بخشی از مقاله
بررسی روشهاي مدیریت رسوبگذاري در سدها و قابلیت کاربرد آنها با توجه به ملاحظات
طراحی و بهره برداري(مطالعه موردي سد کرخه)
خلاصه
رسوبگذاري در مخزن سدها همواره یکی از چالشهاي بزرگ مدیریت منابع آب بوده است و مدیریت این پدیده داراي اهمیت زیادي میباشد. در این پژوهش روشهاي مدیریت رسوبگذاري در مخزن سد کرخه و محدوده کاربري آنها با توجه به ملاحظات طراحی و بهرهبرداري این سد مورد بررسی قرار گرفته است و مشخص گردید عملا روش موثري براي کاهش ورود رسوبات به مخزن و تخلیه رسوبات از آن وجود ندارد و باید نحوه رسوبگذاري در مخزن با استفاده از منحنیهاي فرمان مدیریت شود. با تعریف منحنیهاي فرمان مختلف براي بهرهبرداري از مخزن مشخص شد، تراز آب مخزن در ماههاي فروردین و اردیبهشت مهمترین عامل تاثیرگذار در میزان پیشروي رسوبات در مخزن میباشد و پیشنهاد میشود تراز آب در ماههاي فوق کمتر از 200 متر قرار نگیرد.
کلمات کلیدي: مدیریت رسوب، منحنیهاي فرمان، آبخیزداري، فلاشینگ، تخلیه رسوب
1. مقدمه
رسوبگذاري درمخزن سدها به عنوان یک عامل خاموش در از بین بردن ظرفیت آنها میباشد. اگر بحث مدیریت رسوب دیر هنگام و زمانی که ظرفیت مخزن به میزان قابل توجهی کاهش یافتهاست مطرح شود، این مسئله تقریبا یک مشکل بر طرف نشدنی است و بازیابی و برگرداندن ظرفیت از دست رفته مخزن سد، مستلزم پرداخت هزینه هاي بسیار زیاد و توام با مشکلات زیست محیطی میباشد. لذا عاقلانه است که در وهله اول در طراحی و بعد از آن در بهرهبرداري از سدها، مدیریت رسوبگذاري مورد توجه قرار گیرد.
بر اساس گزارش کمیته بین المللی سدهاي بزرگ (ICOLD) بیش از 40000 سد بزرگ در دنیا وجود دارد که درمجموع ظرفیت ذخیره سازي آب این سدها در حدود 7000km3 تخمین زده میشود. در اثر رسوبگذاري سالانه به طور متوسط 0/5 تا یک درصد ظرفیت سدها که این
مقدار در مجموع در حدود45km3 کاسته میشود.[1] در ایران بر اساس آخرین آمار تا سال 1385 در حدود 180 سد مخزنی با حجم 34/3 میلیارد
مترمکعب در کشور در دست بهرهبرداري است که از این تعداد 62 سد فعال هر یک بیش از 30 میلیون متر مکعب ظرفیت دارند.[2] مجموع کل ظرفیت سدهاي مخزنی کشور در حدود ./..5 مجموع ظرفیت مخزن هاي دنیا میباشد و برداشتهاي هیدروگرافی از مخازن نشان میدهد که به طور متوسط سالیانه در حدود ./75 تا 1 درصد ظرفیت سدهاي کشور تحت اثر رسوبگذاري از بین میرود که این مقدار ظرفیتی معادل 175 تا 250 میلیون متر مکعب است.[3] رسوبگذاري علاوه بر کاهش حجم مفید مخزن، باعث ایجاد مشکلاتی دیگري از قبیل تشکیل جزایر رسوبی در محل ورودي رودخانه به مخزن، اختلال در عملکرد دریچههاي تحتانی،عدم اطمینان پذیري در تولید انرژي برقĤبی و کنترل سیلاب، ایجاد نیروي مضاعف هنگام زمین لرزه، اثرات زیست محیطی، افزایش کاذب سطح آب مخزن میشود.[4] لذا با در نظر گرفتن اثرات سوء رسوبگذاري بر سدها، بررسی نحوه انتقال رسوب و تهنشین شدن آن در مخزن از یکسو و نحوه مدیریت و کنترل این پدیده از سوي دیگر داراي اهمیت بسیار زیادي میباشد از این رو این دو موضوع مورد توجه دانشمندان و سازمانهاي بین المللی قرار گرفته است.
2. روشهاي مدیریت رسوب در سدها
براي کاهش اثرات رسوبگذاري در مخزن سدها روشهاي مختلفی وجود دارد که این روشها را به اصطلاح روش هاي مدیریت رسوب در مخزن مینامند.
روشهاي مدیریت رسوب در مخزن به سه بخش کلی زیر تقسیم میشوند:[1]
1. روشهاي کاهش ورود رسوب به مخزن سد
2. روشهاي کنترل رسوب در مخزن
3. روشهاي تخلیه رسوب از مخزن
2. 1 روشهاي کاهش ورود رسوب به مخزن سد[1] ,[5]
1 .1 .2 آبخیزداري:
فرسایش خاك مسئله مهمی در بسیاري از مناطق دنیا است، به طوري که نرخ فرسایش خاك به میزان 1000 ton / km 2 / yearدر اکثرنقاط غیر طبیعی نیست.[1] فرسایش خاك به عواملی نظیر نوع خاك، شیب زمین، تغییرات دما، میزان بارش و وزش باد بستگی دارد و علاوه بر عوامل طبیعی فوق فعالیتهاي انسانی نیز در افزایش سرعت فرسایش خاك موثر است.
در آبخیزداري از روشهایی نظیر جنگلکاري، تغییرکاربري زمین و کنترل فعالیتهاي انسانی براي کنترل فرسایش خاك استفاده میشود.
اگر فعالیت هاي آبخیزداري به خوبی اجرا شوند، باعث تاخیر در روند فرسایش خاك میشوند. از طرفی کاهش فرسایش خاك باعث کاهش تولید رسوب و این امر نیز باعث کاهش میزان رسوبگذاري در سدها میشود.
تجربه نشان داده است که آبخیزداري در یک منطقه به چندین دهه زمان احتیاج دارد که باعث کاهش رسوبگذاري در مخزن سد به میزان 10
تا20 درصد شود.[1] و از جهت دیگر فاصله زمانی بسیار زیاد بین شروع آبخیزداري و زمان تاثیر آن بر کاهش رسوبگذاري در مخزن سد باعث میشود که این روش در کاهش رسوبگذاري در کوتاه مدت مناسب نباشد.
2 .1 .2 سدهاي کنترل کننده بالا دست(:(debris dam
هدف از ساخت این سدها ایجاد یک مانع در بالادست سد اصلی براي جلوگیري از ورود رسوب به مخزن آن میباشد. این سدها بیشتر در مناطق کوهستانی رودخانه، بالا دست سد اصلی میشوند. این سدها به توجه و نگهداري زیادي احتیاج دارند و رسوبات جمع شده در پشت این سدها باید به طور مداوم جمع آوري شود. این سدها معمولا کوچک هستند و به صورت مستغرق طراحی میشوند. براي اطمینان بیشتر براي این سدها یک سرریز با ظرفیت تخلیه قابل قبول در نظر گرفته می شود. نگهداري از این سازهها از اهمیت خاصی برخوردار است در غیر این صورت این سدها عمر زیادي نخواهند داشت. از مطالب بالا میشود گفت دو عامل عدم اقتصادي بودن و عمر کوتاه این سدها از مهمترین عواملی است که استفاده از این روش را محدود کرده است.
3 .1 .2 دور زدن مخزن((reservoir bypass
هدف از این عمل جلوگیري از ورودجریانهاي پر رسوب نظیر سیلابها به مخزن سد میباشد و چنین جریانهایی بوسیله کانالهایی با دور زدن مخزن به سمت پایین دست سد هدایت می شود. استفاده از این روش مستلزم وجود داشتن شرایط مناسب هیدرولوژیکی و توپوگرافی مناسب در ساختگاه سد میباشد.
2. 2 روشهاي مدیریت رسوب درمخزن:
2. 1 .2 استفاده از منحنیهاي فرمان((operation rules
عملگرهاي فرمان تراز سطح آب مخزن را براي دورههاي مختلف بهرهبرداري مشخص میکنند. رفتار رسوب در مخزن تا حد بسیار زیادي متاثر از تراز سطح آب مخزن میباشد. اگر در فصل وقوع سیلاب که جریانهاي ورودي به مخزن سد داراي مقادیر زیادي رسوب میباشد، تراز سطح آب مخزن بالا نگهداشته شود، رسوبهاي ورودي بیشتر تمایل به ته نشین شدن در شاخههاي ورودي رودخانه به مخزن را دارند. این عمل باعث میشود که رسوبات در فاصله دور تري نسبت به بدنه سد، دریچههاي تحتانی و تاسیسات نیروگاهی ته نشین شوند و از این رو مشکلی در عملکرد این تاسیسات بخصوص در عملکرد دریچههاي تحتانی ایجاد نمیکنند. اما این امر باعث میشود که رسوبات در ظرفیت زنده مخزن ته نشین شوند و تاثیر منفی بر میزان ظرفیت ذخیره سد دارد.
حال اگر بالعکس در فصل وقوع سیلاب تراز سطح آب مخزن پایین نگهداشته شود رسوبات ورودي در فاصله نزدیک تري نسبت بدنه سد ته نشین میشوند. در این حالت بخشی از رسوبات در ظرفیت مرده مخزن ته نشین میشوند و از این رو در کاهش ظرفیت زنده سد اثري ندارند ولی از طرف دیگر ممکن است رسوبات باعث اختلال در عملکرد دریچههاي تحتانی شود.از نکات بالا میتوان دریافت که با چگونگی انتخاب تراز سطح آب مخزن ویا به عبارت دیگر عملگرهاي(منحنی هاي) فرمان میتوان نحوه رسوبگذاري در مخزن را کنترل کرد .
به عنوان مثال در مطالعاتی که در مورد سد Tarbela در پاکستان انجام شده است این نتیجه حاصل شد که با اصلاح عملگرهاي فرمان میتوان فاصله رسوبگذاري در مخزن سد را در فاصله اي مناسب از سازه آبگیر نیروگاه حفظ کرد. این امر باعث میشود که عمر استفاده از نیروگاه بدون اینکه سرمایهاي هزینه شود 10سال افزایش یابد.[1]
2. 3 روشهاي تخلیه رسوب از مخزن
2. :[1]Flushing 1 .3
روشی است که در آن با افزایش سرعت آب در مخزن رسوبات ته نشین شده در مخزن از طریق دریچههاي تحتانی خارج میشود. Flushing به دو روش زیر انجام میشود:
1 -complete drawdown flushing 2-partial draw-down flushing
در روش اول با پایین آوردن کامل سطح آب در مخزن در فصل وقوع سیلاب شرایطی مانند رودخانه را در مخزن ایجاد میکنند و در چنیین حالتی با افزایش زیاد سرعت جریان آب در مخزن رسوبات ته نشین شده از طریق دریچههاي تحتانی خارج میشوند.
در حالت دوم سطح آب مخزن به صورت کامل مانند حالت اول پایین آورده نمیشود بلکه سطح آب به صورت جزئی پایین آورده میشود که معمولا از این روش براي انتقال رسوبات از بالاي مخزن به سمت سد استفاده میشود که اولا رسوبات به بخش مرده ظرفیت مخزن منتقل شوند وثانیا امکان flushing complete drawdown براي آینده ایجاد شود.شرایط مورد نیاز و عوامل موثر در Flushing عبارتند از:
• شکل مخزن: بهترین حالت در Flushing زمانی است که مخزن به صورت دراز و باریک باشد.
• حجم مخزن : اگر حجم مخزن نسبت به حجم سیلاب وارده کمتر باشد نتیجه بهتري در Flushingحاصل میشود.
• رسوبات در مخزن قابلیت حرکت خوبی داشته باشند.
• شرایط و ظرفیت دریچههاي تحتانی باید طوري باشد که بتوانند سطح آب را به خوبی تنظیم و ثابت نگه دارند.
• دبی خروجی دریچهها در زمان Flushing باید دو برابر متوسط سالانه دبی سیلاب باشد.
• حجم میزان آب براي Flushing باید حدود 10درصد میزان متوسط سالانه روان آب ورودي به مخزن در نظر گرفته شود.
• دریچههاي تحتانی بهتر است نزدیک به بستر رودخانه قرار گرفته شده باشند.
• مخزن باید آنچنان ظرفیت ورودي داشته باشد که بعد از Flushing ظرفیت تامین آب براي نیروگاه و دیگر مصارف را داشته باشد.
• ظرفیت مخزن سد بهتر است کمتر از 30 درصد روان آب ورودي به مخزن باشد.
2. 2 .3 لاي روبی :
در این روش رسوبات بوسیله دستگاههاي مکانیکی از زیر آب خارج میشوند باید توجه شود که هزینه لاي روبی مخزن سدها بسیار بالا است به طوري که لاي روبی در مقیاس بزرگ ممکن است هزینه اي برابر ساخت یک سد جدید داشته باشد.[1]
3 .3 .2 تخلیه خشک :(Dry excavation)
در این روش باید سطح آب مخزن کاملا پایین بیاید و رسوبات به وسیله روشهاي سنتی حفاري، رسوبات تخلیه میشوند این عمل معمولا در فصل خشک انجام میشود که جریان رودخانه تحت کنترل باشد و اثري در عملیات تخلیه و حفاري رسوبات نداشته باشد. هزینه این روش بسیار بالا است و معمولا براي مخزنهاي کوچک انجام میشود.
4 .3 .2 مکش هیدرولیکی((Hydrosuction
این روش شیوه دیگري از لاي روبی است با این تفاوت که از فشار هد آب مخزن بجاي پمپهاي دیزلی و الکتریکی استفاده میشود. بدیهی است که این روش از روش معمول لاي روبی کم هزینه تر است.
این سیستم شامل یک شناور است که جریان آب و مکش را کنترل میکند و از یک لوله براي مکش و انتقال رسوبات استفاده میشود به طوري که یک سر لوله در بالادست سد در محل ته نشین شدن رسوبات قرار دارد و سر دیگر لوله در پایین دست سد براي تخلیه رسوبات قرار دارد و با استفاده از هد آب موجود در بالا دست سد براي انتقال رسوبات به پایین دست استفاده کرد. این روش براي مخزنهاي کوچک با طول دریاچه تا حدود 3کیلومتر استفاده میشود.[1]
2. 4 بررسی امکان پذیري استفاده از روشهاي مدیریت رسوبگذاري براي سد کرخه
2. 1 .4 معرفی سد کرخه:
سد مخزنی و نیروگاه برقĤبی کرخه در فاصله 24 کیلومتري شمال غرب اندیمشک در استان خوزستان احداث گردیده است. این پروژه عظیم در 48
درجه و 8/7 دقیقه طول شرقی و نیز 32 درجه و 6/29 دقیقه شمال در منطقه کرخه واقع شده است.سد کرخه از نوع خاکی با هسته رسی است و ارتفاع آن 127 متر می باشد. تاج این در تراز 234 متر قرار گرفته و طول آن 3030 متر است. ظرفیت دریاچه سد در تراز نرمال بهره برداري 220 متر در حدود
5/34 میلیارد متر مکعب است و در این تراز طول دریاچه در حدود 60 کیلومتر می باشد. سد کرخه عظیم ترین سد مخزنی کشور است و به تنهایی در حدود 16 درصد کل ظرفیت ذخیره آب سدهاي کشور را دارا می باشد.هدف از ساخت سد کرخه کنترل سیلاب هاي فصلی رودخانه کرخه،تولید 934
گیگاوات ساعت برق در سال و آبیاري در حدود 110000 هکتار از اراضی پایین دست سد می باشد می باشد از این رو این سد نقش مهمی را در مدیریت منابع آب کشور ایفا می کند.
2 .4 .2 بررسی استفاده از روشهاي کاهش ورود رسوب به مخزن کرخه :
