سد ماملو)
چکیده
ساخت و بهره برداري از مخازن سدها منجر به دو تغییر عمده در روند جریانهاي طبیعی رودخانه ها می شود .اول آنکه احداث مخزن باعث افزایش زمان ماند آب و همچنین باعث ایجاد پدیده لایه بند ي آب در مخزن می گردد .این عوامل باعث می شود که کیفیت آب خروجی از سد همان کیفیت آب ورودي به مخزن نباشد، به عبارت بهتر سد و مخزن آن باعث ایجاد تغییرات عمده کیفی آب رودخانه می شود .از آنجایی که تمام فرآیندهاي بیولوژیکی و شیمیایی اکوسیستم هاي آبی تابعی از دما می باشد،لذا شناخت رژیم حرارتی و اثرات آن در داخل مخزن و تاثیر آن بر آب خروجی از اهمیت ویژه اي برخوردار است در این مقاله پدیده لایه بندي حرارتی مخزن سد ماملوبا استفاده از مدل ریاضی دوبعدي CE-QUAL-W2 براي سال 1388مورد بررسی قرار گرفته است . سد ماملو درپایین دست سد لتیان و براي تامین آب تهران در سال1388 به بهره برداري رسید.در این مطالعه ابتدا داد ه هاي سد ماملو شامل داده هاي ژرفاشناسی مخزن سد، اطلاعات هواشناسی و هیدرولوژي مربوط به مخزن سد ماملو تهیه گردید .پس از انجام کالیبراسیون تراز آب، در مرحله بعد شبیه سازي رفتار حرارتی سد ماملوا بر اساس تغییرات دمایی مدل گردید . نتایج حاصل از مدلسازي نشان دهنده وجودلایه بندي تابستانه حرارتی و به تبع آن لایه بندي کیفی مخزن سد ماملو می باشد
کلمات کلیدي : سدماملو،کیفیت آب،CE-QUAL-W2،لایه بندي،لایه بندي حرارتی
مقدمه
آبهاي سطحی و مخازن سدها به عنوان اصلی ترین منبع تامین نیازهاي شرب و آب شیرین کشور به شمار میروند.فقط با حفظ و نگه داري این منابع عظیم و پیکره هاي آبی میتوان تداوم توسعه اقتصادي- اجتماعی را در سطح ملی و بین المللی تضمین کرد.(سعادت پور، م. ، افشار، ع). در علم منابع آب، مخازن سدها به عنوان دریاچههاي مصنوعی تلقی میشوند .دریاچه به آب هاي ساکن گفته میشود که به وسیله زمین هاي اطراف احاطه شده است. دریاچهها داراي ابعاد متفاوتی هستند و از دریاچه هایی با مساحت هزاران کیلو مترمربع واعماق بسیار زیاد تا دریاچه هایی با مساحت چند کیلو مترمربع وعمقی کم تر از ده متر تغییر می کنند .دریاچهها بر حسب معیارهاي مختلف از قبیل مشخصات فیزیکی، شیمیایی و زمین شناختی به انواع مختلفی طبقه بندي می شوند. مخازن سدها، یکی از انواع دریاچه هاي بشرساخت هستند که براي برآورده کردن نیازهاي آبی مختلفی مانند تهیه آب آشامیدنی، تنظیم جریان و کنترل سیلاب، تولید انرژي برق، ماهی گیري، حمل و نقل، تفریحات آبی و دیگر مقاصد، به وجود میآیند. درمخازن سدها به طور کلی 5 عاملکه موثر هستند
عبارتند از: اندازه مخزن، زمان ماند، وضعیت لایه بندي حرارتی، وضعیت تغذیهگرایی، بهره برداري(نشریه شماره313 وزارت نبرو) یکی از متداول ترین پدیده ها در دریاچه ها و مخازن ، لایه بندي حرارتی آب مخزن است که مهم ترین تاثیر را بر روي مشخصههاي هیدرولیکی ، گرمایی و کیفیت آب در دریاچه ها و مخازن دارد .لایه بندي به معنی ایجاد لایههایی از جرم هاي سیال است که در اثر اختلاف در چگالی یا درجه حرارت یا مواد محلول و معلق ایجاد می شود .در مخازن عمیق ممکن است اختلاف درجه حرارت بین لایه هاي بالا و پایین به بیش از 15 درجه سانتی گراد نیز برسد.( رضایی بنیس، نادر) در بیش تر مخازن و دریاچه ها، لایه بندي نتیجه موازنه حرارتی بین آب مهار شده و سایر ورودي ها به مخزن می باشد . حرارت ورودي شامل تشعشع اتمسفري و خورشیدي، تبادل حرارتی بین آب و اتمسفر و حرارت اصل از جریان هاي ورودي به مخزن می باشد .حرارت آب می تواند در اثر تشعشع سطحی آب، تبخیر، انتقال گرما و بده خروجی، از دست برود . بیش تر فرآیند هاي گرم شدن و سرد شدن در یک لایه سطحی نسبتا نازك رخ می دهد .بنابراین اگر اختلاط عمودي براي برابر کردن گرادیان سطحی کافی نباشد لایه بندي حرارتی شکل می گیرد.از این نظر، خازن به سه دسته لایه بندي نشده، با لایه بندي ضعیف و با لایه بندي شدید تقسیم می شوند.-1 درمخازن با اختلاط عمودي درجه حرارت و چگالی درعمق در دوره هاي زمستان و تابستان یکنواخت می باشد.-2 مخازن با لایه بندي ضعیف که به وسیله خطوط هم دمایی که درطول محور افقی کج شده اند مشخص می گردند.-3 مخازن عمیق با لایه بندي شدید که به وسیله خطوط هم دماي افقی در طول مخزن مشخص می شوند و داراي لایه بندي فصلی درجه حرارت یا چگالی می باشند.در زمان لایه بندي سه لایه مشخص زیر در مخزن به وجود می آید: (نشریه شماره313 وزارت نبرو)
در شکل((1 پروفیل تغییرات کیفی مخازن آب که لایه بندي حرارتی در آن ها رخ داد است نشان داده شده است.
شکل :(1) نمودار تغییرات کیفی پارامترهاي مختلف در مخزن با لایه بندي حرارتی(روستایی ، ج)
شبیه سازي کیفی مخازن از جمله راهکارهاي موجود براي شناخت وضعیت موجود یک مخزن و پیش بینی شرایط آینده است. مدلهاي کیفی آب را می توان بر حسب بعد حل (یک بعدي، دوبعدي، سه بعدي)، آلودگی هایی که شبیهسازي میکنند (فسفر، نیترات و یا دیگر مواد سمی) و سیستمی که در آن اعمال میشوند (دریاچه، رودخانه و یا خور) طبقهبندي کرد. طبقهبندي این مدل ها به اختصار در جدول (1) در زیر آورده شده است.
جدول(:(1 دسته بندي برخی از نرم افزارهاي مدل سازي کیفی آب و مقایسه آن ها (استفلد،آ،.سالومونس،س،)
منطقه مورد مطالعه:
دشت حاصلخیز ورامین که یکی از مستعدترین مناطق کشاورزي است داراي وسعتی برابر 1250 کیلومترمربع است و به سبب نزدیکی به تهران این منطقه جایگاه ویژهاي را در بخش کشاورزي کشور به خود اختصاص داده است. این دشت متشکل است از مخروط افکنه رودخانه جاجرود که از ارتفاعات 4000 متري جنوب البرز سرچشمه میگیرد. طول و عرض جغرافیایی دشت در محل شروع تشکیل مخروط افکنه به ترتیب برابر 52œ-42' و 35œ-28' آن از سطح دریا درحدود 1100 متر است. دشت مذکور در سمت جنوب که گودتر است به کویر محدود میشود. ارتفاع دشت در میانه مرز با کویر در حدود 950 متراست. طول متوسط دشت برابر 45 کیلومتر مربع و میانگین عرض آن 27 کیلومتر است. (مهندسین مشاور لار،(1378رودخانه جاجرود و شعب آن منبع اصلی تامین کننده آب سطحی دشت است. حوزه آبریز این رودخانه در جنوب سلسه جبال البرز قرار دارد. سد مورد نظر داراي حوزه آبریزي به وسعت 1750کیلومتر مربع است که 690 کیلومتر مربع از این سطح متعلق به حوزه بالادست لتیان است (مهندسین مشاورلار)محل سد در دو کیلومتري نقطه برخورد رودخانه دماوند و جاجرود که مناسب ترین محل در طول رودخانه براي این منظور است، در نظر گرفته شده است. عرض بستر رودخانه در این محل برابر 200 متر استبه. اهم راههایی که منطقه را شهرها و روستاهاي اطراف و مجاور مرتبط میسازد عبارتند از:-1جاده جدید الاحداث پارچین -2جاده دماوند -3جاده کوشک، پلنگ وار- ماملو. سایر مشخصات و شکل سد درشکلجدول شماره((2 و (2)ا آمده است.(مهندسین مشاور لار)
جدول:(2) مشخصات سد ماملو(مهندسین مشاور لار)
شکل :(2) سد ماملو و شاخه هاي ورودي به آن(شرکت آب منطقه اي تهران)
معرفی مدل :CE-QUAL-W2
این مدل در پایگاه آزمایشات آبراهههاي آمریکا ساخته شده است .یک مدل عددي، دو بعدي (متوسط گیري در عرض) هیدرودینامیک، کیفیت آب است. مدل شامل ماژول کیفیت آب و ماژول هیدرودینامیک است. محاسبات هیدرودینامیک آن تحت تأثیر چگالی متغیر ناشی از دما، شوري، مواد محلول و معلق است. این مدلعمدتاً براي مخازن ساخته شده است اما میتوان براي رودخانه ها و خورهاي رودخانهاي کم عرض نیز بکار برود. به لحاظ هیدرودینامیک مدلCE-QUAL-W2 میتواند تغییرات تراز سطح آب، سرعت و دما را پیش بینی کند .به دلیل اثر دما بر چگالی آب، محاسبات مربوط به دما در زیر سامانه هیدرودینامیک گنجانده شده و نمیتوان و نباید آن را از فرآیند محاسبات حذف کرد. به لحاظ بررسی هاي کیفی آب عملا هر ترکیبی از عوامل کیفی را می توان در شبیه سازي منظور و یا از مرحله شبیهسازي حذف کرد. اثرهاي شوري یا کل جامدات محلول بر چگالی و هیدرودینامیک فقط موقعی منظور خواهد شد که آنها نیز درمدول کیفیت آب مورد شبیه سازي قرار گرفته باشند. الگوریتم مورد استفاده در بررسی کیفی آب کاملا ولفهار(مولفهاي) است و لذا به سادگی امکان اضافه کردن عوامل کیفی دیگر در قالب زیر برنامههاي اضافی وجود دارد.(Cole, T.M, Wells, S.A., CE-QUAL-W2 )
هندسه مخزن
اطلاعات هندسی و ژرفاشناسی مخزن سد ماملو از نقشههاي توپوگرافی با مقیاس1:10000 استخراج شده است. جهت معرفی مخزن سد به مدل، مخزن سد ماملو به صورت دو پیکره آبی که شامل ورودي از رودخانه جاجرود و ورودي از رودخانه دماوند تبدیل شد. پیکره آبی ورودي از رودخانه جاجرود به 23 قسمت (یاگام) در طول مخزن تقسیم شد و پیکره آبی ورودي از رودخانه دماوند به 12 قسمت در طول مخزن تقسیم شد. همچنین این پیکره آبی ورودي رودخانه به جاجرود بهطور عمقی 16 لایه و پیکره آبی ورودي رودخانه دماوند به12 لایه تقسیم بندي شدند.(شکل 3و(4
