بخشی از مقاله
رسوبزدایی از مخازن سدها به روش فلاشینگ (لزوم وروش کنترل امکان پذیری آن در مراحل اولیه طراحی سدها )
چکیده :
رسوبگذاری در مخازن و در نتیجه کاهش عمرمفید سدهابه عنوان یک عامل مهم از دست رفتن سرمایه های انسانی واقتصادی سالیان سال مورد توجه بوده است. جمع آوری اطلاعات بیش از ۰۰۳۲ سد در ۱۳ کشور و آنالیز نتایج آن نشان میدهد که تا سال ۰۰۰۲ میلادی چیزی در حدود ۷۶۵ کیلومتر مکعب (تقریبا ۰۱ درصد حجم کل مخازن دنیا) بواسطه رسوبگذاری از دست رفته است ] ۱ . [
امروزه تکنیک ها ی مختلفی از جمله آبخیز داری , احداث سدهای کوتاه در بالا دست , لایروبی, فلاشینگ و ... جهت کاهش ویا تخلیه رسوبات مخازن سدها وجود دارد. اهمیت حفظ ظرفیت مفید مخازن در دنیا وموفقیت های فراوانی که در بازیابی آن به روش فلاشینگ حاصل شده لزوم بررسی امکان پذیری این روش مفید را در مراحل ابتدایی طراحی کلیه سدهایی که حوضه آنها آورد رسوب قابل توجهی دارد یادآور میشود .
فلاشینگ به عنوان یکی از مهمترین و ارزان ترین روشهای بازیابی حجم از دست رفته مخازن میباشد.
لذا در این مقاله ضمن بررسی خصوصیات هیدرولیکی آن با استفاده از برنامه کامپیوتری نگهداری از حجم مفید مخازن ۲ به تحلیل معیار های تجربی موفقیت عملیات مربوطه خواهیم پرداخت و ضمن یادآوری ضوابط مورد نیاز برای طراحی های آینده امکانپذیری این عملیات را برای یک سد فرضی با اطلاعات خاص مورد بررسی قرار خواهیم داد.
مقدمه :
بیشترین نرخ از دست رفتن حجم مخزن به واسطه رسوبگذاری در مخازن کوچکتر وکمترین آن در سـدهای بزرگتـر گـزارش شـده اسـت. آخرین آمار منتشره در زمینه حجم جدید مخازن مورد نیاز در دنیا بین سالهای ۰۰۰۲ تا ۰۱۰۲ میلادی چیزی در حدود ۰۰۰۱ کیلومترمکعب میباشد که به این مقدار باید حجم از دست رفته مخازن به واسطه رسوبگذاری در کل سدها را تا سال ۰۰۰۲ که تقریبـا ۰۵۵ کیلومترمکعـب میباشد اضافه کرد] ۱ [ .یکی از پارامترهای مهمی که در زمینه تقسیم بندی مخازن از حیث کاهش حجم مفید به واسطه رسوبگذاری وجود دارد نسبت پارامتر رسوبات حمل شده رودخانه در هر سال (متر مکعب) به رواناب سالانه رودخانه (متر مکعب) میباشـد . ایـن نـسبت بـرای حوضه هایی با شدت فرسایش زیاد در حدود۱۰/ ۰ وبرای حوضه هایی با شدت فرسایش کم در حدود۱ ۰۰۰/ ۰ است ]۲ . [ همچنین هر چه نسبت حجم مخزن به رواناب سالانه بیشتر باشد ضریب به تله افتادن رسوبات در مخزن بیشتر است.بـرای مقـادیر نـسبت مـذکور بـین ۱و۰۰۱ عملا هیچگونه عملیات مدیریت رسوب امکان پذیر نمیباشد وبرای مقادیر نسبت مذکور بین ۱و۱۰/ ۰عملیات تخلیه فیزیکی رسوبات امکان پذیر بوده و برای مقادیر کوچکتر نیازی به مدیریت رسوب وجود ندارد ]۲ . [
از اینرو کنترل نسبتهای فوق الذکر از مهمترین فرآیندهای اولیه طراحی خواهد بود .فلاشـینگ بـه عنـوان یکـی از روشـهای مهـم تخلیـه رسوبات مخازن دربسیاری از کشورهای دنیا تجربه شده و دستاوردهای تجربی فراوانی از آن منتشر شده است.در این مقالـه ضـمن آشـنایی بیشتر با این روش توسط یک برنامه کامپیوتری موسوم به برنامه نگهداری از مخازن(تهیه شده در سال ۳۰۰۲ در امریکا ) به آنالیز معیارهای موثر در موفقیت آن خواهیم پرداخت ونکاتی را برای طراحی های آینده متذکر خواهیم شد. .
فلاشینگ :
فلاشینگ عبارتست از شستن و خارج کردن رسوبات انباشته شده درمخزن سد بوسیله بکارگیری تعدادی تخلیه کننده در تراز پایین همراه با افزایش سرعت جریان در مخزن .
عملیات آبشویی مخازن(فلاشینگ) یک تکنیک جدید نیست .این روش اولین بار در اسپانیا ودر قرن ۶۱ میلادی بکار برده شد .در آن زمـان تخلیه کننده های تحتانی به" دریچه های اسپانیایی " ۱ معروف بودند ]۱. [
در اولین مرتبه ای که در یک مخزن عملیات فلاشینگ انجام میشود یک کانال در بخش رسوبات ومواد ته نشین شده بوجود مـی آیـد ودر سری بعد این عملیات با شرایط بهترانجام میشود.اثر این عملیات در سالهای اول بهره برداری بسیار بیشتر ازانجام ایـن عملیـات در سـنوات بعدی است.
عملیات فلاشینگ به لحاظ هیدرولیکی به دو صورت انجام میشود:
فلاشینگ تحت فشار :ارتفاع آب بالادست مخزن ثابت نگه داشته میشود یا کمی پایین آورده میشود.
فلاشینگ جریان آزاد : تراز آب مخزن تا حد امکان (تراز خروجی ها ) پایین آورده میشود و شـرایط جریـان رودخانـه ای برقـرار میـشود تـا رسوبات به صورت طبیعی باحرکت در مسیر رودخانه از مخزن خارج شوند.
هر چه ارتفاع آب موجود در مخزن در هنگام فلاشینگ کمتر باشد بافرض دبی تخلیه ثابت میتوان رسوبات را در فاصله دورتـری ازخروجـی ها شست. این بدان معنی است که هر چه عملیات پایین آوردن سطح آب در مخزن تا تراز بالای خروجی هـا کـاملتر انجـام شـود عملیـات فلاشینگ موفق تر خواهد بود .بعد از اینکه عملیات کاهش ارتفاع آب مخزن به طور کامل انجام شد مقدار دبی فلاشینگ بایدبادبی رودخانه برابر باشدولذا این دبی کاملا وابسته به زمانی ازسال است که عملیات در آن اتفاق میافتد.
مقدار دبی مذکور میتواند از منحنی هیدروگراف رودخانه تخمین زده شود .همچنین این دبی باید بتواند درحالتیکه تراز مخـزن کـاملا پـایین افتاده از خروجی تخلیه شود واین یکی از اولین پارامترهای طراحی خروجی هاست .اگر دبی هیدروگراف بیش از دبی طراحی فلاشینگ باشد رسوبات در بالادست سد در محل پس زدن آب ته نشین میشوند.
هدر رفتن بخشی از آب مخزن بواسطه این عملیات الزاما مدیریتی صحیح را چه به لحاظ فنی و چه از نظر اقتصادی نیازمند میباشد . گرچه
---------------------------------------------------------------------------------
-Spanish Gates۱
عوامل مهمی از جمله ارتفاع کم آب در مخزن , افزایش دبی فلاشینگ , افزایش زمان عملیات , نزدیک تر بودن رسوبات به سد و سن رسوبات در موفقیت این عملیات بسیا ر موثر است اما همه این پارامترها تحت الشعاع نوع مدیریت بهره برداری در روزهای قبل و وبعد عملیات قرار میگیرند.زمان عملیات چه به لحاظ دوام وچه به لحاظ نقطه شروع از جمله پارامترهایی است که باید در بهره بـرداری صـحیح مد نظر باشد.
در حالت فلاشینگ تحت فشار فقط رسوبات بخش محدودی از مخزن تخلیه میشود . برخـی محققـین معتقدنـد خـروج رسـوبات در اولـین ساعات عملیات فلاشینگ بسیار موثرتر است. اما برخی دیگر معتقدند در طی عملیات فلاشینگ بیشترین فرسایش وقتی رخ میدهد که حدود ۹ تا ۰۱ ساعت از عملیات فلاشینگ رسوبات گذشته باشد.
بهترین زمان برای شروع عملیات انتهای فصل آبیاری است .ضمنا فلاشینگ باید بلافاصله قبل از تخم ریزی ماهی ها انجـام شـود . وجـود فصل خشک وتر برای مخزن یک مزیت محسوب میشودچرا که اگر عملیات فلاشینگ در ابتدای فصل تر انجام شود سد میتواند بلافاصـله پر شود.
شکل ۱-نمایش حرکت رسوبات به سمت خروجی های سد سفیدرود حین عملیات فلاشینگ] ۳ [
انجام مدیریت بالادستی از جمله ایجاد کانالهای مصنوعی شستشوی رسوبات در چند کیلومتر بالادست مخزن با طـول زیـاد جهـت هـدایت جریان غلیظ ازجمله ابتکاراتی است که در سد سفید رود برای بالا بردن بازده عملیات فلاشینگ بکاررفته است] ۳ [ .شکل شماره۱ حرکـت رسوبات به سمت تخلیه کننده های سد سفیدرود در حین عملیات فلاشینگ رانمایش میدهد وهمانطور که ملاحظـه میـشود تخلیـه کننـده های ساحل راست که در تراز پایین تری قرار دارند کاملا مستغرق شده و تخلیه کننده های ساحل چپ در حال عبور رسوبات ,به خوبی قابل مشاهده میباشند .
دبی مورد نیاز جهت عملیات فلاشینگ باید لااقل ۲ برابر متوسط جریان سالیانه باشد . مخازن بلند وباریـک از مخـازن کوتـاه وپهـن بـرای فلاشینگ مناسب ترند. مخازن در شاخه های میانی و بالایی رودخانه ها بهترین نواحی برای فلاشینگ هستند چرا که در شاخه های پایینی به دلیل وسعت ناحیه اشباع طول کانال فلاشینگ جهت تخلیه رسوبات کافی به نظر نمیرسد.
معادلات هیدرولیکی موجود :
در سال ۰۸۹۱ , فن و جیانگ یک معادله تجربی به شرح زیر برای محاسبه بار خروجی سیلت (گل ولجن) دراثـر عملیـات فلاشـینگ ارائـه دادند] ۴ : [
که در آن L معرف بار رسوبات خروجی بر حسب کیلوگرم بر ثانیه , K پارامتر متناسب شدن فرمـول ( بـرای مخـازن کـشور چـین تقریبـا .0035 ), S معرف شیب طولی رسوبات وQ دبی تخلیه بر حسب متر مکعب بر ثانیه میباشد.
در سال ۳۸۹۱ هم در چین یک فرمول تجربی دیگر جهت محاسبات فلاشینگ ارائه ش د ] ۴ . [
( ۲ ) L = ( E Q 1.6 S 1.2 ) / B 0.6
که در آن L معرف بار رسوبات خروجی بر حسب ت ن در هر ثانیه , B نمایـشگر عـرض کانـال فلاشـینگ بـر حـسب متـر وE فـاکتور فرسایش به شرح زیر میباشد:
E=180 برای رس محکم شده , E=300 برای میانگین اندازه ذرات بزرگتراز ۱,۰ میلیمتر و E=650 برای میانگین اندازه
ذرات کوچکتراز ۱,۰ میلیمتر ,همچنینSمعرف شیب طولی رسوبات وQ دبی تخلیه بر حسب متر مکعب بر ثانیه میباشد . از آ نجا کـه عرض کانال فلاشینگ یک ورودی برای تخمین دبی رسوبات میباشد براساس اطلاعات جمع آوری شده از تعداد زیـادی مخـزن( در چـین وهندوایالات متحده) وپردازش آنها معادله تخمینی زیر برای محاسبه آن در گزارش سال ۶۹۹۱ موسسه ولینگفورد ارائه شده است :
ودر این معادله Wf عرض کانال فلاشینگ بر حسب متر و Qf دبی فلاشینگ بر حسب مترمکعب بر ثانیه میباشد .این معادله تطابق خوبی با معادله لیسی( ۰۳۹۱ ) مربوط به کانالهای آبیاری دارد که درآن فقط ضریب معادله ۸,۴ بود ولی توان دبی همان عـدد ۵,۰ بـوده اسـت.در سال۰۹۹۱ , دی سیلویو معادله نسبت متوسط دبی رسوبات تخلیه شده از تونل به حجم آب را بر اساس مطالعه بـر روی مـدل فیزیکـی بـه شرح زیر ارائه داد] ۵ : [
در این معادله CA نسبت متوسط دبی رسوبات به حجم آب تخلیه شده است و Q دبی فلاشینگ میباشـد .همچنـین Aمتوسـط مـساحت مرطوب در تونل تخلیه است.
معادله تجربی دیگری برای محاسبه بار خروجی در سال ۷۹۹۱ توسط Wang بر این اساس که میزان شستن رسوبات به نحو خاصی به قدرت جریان در بستر رودخانه بستگی دارد ارائه شد که فقط برای مخازن در حالت فلاشینگ آزاد معتبر است وبرای اطلاع بیشتر میتوان بـه مرجع ۴ مراجعه کرد.
معیارهای موفقیت عملیات فلاشینگ بر اساس تجارب دنیا :
الف – بالانس رسوبات : نسبت رسوباتی که سالیانه در اثر عملیات فلاشینگ از مخزن سد تخلیه میشود به رسوباتیکه سالیانه در مخزن نهشته میشود را ۱SBR مینامند .مسلما درصورتیکه این عدد بزرگتر از یک باشد موفقیـت عملیـات بـر اسـاس مفهـوم بـالانس رسـوبات تضمین میشود .با این وجود در صورتیکه این عدد خیلی به یک نزدیک باشد با دو عامل موثر در بهره برداری یعنی افزایش دوره فلاشینگ و افزایش دبی خروجی ها میتوان عملیات را به نحو موثرتر مدیریت کرد.
ب- ظرفیت احیا ﺀ مخزن: این ظرفیت که در حالت ایده آل به سمت حجم مفید مخزن میل میکند وقتی که شرایط عملیات فلاشینگ به صورت کامل فراهم باشد به مقدار ماکزیمم خود میرسد.همانطور که میدانید در پروسه عملیات فلاشینگ بخشی از دره که شـامل کانـال فلاشینگ نمیشود دچار ته نشست رسوبات میگردد و همین عامل باعث میشود که ظرفیت احیاﺀ مخزن بـه ۰۰۱ درصـد نرسـد .لـذا نـسبت ظرفیت باقی مانده مخزن به ظرفیت اولیه مخزن را نسبت ظرفیت طولانی مـدت مخـزن۲ LTCR مینامنـد. بـه هرحـا ل LTCR بزرگتر از ۵ /۰ یک معیار اولیه تجربی مناسب برای این
