بخشی از مقاله
تحلیل و مدیریت مخزن سد با استفاده از روش سیاست بهره برداری استاندارد(SOP)
چکیده
با توجه به خشکسالی ها و کم آبی های چند سال اخیر و همچنین نیاز روز افزون بشر به آب برای مصارف مختلف شرب، صنعتی، تفریحی و غیره، اهمیت منابع آب دوچندان شده است و مدیریت صحیح این منابع بسیار اهمیت یافته لست. در این تحقیق از بین سیاست های مختلفی که برای مدیریت منابع آب وجود دارد، روش سیاست بهره برداری استاندارد (SOP) به کار گرفته شده است. در این تحقیق از آمار شش ساله یک مخزن فرضی مانند متوسط دبی ماهانه ورودی، تبخیر ماهانه و نیاز پایین دست استفاده شده است و داده ها و نمودارهای مربوط به مقدار ذخیره آب مخزن، رهاسازی آب و سرریز نسبت به زمان در سه حالت مخزن ابتدایی خالی، نیمه پر و پنج درصد حجم مخزن بلا استفاه رسم شده است. در پایان این نتیجه حاصل شد که در حالتی که مخزن خالی بود در طول شش سال مخزن هیچ گونه سرریزی نداشت و در زمانی که مخزن نیمه پر و پنج درصد غیر قابل تخصیص بود مخزن به ترتیب دو و سه بار سرریز کرد و همچنین در حالتی که مخزن پنج درصد غیر قابل اختصاص بود هیچ گاه در این شش سال، مقدار ذخیره آب مخزن از حالت نیمه پر پایین تر نیامد، این در حالیست که در حالت مخزن خالی و نیمه پر در بعضی ماه ها مقدار ذخیره آب مخرن از نصف پایین تر آمد.
واژه های کلیدی: شبیه سازی مخزن آب، مدیریت منابع آب، روش SOP، رهاسازی آب، تقاضای آب، سرریز آب مخزن
-1 مقدمه
همواره تمدن ها و شهرهای بزرگ در کنار آب و منابع آبی شکل گرفته است. وجود یک منبع آبی مطمئن در رشد و پیشرفت و آبادانی یک منطقه بسیار حائز اهمیت است. بشر نیازهای متفاوتی به آب دارد و استفاده های گوناگونی از آن می کند. حال متناسب با وضع مخزن، سیاست های مدیریتی پیش رو و شرایط محیط، نیازهای آبی1 انسان یا برآورده می شود یا نمی شود. مثلا اگر تقاضای آبی پایین دست از حجم آب موجود در مخزن کمتر باشد، آن نیاز آبی تامین می شود و اگر بیشتر باشد درصدی از نیاز آب پایین دست تامین می شود. با توجه به این که امروزه اکثر منابع آبی مانند رودخانه ها فصلی هستند و بشر نیاز به یک منبع آبی مطمئن و دائمی دارد، به همین دلیل بشر روی به احداث سدها و بندها در مسیر رودخانه ها آورده است تا بتواند در مواقع پر آبی آب را ذخیره و در مواقع کم آبی از آب ذخیره شده استفاده کند. مدیریت و تحلیل این سیستم های منابع آب بسیار با اهمیت است. در واقع باید سیستم ها و منابع آب به نحوی مدیریت شود که برای افراد ساکن در پایین دست مخزن مشکلی ایجاد نشود. در همین راستا دانشمندان و محققان تحقیقات بسیاری انجام دادند، از جمله(Samuel Sandoval و همکاران : 642 (2013در این مقاله به فرایند مدل سازی مشترک و در نتیجه برنامهریزی منابع آب ومدل توسعهیافته برای ارزیابی سناریوهای مختلف مدیریتی آب در حوضه مرزی Rio Grande (مرز مشترک بین امریکا ومکزیک) که به شدت با چالشهای آبی روبه روست تأکید دارند. در این تحقیق فرایندهای مشارکتی برای شناسایی ومدل سناریوهای مدیریتی آب انجام شده است. هدف از این تحقیق بهبود تأمین آب برای ذینفعان، محیط زیست وتعهدات بینالمللی انتقال آب از مکزیک به سمت امریکا است.در ابتدا 33 سناریو تعریف شده که از این تعداد 20 سناریو مدل سازی شده ومورد بررسی قرار گرفته است. بوسیله ی Vishal) و همکاران (24:2013 در این تحقیق با استفاده از مدل WEAPمنطقه مورد مطالعه شبیه سازی شده و با استفاده از سیستمهای پشتیبانی تصمیم (DSS) مورد ارزیابی قرارگرفته است. که این شبیهسازی برای سه شهر Bakoba(Tanzania)، Masaka(Uganda) و(Kisii(Kenya انجام شده است. سناریوهای ساخته شده تاسال 2050 را پوشش دادهاند. که در این سناریوها تأمین و تقاضای
آب، درآمدهاو هزینهها مورد ارزیابی قرارگرفتهاند. نتایج نشان دادکه با توجه به زیر ساختهای محدود تأمین آب در هر سه شهر، طراحی موجود درMasaka میتواند تقاضای آب پیشبینی شده تا سال 2020را تأمین کند و تا سال 2050 تمام تقاضای منابع تالاب در این شهر تأمین میشود. و همچنین در Kisii سرمایه گذاری زیر بنای ضروری میباشد. هم چنین Vishal) و همکاران (74:2013 در تحقیقی دیگر اثرات بالقوه آب وهوایی ومدیریت تأمین آب آبیاری درحوضه cache creek کالیفرنیا را با استفاده از مدل ویپ ارزیابی کردند. دادههای مورد استفاده در این مدل از سال 1971تاسال 2000میباشد. همچنین تعداد سه سناریو برای این مدل در نظر گرفته شده است که به ترتیب عبارتند از: تغیر در الگوی کشت براساس پیشبینیهای اقتصادی، تغییر به سمت الگوی کشت متنوعتر وآب کارامدتروترکیبی از پیرشفتهای تکنولوژی آبیاری وتغیر در الگوی کشت. دراین تحقیق نتایج نشان داد که تحت سناریوی آب وهوای پایه 26تا 32 درصد تقاضای آب برای آبیاری افزایش مییابد. در سناریوی ترکیبی از پیشرفت تکنولوژی و تغییردرالگوی کشت کاهش تقاضا به میزان 12درصد است، نسبت به سناریوی مرجع که در نتیجه آن با کاهش پمپاژ آبهای زیرزمینی مواجه هستیم. Sebastian Vicu) و همکاران (434:2012 در تحقیق خود با استفاده از مدل WEAP تغیرات بارش ودما تحت تاثیر سطح قرار هیدرولوژی، عملکرد زیر ساختهای آب وپوشش ابیاری در این حوضه مدل سازی وارزیابی کردند. همچنین مدل با استفاده از داده های اماری سی سال ودر دوافق زمانی نزدیک 2010)تا(2040 ودور 2070)تا (2100 شبیه سازی شده است. از نتایج این تحقیق میتوان اشاره کرد در تأمین بخشی از تقاضای آب موردنیاز درصورت استفاده از برداشت آب زیرزمینی، درحالی این شرایط در دراز مدت اکوسیستم منطقه، بخصوص تالابها رو درمعرض خطر جدی قرار میدهد. Droogers) و همکاران (3105:2012 در تحقیقشان که در منطقه Mena در افریقا قراردارد مدل هیدرولوژیکی برای ارزیابی منابع آب تجدید پذیر داخلی وخارجی به وضعیت فعلی وتحت تأثیر تغیرات آینده اعمال نمودند، وپس آن یک مدل تخصیص آب استفاده کردند. نتایج در این تحقیق نشان میدهد که در سال 2050به مقدار 393 کیلومتر مکعب در سال کمبود آب با توجه به تغیرات آب وهوای برآورد شده است که افزایش 157 کیلو متر مکعب در سال را نشان میدهد، که این افزایش کمبود آب بر اثر تأثیر ترکیبی از افزایش تقاضای آب تا %50 وکاهش عرضه آب تا %12 میباشد. همچنین این نتایج نشان داد که در سال 2050 میتوان %22 از کمبود آب را به تغیرات آب وهوای و %78 به تغیرات در عوامل اجتماعی واقتصادی را نسبت داد. ( Saadon و (2012 Mohd در سال 2010 حوضه آبریز Langat را با نرم افزار WEAP مورد مدل سازی قراردادند. هدف از مدل سازی این حوضه بررسی عرضه وتقاضا، ارزیابی آب در دسترس وبررسی ظرفیت ذخیره سازی آب ئر این حوضه بود. افق زمانی در نظر گرفته شده در این حوضه 10سال میباشد که از سال مرجع 2000شروع میشود وتحت اثر سه سناریو که به ترتیب سناریوی رشد جمعیت %7 ، سناریوی بازده آب به منظور تنوع آب وهوا وسناریوی خشک سالی متوالی آب وهوا مورد ارزیابی قرارگرفت. Rayej) (2012 در تحقیق خود با استفاده از مدل WEAP وتحت اثر سه سناریوی رشد جمعیت و12 سناریوی تغیرات آب وهوای در 10 منطقه آب شناسی انجام داد. نتایج حاصل از این تحقیق بدین صورت بود که تحت اثر سه سناریوی رشد جمعیت تقاضای آب
شهری به شدت افزایش پیدا میکند وبه علت رشد شهرنشینی وکاهش اراضی کشاورزی تقاضای آب برای کشاورزی به طور عمده ای کاهش پیدا میکند. البته تحت اثر 12 سناریوی تغیرات آب وهوای بخش کشاورزی تحت تأثیر قرار میگیرد ودر بعضی از سناریوها که مربوط به سال خشک آب وهوای میباشد با کمبود شدید آب کشاورزی مواجه هستند. در بخش زیست محیطی با توجه به سال آبی (خشک یا مرطوب ) این بخش تحت تأثیر قرار میگیرد. (2012 Driesen) منطقه Milluni را تحت اثر سه سناریوی رشد جمعیت، تغیرات اقلیمی وترکیبی از رشدجمعیت وتغیرات اقلیمی در یک افق زمانی بیست ساله توسط مدل WEAP بررسی وارزیابی کرد. نتایج حاصله از این مدل سازی نشان میدهد که کمبود آب برای شهرستانهای واقع در رشتهکوه آند بستگی به پارامترهای مختلفی دارد که اگر یکی از این پارامترها تغییر کند میتواند تأثیر عمدهای برپوشش آب منطقه داشته باشد. از دیگر نتایج این تحقیق این است که باتوجه به این که %97/75از مردم منطقه دسترسی به آب سالم دارند اگرسطح بارش کم وهواگرمتر شود این کمبود آب بیشتر از قبل مردم منطقه رو تحت تأثیر خودش قرار میدهد. با توجه به تحقیقات وسیع مذکور نتیجه می گیریم که بحث مذیریت منابع آب در دنیا بسیار تحقیق شده است و با توجه به درجه اهمیت آن هنوز هم جای تحقیق دارد. در نتیجه ارائه یک سیستم مدیریتی کارامد در بحث مدیریت منابع آب بسیار حائز اهمیت است. سیاست های متنوعی برای مدیریت سیستم منابع آب وجود دارد که می توان به سیاست تصمیم گیری خطی(LDR) 1 و سیاست بهره برداری استاندارد (SOP) اشاره کرد. در این تحقیق با استفاده از روش سیاست بهره برداری استاندارد، یک مخزن با آمار شش ساله ی متوسط دبی ماهانه ورودی مخزن، میزان تبخیر و هم چنین میزان تقاضای آب پایین دست در سه حالت مختلف مخزن خالی در ابتدای دوره، مخزن نیمه پر در ابتدای دوره و پنج درصد حجم مرده غیرقابل برداشت در مخزن، شبیه سازی شد و در پایان نمودارهای میزان رهاسازی آب در مقابل زمان، میزان ذخیره سازی آب در مقابل زمان و میزان سرریز در مقابل زمان ترسیم شد.
-2 مواد و روش ها
سیاست بهره برداری استاندارد((SOP
مدل های بهینه سازی اکثرا بر اساس گام های زمانی گذشته کار بهینه سازی را انجام می دهند و به گام های زمانی جلو و آینده کاری ندارند که این یک ضعف می باشد چراکه باعث می شود که نتوانند آینده را به درستی پیش بینی کنند، پس باید از مدلی استفاده کرد تا از قیود آینده استفاده کند تا بتواند آینده را به خوبی پیش بینی کند. سیاست بهره برداری استاندارد سیاستی است که هدف آن بهره برداری استاندارد از یک مخزن است، بطوریکه بین تقاضاهای پایین دست یک تعادل برقرار کند. پس سیاست بهره برداری استاندارد هم شبیه سازی می کند و هم سیاست ارایه می دهد. جوابی که در انتها روش SOP ارائه می دهد،لزوما خود
جواب بهینه مساله نیست، ولی به جواب بهینه بسیار نزدیک است. برای توضیح بیشتر در مورد روش سیاست بهره برداری استاندارد ابتدا معادله پیوستگی جرم را به شکل زیر برای یک مخزن شرح داده می شود.
( )
که در این رابطه نمایانگر ذخیره مخزن در ماه آینده و 1 ، ، 2 ، 3 ، 4 و به ترتیب نشان دهنده
ذخیره مخزن در ماه جاری، دبی ورودی به مخزن در ماه جاری، مقدار آب آزادسازی شده در ماه جاری، میزان تبخیر در ماه جاری، میزان نفوذ به خاک از کف مخزن و سرریز سد در ماه جاری می باشد. سیاست روش برنامه ریزی استاندارد ازین قرار است که اگر نیاز آبی پایین دست کمتر از میزان ذخیره مخزن باشد، به اندازه آن نیاز، آزادسازی آب صورت می گیرد و اگر نیاز آبی پایین دست بیشتر از میزان ذخیره مخزن باشد آن گاه به اندازه میزان آب موجود در مخزن، آزاد سازی آب صورت می گیرد. هم چنین اگر میزان آب موجود در مخزن از ظرفیت مخزن بیشتر باشد، به اندازه اختلاف آب موجود در مخزن و ظرفیت مخزن، سرریز انجام می شود و اگر آب موجود در مخزن از ظرفیت آن کمتر باشد، میزان سرریز برابر صفر می باشد. به طور کلی می توان نوشته های بالا را به صورت زیر خلاصه نمود.
در روابط بالا 5 همان نیاز آبی پایین دست می باشد و نمایانگر ظرفیت مخزن است. پس هانطور که مشاهده شد در
روش سیاست بهره برداری استاندارد، مقدار آب ذخیره مخزن در ماه آینده بوسیله معادله پیوستگی از مقدار آب ذخیره مخزن و دیگر پارامترهای مذکور از ماه جاری بدست می آید.
-3 جمع بندی و نتیجه گیری
تعریف مساله
داده های مخزن یک سد در یک منطقه در طول مدت شش سال به قرار زیر است. این داده ها عبارتند از متوسط دبی ماهانه ورودی به مخزن سد بر حسب متر مکعب بر ثانیه، تبخیر ماهانه بر حسب متر و تقاضای ماهانه آب در پایین دست بر حسب میلیون متر مکعب. هدف این است که با استفاده از روش سیاست بهره برداری استاندارد، آب موجود در مخزن، مقادیر رهاسازی آب در ماه های مختلف و سرریز ماهانه مخزن را بر حسب میلیون متر مکعب بدست آورد و نمودارهای زمانی مربوط به هریک را در شرایط مرزی متفاوت از قبیل نیمه پر بودن مخزن در ابتدای دوره، خالی بودن مخزن در ابتدای دوره و در نهایت پنج درصد حجم کل مخزن را بعنوان حجم مرده و غیر قابل برداشت و اختصاص در نظر گرفت و رسم کرد. برای انجام این تحقیق از کد نویسی در برنامه متلب استفاده شد.
داده های شش ساله مخزن سد به قرار زیر است:
جدول -1داده های شش ساله مخزن سد
