بخشی از مقاله
خلاصه
ساکن بودن آب و لایهبندی حرارتی روی کیفیت و ویژگیهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آب مخازن اثر میگذارد. آگاهی از چگونگی تغییرات کیفیت آب مخازن در طول سال امری مهم بشمار میرود که وابسته به لایهبندی حرارتی نیز است. بررسی شرایط کیفیت آب در لایههای مختلف مخزن میتواند به تشخیص بهترین لایه برای آبگیری کمک نماید و وضعیت مخزن را نیز بهبود بخشد.
در این تحقیق، مخزن سد سیمره مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته و سعی شده است وضعیت حرارتی لایههای مختلف آن بررسی شود. برای شبیهسازی رفتار مخزن با توجه به شرایط موجود، مدل دوبعدی CE-QUAL-W2 مناسبترین مدل تشخیص داده شده و با کمک این مدل ریاضی، پروفیل عمقی دما بدست آمده است. مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازی مدل با اندازهگیریهای میدانی بیانگر انطباق نتایج حاصل از مدل CE-QUAL-W2 با دادههای مشاهداتی پس از انجام عملیات واسنجی است. از این مدل واسنجیشده میتوان برای پیشبینی شرایط مختلف آتی و اثرگذاری آن بر روی لایهبندی حرارتی و متعاقب آن شرایط کیفیت آب مخزن، بهره جست.
1. مقدمه
بشر برای فایق آمدن به مشکلات کمبود آب ناشی از رشد جوامع و پیشرفت و صنعتیشدن به احداث سدها و ذخیره کردن آبهای سطحی در پشت این سدها روی آورد. احداث سد و ذخیره کردن جریان سطحی، خود میتواند به سبب مجموعه عواملی مانند تبخیر، ساکن بودن آب، لایهبندی حرارتی در مخزن، رسوبگذاری، غنی شدن آب دریاچه از عناصر مغذی و سایر آن سبب تغییر در ویژگیهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آب مخزن شود. از طرفی ایجاد سد اثرات ژرف و عمیقی در محیط زیست بالادست و پاییندست رودخانه دارد.
شناخت این پدیدهها کمک مؤثری به کارشناسان و مدیران در پیشبینی و پیشگیری از مسائل محیط زیست آبی مرتبط با سدها مینماید و کمک مؤثری در انتخاب بهترین تراز آبگیری و در نتیجه مدیریت کیفیت آب نماید.[1] از مهمترین این رخدادها، پدیده لایهبندی آب در راستای عمق مخزن میباشد. لایهبندی به معنی ایجاد لایههایی از جرمهای سیال میباشد که در اثر اختلاف در چگالی ایجاد میگردد و میتواند ناشی از اختلاف در حرارت و یا وجود مواد محلول و معلق باشد.
لایهبندی حرارتی1مرسومترین نوع لایهبندی است و در سدهای بزرگ تاثیر بسزایی بر اکوسیستم مخازن سدها دارد.[2] این لایهبندی تابعی از شرایط دمایی محیط است و در فصول مختلف سال رفتارهای متفاوتی از آن دیده میشود.عموماً در فصل تابستان، شدیدترین حالت لایهبندی حرارتی رخ میدهد. در شکل 1 الف، این رفتارها نشان داده شده است.
در مخازنی که این پدیده رخ می دهد سه ناحیه مشخص رولایه2، میانلایه3و زیرلایه4 بوجود میآید - شکل 2 ب - . میانلایه از اختلاط قائم رولایه و زیرلایه مخزن جلوگیری مینماید و در نتیجه غلظت اکسیژن محلول در راستای قائم یکنواخت نخواهد بود و در اکثر مواقع غلظت اکسیژن محلول در نواحی زیرلایه بسیار اندک میگردد و در نتیجه کیفیتآب مخزن در اعماق شدیداً، کاهش مییابد.[3] لایهبندی حرارتی از نقطه نظر تأثیر مستقیم بر سرعت واکنشهای شیمیایی به عنوان ابزار اولیه تعیین کیفیت آب در سیستمهای آب شیرین شناخته میشود.
در حالتهای شدید لایهبندی حرارتی، در ناحیه زیرلایه فعالیتهای تجزیه بیهوازی تسریع مییابد که در صورت تداوم میتواند منجر به نامناسب شدن شرایط کیفیت آب داخل مخزن در اثر تجزیه مواد آلی و تسریع واکنشهای شیمیایی شود .[4] آبگیری از لایههای مذکور و انتقال این گونه آبها به تصفیهخانههای آب آشامیدنی نه تنها میزان مصرف مواد شیمیایی و هزینههای تصفیه را افزایش میدهد بلکه در برخی مواقع شکایت مردم را نیز به دنبال دارد. لذا با آگاهی از شرایط کیفیت آب در لایههای مختلف مخزن، میتوان بهترین لایه را از لحاظ کیفی تشخیص داده و اقدام به آبگیری از آن تراز نمود .[5]
2. مروری بر پیشینه مطالعات لایهبندی حرارتی
مطالعه در مورد بررسی پدیده لایهبندی حرارتی برای اولین بار در سال 1953 در ایالات متحده امریکا توسط سازمان ارتش آمریکا بر روی مخزن آب آغاز شد.[6] در ایران نیز مطالعاتی در این خصوص انجام گرفته است، بنابر تحقیقی که توحیدی در سال 1377 در رابطه با عوامل موثر بر تغییرات کیفی آب مخزن یک سد انجام داده است، دمای آب بر روی نوع و میزان فعالیت گونههای بیولوژیکی، انحلال گازها، سرعت واکنشهای شیمیایی و سرعت رسوبگذاری تاثیر میگذارد. به طوری که، به ازای افزایش10 درجه سانتیگراد، کلیه سرعت واکنشهای شیمیایی و بیوشیمیایی دو برابر میشود.[7]
مخزن سد در دست احداث بختیاری نیز توسط دانایی در سال 1387 با کمک مدل CE-QUAL-W2 مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق، با در نظر گرفتن سه سناریوی سالهای خشک، تر و نرمال، به بررسی عوامل موثر بر شدت لایهبندی پرداخته و مشاهده شده است که شدت لایهبندی با توجه به زمان ماند بیشتر آب در سال خشک، بیشتر بوده است.[8]
آنیر و ول در سال 2002 مدل دوبعدی CE-QUAL-W2 برای مدل کردن دما در یک سیستم رودخانه و مخزن به منظور بررسی راهبردهای مدیریتی جهت تأمین الزامات کمی و کیفی جمعیت ماهیان، استفاده کردند.[9] گلدا و همکاران در سال 1998 مدل CE-QUAL-W2 را برای شبیهسازی دما در مخزن کانونسویل در ایالات متحده امریکا بکار بردند.
مدل توسط دادههای دمای بدست آمده در فاصله زمانی آوریل تا نوامبر 1995 که به صورت هفتگی برداشت شده بود، واسنجی و سپس توسط دادههای سال 1994 تا 1998 صحتسنجی شد. نتایج شبیهسازی نشان داد که مدل به خوبی توانسته است زمان شروع اختلاط، دوره لایهبندی، ضخامت رولایه و زیرلایه را در دوره لایهبندی و نیز دمای لایهها را شبیهسازی کند. در این مطالعه مقدارRMSE5 برای دما 1,17 درجه سانتیگراد بدست آمد .[10]
در مطالعه حاضر با توجه به اهمیت دستیابی به مدلهای با قابلیت شبیهسازی لایهبندی حرارتی در مخازن سدهای ایران؛ مدلسازی لایهبندی حرارتی سد سیمره با مدل CE-QUAL-W2 مدنظر قرار گرفته است که در ادامه ضمن معرفی منطقه مطالعاتی به روند این مدلسازی مشتمل بر مراحل شبیهسازی و واسنجی بر اساس دادههای اندازهگیری شده پرداخته میشود. 5 خطای جذر میانگین مربعات تفاوت میان مقدار پیشبینی شده توسط مدل و مقدار واقعی مییاشد. RMSE یک ابزار خوبی است برای مقایسه خطاهای پیشبینی توسط یک مجموعه دادهاست و برای مقایسه چند مجموعه داده کاربرد ندارد.
3. مواد و روش ها
1؛3 منطقه مورد مطالعه
سد سیمره در شهرستان درهشهر بر روی رودخانه سیمره احداث شده است. سیستم رودخانه سیمره به طول بیشتر از 417 کیلومتر و سد مخزنی سیمره دارای حوضه آبریزی به مساحت 27886 کیلومترمربع میباشد که افزون بر 75 درصد مساحت کل حوضه آبریز کرخه را به خود اختصاص داده است. حوضه آبریز رودخانه سیمره در مختصات جغرافیایی 46 درجه و 7 دقیقه تا 49 درجه و 10 دقیقه طول شرقی و 33 درجه و 1 دقیقه تا 35 درجه و صفر دقیقه عرض شمالی قرار گرفته است. مشخصات سد و مخزن ارتفاع تاج سد از پی 200 متر و طول و عرض تاج آن به ترتیب 202 و 6 متر میباشد.
حجم کل مخزن بر اساس منحنی حجم- سطح - ارتفاع 3216 میلیون مترمکعب و مساحت و طول دریاچه به ترتیب 97 کیلومترمربع و 60 کیلومتر میباشد. سد سیمره به منظور اهداف از جمله تولید 850 گیگاوات ساعت در سال انرژی برقابی به منظور کاهش انتشار گازهای گلخانهای، احداث 3 واحد 160 مگاواتی، ذخیره آب 3200 میلیون مترمکعب، کنترل و تنظیم جریانهای سطحی رودخانه و تامین حقابههای پاییندست ساخته شد .[11] موقعیت این سد در کشور ایران و استان ایلام در شکل 2 مشاهده میشود.
