مقاله برآورد حداقل دبی زیست محیطی پاییندست سدها ، چالشها و راهکارها

بخشی از مقاله

برآورد حداقل دبی زیست محیطی پاییندست سدها، چالشها و راهکارها
چکیده
بمنظور برآوردحداقل جریان زیستمحیطی و میزان رهاسازي آب ازسدها جهت حفظ نیازهاي زیستمحیطی پاییندست، روشهاي مختلفی وجود دارد. این روشها براساس این تفکر شکل گرفتهاند که پس از احداث سد، براي حفظ شرایط طبیعی رودخانه، جریان حداقلی از آب مورد نیاز اکوسیستم پاییندست رهاسازي گردد. از جمله میتوان به روشهاي شاخص هیدرولوژیک، روش دستهبندي هیدرولیکی، روش شبیهسازي زیستگاه و روشهاي جامعنگر اشاره نمود. روشهاي شاخص هیدرولوژیکی، سادهترین، سریعترین و پرکاربردترین نوع تعیین جریان زیست محیطی محسوب میگردند و به دلیل اینکه تنها برپایه استفاده از دادههاي تاریخی هیدرولوژیکی جریان استوار هستند، امروزه بعنوان متداولترین روش جهت تعیین نیاز زیستمحیطی پاییندست سدها بخصوص در مراحل اولیه طراحی و مطالعه طرحهاي مذکور مورد استفاده قرار میگیرند. روش تنانت یا مونتانا یکی از متداولترین روشهاي هیدرولوژیکی محاسبه جریان زیست محیطی دربیش از 25 کشور دنیا میباشد که درکشور ما نیز در سالهاي اخیر مورد توجه قرار گرفتهاست. بررسیهاي انجام شده نشان میدهدکه روش مونتانا دربرخی موارد، باماهیت رژیم جریانی رودخانههاي ایران مطابقت نداشته واستفاده ازآن بامشکلاتی همراه است.
دراین مقاله درراستاي تعیین دبی زیستمحیطی پاییندست سدها، با توجه به شرایط محیطی و بیولوژیکی محدوده مطالعاتی، برآورد حداقل نیاز زیستمحیطی به روش شبیهسازي زیستگاه با استفاده از مدلسازي هیدرولیکی رودخانه معرفی میگردد. در این روش، ابتدا با انجام مطالعات اکولوژیک منطقه طرح، گونههاي شاخص و شرایط کیفی و کمی مورد نیاز براي حفظ حیات گونههاي مذکور تعیین گردیده و سپس با استفاده از مشخصات فیزیکی رودخانه در بازه مناسبی از محدوده طرح، به کمک مدلسازي رودخانه (مدل (HEC-RAS رابطه دبی و عمق آب مشخص میگردد. سپس با استفاده از تحلیل نتایج مدلسازي در سناریوهاي مختلف با استفاده از شاخصهایی چون شاخص شکست و شدت خسارت، حداقل دبی زیستمحیطی برآورد میگردد. درمطالعات انجام گرفته در بعضی موارد، دبی محاسباتی به روش فوق نسبت به دبی زیستمحیطی مونتانا بیشتر و در برخی موارد کمتر بدست آمده که این امر نشاندهنده نقصهاي موجود در روش مونتانا میباشد. در این مقاله به تعدادي از مطالعههاي موردي در این زمینه اشاره شدهاست.
واژگان کلیدي: حداقل نیاز زیستمحیطی، روش مونتانا، شاخصهاي بیولوژیکی، مدل HEC-RAS، اطمینانپذیري تامین
نیاز زیست محیطی

.1 مقدمه
تخصیص حداقل دبی زیستمحیطی، مستلزم شناسایی و درك کمی و کیفی اجزاي اکوسیستم و روابط متقابل آنهاست. از طرفی این روابط و چرخههاي فیزیکی – شیمیایی – بیولوژیکی به شدت پیچیده هستند و نیز اثرات تغییرات رژیم هیدرولوژیکی روي اکوسیستم هنوز کاملا شناخته نشدهاست. درواقع در برآورد نیاز زیستمحیطی، تنها با استفاده از روشهاي زمانبر که شامل قضاوتهاي کارشناسی چندگانه و متکی بر اطلاعات ویژه منطقه موردمطالعه میباشد، میتوان به درجه رضایتبخشی از اطمینان رسید. به دلیل این محدودیتها، در اغلب نقاط جهان، نیاز زیستمحیطی هرگز به درستی برآورد نشدهاست. متاسفانه تخصیص حداقل دبی زیست محیطی، هنوز در مدیریت منابع آب از اولویت کمی برخوردار بوده و درنتیجه وضعیت اکوسیستمهاي آبی هر روز نامساعدتر میشود. بنابراین در شرایط کنونی لازم است تحقیقات وسیع و گستردهاي درقالب یک برنامه تحقیقاتی جامع براي ارزیابی نیاز زیست محیطی انجام شود.
مطالعات بررسی نیاز آب زیست محیطی در ابتدا توسط سرویس حیات وحش آمریکا (US Fish and Wildlife Service) از 1940 تا 1970 در این کشور به کار رفت و قانون رسمی جریان زیست محیطی در 1970 به عنوان نتیجه دستورالعمل سیاستگذاري ملی زیست محیطی (1969) و سند برنامهریزي منابع آب (1956) به ثبت رسید.
در ابتدا ایجاد این نگرش به بهبود زیستگاههاي ماهیان و تامین نیازهاي مسیر عبور آنها منحصر بود و بعدها موضوعات دیگر، نظیر حفاظت از چرخههاي اکوسیستم نیز موردتوجه قرار گرفت.
یک بررسی بر روي متدولوژیهاي تعیین نیاز زیست محیطی رودخانهها نشان میدهد که 207 متدولوژي ثبت شده براي 44
کشور در 6 منطقه از جهان (شمال امریکا، جنوب و مرکز امریکا، افریقا، اروپا و خاورمیانه، باقی آسیا) وجود دارد. بهطورکلی در مورد رودخانهها میتوان این روشها را در قالب پنج روش هیدرولوژیکی، درجهبندي هیدرولیکی، شبیهسازي زیستگاهها و متدولوژي جامع و ترکیبی طبقه بندي کرد.
روش مونتانا و تحلیل منحنی تداوم جریان، از جمله روشهاي هیدرولوژیکی تخصیص آب زیست محیطی در رودخانههاست.
این روشها برمبناي استفاده از آمار تاریخی جریانها به صورت نسبت ثابتی از جریانهاي طبیعی که قبل از توسعه رخ میداده مبتنی است. در این روشها بر حفظ جریانهاي حداقل بسیار تاکید میشود.
هدف اصلی این مطالعه، بررسی نقایص روش تعیین حداقل دبی زیستمحیطی مونتانا و معرفی روش پیشنهادي استفاده از مدلسازي به کمک شاخصهاي اکولوژیکی و فیزیکی میباشد. در این مقاله ابتدا به بررسی روش مونتانا و نارساییهاي آن به کمک نتایج چندین مطالعه موردي در نقاط مختلف کشور پرداخته شده و سپس روش پیشنهادي معرفی و مقایسه شده است.
در روش پیشنهادي، در ابتدا به کمک مطالعات اکولوژیک، گونههاي شاخص منطقه و حداقل شرایط مورد نیاز جهت حفظ حیات آنها بصورت حداقل عمق آب تعیین میگردد. سپس با استفاده از اطلاعات فیزیکی رودخانه و با استفاده از مدلسازي هیدرولیکی رودخانه، حداقل نیاز زیستمحیطی جهت رهاسازي از سد تعیین میگردد.
-1 تعیین نیاز زیستمحیطی به روش مونتانا
روش مونتانا یا تنانت (1976) جهت برآورد حداقل نیاز زیستمحیطی رودخانهها، بر پایه مطالعات صحرایی در ایالات مرکزي- غربی آمریکا با برقراري رابطه بین جریان رودخانه و حفظ طبیعت ریپارین رودخانه توسعه داده شدهاست؛ بدین معنی که هدف اصلی، حفظ شرایط زیستی ماهیان رودخانه بوده است. در این روش حداقل میزان رهاسازي بهصورت درصد مشخصی از میانگین سالانه دبی رودخانه محاسبه میگردد. درصدهاي مذکور در جدول شماره 1 ارائه شدهاند.

این روش در رودخانههاي بزرگ و دائمی ایالات مذکور مورد مطالعه قرار گرفته است. بر اساس ابلاغیه شماره /8349/31م مورخ 86/11/28 وزارت نیرو، روش مونتانا با کیفیت حیات ماهی در رودخانه در حد قابل قبول بعنوان حداقل نیاز آبی زیستمحیطی در رودخانهها بایستی مورد نظر قرار گیرد.
با توجه به اینکه روش مونتانا در رودخانههاي بزرگ و دائمی ایالات مرکزي - غربی آمریکا مورد مطالعه قرار گرفته است، کاربرد آن براي رودخانههاي فصلی و نیز براي رودخانههایی که داراي نوسانات شدید آبدهی ماهانه میباشند با مسائل و مشکلاتی روبرو میباشد. عمده این مسائل شامل عدم در نظرگرفتن نوسانات فصلی و ماهانه آبدهی رودخانه و به تبع آن محاسبه درصد بالایی از میانگین ماهانه آورد رودخانه به عنوان نیاز زیستمحیطی رودخانه میباشد. این امر به این دلیل است که در این روش، نیاز زیستمحیطی بر حسب درصدي از میانگین سالانه تعیین میگردد. لذا در ماههاي کمآبی بدون توجه به کاهش شدید آبدهی رودخانه، نیاز زیستمحیطی بصورت درصد مشخصی از میانگین درازمدت سالانه درنظر گرفته میشود.
بررسیهاي بعمل آمده و همچنین تجارب این مهندسی مشاور در تعیین دبی محیط زیست سدها نشاندهنده آن است که روش مونتانا با ماهیت رژیم جریانی رودخانههاي ایران مطابقت ندارد. در این رابطه به عنوان نمونه میتوان به برآورد جریان زیستمحیطی با استفاده از روش مونتانا براي طرحهاي سد سیمینهرود و سدهاي واقع در حوضه آبریز کرخه که توسط این مهندسی مشاور صورت گرفته، اشاره نمود. نتایج محاسبه دبی زیستمحیطی براساس روش مونتانا نشان میدهد که در بسیاري از ماههاي سال بویژه ماههاي خشک، دبی زیستمحیطی مونتانا، در حد دو تا سه برابر متوسط ماهانه و بعضا بیشتر از ماگزیمم مشاهداتی و حتی بیشتر از دبی زیستمحیطی اکولوژیک میباشد (شکل شماره .(1
در گام اول جهت رفع این چالش از روش مونتانا، دو پیشنهاد وجود دارد که تحت عنوان روش مونتاناي اصلاح شده بدین ترتیب میباشند: پیشنهاد اول اینکه در روش مونتانا، ضریب 0/3 فقط براي ماههایی که دبی متوسط ماهانه بیشتر از دبی میانگین سالانه است، در نظر گرفته شود. در پیشنهاد دوم، الگوي ضرایب همانند پیشنهاد اول درنظر گرفته شده اما بجاي دبی میانگین سالانه، براي هر ماه از دبی میانگین ماهانه همان ماه استفاده میگردد.
علاوه بر پیشنهادات فوق و در گام تکمیلی، روش مناسبتر مدلسازي براساس شاخصهاي فیزیکی و اکولوژیکی وجود دارد که در این مقاله بدان اشاره شدهاست.

لازم به ذکر است روش توصیه شده در نظامنامه تخصیص، براساس آبدهی متوسط ماهانه استوار است، مشابه روش پیشنهادي دوم، با این تفاوت که الگوي ضرایب مانند روش مونتاناي ابلاغی و بصورت ششماهه میباشد. براي ماههاي بهار و تابستان ضریب 0/3 و ماههاي پاییز و زمستان ضریب 0/1 درنظر گرفته شدهاست.

-2 مطالعه موردي: سد بلبر
هدف از احداث سد بلبر، مهار روانابهاي رودخانه گردلان و بهرهبرداري از پتانسیل این رودخانه جهت تولید انرژي برق میباشد. ساختگاه سد مخزنی بلبر در حوضه آبریز سیروان (استان کردستان در جنوب شهرستان مریوان و شمال شهرستان پاوه) بر روي رودخانه گردلان از سرشاخههاي رودخانه سیروان درنظر گرفته شدهاست. (شکل شماره (2

-1-2 محدوده مطالعاتی
حوضه آبریز سیروان در غرب ایران در استانهاي کردستان و کرمانشاه قرار دارد و از غرب به مرز ایران و عراق، از شرق به استان همدان و حوضه قروه دهگلان، از شمال به حوضه آبریز رودخانههاي قزلاوزن و زرینهرود و از جنوب و جنوب شرقی به حوضه سرشاخههاي کرخه (گاماسیاب و قرهسو) محدود میشود. حدود جغرافیایی حوضه بین 45 درجه و 42 دقیقه تا 47 درجه و 58 دقیقه طول شرقی و 34 درجه و 14 دقیقه تا 35 درجه و 47 دقیقه عرض شمالی است. رودخانه سیروان در غرب کشور و در دامنههاي زاگرس غربی یکی از مهمترین رودخانههاي منطقه میباشد که برفاب و باران کوههاي منطقه را در خطالقعر درههاي زاگرس زهکشی میکند.

جهت تعیین نیاز زیستمحیطی پاییندست رودخانه گردلان با استفاده از روش اکولوژیک، در ابتدا مطالعات لیمنولوژیک برپایه نمونهبرداري انجامشده در مرداد ماه 1389 انجام شده و گونه شاخص محدوده مطالعاتی و نیازهاي زیستی آن تعیین گردیدهاست. سپس مدلسازي هیدرولیکی رودخانه گردلان در محدوده مطالعاتی به کمک نرمافزار HEC-RAS انجام گردید و شرایط فیزیکی و هیدرولیکی رودخانه جهت تامین حداقل نیازهاي گونه شاخص به کمک مدل بررسی گردید. براساس نتایج مدل شاخصهاي شکست و شدت خسارت محاسبه و با استفاده از این شاخصها، درمورد انتخاب مناسبترین مقدار دبی زیستمحیطی تصمیمگیري شدهاست.
2-2 مطالعات لیمنولوژي و تعیین گونه شاخص
مطالعات لیمنولوژي و نمونهبرداري از ماهیان رودخانه گردلان به عنوان مهمترین مهرهداران آبزي با هدف تعیین نیاز زیستمحیطی در پاییندست سد بلبر و ارائه برنامه مدیریت و پایش زیستمحیطی در سه ایستگاه در طول رودخانه انجام گردیده است.
براي شناسایی گونههاي ماهیان رودخانه گردلان در پاییندست سد بلبر، در طول تقریبی 3 کیلومتر، سه ایستگاه نمونهبرداري مشخص گردید. بدین ترتیب صید حداکثر تعداد گونههاي موجود و ارزیابی وضعیت فراوانی و تنوع زیستمندان رودخانه در کمآبترین ماه سال مقدور گردیدهاست.
بررسی Pools (گودالها) و Riffles (مناطق کم عمق) در طول رودخانه
براي بررسی امکان زیست ماهیان در پاییندست رودخانه و در مدت ذخیره آب در دریاچه سد در طول حدود 600 متر از رودخانه وضعیت گودالها (Pools) و مناطق کم عمق رودخانه (Riffles) مورد بررسی قرار گرفت (شکل شماره .(3
باتوجه به بررسی بازهاي از رودخانه به طول تقریبی 700-800 متر مشخص گردید که رودخانه از لحاظ وجود گودالها بسیار مناسب بوده که این امر بدلیل کوهستانی بودن منطقه و نبودن فرسایش و انباشت رسوبات میباشد که شرایط بسیار مطلوبی بوده و بهمین دلیل از لحاظ فون ماهیان و دیگر زیستمندان آبی این رودخانه بسیار حائز اهمیت میباشد. حفظ جریان آب رودخانه در حدي که ارتباط گودالها در رودخانه از طریق Riffle ها قطع نشود، ضروري میباشد.

پراکنش و فراوانی ماهیان در محدوده مطالعاتی
از مجموع 3 ایستگاه مورد بررسی 268 نمونه ماهی صید شد که اغلب آنها متعلق به خانواده کپور ماهیان (Cyprinidae) میباشند. خانوادههاي سگ ماهیان جویباري (Nemacheilidae) و گربه ماهیان (Sisoridae) با 2 و 1 گونه کمترین تعداد گونه را داشتند. در بین گونههاي شناسایی شده، دو گونه سیاه ماهی (C.damascina) و گارا (G.rufa) بیشترین فراوانی نسبی را در بین گونهها داشتهاند.
در این قسمت از رودخانه تنها یک گونه غیر بومی (C.auratus) به تعداد 1 عدد صید شد که نشان دهنده بکر بودن این رودخانه است. سه گونه شامل Barbus barbulus, B.sublimus, Glyptothorax sylviae بومی انحصاري (Endemic) در این قسمت از رودخانه با فراوانی کم وجود دارد که لازم است توجه ویژه اي به آنها شود. شکل شماره 4 نمایشگر تعدادي از گونههاي صیدشده در روخانه گردلان میباشد.

از بین 14 گونه ماهیان صیدشده، 3 گونه (%23) داراي ارزش حفاظتی در سطح ملی بوده و طبق معیارهاي سازمان حفاظت محیط زیست حمایت شده هستند. یکی از گونهها، غیر بومی بوده که به منظور فعالیتهاي شیلاتی و اقتصادي توسط انسان و سایر عوامل در طی قرون گذشته به بخشهاي مختلف این حوضه وارد شدهاست.10 گونه از این ماهیان بومی حوضه و رودخانه و 3 گونه نیز از ماهیان اندمیک این حوضه میباشند. 5 گونه داراي ارزش اقتصادي هستند.

انتخاب گونه شاخص ماهیان

اغلب گونهها داراي ارزشهاي خاصی هستند و به همین دلیل براي این که بتوان گونههایی را به عنوان گونه شاخص براي هر ایستگاه و مهمتر از همه براي ایستگاه پاییندست سد، معرفی کرد به متدولوژي خاصی نیاز است. به همین دلیل در این بخش از روشی بر مبناي وزن دهی به امتیازهاي هر گونه در قالب یک ماتریس استفاده شدهاست. این ماتریس در قالب جدول شماره 2 ارائه شدهاست. اطلاعات مربوط به ارزشهاي هر گونه، از منابع ذکر شده در انتهاي ردیف مربوط به آن استخراج شدهاست. در این ماتریس حضور یا عدم حضور در یک بازه با کدهاي 1 به معنی حضور و 0 به معناي عدم حضور مشخص شدهاند. در قسمت ارزشهاي گونه نیز، عدد 1 به معنی وجود ارزش خاصی و 0 به معنی عدم وجود ارزش خاصی استفاده شدهاست. این وزنها به صورت قرار دادي بوده و بر مبناي نیاز مطالعات حاضر و قضاوت کارشناسی پیشنهاد شدهاند.
ذیلا به تعریف ارزشهاي موجود در ماتریس و اوزان مربوط به آنها می پردازیم:
-1 ارزش حفاظتی: گونههایی که طبق مصوبه شماره 168 شورایعالی محیط زیست مورخ 78/6/3 راجع به تعیین گونههاي مشمول قانون شکار و صید و طبقهبندي آنها، در زمره گونههاي حمایت شده و حفاظت شده یا گونههاي در معرض خطر انقراض قرار گرفتهاند. به این ویژگی وزن 7 داده شدهاست.

-2 ارزش ژنتیکی: گونههایی که آندمیک یک محدوده جغرافیایی خاص هستند یا تنها در یک نقطه از کشور گزارش شدهاند. به این ویژگی وزن 5 داده شدهاست.

-3 ارزش اکولوژیک: گونههایی که نقش ویژه اي در اکوسیستم آبی منطقه دارند واجد این ارزش شناخته می شوند. به عنوان مثال گونههایی که ارتباط دهنده بین سطوح مختلف هرم غذایی بوده یا گونههایی که ذخایر غذایی گونههاي گروه 1 را تشکیل می دهند واجد این ارزش شناخته می شوند. این ارزش وزنی معادل 3 دریافت کرده است.

-4 ارزش اقتصادي: گونههایی که به صورت بالقوه یا بالفعل جهت هر نوع بهره برداري اقتصادي مناسب هستند، این ارزش وزنی معال 1/5 دریافت کرده است.
علاوه بر این براي گونههاي غیر بومی وزنی معادل -1 در نظر گرفته شدهاست تا اثرات مخرب معرفی غیر اصولی گونهها در اکوسیستم آبی نیز لحاظ گردد.
بدین ترتیب مجموع امتیازي که یک گونه به ازاي ارزشهاي خود دریافت می کند به شرح ذیل است:

*1/5) ارزش اقتصادي) *3) + ارزش اکولوژیکی) * 5) + ارزش ژنتیکی) *7) + ارزش حفاظتی)= ارزش گونه

مجموع ارزشها با وزنهاي در نظر گرفته شده در ستون ارزش گونه درج شدهاست. استفاده از موقعیت گونه نیز در محاسبات جهت جداسازي گونههاي غیر بومی از گونههاي بومی بوده است. در گام آخر براي دستیابی به یک عدد شاخص براي هر گونه از روش ذیل استفاده شدهاست:

موقعیت گونه * فراوانی در ایستگاه * ارزش گونه = عدد شاخص ایستگاه

با توجه به اینکه اطلاعات موجود در مورد فراوانی گونههاي شاخص به صورت تعداد نمونههاي صیدشده در هنگام نمونهبرداري بوده است، با توجه به تفاوت دامنه اعداد، به منظور همسانسازي مشاهدات و یکدست شدن دادهها از تحلیل فراوانی دادهها (Frequency Analysis) استفاده شدهاست. در این روش ابتدا مجموع فراوانی در هر ایستگاه در کل فصول محاسبه شده و سپس با استفاده از آنالیز فراوانی دادهها در محیط نرم افزار SPSS نسخه 16، فراوانیها بر اساس صدکهاي

25 ام، 50 ام، 75 ام، به 4 گروه کیفی تقسیم شدند. دادههاي رتبهاي مربوط به هر متغیر مرتب شده و سپس چندکهاي مورد نیاز به عنوان مرز طبقات استخراج می شوند. مشاهدات به عنوان مرز طبقات (کم، متوسط، زیاد) مشخص شدهاند.
نتایج این تحلیل و طبقهبندي در جدول ذیل نشان داده شدهاست (جدول شماره .(2 عدد شاخصی که بدین ترتیب بدست میآید بیانگر جایگاه و ارزش هر گونه در ایستگاه مطالعاتی است. اعداد حاصل از این محاسبه در ستون عدد شاخص جدول شماره 3 درج شدهاست.

با توجه به مجموع فراوانی نمونههاي صیدشده در ایستگاههاي نمونهبرداري، کلاسبندي گونهها بر اساس فراوانی آنها و امتیاز هر