بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه شبیه سازي حرارت و اکسیژن محلول مخزن سد شیرین دره توسط مدل دوبعدي متوسط گیري شده در عرض CE-QUAL-W2 در یک دوره یازده ماهه - آذر ماه 1390 لغایت آبان ماه - 1391 انجام گرفت. نتایج لایه بندي حرارتی مخزن نشان داد که این مخزن جزء دسته مخازن مونومیکتیک گرم می باشد که داراییک دوره چرخش سالیانه است و دوره واژگونی آن حدود 4 ماه می باشد. میزان خطاي میانگین مطلق و مجذور میانگین مربعات خطا در مورد حرارت در طول دوره شبیه سازي بترتیب 1. 02 و 1.29 درجه سانتیگراد و در مورد اکسیژن محلول بترتیب 1.84 و 1.97 میلیگرم در لیتر بدست آمد.
در ادامه با توجه به کاهش میزان اکسیژن محلول در زیر لایه در تابستان، تاثیر قرارگیري استفاده از دستگاهی در زی ر لایه براي افزایش میزان اکسیژن محلول در این لایه توسط مدلسازي بررسی شد. نتایج نشان داد که استفاده از دستگاهی با قدرت 6250 کیلوگرم اکسیژن در روز با ناحیه تاثیر 5 متر بطوریکه در مدت 61 روز در طول سال شروع بکار کند، شرایط کمبود اکسیژن محلول در زیرلایه را از بین می برد.
-1 مقدمه
با توجه به رشد جمعیت دنیا در دهه هاي آتی نیاز بشر به تامین آب سالم موردنیاز امري ضروري است و اهمیت به مسائل کیفی آب بایستی همردیف با مسائل کمی تامین آب مورد توجه قرار گیرد. چرا که در اثر عدم حفاظت و کنترل کیفیت منابع آب بروز مشکلاتی نظیر آلودگی منابع آب و محصولات کشاورزي، هزینه هاي زیاد تصفیه آب، انتقال اپیدمی هاي خطرناك از طریق آب آلوده و ... گریز ناپذیر است. خوشبختانه در کشور ما هم اهمیت کیفی منابع آب و مدیریت کیفیت مخازن سدها در سالهاي اخیر مورد توجه قرار گرفته است و در شماري از سدهاي کشور برنامه پایش کیفی مخازن در نظر گرفته شده است.
در دهه هاي اخیر با پیشرفت چشمگیر در زمینه رایانه از یک سو و از سوي دیگر پیچیدگی روابط حاکم بین پارامترهاي کیفی درون مخازن سدها، مدل هاي عددي بسیاري براي حل مسائل مربوط به کیفیت آب در مخازن تولید شده اند. صرفنظر از بعد مدل، بعضی از مدل ها با توجه به استفاده گسترده در مناطق مختلف جهان جنبه تجاري پیدا کرده اند و می توان به نتایج حاصل از آنها با دقت زیادي اطمینان حاصل کرد. از جمله این مدل ها مدل دوبعدي متوسط گیري شده در عرض CE-QUAL-W2 می باشد. در ادامه به چند کاربرد استفاده از این مدل در مخازن اشاره شده است.
گلدا و همکاران در سال 1998 مدل CE-QUAL-W2 را براي شبیه سازي دما در مخزن کانونسویل در ایالات متحده بکار بردند. مدل توسط دادههاي دماي بدست آمده در فاصله زمانی آوریل تا نوامبر 1995 که به صورت هفتگی برداشت شده بود، کالیبره گردید. سپس توسط داده هاي سال 1994 تا 1998 صحت سنجی شد. نتایج شبیه سازي نشان داد که مدل به خوبی توانسته است زمان شروع اختلاط، دوره لایه بندي، ضخامت رولایه و زیرلایه را در دوره لایه بندي و نیز دماي لایه ها را شبیه سازي کند. خطايRMSE مقدار 1.17 درجه سانتیگراد بدست آمد.
کیم و کیم - 2006 - به شبیهسازي حرارت و جریانهاي گلآلود در شرایط آب و هوایی منسون در مخزن سد سویانگ کره پرداختند. این مخزن جزو دسته مخازن گرم داراي یک دوره چرخش سالیانه1بشمار میرود که حرارت مخزن هیچگاه کمتر از 4 درجه سانتیگراد نمیشود. کالیبراسیون مدل با استفاده از داده هاي موجود بین جولاي تا سپتامبر 1996 انجام شد. میزان خطاي ریشه میانگین مربعات در مورد حرارت 1.44 درجه سانتیگراد بدست آمد و مدل توانست دوره اختلاط و لایه بندي در مخزن را به خوبی پیش بینی کند. نتایج شبیه سازي و مشاهداتی نشان داد که بعد از شرایط منسون در مخزن، میان لایه به دو قسمت تقسیم میشود.
یک قسمت که تغییرات آن تقرباًی یکنواخت است و قسمتی که گرادیان تغییرات آن زیادتر بوده و در بالا و پایین قسمت مذکور قرار دارند. شنگ وي و همکاران در سال 2008 به بررسی لایه بندي حرارتی در مخزن سد کوریس در قبرس توسط مدل دوبعديCE-QUAL-W2 پرداختند. این مخزن در اغلب طول سال داراي لایه بندي حرارتی بوده و در اوایل بهمن اختلاط در مخزن رخ می دهد که پارامترهاي هواشناسی بعنوان مهمترین پارامترهایی هستند که بر شروع اختلاط در مخزن تاثیرگذارند.
آنها در ادامه اثر آبگیري انتخابی را بر روي لایه بندي حرارتی در مخزن سد با تعریف سناریوهاي برداشت آب از ترازهاي مختلف مورد بررسی قرار دادند و نتیجه گرفتند که طرح هاي مختلف برداشت آب نتوانست بر روي الگوي لایه بندي مخزن در طول سال تاثیري داشته باشد و علت آن حجم برداشت آب نسبتا کم از سد بود. با این حال خروج آب از لایه هاي عمیق تر توانست انتقال حرارت از سطح به عمق را تسهیل بخشیده و باعث عمیق تر شدن رولایه شد. امیري و همکاران - 1388 - به بررسی لایهبندي حرارتی در مخزن سد سفیدرود توسط مدل CE-QUAL-W2 پرداختند.
نتایج شبیهسازي نشان داد که مخزن سد سفیدرود جزو دسته مخازن با اختلاط کامل محسوب میشود که توزیع حرارت در طول سال تقرباًی یکنواخت است. سپس توسط آنالیز حساسیتی که بر روي مدل انجام شد، عواملی نظیر ابعاد هندسی مخزن، زمان ماند، سرعت زیاد باد در منطقه و شرایط اولیه در بالادست را به عنوان عواملی که بر حذف لایهبندي موثرند، عنوان کردند.
خواجه پور و همکاران در سال 1391 لایه بندي حرارتی مخزن سد پانزده خرداد را در یک دوره ده ماهه بررسی کردند. آنها پس از آنالیز حساسیت ضرایب مختلف بر روي پروفیل هاي حرارتی، با معرفی روشی صحیح جهت انجام کالیبراسیون، پروفیل هاي حرارتی در مخزن سد پانزده خرداد را شبیه سازي کردند. میزان خطاي متوسط مطلق در طول دوره شبیه سازي براي کلیه بخش ها در حدود 0.45 درجه سانتیگراد بدست آمد که نشان از موفقیت روش بکار برده در کالیبراسیون بود. ضمن اینکه روش ایشان علاوه بر دقت شبیه سازي، در میزان زمان لازم براي کالیبراسیون تاثیر گذار بوده و از آن می کاست.
در این مقاله با استفاده از مدل شبیه سازيCE-QUAL-W2 و با استفاده از داده هاي میدانی و آزمایشگاهی - آذرماه 1390 تا آبان ماه - 1391 شبیه سازي حرارت و اکسیژن محلول در مخزن سد شیرین دره انجام گرفت. عدم هواگیري مستقیم زیرلایه در دوران لایه بندي حرارتی و همچنین افزایش میزان مصرف اکسیژن بدلیل ازیاد مواد مغذي و رشد میکروارگانیسم ها باعث می شود تا زیرلایه در دوران لایه بندي حرارتی با مشکل کمبود اکسیژن مواجه شود. این امر واکنشهاي احیاي عناصر را به همراه داشته که در نهایت باعث ایجاد طعم و بو در آب می گردد.
با توجه به اینکه تراز خروجی مخزن سد شیرین دره در زیرلایه قرار دارد، آبگیري از لایه هاي مذکور و انتقال آن به تصفیه خانه هاي آب آشامیدنی نه تنها میزان مصرف مواد شیمیایی و هزینه هاي تصفیه را افزایش خواهد داد، بلکه در برخی موارد می تواند مشکلات اجتماعی بسیاري را همراه داشته باشد. لذا در این مقاله، از مدل کالیبره شده مخزن سد شیرین دره استفاده شده و تاثیر مدلسازي دستگاه اکسیژن دهی زیرلایه بر بهبود کیفیت اکسیژن زیرلایه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از این مدلسازي می تواند اطلاعات ارزشمندي را براي ارزیابی استراتژي هاي مختلف مدیریت در اختیار تصمیم گیرندگان قرار دهد.
-2 مواد و روشها منطقه مورد مطالعه
سد مخزنی شیریندره از نوع خاکی با هسته رسی بوده که بر روي رودخانه شیرین دره در 65 کیلومتري شهر بجنورد با ظرفیت مخزن 91.5 میلیون متر مکعب و ظرفیت تنظیم آب برابر با 65.8 میلیون متر مکعب و ارتفاع 65 متر از پی بر روي رودخانه شیریندره احداث گردیده است. هدف از احداث این سد علاوه بر کنترل و مهار آب هاي سطحی، تامین سالانه 20 میلیون متر مکعب آب آشامیدنی مورد نیاز براي شهر بجنورد و روستاهاي مسیر خط انتقال، پنج میلیون متر مکعب آب مورد نیاز صنایع و همچنین تامین آب لازم براي بهبود و توسعه کشاورزي شش هزار و 300 هکتار اراضی پایین دست میباشد.
معرفی مدل عدديCE-QUAL-W2
این مدل در پایگاه آزمایش هاي مربوط به آبراهههاي ارتش آمریکا ساخته شده است.CE-QUAL-W2 یک مدل و نرم افزار محاسبه دوبعدي و در عرض میانگین میباشد که قادر به مدل کردن کیفیت پیکرههاي آبی میباشد. قسمت اعظم این برنامه به زبان FORTRAN نوشته شده است و در ویرایش دوم آن، تنها تحت سیستم DOS اجرا میشود. اما در ویرایش سوم با کمک گرفتن از پیش پردازشگرهاي خاص، این برنامه به گونهاي تغییر یافت تا کاربر بتواند از نرمافزار در محیطWindowsاستفاده نماید.
این مدل همانند سایر مدلهاي متداول براي بررسی تغییرات مکانی و زمانی غلظت پارامترهاي کیفی در مخازن و دریاچه ها، از مدلسازي ریاضی استفاده مینماید. در مدلهاي ریاضی، معادلات دیفرانسیل حاکم بر تغییرات کمی و کیفی سیستم با استفاده از روشهاي عددي حل میگردد. خروجی این برنامه به صورت دادههاي آماري میباشد و به کاربر این اجازه را میدهد که از خروجیهاي مساله به عنوان دادههاي جدید استفاده کند.
مدل از یک گام زمانییکسان و شبکه بندي فضایی براي همزمان کردن شبیه سازي هیدرودینامیک و کیفی آب استفاده می کند که این روش، زمان محاسبات را کاهش می دهد. این مدل بر اساس روش تفاضل محدود، معادلات متوسطگیري شده در عرض شامل معادله سطح آزاد آب، مومنتم در جهت z، مومنتم در جهتx، پیوستگی، انتقال اجزا و معادله حالت که ارتباط بین دانسیته، دماي آب و غلظت مواد جامد محلول و معلق را برقرار میکند، مورد حل قرار داده و قادر به محاسبه تراز سطح آزاد، فشار، دانسیته، سرعت قائم و افقی و غلظت اجزا میباشد.
