بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله بهمنظور تانمی اهدافِ مختلفی همچون؛ کاهش خسارات ناشی از سیلاب، حفظ ایمنی سد، و توجه به ذخیره مناسب مخزن؛ سیاستهای بهینهسازی عملکرد دریچههای سرریز مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور؛ در مطالعهی موردی سد کارون 3، و به منظور پاسخگویی بلادرنگ به وقوع سیلابهایی که از قبل هیچگونه آگاهی از شکل و اندازه هیدروگراف ورودی آنها نداریم، با اتخاذ یک سیاست عملکردی بلادرنگ، ارتفاعات بحرانی و میزان رهاسازی ایمن برای آنها محاسبه شده و نتایج حاصل با روش های دیگر مورد مقایسه قرار گرفته که بیانگر قابلیت مناسب این روش در عملکرد بلادرنگ است.
کلمات کلیدی: عملکرد دریچههای سرریز، ارتفاع بحرانی، سیاست عملکرد پنجمرحلهای، سد کارون 3
1.مقدمه
یکی از مهمترین مسائل مدیریتی در سدها، عملکرد بلادرنگ سرریز در هنگام وقوع سیل میباشد. در این زمان، میزان جریان خروجی از مخزن باید به وسیلهی کنترل مناسب دریچه های سرریز سامان دهی شود. بایستی یادآور شد که، میزان آب خروجی از سرریز به نوع روش کنترل بستگی دارد. برای یک هیدروگراف ساده، اگر دریچه های سرریز زیاد باز شوند، آب مخزن به میزان زیادی از دست میرود؛ و برعکس، اگر برای یک هیدروگراف ورودی خطرساز، دریچه ها به میزان کافی باز نشوند، سبب خسارت به سد، پایین دست و جان مردم خواهد شد. در ضمن بایستی یادآور شد که محققان، قضاوت اپراتورها و مهندسین پروژه را مبنای کنترل دریچهها و نگهداری از پاییندست به هنگام وقوع سیلهای بزرگ میدانند.
در عملکرد بلادرنگ دریچه ها بایستی به شکل همزمان مجموعهای از اهداف زیر را دنبال نماییم: تضمین ایمنی سد حداقل کردن پیک خروجی برای کمکردن خرابیهای پاییندستذخیره سیلاب ها و نگهداری سطح نهایی آب نزدیک به مقدار ذخیره ی مطلوب برای برطرف کردن نیاز آبی در آینده برای تامین این اهداف روش های مختلفی تا کنون ارائه شده است. از جمله روشهای بهینهسازی کلاسیک در مدیریت عملکرد مخازن میتوان به؛ برنامهریزی خطی1]1و2و[3، برنامهریزی غیرخطی[4]2 و برنامهریزی دینامیکی5] 3و6و7و8و9و10و[11 اشاره کرد. اما بایستی یادآور شد که؛ کارایی روشهای مذکور بیشتر در مسائل منابع آب وعملکردهای طولانی مدتِ مخازن بوده و در این روشها به مانور دریچهها و مدیریت عملکرد مخازن به صورت بلادرنگ؛ کمتر پرداخته شده است.
از جمله تحقیقات دیگری که در زمینه مانور دریچههای سرریز میتوان به آنها اشاره کرد؛ روش سینسکی[12]4و سینسکی اصلاح شده13]و[14میباشد؛ هر چند موضوع مورد بحث در این روشها عملکرد بلادرنگ در هنگام وقوع سیلابها می-باشد؛ اما، در آنها موضوع بهینگی مد نظر نبوده و تنها بر اساس روشهای تجربی استوارند. در این روشها ارتفاعاتی به عنوان ارتفاعات کنترل تعیین ودبی متناظر با رسیدن سطح آب به هر ارتفاع کنترل براساس روشهای کاملاً تجربی تعیین میگردد. همچنین روش های دیگری نیز، توسط آقای هاکتانیر1 با عنوان سیاستهای عملکرد چند مرحلهای ارائه شده است15]و16و[17؛ که روندیابی بهینهای را برای سرریزهای دریچهدار و همه سیلها فراهم میآورد. اما در این روش نیز هیچگونه اشارهای به پاییندست نشده و این یکی از ضعفهای این روش میباشد.
در این مقاله با توجه به خلاءهای تحقیقاتی مورد اشاره که بهویژه در مطالعات موردی سدهای کشورمان وجود دارد؛ و با استفاده از سیاست عملکرد پنج مرحلهای و اصلاحاتی در این روش، سیاستی کارآ برای مواجهه بلادرنگ در بروز سیلابها و مانور دریچه های سرریز استفاده شده است. سپس نتایج آن در سد کارون 3 استخراج شده و با نتایج تحقیقات گذشته مقایسه شده است که نتایج این مقایسه تاییدکننده روش بکار رفته میباشد. لازم به ذکر است که دلیل انتخاب سیاست به شکل 5مرحلهای آن است که ازدیاد تعداد مراحل سبب پیچیدگی مساله خواهد شد؛ ار این رو همین تعداد مراحل به عنوان مبنای محاسبات مد نظر قرار گرفته است.
2.چارچوب کاری انجام شده:
سیاست عملکرد پنج مرحلهای:
این سیاست بر این واقعیت بنا شده که هیچگونه آگاهی؛ ازقبیلِ شکل هیدروگراف، پیک سیل و ...؛نسبت به سیلِ در شرف وقوع نداریم که این موضوع بیانگر بلادرنگ بودن سیاست میباشد.در این سیاست، سیل ها به پنج گروه مختلف زیر براساس دوره بازگشتشان - - T تقسیمبندی میشوند:
همچنین در سطح مخزن، سطوحی به عنوان سطوح یا ارتفاعات بحرانی تعیین میشود - - H c r که با مشاهده سطح مخزن و رسیدن آب به هر یک از این سطوح، در مورد میزان بازشدگی دریچه در سطح مورد نظر تصمیمگیری میشود.در این سیاست برای انتخاب سطوح بحرانی و میزان بازشدگی دریچهها دو معیار ذیل وجود دارد:
معیار اول: این معیار که به عنوان یک فرض اولیه برای یافتن سطوح بحرانی و انجام برآوردها مد نظر قرار میگیرد؛ بیان می دارد که؛ هر سیل متناسب با حجم سیلابیاش، میتواند از ظرفیت ذخیره سیل در مخزن سد را اشغال کندمثلاً. سیل 10 ساله، یک پنجم ظرفیت ذخیره سیل در مخزن را اشتغال میکند، 100 ساله دو پنجم ، 1000 ساله سه پنجم و 10000 ساله چهار پنجم و PMF همه ظرفیت نگهداری سیل در مخزن را اشغال میکند. پس به عنوان فرض اولیه برای یافتن این سطوح، ظرفیت ذخیره سیل در مخزن به 5 حجم مساوی تقسیم میشود. البته در ادامه کار این مقادیر اصلاح خواهند شد و ذخیره سیل در مخزن، از سطح ابتدایی در شروع سیلاب - - Hb شروع می شود و تا ارتفاع تاج سد منهای فریبورد ادامه مییابد.
این 5 سطح بحرانی که آنها را با H c r های مختلف نظیر خودشان - با اندیس 1 تا - 5 نشان میدهیم؛ در این فاصله قرار میگیرندمثلاً. مفهوم ارتفاع بحرانی مرحله اول یا H cr1 این است که؛ اگر سیل 10 ساله اتفاق بیافتد؛ ماکزیمم ارتفاع سطح آب نباید از این ارتفاع بالاتر برود، که این موضوع با تنظیم میزان بازشدگی دریچهها قابل تحقق خواهد بود. همچنین Hcr2 بیانگر آن است که اگر سیل 100 ساله اتفاق بیافتد ماکزیمم ارتفاع سطح آب نباید از این ارتفاع بالاتر برود؛ و همین رویه برای، Hcr3 ، H cr4 ، Hcr5 نیز برقرار است. - باید بدانیم که مقدار Hcr5مشخص، و برابر با مقدار ثابت ارتفاعِ تاج سد منهای فریبورد میباشد. -
روش اجرایی این کار برای دستیابی به این مقادیر بدین شکل است که؛ در گام اول، حجم ذخیرهی سیل را به پنج مقدار مساوی تقسیم کرده وارتفاع متناسب با هر حجم، طبق رابطه حجم - ارتفاع مخزن، به عنوان فرض اولیه سطوح بحرانی مختلف تعیین میشود که آنها را با نام H cri-trial نشان میدهیم - اندیس i در اینجا 5 و به تعداد سطوح بحرانی است - و در نهایت این مقادیر فرضی اولیه با انجام اصلاحات لازم به H c r های متناظر تبدیل خواهند شد. حال به عنوان مثال، سیل 10 ساله را در ابتدا با دریچههای بسته وارد مخزن کرده و کار روندیابی را انجام میدهیم. در این مرحله، حساب میکنیم که آیا ماکزیمم ارتفاع مشاهده شدهی سطح آب - Hmax - ، به بالای فرض اولیهی مربوط به این سطح بحرانی میرسد یا نه؟
اگر برای این سیل، H m ax ≤H cr1-trial بود، به این معناست که میزان بازشدگی دریچه برای عبور سیل به اندازه کافی و در حد قابل قبولی بزرگ بوده و از این رو، اولین سطح بحرانی H cr1 - - را به اندازهای برابر با ماکزیمم ارتفاع سطح آب تنزل می دهیم - - H max = Hcr1 و با این اقدام حداکثر ارتفاع واقعی ممکن برای این سیل را تعیین میکنیم. ولی اگر H m ax ≥H cr1-trial شد، به این معناست که؛ دریچه به اندازه کافی برای تخلیه سیل باز نبوده و به همین دلیل، بایستی دریچه ها را آنقدر باز کرد که بعد از روندیابی سیل 10 ساله، H m ax ≤H cr1-trial شود. به همین دلیل، تغییر میزان بازشدگی و بررسی مجدد آن،آنقدر تکرار میشود که در نهایت؛ اولین سطح بحرانی و میزان بازشدگی دریچهها در این سطح، بهگونهای شود که ماکزیمم ارتفاع سطح آب برای سیل 10 ساله از فرض اولیه برای ارتفاع مرحله اول کمتر شود. بدین ترتیب پارامترهای مورد نظر برای مانور دریچه برای سیل دهساله تنظیم میشود.
به همین ترتیب سطوح بحرانی دوم و سوم و چهارم و میزان خروجی در هر سطح تعیین میشود. حال نوبت ورود PMF به مخزن است وبایستی این موضوع چک شود که؛ آیا وقتی PMF وارد میشود، ماکزیمم ارتفاع سطح آب مخزن، از H cr5 چه میزان فاصله دارد. دلیل این امر آن است که؛ اگر ماکزیمم ارتفاع سطح آب خیلی کمتر از Hcr5 شده باشد؛ یعنی در مراحل قبل - اولیه - میزان رهاسازی بیش از حد نیاز بوده و بایستی اصلاح و کم شود. همچنین اگر ماکزیمم ارتفاع سطح آب بیشتر از Hcr5 شود؛ بدین معناست که بایستی به منظور ایمنی سد میزان رهاسازی مراحل قبل بیشتر میبوده و به همین دلیل نیاز به اصلاحاتی داریم که در این جا از معیار دوم استفاده میشود. بدیهی است که این معیار سبب تنظیم مجدد مقادیر بحرانی و دستیابی به میزان رهاسازی ایمن خواهد شد.
معیار دوم: این معیار بیان میکند که اگر ماکزیمم ارتفاع سطح آب بعد از ورود PMF به مخزن، حتی با دریچههای کاملاً باز در مرحله آخر، از Hcr5 بیشتر باشد باید اصلاحاتی در مقادیر رهاسازی در مراحل قبل انجام دهیم. از این رو بایستی برای شروع اصلاحات، یک قدم به عقب - یعنی به مرحله چهارم - برگردیم و ابتدا میزان خروجی در این مرحله را بیشترکنیم و مجدداً روندیابی را انجام دهیم. حتی اگر لازم باشد در مرحله چهارم دریچه را کاملاً باز میکنیم تا شرط - Hcr5 - H m ax - ≤5 cm برقرار شود. به همین ترتیب، برای ارضاء این شرط، تا هر چند مرحله که لازم باشد باید به عقب برگردیم و دریچه ها را بیش تر باز کنیم. بدیهی است که با این کار سطوح بحرانی و خروجی ها در هر مرحله تغییر خواهند کرد.
اما حالت دیگری که هنگام بررسی ورود PMF ممکن است روی دهد، آن است که؛ در مرحله آخر، ماکزیمم ارتفاع سطح آب در هنگام روندیابی PMF خیلی کمتر از Hcr5 شود. همانگونه که اشاره شد؛ این بدان معنی است که در مراحل اولیه میزان بازشدگی دریچه و رهاسازی آب زیاد بوده است؛ بنابراین بایستی از مرحله اول شروع به تغییر و کمکردن میزان بازشدگی دریچه ها کرده و حتی اگر لازم بود، تا بسته شدن کامل دریچه در این مرحله نیز اقدام کنیم. در این وضعیت نیز بدیهی است که تمامی سایر سطوح بحرانی و دبیهای خروجی نیز تغییر خواهند کرد. این روند را تا هر چند مرحله که لازم باشد انجام میدهیم تا همان شرط - H cr5 - H max - ≤5 cm برای مرحله آخر و با دریچههای کاملاً باز ارضاء شود. به این ترتیب در طی اجرای معیارهای اول و دوم؛ میزان بازشدگی دریچه و ارتفاعهای بحرانی تنظیم میشود.
همانگونه که پیش از این نیز اشاره شد؛ در این روال هیچگونه توجهی به پاییندست نشده است و همانطورکه میدانیم یکی از نکات قابل توجه در حفظ ایمنی پاییندست این است که ماکزیمم دبی خروجی از سرریز به هنگام ورود سیلاب صد ساله، مساوی ظرفیت ایمنی پاییندست باشد. - یعنی بتواند سیل صد ساله را بدون خسارت به پاییندست عبور دهد. - بنابراین مقدار دبی خروجی در سیاست مرحله دوم مشخص است - مساوی ظرفیت ایمنی پاییندست است - . پس با داشتن حداکثر دبی مجاز خروجی در مرحله دوم به عنوان یک شرط کنترلی و در نظر گرفتن تمامی شرایط گفته شده در روال بالا، بقیه دبیها و سطوح بحرانی را به دست میآوریم.
برای اجرای این مراحل و تحقق این کنترلها؛ بایستی برنامهی کامپیوتری نوشته میشد که این کار با استفاده از نرم افزار MATLAB و با بهرهگیری از اطلاعات سیل های 10 ساله تا PMF ، انجام شد. این دادهها و اطلاعات شامل؛ هیدروگرافهای 10 ساله تا PMF ، فایل دادهای مربوط به رابطه دبی-اشل سرریز در حالت دریچههای کاملاً باز و فایل دادهای رابطه حجم-ارتفاع مخزن سد میباشند. همچنین در برنامه تهیه شده گام زمانی محاسبات روندیابی، رقوم سطح آب در زمان شروع سیلاب و رقوم تاج سد نیز از کاربر سوال میشود. در نهایت سطوح بحرانی و میزان دبی های خروجی در هر سطح با روال گفته شده تعیین میشود.
از این زمان به بعد، به دلیل در نظر گرفتن اثر سیلابهای مختلف در تعیین مقادیر بحرانی و میزان بازشدگی دریچهها، با کمک این برنامه، امکان مواجهه با تمام سیلهای جدیدی که هیچگونه آگاهی از میزان آنها نداریم؛ فراهم شده و قابلیت کاربرد برای عملکرد بلادرنگ را میسر خواهد کرد. در هر گام محاسباتی با توجه به اینکه ارتفاع سطح آب درکدام مرحله است و مطابق با چه سیاستی باید برخورد کرد، تصمیمگیری میشود. در ضمن در پایان هر گام محاسباتی، دبی خروجی بهدستآمده با دبی خروجی سرریز با دریچههای کاملا باز مقایسه میشود و چنانچه دبی مذکور از دبی عبوری از سرریز با دریچههای کاملا باز بزرگتر باشد با آن مساوی قرار داده میشود.
در شاخه نزولی - بعد از ورود پیک سیل - هیدروگراف نیز شرایط بالا حاکم است؛ یعنی مانند شاخه صعودی، سطح آب درهرمرحلهای که باشد مطابق با سیاست آن مرحله، دبی خروجی تعیین میگردددر. این شاخه عاملِ بیشتر بودن دبی خروجی از دبی ورودی سبب پایین آمدن سطح آب میگردد وتا تراز نرمال بهرهبرداری پایین میآید. از این لحظه به بعد دبی خروجی با ورودی مساوی قرار داده میشود تا سطح آب در تراز نرمال بهرهبرداری تثبیت شود. قابل ذکر است که پایین آمدن سطح آب را میتوان تا هر ارتفاع دلخواهی ادامه داد که این بستگی به فصل ورود سیل دارد. لاًمث در فصول بارانی میتوان تا تراز نرمال بهرهبرداری سطح آب را پایین آورد تا مخزن برای ورود سیلابهای ناگهانی آمادگی کافی را داشته باشد.
