بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی الگوی رسوب گذاری در مخزن سد زنوز با استفاده از مدل ریاضی
Gstars 3.0
چکیده
یکی از اثرات مهم پس از ساخت سدها ، مسئله رسوبگذاری در مخازن سدها می باشد. این پدیده مسائل بهره برداری اعم از ابنیه ، بتولید انرژی ، کشتیرانی ، عملکرد توربین ها ، تولید و تأمین آب و ایمنی سدها را با مشکلاتی مواجه می سازد.. در مفاله حاضر، به منظور پیش بینی روند رسوبگذاری مخزن در سد زنوز از مدل GSTARS3.0به دلیل داشتن خاصیت نیمه دو بعدی و شبه پایدار ، قابلیت شبیه سازی انتقال رسوب در حالت عدم تعادل و به کارگیری دامنه وسیعی از معادلات انتقال رسوب ، استفاده شده است. برای واسنجی نتایج حاصل ، از آمار و داده های میدانی مربوط به سد زنوز به مدت 6 سال (1386-1380) استفاده شده است . نتایج واسنجی نشان می دهد که رابطه اصلاح شده ایکرز- وایت ( (1990 مطابقت بهتری با شرایط موجود سد دارد .نتایج محاسبات بیانگر آن است که پس از طی 50 سال حجم رسوبات انباشته شده در مخزن به حدود 1,2میلیون متر مکعب بالغ میشود که تقریبا" معادل 21 درصد ظرفیت مفید مخزن می باشد .
.
کلمات کلیدی: مدل ریاضی، رسوبگذاری مخزن سد، سد زنوز ، مدل .Gstars3.0
-1 مقدمه
با ورود جریان رودخانه به مخزن سد، شرایط هیدرولیکی به خصوص سرعت جریان به شدت کاهش و پتانسیل انتقال رسوب رودخانه کاهش مییابد. در نتیجه ذرات رسوبی به تدریج نهشته میشوند. بار بستر و بخش درشتدانه بار معلق بلافاصله در مناطق ابتدایی مخزن نهشته شده و دلتا را تشکیل میدهند. در حالی که بخش ریزدانه بار معلق تا قیمتهای عمیق مخزن و حتی تا نزدیک سد هم نفوذ کرده و سپس نهشته میشود. مخازنی که تنها یک رودخانه ورودی دارند معمولاً رسوبگذاری در آنها به صورت یکنواخت میباشد ولی حتی رسوبگذاری در چنین مخازنی نیز به هم شباهتی ندارند و بیشتر تابع شرایط توپوگرافی، هیدرولیکی، خصوصیات رسوب و چگونگی بهرهبرداری از مخزن میباشد. در مخازنی که با تغییرات سطح آب زیاد در سال مواجه هستند، وضعیت رسوبگذاری متفاوت است چرا که بخشی از تپههای رسوبی ممکن است مجدداً فرسایش یافته و به نقاط پاییندست مخزن منتقل شوند. معمولاً رسوب در اثر سه عامل به درون مخزن و حتی تا نزدیکیهای سد منتقل میشود که آنها عبارتند از: -1انتقال مواد درشتدانه به صورت بار بستر در طول شیب پاییندست دلتا 2ـ انتقال مواد ریزدانه توسط جریان به سمت مخزن 3ـ انتقال مواد بسیار ریزدانه توسط جریان چگال.
لغزش تودهای سواحل نیز از پدیدههای دیگری است که در تعدادی از سدها اتفاق میافتد و ممکن است حجم زیادی رسوب را وارد مخزن کند. همه این عوامل باعث میشود که به تدریج بخشی از حجم مخزن توسط رسوب اشغال شود. در مواقعی ممکن است حجم رسوب ورودی به مخزن در مقایسه با حجم مخزن کم باشد ولی به علت ترسیب آنها در مکانهای نامناسب، مثلاً در محل ورودی به نیروگاه، مشکلات خاصی را ایجاد کند، از این رو پیشبینی الگوی توزیع رسوب در مخازن همه سدها بسیار اهمیت دارد.
با بالا آمدن آب ناشی از ساخت سد ، باعث میشود که طول قابل توجهی از رودخانه بالادست به زیر آب رفته و قسمتی از مخزن شد شود. شکلگیری دلتای رسوبی نیز منجر به بالا آمدن تراز آب بستر و تاثیر آن بر رودخانه بالادست میشود. بعد از مدتی که سد ساخته شد، تراز آب در قیمتی از دلتا و بالا دست آن بالا میرود و هم پوشش گیاهی جدیدی بر این بستر رسوبی جدید شکل میگیرد که زبری مقطع را افزایش میدهد. بنابراین میتوان روند رسوبگذاری و تاثیر سد بر رفتار هیدرولیکی رودخانهی بالا دست تا چه مسافتی قابل توجه خواهد بود را بوسیلهی شبیهسازی عددی یکبعدی برآورد کرد
-2 فرسایش در مخزن
پدیده رسوبگذاری در مخازن، پدیدهی غالب میباشد ولی فرسایش بستر نیز در شرایطی ممکن است اتفاق افتد. دو نوع فرسایش که در منطقه محل ورود جریان به مخزن مشاهده میشود عبارتند از: یکی فرسایش در اثر کاهش تراز سطح آب مخزن که در فصول خشک اتفاق میافتد و باعث میشود پسزدگی آب به فروافتادگی تبدیل و جریان رودخانهای در محل تشکیل دلتا ایجاد و در نتیجه فرسایش پسرونده در بستر رودخانه به وجود آید. دومین نوع فرسایش نیز در همین منطقه و در زمان پر شدن مخزن و بالا آمدن سطح آب اتفاق میافتد. در چنین شرایطی معمولاً تراز سطح آب تلاطم زیادی دارد که باعث فرسایش پیشرونده میگردد.
در اثر پدیده فرسایش پسرونده، میزان رسوب منتقل شده به تدریج افزایش مییابد و رسوبات ممکن است تا نزدیکیهای سد هم حمل شوند. ولی در اثر پدیده فرسایش پیشرونده، رسوبات تا فاصله کمتری حمل میشوند زیرا با بالا
آمدن سطح آب مخزن هم از میزان مصالح فرسایش یافته کم میشود هم در فاصله کمتری ترسیب میشوند. از این رو در بعضی از سدها، تلاش میشود تا با ایجاد تمهیداتی، فرسایش پسرونده و یا تشدید نمایند تا بتوانند میزان رسوبات بیشتری را از مخزن به خارج منتقل کنند.
روشهای تجربی برای پیشبینی فرسایش نیز به وجود آمدهاند. برای این منظور معادله پیوستگی رسوب را میتوان در بازهای که فرسایش اتفاق افتاده به صورت زیر نوشت:
(1)
که در آن وزن مخصوص مواد ترسیب شده است و V حجمی است که در زمان t فرسایش یافته است. Qso و
Qsi نیز مقدار بده رسوب خروجی و ورودی میباشند. چنانچه بتوان مقدار Qso را برآورد کرد، میتوان مقدار V را از
رابطه فوق به دست آورد. مطالعات انجام شده در کشور چین نشان میدهد که میتوان رابطه زیر را برقرار کرد:
(2)
که در آن E ضریبی است که به اندازه ذرات بستگی دارد و مقدار آن برای ذرات کوچکتر از 0/1 میلیمتر برابر 650 و برای ذرات بزرگتر از 0/1 میلیمتر برابر 300 و برای ذرات چسبنده مقدار آن 180 است. در این رابطه Q بده جریان خروجی (m3/sec)، S شیب بستر و B نیز عرض رودخانه برحسب متر است.
تعیین مقدار رسوب حمل شده توسط رودخانهها از جنبههای مختلف دارای اهمیت است. در طرحهای مهندسی با هدف بهرهبرداری از منابع آب رودخانه نظیر تأسیسات تنظیم و انحراف جریان، سدهای مخزنی و ایستگاههای پمپاژ، بار رسوبی رودخانه از جمله عوامل مهم و تأثیرگذار در تعیین مشخصههای هندسی مخازن سدها و عمر مفید آنها تلقی میشود در ساماندهی رودخانهها که به منظور مهار فرسایش و رسوبگذاری و یا تثبیت بستر و دفع سیلاب انجام میگیرد آگاهی از میزان رسوب حمل شده توسط رودخانه و تأثیرپذیری آن از اقدامات حفاظتی، ضروری میباشد. به علاوه در مواردی که اهداف کشتیرانی در سدها مد نظر است برای انجام عملیات لایروبی ضروری است مقدار رسوب حمل شده توسط رودخانه پیشاپیش مشخص گردد. از طرفی رودخانهها منبع مناسبی برای تأمین مصالح مورد نیاز طرحهای عمرانی قلمداد شده و برداشت شن و ماسه از دیرباز در این عرصه متداول بوده است. همچنین موارد عدیدهای از طراحی تأسیسات انتقال آب، شبکههای آبیاری حوضچههای ترسیب، تصفیهخانههای آب و نظایر آن را میتوان برشمرد که همگی با مسأله رسوب روخانهها ارتباط نزدیک دارند. به لحاظ اهمیت و نقش پدیده انتقال رسوب در عرصههای مختلف مهندسی تعیین کمیت بار رسوبی از دیرباز مورد توجه متخصصین مسایل سدسازی قرار گرفته است. براساس بررسیهای انجام شده تاکنون بیش از سی معادله انتقال رسوب توسط محققین مختلف ارائه گردیده لیکن به لحاظ پیچیدگی های حاکم بر فرآیند انتقال، امکان معرفی یک معادله واحد جهانی برای تعیین بار رسوبی رودخانهها میسر نبوده است. بررسی پیشینه مطالعات
بیانگر آن است که تا قبل از 1930 توجه اصلی در عرصه رسوب به ارائه معادلات برای تعیین بار بستر مطلوب بوده است. تعیین بار معلق و ارائه روابط محاسباتی آن نیز به دهههای سی و چهل میلادی بر میگردد. در این مرحله همچنین توسعه تجهیزات اندازهگیری بار معلق و بار بستر به عنوان راهکار موثر در تعیین کمیت رسوب و سنجش اعتبار معادلات انتقال را میتوان عنوان نمود. با فرارسیدن دهه پنجاه میلادی نظر متخصصین به ارائه روشهایی برای تعیین بار کل معطوف و تا دهه هفتاد معادلات و راهکارهای مناسبی فراهم گردید. دهه هشتاد را میتوان سرآغاز تحولی بزرگ در عرصه کامپیوتری بررسی فرآیند انتقال و تعیین کمیت رسوب حمل شده شتاب بیشتری به خود گرفت و امکان تحلیل عملکرد رودخانهها در شرایط طبیعی و چگونگی تأثیرپذیری آن از طرحهای مختلف مهندسی تحقق یافت. امروزه با توسعه امکانات نرمافزاری و بهرهگیری از فناوریهای جدید، انجام سنجشهای میدانی، بررسیهای دقیق آزمایشگاهی و پردازش وسیع اطلاعات، شناخت هرچه بهتر فرایند انتقال رسوب فراهم گردیده و با تکیه بر تجارب ارزنده دهههای اخیر زمینه لازم برای معرفی روشهای مناسب محاسبه بار رسوبی سدها محقق شده است. [1]
-2-1 روشهای تجربی پیشبینی الگوی رسوبگذاری
با رسوبگذاری تدریجی در مخزن، منحنی ارتفاع ـ حجم مخزن نیز تغییر میکند. برای پیشبینی نحوهی تغییرات این منحنی، روشهای تجربی برای برآورد توزیع رسوب در مخزن به وجود آمدهاند. این روشها هرچند به دقت روشهای عددی نیستند ولی خیلی سریعتر هستند و به دادههای اولیه کمتری نیاز دارند. پس از انجام عملیات نقشهبرداری مخزن، از الگوی مشاهده شده توزیع رسوب میتوان نوع روش تجربی مناسب را برای پیشبینی توزیع آن در آینده انتخاب کرد. توجه شود که روشهای تجربی نمیتوانند موقعیت نهشته شدن رسوبات را در مخزن پیشبینی کنند و تنها میتوان با این روشها تغییرات ایجاد شده در روابط ارتفاع ـ حجم و ارتفاع ـ سطح مخزن را پیشبینی کرد.
-3 مخزن سد زنوز
ساختگاه سد زنوز در نزدیکی شهر در 10 کیلومتری شهر زنور در استان آذربایجانشرقی واقع در شمال غربی ایران، بر روی رودخانه زنورچای که دریاچه ای به مساحت 0/32 کیلومترمربع ایجاد کرده، قرارگرفته است . حجم کل مخزن درترازنرمال، 5/9 میلیون متر مکعب و ظرفیت مفید آن 6 میلیون متر مکعب می باشد. بااحداث این سد ، آب مورد نیاز در حدود%75 اراضی کشاورزی پایین دست سد و آب شهر زنور تامین می گردد. [2]
.
-4 روندیابی رسوب مخزن
انتقال رسوب زمانی رخ میدهد که شدت جریان از یک حد معینی بالاتر رفته و موجب حرکت ذرات تشکیل دهنده بستر گردد. زمانی که بستر کانال، متحرک میشود، ممکن است پدیده فرسایش و رسوبگذاری رخ دهد. تغییرات بستر به پارامترهای زیادی از جمله شرایط هیدرولیکی مانند سرعت جریان، عمق و ترکیبات بستر مانند اندازه ذرات تشکیل دهندهی بستر و همچنین میزان و نوع رسوبات ورودی به کانال بستگی دارد .
به طور مناسب رسوبات را میتوان به 2 گروه اصلی تقسیم کرد؛ ذرات در حال حرکت که در نزدیکی بستر کانال باقی میمانند که بار بستر معلق نامیده میشوند. این ذرات به وسیلهی غلت خوردن در بالای بستر حرکت میکنند. ذرات
معلق حمل شده ممکن است در کل ستون آب در بالای لایهی بستر. که به وسیلهی جریانهای آشفته آب منتقل شوند و در حالت کلی اندازه این ذرات کوچکتر از ذرات بار بستر میباشند. این دو لایه دارای ترکیبات مختلف و حرکت با سرعت های مختلف دارند .[3]
-1-4 مدل عددی GSTARS3
این برنامه دارای چهار بخش اصلی است که بخش اول کاربرد معادله های انرژی و مومنتم را با استفاده از روش گام به گام استاندارد برای محاسبات پروفیل سطح آب است. در این مدل می توان از معادله های مانینگ، شزی و دارسی ویسباخ برای محاسبه شیب خط انرژی استفاده نمود. مدل قادر به برآورد پارامترهای ثابت و متحرک و محاسبه پروفیل سطح آب در رژیمهای مختلف جریان میباشد. در بخش دوم بر اساس روابط متعدد رسوبی و مفهوم لوله های جریان، روندیابی رسوب صورت میگیرد. بخش سوم کاربرد تئوری حداقل انرژی مصرفی جریان برای پیش بینی تغییرات عرضی مجرا میباشد. در بخش چهارم پایداری دیواره مجرا بر اساس زاویه ایستایی مواد دیواره مورد بررسی قرار میگیرد. GSTARS3 انتقال رسوب را برای هر کلاس دانه بندی انجام می دهد. در نتیجه ذرات با اندازه متفاوت با نرخ متفاوتی منتقل می شوند. با توجه به پارامترهای هیدرولیکی، توزیع رسوب ورودی به بازه و ترکیب مواد بستر، بعضی از ذرات ممکن است دچار فرسایش شوند در حالیکه برای دیگر ذرات ممکن است رسوبگذاری رخ دهد و یا ذرات بی حرکت باشند، بنابراین چندین فرآیند مختلف ممکن است رخ دهد. در تئوری بنت و نردین ( ( 1977 بستر به وسیله ی استفاده از دو یا سه لایه فرضی (سه لایه برای رسوبگذاری، دو لایه برای آبشستگی) شبیه سازی میشود، در این فرآیند بستر شامل پنج لایه فعال است. فرسایش یک کلاس دانه بندی از مواد بستر توسط مقدار رسوباتی که از این کلاس دانه بندی در لایه فعال قرار دارد محدود میشود. اگر ظرفیت انتقال جریان برای یک کلاس دانه بندی بیشتر از آن مقداری باشد که برای انتقال در لایه فعال وجود دارد، ترم محدودیت دسترسی مورد استفاده قرار میگیرد. از طرف دیگر اگر مواد بیشتری از مقدار مورد نیاز محاسبه شده توسط معادله انتقال رسوب وجود داشته باشد بخش محدودیت ظرفیت مورد استفاده قرار میگیرد. لایه غیرفعال نیز وقتی که رسوبگذاری رخ می دهد مورد استفاده قرار می گیرد. GSTARS3 دارای 14 تابع انتقال رسوب برای مواد غیرچسبنده می باشد. بیشتر فرمول های انتقال رسوب برای محاسبه کل بار مواد بستر توسعه داده شده اند بدون اینکه مقدار انتقال برای هر اندازه ذره مشخص باشد. جدول 1 معادلات رسوبی مختلف بکار گرفته شده در مدل را ارائه می کند[3]
-2-4 لولههای جریان
در Gstars 3.0 روندیابی رسوب بوسیله لولههای جریان که در واقع لولههای فرضی می باشندو دیوارههای آنرا خطوط جریان تشکیل میدهند، صورت می گیرد. حداکثر لولههای جریان در ابن مدل، پنج عدد میباشد. دبی آب در طول یک لوله جریان، ثابت بوده و هیچ سیالی نمیتواند از مرزهای لولههای جریان عبور کند. در شکل 1 مفهوم لولهی جریان که در Gstars 3.0 کاربرد دارد، نمایش داده شده است .
در این مدل ، پس از محاسبات نیمرخ سطح آب ، مقاطع عرضی به چند مقطع عرضی با دبیهای انتقال برابر، تقسیم میشوند. این مقاطع که دبی انتقال برابر دارند به عنوان لولههای جریان در نظر گرفته میشوند و شرایط مرزی این لولهها که با خطوط جریان معین هستند و هیچ آبی از میان آنها نمیتواند عبور کند. لولههای جریان همانند کانالهای یکبعدی با مشخصات هیدرولیکی معین میباشند و روندیابی رسوبات میتواند در داخل هر لوله جریان به صورت مستقل از کانال دیگر انجام پذیرد. [3]
شکل -1 نمایش شماتیک مفهوم لولههای جریان مورد استفاده در [3]Gstars 3.0
موقعیت و محل هر لوله جریان برای هر گام زمانی محاسبه میشود و امکان تغییر با زمان وجود دارد. روندیابی رسوب برای هر لولهی جریان، برای هر گام زمانی انجام میگیرد و ترکیب مواد بستر در آغاز هر گام زمانی برای هر لوله جریان محاسبه شده و محاسبات لایهبندی بستر و تشکیل سپر حفاظتی در بستر به صورت مجزا برای هر لوله جریان انجام میگیرد. تغییرات جانبی ترکیب بستر محاسبه شده و این تغییرات در محاسبات ترکیب مواد بستر و لایهبندی بستر برای هر لوله جریان منظور میگردد. همچنین این روش امکان محاسبه تغییرات پارامترهای هیدرولیکی و رسوب مقطع عرضی را به صورت نیمه دو بعدی محیا می سازد. به عنوان مثال تهنشینی و فرسایش میتوانند به صورت همزمان در یک مقطع عرضی مشخص اتفاق بیافتد .[3]
-5× نحو ه کالیبراسیون مدل
برای وا سنجی مدل مذکور از نقشه های هیدروگرافی مخزن که بعد از حدود 6 سال (1386- 1380) از زمان بهره بـرداری تهیه گردیده ، استفاده شده است همچنین برای واسنجی ، ضریب زبری )0/025 با فرض زبری ثابت در بستر آبراهه اصـلی و سواحل آن در کل مقاطع ) اعمال شده است . در این مدل ، شرایط مرزی و اطلاعات ورودی به شکل دسـتی و شـبیه بـه برنامه نویسی به مدل داده شده است . همچنین برای انتخاب تابع انتقال رسوب مناسب و انتخاب تعداد لوله ی جریـان کـه مهمترین پارامتر ها در کالیبره مدل می باشند 8, مدل انتخاب گردیده و با داده هـای میـدانی مفایسـه شـده اسـت. رابطـه اصلاح شده ایکرز- وایت (1990) با تعداد 5 لوله جریان در این مقاله که تطابق بهتری با هیـدرو گرافـی داشـته بـه عنـوان پارامتر های اساسی برای محاسبات حجم رسوب ورودی انتخاب گردیده اسـت . در مبحـث رسـوبگذاری بیشـترین عامـل تاثیر گذار بر نتایج ,تابع انتقال رسوب میباشد . در شکل 2 پروفیل طولی رسوب در مقاطع مختلف برای حالت بسـتر اولیـه ,هیدرو گرافی شده و نتایج حاصل از مدل GSTARS3 نشان داده شده است. مطابق شکل 2 مواد درشت دانه با تشـکیل دلتا در بالادست مخزن و در مصب رودخانه ته نشین می شوند و مواد ریز دانه با جریان به پایین دست فرستاده می شوند و درجاییکه مقطع عریض می شود ته نشین می گرد ند .
