بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي امکان پذيري عمليات رسوب زدايي (Flushing) در مخزن سد پلرود با استفاده از مدل ResCon
چکيده
هر ساله تقريبا ١ درصد حجم ذخيره سدها در سطح دنيا در اثر رسوب گذاري در آنهـا از بـين مـيرود (١٩٨٧ Mahmood). در بعـضي کـشورهاي در حـال توسعه که فشارهاي جمعيت و فعاليت هاي انساني باعث افزايش شدت فرسايش خاک ميگردد، روند مذکور با شـدت بيـشتري انجـام مـيگيـرد. هـم اکنـون پيشنهاد ساخت سدهاي بزرگ به علت پيامدهاي گوناگون آن از جمله پيامدهاي زيست محيطي کمتر مورد توجه قرار دارد که اين امر موجب کاهش سـاخت اين گونه سدها در دهه هاي آينده ميگردد. بنابراين بهترين گزينه جهت داشتن منابع آبي مطمئن کاهش شدت رسوب گذاري در مخازن سدها بـا اسـتفاده از روش هاي پيشگيرانه و احياي حجم ازدست رفته با استفاده از روش هاي درماني ميباشد. در حالي که گزينه هاي متفاوتي جهت خارج کردن و حـذف رسـوبات تجمع يافته در پشت سدها وجود دارد، رسوب زدايي توسط گشودن دريچه هاي تحتاني (Flushing) به عنوان روشي موثر جهت احياي حجم از دسـت رفتـه مخزن سد بدون تحمل هزينه هاي ناشي از اجراي روش هاي مکانيکي حذف رسوبات مثل لايروبي مطرح است . در اين مقاله از چند معيار کمي جهـت ارزيـابي قابليت امکان پذيري عمليات فلاشينگ ، استفاده ميگردد. در مواردي که براورد پتانسيل بازگشت ظرفيت از دسـت رفتـه و نگهـداري حجـم ذخيـره مفيـد در طولاني مدت مطرح است ، اين معيارها به خوبي اهداف مذکور را تامين مينمايند. به طور کلي در ارزيابي اين عمليات دو عامل اساسي را بايد مد نظر قرار داد: اولا مقدار رسوبات حذف شده در طول مدت رسوب زدايي حداقل بايد با مقدار رسوباتي که در مخزن سد در فاصله زماني بين دو عمليات انباشته ميشود برابر باشد. ثانيا ظرفيت ذخيره مفيدي که ميتواند از طريق رسوب زدايي احيا گردد، بايد بيشتر از ٥٠ درصد ظرفيت ذخيره اصلي سد باشد. معيارهاي مـذکور بـه خوبي اين دو عامل را در نظر ميگيرند. مدل ResCon که با درنظر گرفتن پارامترهاي مختلف مخزن هنگام عمليات فلاشينگ اين معيارها را تخمـين ميزنـد جهت ارزيابي قابليت امکان پذيري اين عمليات در مخزن سد پلرود در استان گيلان مورد استفاده قرار گرفت . نتايج حاصله نشان داد که انجام عمليات مـذکور در مخزن مذکور موفقيت آميز خواهد بود و راندمان بالايي خواهد داشت .
واژه هاي کليدي : رسوب گذاري ، رسوب زدايي ، عمليات فلاشينگ ، معيار هاي رسوب زدايي ، مدل ResCon
مقدمه
افزايش جمعيت انسان ها در سراسر نقاط جهان و به تبع آن افزايش غذاي مورد نياز آنها و ايجاد رفاهي نسبي سبب تغيير و تحولات بيشتري در طبيعت شده است که مهار آب هاي سطحي به وسيله انواع سدها و به خصوص سدهاي مخزني از جمله اين تغييرات مي باشند (١٩٩٩ ,ICOLD). رسوب گذاري در مخازن سدها از جمله مسائل مهم و حياتي مي باشد که بايد در زمينه بهره برداري و بحث عمر مفيد مخزن سد مد نظر قرار گيرد. سالانه بين ٠.٥ تا ١ درصد حجم ذخيره مخازن در سرتاسر دنيا در اثر رسوبگذاري در آنها از بين مي رود (١٩٩٢ ,and Yoon ١٩٨٧ ,Mahmood). در جوامع پيشرفته بر اثر افزايش جمعيت و در خطر قرار گرفتن محيط زيست و افزايش نرخ فرسايش خاک ، مخازن سدها با سرعت بيشتري پر مي گردند. بر اساس گزارش کميته بين - المللي سدهاي بزرگ بيشتر از ٤٥٠٠٠ سد بزرگ در دنيا وجود دارد و با اين حجم رسوب گذاري سالانه بايد ٢٠٠ تا ٤٥٠ سد ساخته شود تا اين حجم از دست رفته جايگزين گردد که اين خود هزينه اي بالغ بر ٢.٥ ميليارد دلار خواهد داشت Rudney) (١٩٩٩ ,and ICOLD ٢٠٠٥ ,White. بنابراين با توجه به روند رو به رشد رسوب گذاري در مخازن و از طرف ديگر کمبود مناطق مناسب براي ساخت و ايجاد سدهاي جديد رسوب زدايي از مخازن و کنترل رسوبات در آنها از اهميت ويژه اي برخوردار است . براي نشان دادن پيامدهاي مخرب پديده رسوب گذاري در پروژه هاي زيربنايي صنعت آب و سرمايه هاي مـلي کافي است يادآور شويم که
هر ساله بالغ بر ١١٠ ميليون مترمکعـب ازگنجايش مخازن در دست بهره برداري کشور در اثر رسوب گذاري از دست مي رود. افـت گنجايش ساليانه در مخازن سدهاي ايران به طور متوسط حدود ٠.٧ درصد ميباشد که بين ٠.٢ درصد در مخزن لار تا ٢ درصد در مخزن سفـيد رود و ٢.٨ درصد در مخزن کارده متغـير است (سومين همايش سد سازي، ١٣٧٦). به طور کلي دو روش جهت کنترل رسوبات در مخازن وجود دارد که در اين تحقيق تحت نام هاي "روش هاي پيشگيرانه " و "روش هاي درماني " آورده مي شوند.
روش هاي پيشگيرانه بيشتر روي جلوگيري از ورود رسوبات به مخازن تمرکز کرده در حالي که مبناي روش هاي درماني بر خارج نمودن رسوبات وارد شده به مخزن استوار است . روش هاي گوناگوني جهت تخليه رسوبات مخازن وجود دارد. از آن جمله ميتوان به رسوب زدايي هيدروليکي با استفاده از گشودن دريچه هاي تحتاني (عمليات فلاشينگ ) (Hydraulic Flushing)، تخليه جريانات غليظ (Current Venting Density)، لايروبي هيدروليکي مخزن (Hydraulic Dredging)، برداشت مکانيکي رسوبات Mecanical) (Excavation، انحراف رسوبات در بالادست مخزن (HSRS( Bypassing)Sediment Diversion )، سيفون کردن رسوبات
(Siphoning)، لايروبي هيدروليکي رسوبات توسط پمپ (Pumping) و روش هاي ترکيبي که کاربرد مجموعه اي از روش هاي فوق است اشاره نمود (٢٠٠٥ ,Ainsworth). با توجه به موارد ذکر شده در بالا در حالي که گزينه هاي متفاوتي جهت خارج کردن و حذف رسوبات تجمع يافته در پشت سدها وجود دارد، رسوب زدايي هيدروليکي (فلاشينگ ) به عنوان روشي موثر در احياي حجم از دست رفته مخزن بدون تحمل هزينه هاي ناشي از اجراي روش هاي مکانيکي حذف رسوبات مطرح است . فلاشينگ عبارت از خارج نمودن رسوبات انباشته شده در مخزن از طريق گشودن دريچه هاي تحتاني به منظور کاهش سطح آب و افزايش سرعت جريان در مخزن و به تبع آن افزايش تنش برشي روي رسوبات مخزن مي باشد. مهم ترين مزيت کاربرد روش فلاشينگ بازگشت حجم از دست رفته مخزن سد با صرف کم ترين هزينه مي باشد. در حالي که در مورد روش هاي ديگر هزينه هاي اجرايي به مراتب بالاتر خواهد بود.. از جمله اثرات منفي اين روش فرسايش دريچه هاي تحتاني به علت وجود تنش و سرعت زياد جريان هنگام خروج آب و همچنين ضربات وارده به بدنه سد مي باشد. اثرات زيست محيطي و مورفولوژيکي رسوبات رها شده در اثر انجام اين عمل در پايين دست مخزن که در بيشتر موارد از آن صرف نظر گرديده از جمله اثرات مخرب اين عمل خواهد بود که بايد به طور جدي مورد توجه و بررسي قرار گيرد. تخريب محيط زيست آبزيان در رودخانه پايين دست و رسوبات وارده به تاسيسات آبياري و زهکشي اجرا شده در پايين دست مخزن نمونه هايي از اين اثرات تخريبي ميباشند (١٩٩٩ ,Brandt and Swenning).
اين عمل به دو صورت تحت فشار و رودخانه اي ميتواند انجام پذيرد. در فلاشينگ تحت فـشار سـطح آب مخـزن بـه مقـدار کمي پايين آورده ميشود. بنابراين تاثير عمل آبشويي محدود به اطـراف دريچـه هـاي تحتـاني خواهـد بـود و در ايـن حالـت عمـل فلاشينگ راندمان پاييني خواهد داشت و از آن تنها در مخازني که نسبت حجـم مخـزن بـه جريـان ورودي کوچـک اسـت و داراي دريچه هاي تخليه رسوب با ظرفيت بالا هستند استفاده ميگردد (٢٠٠٣ ,and Spry ١٩٨٢ ,Qian). در فلاشينگ رودخانه اي سطح آب مخزن به پايين ترين مقدار خود خواهد رسيد و عملا مخزن تخليه ميگردد بطوريکه جريان رودخانـه اي (Riverine) در کـف مخـزن ايجـاد گـردد. در ايـن حالـت فراينـد حـذف رسـوبات بـه دو بخـش فرسـايش پـسرونده (Retrogressive) و فرسـايش پيـشرونده
(Progressive) تقسيم ميگردد که اين دو حالت از فرسايش در دوجهت مخالف با ايجاد يک کانال در کف مخزن باعـث بـالا رفـتن راندمان عمليات فلاشينگ گرديده و حجم زيادي از رسوبات مخزن به پايين دست منتقـل مـيگـردد (١٩٩٦ ,Lai and Shen). ايـن عمليات تقريبا روي ٥٠ سد در سطح دنيا صورت گرفته کـه در بعـضي مـوارد ماننـد مخـازن Baira در هنـد، Gmund در اسـتراليا، Hengshna در چين و Gibidem در سوئيس موفقيت آميز و در بعضي موارد ديگر چون Guersney در آمريکا، Rud Sfid در ايـران و Sanmenxia در چين ناموفق بوده اسـت (١٩٩٩ ,and White ١٩٩٦ ,Atkinson). در زمينـه شـناخت هيـدروليک جريـان هنگـام اجراي عمليات فلاشينگ نيز تحقيقات متعددي توسط مدل هاي هيدروليکي و رياضي انجام گرفته اسـت . بـا اسـتفاده از محاسـبات پروفيل سطح آب برگشتي براي جريان ، مدل هاي عددي رسوبگذاري و رسوب زدايي مخازن به ترتيب توسط آقايـان White در سـال ١٩٩٠ و Bettes در سال ١٩٨٤ توسعه داده شد. مرکز آموزش و تحقيقات بين المللي فرسايش و رسوب (١٩٨٥ ,IRTCES) تحقيقات جامع و وسيعي در زمينه شبيه سازي و بررسي خصوصيات جريان هنگام عمل فلاشينگ انجام داده است .
استان گيلان در زمره رسوب خيزترين مناطق در دنيا به شمار ميرود. به گونه اي که دبي ويژه رسوب براي حوزه آبريز پلرود براورد شده است . سد مخزني پلرود از نوع خاکي بوده و برروي رودخانه پلرود در استان گيلان احداث .... اين سد در منتهي اليه جنوب شرقي استان گيلان و در فاصله ٢٥ کيلومتري شهرستان رودسر و ١٨ کيلومتري شهر کلاچاي ميباشد. رسـوبات ورودي به مخزن عمدتا ريز دانه بوده که بيشتر شامل سيلت و رس ميباشند. ميزان رسوب ورودي به مخزن طي عمـر مفيـد آن ٦٧ ميليون متر مکعب براورد ميگردد. ظرفيت ذخيره اوليه مخزن ٦٥ ميليون متر مکعب و حجم مفيد ثابت مخزن با توجه به نيازهـاي موجود ٣٠ ميليون متر مکعب براورد گرديده است که به طور متوسط ٥ ماه در سال از آن استفاده ميشود و در ٧ ماه باقيمانده نياز به آبگيري مخزن نخواهد بود. بدين ترتيب در اين ٧ ماه با تخليه مخزن و انجام عمليات فلاشينگ در مخزن ، حجم قابـل تـوجهي از رسوبات را مي توان تخليه نمود. و حجم مفيد مخزن را براي مدت زماني به مراتب بيشتر از عمـر مفيـد اسـمي مخـزن ( ٥٠ سـال ) حفظ کرد. از ديگر عواملي که باعث انتخاب عمل فلاشينگ به عنوان روشي موثر در حذف رسوبات ميگردد، کم بودن نسبت حجـم مفيد مخزن به حجم رسوبات ورودي به آن خواهد بود. چنانکه پيش از اين ذکر شد، حجم مفيد مخزن در انتهاي عمر مفيد اسـمي آن حدود ٣٠ ميليون متر مکعب است که تنها ٢٤ درصد ازحجم کل مخزن پلرود را تشکيل مي دهد. بـا ايـن حـال چنانچـه مطـابق روش پيشنهادي در اين گزارش از عمليات فلاشينگ جهت تخليه رسوبات استفاده گردد، حجم مورد نياز بـراي مخـزن ٦٥ ميليـون متر مکعب خواهد بود که پس از رسوب گذاري قريب به ٤٦ درصد از حجم آن به صورت حجم مفيد احيا مي گردد. به عبـارت ديگـر با طراحي سد بر اساس عمليات فلاشينگ ميتوان حجم مخزن را حدودا به نصف حجم مخزن در حالت بدون فلاشينگ تقليـل داد.
افراد مختلفي جهت تعيين اينکه آيا عمليات فلاشينگ در يک مخزن امکان پذير بوده يا نه معيارهاي مختلفي ارائه کرده اند. هر کدام از اين معيارها مزايا و معايب مربوط به خود را داشته و استفاده از آنها منوط به برقراري شرايطي خـاص و ويـژه در اجـراي عمليـات فلاشينگ ميباشد. در سال ١٩٩٦، Atkinson به همراه موسسه Wallingfod جهت کمـي سـازي عمليـات فلاشـينگ در مخـازن ٦ معيار معرفي کرد که با استفاده از آنها ميتوان امکان پذيري اين عمليات را در مخزني خاص تعيين نمود. هدف از اين تحقيق بـراورد معيارهاي مذکور در فلاشينگ مخزن سد پلرود و کاربرد آنها جهت بررسي امکان پذيري اين عمليـات در ايـن مخـزن مـيباشـد. بـه عبارت ديگر با استفاده از اين معيارها ميتوانيم تعيين نماييم کـه اجـراي عمليـات فلاشـينگ از نظـر هيـدروليکي در يـک مخـزن بخصوص ميتواند در احياي حجم از دست رفته مخزن موثر باشد يا نه .
معيارهاي فلاشينگ موجود
افراد مختلفي جهت تعيين اينکه آيا عمليات فلاشينگ در يک مخزن موفقيت آميز بوده يا نه معيارهاي مختلفي ارائه کرده اند. به طور مثال آقاي اسلاف در سال ١٩٩١ يک معيار سنجش عرضه نمود که به علت کيفي بودن آن نميتوانست جهت ارزيابي قابليت امکان پذيري اين عمليات مورد استفاده قرار گيرد. يکي از اين معيارها که در سال ١٩٨٧ توسط آقاي آناندل بيان شد به صورت زير است :
در همان سال آکرز و تامسون اين معيار را مورد تصحيح قرار دادند. به اين صورت که براي مخازني با نصف عمر کمتر از ١٠٠ سال اين نسبت بايد برابر يا بيشتر از ٠.٥ باشد. (نصف عمر به عنوان مدت زمان سپري شده قبل از آنکه نصف ذخيره مفيد يک مخزن از دست برود تعريف مي شود). در سال ١٩٨٤ پيت و تامسون بيان کردند، فلاشينگ هنگامي موثر است که سطح آبي که درمخزن شروع به پايين رفتن ميکند، پايين تر از نصف ارتفاع سد بوده و ظرفيت شستشو بيشتر از دو برابر متوسط جريان ساليانه باشد. در سال ١٩٨٧ محمود چند معيار براي کمي سازي راندمان عمليات فلاشينگ و موثر بودن اين عمليات ارائه نمود ولي اين معيارها فقط در مورد مخازني که اين عمليات در آنها انجام گرفته کاربرد دارند و نميتواند موثر بودن آن را از قبل پيش بيني کند.
معيار فلاشينگ جديد
با توجه به توضيحات قبلي نياز به يک معيار اصلاح شده و مطمئن جهت ارزيابي قابليت امکان پذيري فلاشينگ مخازن
محسوس است . به طور کلي اين عمل هنگامي امکان پذير خواهد بود که شرايط زير غالب باشند:
١- مقادير رسوب انتقال يافته از طريق دريچه هاي تحتاني در مدت عمليات فلاشينگ به اندازه کافي زياد باشد تا يک تعادل طولاني مدت بين جريان رسوب ورودي و جريان رسوب شسته شده برقرار گردد.
٢- حجم رسوبات باقي مانده در مخزن بعد از اينکه تعادل رسوبات برقرار شد آنقدر کم باشد تا يک حجم مفيد قابل توجه در مخزن سد ايجاد گردد.
٣- هزينه هاي اين عمليات نبايد از فوايد آن بيشتر باشد. هزينه ها به طور عمده شامل هزينه آب استفاده شده جهت انجام عمليات است ولي ممکن است شامل هزينه تهيه دريچه هاي رسوب زدايي جديد و يا هزينه ناشي از خسارت رسوبات تمرکز يافته در پشت سد به سيستم رودخانه پايين دست نيز باشد. در حالي که فوايد اين عمل به طور عمده شامل حجم آب اضافي است که ميتوان بعد از حذف رسوبات ذخيره نمود.
معياري جهت ارزيابي فلاشينگ موفق بر مبناي مفهوم تعادل رسوبات
در اين قسمت کاربرد روش هاي مذکور جهت تعيين معياري که نشان دهنده درجه موفق بودن اين عمليات خواهد بود مورد بررسي قرار مي گيرد. اين معيار با عنوان نسبت تعادل رسوب يا Sediment Balance Ratio( SBR) به صورت زير تعريف مي گردد.
بيان رياضي معيار مذکور به صورت زير خواهد بود:
