بخشی از مقاله
خلاصه
از آنجا که پارامترهای بکار رفته در روش تجربی کاهش سطح بر اساس اطلاعات مورد مطالعه توسط برلند و میلر روی 30 سد در آمریکا بدست آمده است و انتخاب این پارامترها تاثیر بسزایی در دقت این روش دارد ممکن است پارامترهای بکار رفته در این روش، مناسب مخزنی در منطقهی دیگری نباشد، لذا روش کاهش سطح با این پارامترها نمیتواند توزیع رسوبات در مخازن دیگر نقاط را با دقت مطلوب پیشبینی کند. دراین تحقیق پارامترهای بهینه این روش برای سد مخزنی کارده ارائه شده و تأثیر این پارامترها در بالا بردن دقت این روش نشان داده شده است.
1. مقدمه
یکی از مهمترین اهداف ساخت مخازن استفاده از منابع آبی ذخیره شده در آن در درازمدت میباشد و مهمترین مشکلی که مخازن با آن مواجه هستند ورود رسوبات به آنها وتهنشین شدن این رسوبات میباشد که کاهش عمر مفید مخازن را در پی دارد وآیا با توجه به هزینههای سنگینی که ساخت سد مخزنی وتاسیسات مربوطه به آن جهت تأمین آب دارد به راحتی میتوان این کاهش حجم را پذیرفت؟ مسلماً باید توسط روشهایی از این پدیده جلوگیری کرد و حتی الامکان مدت زمانی که طول میکشد تا عمر پروژه به پایان رسید را افزایش داد. این روشها برمبنای روشهای بازدارنده و روشهای بازیافت حجم مخزن میباشند که لازمهی آن اطلاع از مقدار رسوب ورودی وتهنشست شده و نحوهی این توزیع در مخزن میباشد
از دیگر مشکلاتی که ته نشین شدن رسوب در مخزن به دنبال دارد میتوان به پدیده سرریز شدن آب از روی تاج سد1 در شرایط سیلابی، افزایش خطر واژگونی سد، کاهش عملکرد دریچههای تحتانی سد2و اختلال در آبگیری، افزایش زبری سطح مقطع و احتمال بوجود آمدن کاویتاسیون در تاسیسات آبگیری، فرسایش پایین دست سد و در نتیجه تهدید ساختمان سد، پایین آمدن آمدن کیفیت آب مصرفی و در نهایت کم شدن مقدار سیلاب قابل کنترل اشاره کرد. بنابراین مسئله رسوبگذاری در کلیه مراحل احداث سد، اعم از مطالعات شناخت، مطالعات فاز یک، طراحی، کنترل، ساخت و نگهداری باید درنظرگرفته شود. در نتیجه با اطلاع از نحوهی توزیع رسوبات و پیشبینی آن میتوان با ضریب اطمینان بالاتری سیاستهای مربوط به بهرهبرادری از مخزن و تصمیمات لازم در ارتباط با مشکلات ناشی از رسوبگذاری را اتخاذ کرد.
به علت توزیع غیر یکنواخت رسوبات و پیچیده بودن نحوهی توزیع، روشهای مختلفی جهت پیشبینی توزیع رسوبات در ارتفاعات مختلف مخزن وجود دارد. این روشها شامل مدلهای ریاضی، روشهای تجربی و نیمهتجربی و مدلهای آزمایشگاهی میباشند. مدلهای آزمایشگاهی به علت هزینههای سنگین و طولانی بودن مدت انجام و محدود بودن مدل ساخته شده، تنها در مواردی که نیاز به دقت بالا میباشند مورد توجه میباشند. مدل-های ریاضی نیز به پارامترهای زیادی نیاز دارند که بیشتر این پارامترها در اکثر مخازن به سختی قابل اندازهگیری بوده و یا به طور دقیق اندازهگیری نشده-اند
اما در صورت وجود این پارامترها، این مدلها نیز از دقت بالایی برخوردار میباشند. اسلاف - 1991 - بیان مینماید که تا کنون بیش از 22 روش تجربی برای محاسبه چگونگی توزیع رسوب در مخازن سدها ارائه شده است ، ولی با این وجود دو روش افزایش سطح و کاهش سطح نسبت به سایر روشها متداولتر هستند که اساس هر دو روش بر پایه تعدیل سطح اولیه مخزن بر اثر ته نشست رسوب است و رسوبات به صورت لایههای افقی ته-نشست میشوند. از مزایای این دو روش نسبت به روشهای دیگر نیاز به دادههای ورودی کمتر میباشد. اما نکته قابل توجه این است که این روشها کلیه جنبههای رسوبگذاری در مخزن را پوشش نداده ولی به علت سادگی کار، هزینههای اندک و دقت قابل قبول از لحاظ اقتصادی قابل توجیه هستند. روش افزایش سطح توسط کریستو فانو ارائه گردید. روش کاهش سطح نیز اولین بار در سال 1960 توسط برلند و میلر با مطالعه 30 سد در آمریکا ارائه گردید، سپس در سال 1962 مودی اقدام به اصلاح این روش کرد
خودحال و غیاثی با بررسی روشهای تجربی از بین روشهای کاهش سطح و افزایش سطح و مثلثاتی در سد کرج ، روش مثلثاتی را بهترین روش جهت توزیع رسوبات پیشنهاد نمودند
آناندال - 1984 - نحوهی توزیع رسوب را در مخازن Mrica ,Sermo ,Wonogiri ,Selorejo در جنوب آفریقا بررسی کرد
موسوی و همکاران نیز با دو روش افزایش و کاهش سطح، توزیع رسوبات را در پشت سد زایندهرود بررسی کردند و توزیع رسوب را برای سالهای 1399، 1424و 1449 پیشبینی کردند
محمدیها و عمادی روش تجربی کاهش سطح را برای سد گلستان به صورت دستی کالیبره کرده و میزان خطا - مجموع حداقل مربعات - را حدود 10 درصد کم کردند .
امامی و همکاران روند رسوبگذاری در مخزن سد دز را با روش کاهش سطح و کاهش سطح واسنجی شده بررسی کرده و به این نتیجه رسیدند که استفاده از ضرایب واسنجی شده میتواند خطاهای مدل را در پیشبینی توزیع رسوب تا حد زیادی کاهش دهد
کارگر و صدقی رسوبگذاری در مخزن سد سفید رود را با روشهای تجربی کاهش و افزایش سطح و روش تجربی گالای و اوانس بررسی کرده و به این نتیجه رسیدند که خروجی این روشها با مقادیر هیدروگرافی تفاوت فاحشی داشته و این روشها باید کالیبره شوند
موسوی و هابیلی تاثیر ضریب شکل و تغییرات آن را در اثر رسوبگذاری بررسی کرده و روش جدیدی جهت بهبود تعیین ضریب شکل مخزن ارائه کردند
یکی از مهمترین مشکلات در تخمین و برآورد حجم رسوبگذاری در مخازن کشور، فقدان روشهای تجربی و نیمهتجربی واسنجی شده با اطلاعات مخازن کشور میباشد که شاید یکی از دلایل، نبود اطلاعات کافی و یا به صورت دقیقتر عدم انجام عملیات هیدروگرافی متعدد در مورد اکثر مخازن کشور میباشد
از آنجا که پارامترهای بکار رفته در روش تجربی کاهش سطح بر اساس اطلاعات مورد مطالعه توسط برلند و میلر روی 30 سد در آمریکا بدست آمده است و انتخاب این پارامترها تاثیر بسزایی در دقت این روش دارد، ممکن است پارامترهای بکار رفته در این روش، برای یک مخزن در منطقه دیگری بهترین مقدار نباشد، لذا پارامترهای به کار رفته در این روش ممکن است نتواند توزیع رسوبات در مخازن دیگر نقاط را با دقت مطلوب پیشبینی کند، با تغییر پارامترهای مذکور میتوان در هر مخزن به توزیع رسوب با دقت بهتری دست یافت. از آنجا که اکثر مخازن کشور در دست بهرهبرداری بوده میتوان با پارامترهای مناسب مربوط به هر مخزن توزیع رسوبات را خیلی دقیقتر از روش معمول بدست آورد.
تنها تفاوت در محاسبهی توزیع رسوب، نوع مخزن و پارامترهای مربوط به هر مخزن میباشد. بر اساس مطالعات انجام شده روی 14 مخزن در آفریقای جنوبی روش کاهش سطح با نوع مخزن پیشنهادی توسط برلند ومیلر نتوانسته است توزیع رسوب را با دقت مناسبی پیشبینی کند. در حالیکه با تغییر نوع مخزن پیشنهادی و به تبع آن پارامترهای استفاده شده در این روش میتوان به دقت بهتری دست یافت
بنابراین پارامترهای توصیه شده، توسط برلند و میلر که از نوع مخزن بدست میآید همواره نمیتواند پیشبینی مناسبی از توزیع رسوب در مخزن داشته باشد لذا در این تحقیق با استفاده از روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک - GA - 1 و ترکیب مدل ریاضی آن با مدل کامپیوتری روش کاهش سطح، پارامترهای بهینه روش تجربی کاهش سطح - مقادیر - C ,n ,m مربوط به مخزن سد کارده به نحوی محاسبه میشود که بهترین پیش بینی در نحوهی توزیع رسوب در سالهای بعد بدست آید.
2. نحوه شبیهسازی در روش کاهش سطح
این شیوه یک روش ریاضی مبتنی بر اصول مشاهدهای در مخازن است. بر اساس بررسیهای انجام گرفته روی 30 مخزن در آمریکا در مراحل مختلف بهرهبرداری نتیجه گرفته شده است که انباشت و توزیع رسوبات در ارتفاعات مختلف مخزن، رابطهی مشخصی با شکل مخزن دارد و شکل مخزن نیز با توجه به رابطهی بین ارتفاع و ظرفیت مخزن تعریف و طبقهبندی میشود در این روش مخازن مطابق با جدول - 1 - به 4 نوع تقسیم میشوند.
جدول - 1 - انواع درجهبندی مخازن بر حسب شکل
مبنای تقسیم بندی مخازن عامل m است. عامل m عبارت است از عکس شیب بهترین خط نمایش ترسیمی ارتفاع مخزن بر حسب ظرفیت مخزن که بر روی کاغذ تمام لگاریتمی رسم شده باشد که عمق در محور قائم و حجم در محور افقی است.
معادله اصلی در این روش به صورت زیر است:
که در آن S کل رسوبات ورودی به مخزن سد در طول دوره طراحی است، 0 تراز اولیه بستر رودخانه در محل احداث سد، y0 تراز بستر رودخانه در محل احداث سد بعد از انباشت رسوبات معادل عمق رسوب ته نشین شده، A سطح مخزن در ارتفاعات مختلف، dy جزئی از ارتفاع، H ارتفاع مخزن در تراز نرمال سد میباشند.
a سطح نسبی رسوب که به ازای مقادیر مختلف عمق نسبی P قابل محاسبه است و K ضریب تناسب به منظور تبدیل سطح نسبی رسوب به سطح واقعی است که از رابطه - 2 - بدست میآید.
که در آن A0 سطح مخزن در ارتفاع h0 ، a0 سطح نسبی رسوب در ارتفاع صفر جدید است. مساحت نسبی از فرمول - 3 - محاسبه میشود:
که مقادیر c، m، n ضرایب ثابتی هستند که با توجه به نوع مخزن از جدول - 2 - تعیین میشوند. البته این مقادیر، مقادیر اصلاح شده روش برلند و میلر هستند .[5] که این مقادیر میتوانند برای هر مخزن بهینه شوند.
جدول - 2 - مقادیر c ,n ,m در انواع مخازن
در روش کاهش سطح گامهای زیر در تعیین چگونگی توزیع رسوب گذاری در مخزن باید دنبال شوند:
گام اول: عمق مخزن در مقابل ظرفیت آن در یک کاغذ تمام لگاریتمی رسم میگردد تا فاکتور شکل مخزن - m - تعیین و بر اساس آن تیپ مخزن از جدول - 1 - مشخص میشود.
گام دوم: مقادیر تابع بیبعد h' - p - برای مقادیر مختلف عمق نسبی P از رابطه - 4 - محاسبه میشود.
که در آن h' - p - تابع بیبعدی از کل رسوب ته نشین شده، ظرفیت، عمق و مساحت مخزن، S حجم کل رسوب تهنشین شده، V - y - ظرفیت مخزن در رقوم y، H عمق اولیه مخزن و A - y - مساحت مخزن در رقوم y میباشد.
