بخشی از مقاله
چکیده
پدیده های فرسایش و رسوبگذاری اثرات مخرب زیادی بر محیط زیست و زندگی انسان دارند. اثر اساسی رسوب گذاری در مخزن یک سد بر کاهش ظرفیت ذخیره ای مخزن ظاهر می گردد. و فقط آن مقدار ازذخیره سدها در بالای حجم مرده رسوبات بعنوان ذخیره مفید تلقی می شود. لذا اهمیت موضوع و پیچیدگی آن ایجاب مینماید که برای هر سد، مطالعات جامعی در این خصوص صورت گیرد . عدم اطلاع از وضعیت رسوبگذاری در مخزن سد و پیش بینی روشهای کنترل آن ، موجب کاهش عمر مفید سد و اتلاف سرمایه های عظیم ملی میگردد
امروزه یکی از ابزارهای مهم جهت بررسی روند رسوبگذاری در مخازن سدها و رودخانه ها استفاده از مدل های ریاضی مبتنی بر تحلیل معادلات حاکم بر پدیده های موثر در انتقال، توزیع ، ته نشینی و آبشستگی رسوب بنا شده اند. سد دز نخستین سد از رشته سدهای چند منظوره است که بر روی رودخانه دز و سازه آن در فاصله 23 کیلومتری شمال شرقی شهرستان اندیمشک احداث و مورد بهره برداری قرار گرفته است .
قبل از احداث این سد سیلابهای مخرب هر ساله خسارات بسیاری بر مناطق پایین دست و زمین های کشاورزی وارد می کرد . آمار 40 ساله بهره برداری از سد نشان می دهد حجم قابل توجهی از رسوب به دلیل جوان بودن سازندهای زمین شناسی حوزه و بالا بودن پتانسیل رسوب خیزی به دریاچه سد وارد می شود به گونه ای که میزان رسوب مخزن به 30 متر بالاتر از دریچه های آبیاری سد رسیده و تنها 10 متر تا رقوم آبگیر نیروگاه فاصله دارد.
مقدمه
اثر اساسی رسوب گذاری در مخزن یک سد بر کاهش ظرفیت ذخیره ای مخزن ظاهر می گردد. و فقط آن مقدار از ذخیره سدها در بالای حجم مرده رسوبات بعنوان ذخیره مفید تلقی می شود. رسوب گذاری در مخزن یک سد همچنین اثرات سوء ذیل را نیز در بر خواهدداشت :
- - افزایش تبخیر برای یک ظرفیت ذخیره داده شده - ،این امر ناشی از افزایش سطح آب مخزن برای یک مقدار ذخیره معینی بوده که در نتیجه سطح وسیعتری در معرض تبخیرقرار گرفته و تلفات افزایش می یابد.
- - رسوب گذاری دررودخانه منتهی به مخزن - ،این افزایش وبالاآمدن کف رودخانه باعث افزایش ارتفاع سطح آب سیلابهای بزرگ وموجب آب گرفتگی اراضی و تشکیل باتلاقها در اراضی بالا دست سدهر چند که از دست دادن مخزن پر شده از رسوب بارزترین ضرر حاصله می باشد ولی شاید بتوان اثرات جنبی آن را شاید جدی تر ارزیابی نمود .پر شدن مخزن سد از رسوبات خطرات زیست محیطی فراوانی داشته وباعث بهم خوردن اکوسیستم طبیعی محل سد میشود .
هر چند که هنوز هم چند دهه به پر شدن کامل مخازن سدهای بزرگ مخزنی موجود مانده است ولی فکر رو به رو شدن با توده عظیمی از رسوبات ریز دانه باتلاقی و اکوسیستم های محلی حاصل از آن از همین حالا تمام زیست شناسان دست اندر کار را به وحشت انداخته است .یکی از مسائل دیگر وضعیت تامین آب پس از پر شدن سد های فعلی میباشد نباید فراموش کرد که سدهای موجود در بهترین محل های ممکن برای احداث سد واقع شده اند و مسلما" سد های جانشین ناچارا" در نقاطی احداث خواهند شد که مخازن آن ها شرایط ذخیره ای نامناسب تری را خواهد داشت. به منظور بیان اهمیت رسوبگذاری درمخزن سدها مثالهایی ذکر میشوند.
الف:مخزن سد یا سوکا بر روی رودخانه تمرگو در ژاپن ظرف مدت 13 سال بیش از %85 ظرفیت اولیه خود را از دست میدهد. ب: در کانزاس امریکا مخزن یک سد با ظرفیت 3/7 هکتار متر که برروی رودخانه سالمون احداث شده بود پس از مدت یکسال بطور کامل پراز رسوب گردید.
مروری بر تحقیقات انجام شده
محققان مختلفی از جمله کونژ و همکاران در سال 1980 و داودی و ونونی در سال 1986 کارهای انجام شده در مورد شبیه سازی عددی در هیدرولیک را مورد بررسی قرار داده اند و با اعمال فرضیات ساده کننده معادلات حاکم بر روند رسوبگذاری و فرسایش را تحلیل کرده اند.
گیل در سال 1983 معادله خطی پخشی تشریح کننده روند رسوبگذاری و فرسایش را با سری فوریه و روشهای تابع خطا حل کرد.[2] لین در سال 1987 راه حلهای غیر خطی برای رسوبگذاری و فرسایش را که نسبت به راه حلهای خطی تطابق بهتری با داده های آزمایشگاهی از خود نشان میدهند ارائه داد.[3] چانگ و همکاران نیز در سال 1996 مکانیسم توزیع رسوبگذاری در رودخانه ها و مخازن سدها را با مدل FLUVIAL12 بیان نمودند.
حسن زاده و اعلمی در سال 1997 تغییرات نیمرخ طولی بستر یک مدل هیدرولیکی را متعاقب احداث یک سد ذخیره ای در عرض آن از دیدگاه تئوری مورد تجزیه و تحلیل قرار داده و معادلات حاکم بر پدیده را با اعمال روش تفاظلات محدود مورد بررسی قرار دادند.
دکسار و همکاران در سال 2001 تاثیرات آب گل آلود در روند رسوبگذاری در مخازن را با استفاده از یک مدل آزمایشگاهی و حل عددی جریان با ملحوظ داشتن سیلاب 1000 ساله مخزن لوازان در آلپ سوئیس مورد مطالعه قرار دادند.
فاکس و همکاران در سال 2006 ضمن تبیین مکانیسم فرسایش ناشی از تغییرات غلظتهای جریانهای عرضی یک معادله تجربی انتقال رسوب برای شرایط نا متعادل ارائه کردند.
روانس در سال 2007 نتایج داده های اندازه گیری فرسایش و رسوبگذاری در داخل یک فلوم آزمایشگاهی را با نتایج مدل SEDFLUME مورد مقایسه قرار داد
حقیقی پور و همکاران - 1386 - به بررسی تعیین محل آبگیری جانبی در قوس خارجی رودخانه با استفاده از مدل CCHE2D اقدام نمودند. نجات و همکاران در سال 1387 با استفاده از مدل، آلگوی جریان و رسوب را در بازه ای از رودخانه کارون، با فرض جریان دائمی، شبیه سازی کردند - 1388 - .[9] حمید تائبی و همکاران نیز شبیه سازی عددی جریان را در قوس 90 درجه با استفاده از مدل CCHE2D مورد تحلیل قرار دادند - 1388 -
مهدی فقیه الاسلام جهرمی نیز شبیه سازی الگوی جریان و رسوب را حول آبشکن در قوس 180 درجه رودخانه مورد بررسی قرار داد . وی در این مطالعه شبیه سازیها در یک فلوم با R/B= 4.7 از جنس پلاکسی گلاس انجام شده است. طول آبشکنها 8 ، 10 و 12 سانتیمتر و موقعیت قرارگیری آنها در زوایای 30، 90 و 170 درجه قوس میباشد. دبیهای به کار رفته در این پروژه 20، 24 و 28 لیتر بر ثانیه است.
فرهنگ آذرنگ در تز فوق لیسانس خود شبیه سازی هیدرولیکی و رسوبی رودخانه کارون را در بازه اهواز فارسیات به کمک نرم افزار یک بعدی CCHE مورد مطالعه قرار داده است.
آقای رضا عبدالشاه نژاد در سال 1388 تأثیر جزایر تشکیل شده در رودخانه کارون بر تخلیه سیلاب با استفاده از CCHE2D مورد ارزیابی قرار داد. در این مطالعه بستر با شرایط کنونی، حذف 25، 50 و 100 درصدی جزایر مورد بررسی قرار گرفت که در سناریوی چهارم برای سیلاب 2، 25 و 100 ساله به ترتیب 0/44، 0/24 و 0/27 متر،تراز جریان سیلاب ها کاهش خواهد یافت که براورد شد این مقادیر در جهت حفاظت از سواحل و جاده های ساحلی آن بسیار تأثیر گذار خواهد بود.
سینا روغنیان در سال 1389 خصوصیات هیدرولیکی جریان در رودخانه کارون را با استفاده از مدل CCHE2D بررسی نمود.[13] پیمان طاهری نیز در سال 1389 با استفاده از نرم افزار CCHE2D هیدرولیک جریان و رسوب را در رودخانه کرخه با استفاده از نرم افزار CCHE2D مورد مطالعه قرار داد.
مدل کامپیوتری GSTARS مدل تعمیم یافته لوله جریان برای شبیه سازی رودخانه های آبرفتی است که ابتدا توسط مولیناس و یانگ جهت شبیه سازی شرایط جریان به روش شبه دو بعدی و شبیه سازی تغییر هندسی کانال به روش شبه سه بعدی در سال 1987 ابداع گردید. این مدل توسط یانگ و همکارانش تجدید نظر و اصلاح گردید و با عنوان GSTARS2.1 که یک مدل عددی برای شبیه سازی جریان و رسوبگذاری در رودخانه های آبروفتی بزرگ بود ارائه گردید.
شایان ذکر است که GSTARS3 مدل یافته انتقال رسوب برای شبیه سازی رودخانه های آبرفتی که آخرین نسخه از سری مدل های عددی برای شبیه سازی انتقال جریان آب و رسوب در رودخانه آبرفتی می باشد در سال 2002 ارائه گردید.
مدل ریاضی TCM یکی دیگر از مدلهای یک بعدی است که توسط قمشی در سال 1374 ارائه شد. این مدل از نظر ساختار مشابه مدل HEC-6 می باشد اما قابلیت شبیه سازی جریان غلیظ را نیز دارد . این مدل در سدهای دز و کرخه مورد استفاده قرار گرفته است.
مواد و روشها
سد دز بلندترین سد ایران و در زمان ساخت نیز مرتفع ترین سد مخزنی در خاورمیانه بوده است. این سد از نوع بتنی دو قوسی بوده و بر روی رودخانه دز در استان خوزستان، جنوب غربی ایران ساخته شده است. محل سد در 25 کیلومتری شمال شهرستان دزفول قرار دارد. رودخانه دز که از ارتفاعات غربی زاگرس - کوههای بختیاری - سرچشمه می گیرد از نظر میزان آبدهی دومین رودخانه ایران محسوب می شود و در 45 کیلومتری شمال اهواز به رودخانه کارون می پیوندد .این سد 125000 هکتار از اراضی پایین دست را آبیاری می کند و نیروگاه آن دارای قدرت نصب 520 مگا وات می باشد. از دیگر اهداف این سد کنترل سیلاب های بالادست آن می باشد.
مدل CCHE2D در سال 1997 در مرکز بین المللی محاسبات علوم آب و مهندسی توسط وانگ، سام و جیا زیر نظر دانشگاه می سی سی پی آمریکا تهیه گردید. در سالیان اخیر مدل مذکور به تدریج توسعه یافته به طوری که نگارش آخر آن - CCHE2D 3.2 - از قابلیتهای زیادی در زمینه شبیه سازی آب و رسوب برخوردار میباشد. کدهای این برنامه با استفاده از زبان برنامه نویسی فرترن 90 نوشته شده است.
به طور کلی این مجموعه شامل دو مدل جداگانه میباشد. یکی مدل مش بندی و دیگری مدل . CCHE2D-GUI مدل مش بندی با ایجاد قابلیت تولید شبکه با ساختار از خطوط منقطع محیطی ایجاد مینماید که معادلات آب و رسوب به کار رفته در مدل CCHE2D-GUI بتوانند طبق روش عددی المانهای محدود گسسته شوند. مدل CCHE2D-GUI یک مدل دو بعدی متوسط عمقی میباشد که شرایط جریان در این مدل به صورت غیرماندگار است و میتواند در این حالت جریان آب و رسوب را بر اساس روش المانهای محدود شبیه سازی کند.
شبیه سازی جریان آب بر اساس حل معادلات متوسط عمقی ناویر- استوکس میباشد. تنش برشی متلاطم با استفاده از تخمین بوزینسک محاسبه میگردد و برای محاسبه لزجت گردابهای متلاطم از سه مدل توربولانت مختلف میتوان استفاده نمود. مجموعه معادلات حاصله به صورت ضمنی با استفاده از روش حجم کنترل و عناصر موثر حل میگردند.
استفاده از این روش نوسانهای عددی را از بین برده و حل پایداری ارایه می نماید. شبیه سازی جریان رسوب - چسبنده و غیر چسبنده - با استفاده از مدلهای انتقال غیر تعادلی انجام میگیرد. از سه روش انتقال مختلف برای شبیه سازی بار بستر، بار معلق و بار کل استفاده میگردد. معادلاتی که در این قسمت به کار برده میشوند عبارتند از معادلات انتقال بار بستر، بار معلق و معادله تغییرات تراز بستر. این معادلات به روش عناصر موثر یا تفاضلهای نمایی حل میشوند.
در مطالعه موردی حاضر برای وارد کردن هندسه مخزن به مدل، از یک نقشه توپوگرافی منحنی میزان استفاده میشود که باید با کمک نرمافزارهای دیگر به فرمت مورد نیاز تبدیل شود. فایل توپوگرافی حاصل، شامل مشخصات طولی، عرضی و ارتفاعی نقاط واقع در محدوده مخزن سد خواهد بود.
برای آمادهسازی شبکه محاسباتی مورد نیاز CCHE2D، لازم است تا ابتدا با کمک CCHE Mesh Generator محدوده محاسبات به یک شبکه منظم از گرهها با مختصات مشخص تبدیل شود.
