بخشی از مقاله
خلاصه
با افزايش روز افزون رسوبات ته نشین شده در مخازن سد ها و محدوديت هاي موجود در احداث سد هاي جديد، خارج كردن رسوبات از مخازن اهمیت زيادي دارد. خارج كردن رسوبات با روشهاي متفاوتي از جمله برداشت مكانیكي رسوبات، سیفون كردن رسوبات، اليروبي توسط پمپ و رسوبزدايي هیدرولیكي با استفاده از گشودن دريچه هاي تحتاني - عملیات فالشینگ - انجام ميشود.
آگاهي از نحوه حركت رسوبات در زمان هاي مختلف هنگام عملیات فالشینگ بحثي است كه به دلیل محدوديت در كمیت آب ذخیره شده و نیز مشكلاتي كه در استفاده از نیروگاهها به وجود مي آورد حائز اهمیت فراواني است. در اين راستا استفاده از مدل هاي عددي مي تواند جايگزين مناسبي براي مدل هاي فیزيكي باشد. در تحقیق حاضر كه با بكار بردن مدلMIKE و با استفاده از داده هاي رسوب زدائي و نقشه هیدروگرافي مخزن سد، با در نظر گرفتن سطح آب انجام گرفته است، روند شبیه سازي براي بررسي تغییرات رسوب بستر و میزان رسوب انتقال يافته به خارج مخزن در سد سفید رود در يک بازه زماني بكار گرفته شده است.
1. مقدمه
امروزه جديترين خطر براي مرگ زود هنگام سدها، خطر رسوبگذاري مخازن آنها است. اين خطر بويژه در كشورهاي در حال توسعه كه در آنها مديريت حوزههاي آبريز با چالشها و نابسامانیهاي مختلفي روبروست، بسیار ملموستر است. در ايران ساالنه بین 175 میلیون تا 250 میلیون متر مكعب از حجم مخازن سدها در اثر رسوبگذاري از بین مي رود، نرخ ساالنه كاهش حجم مخازن ايران به صورت متوسط بین نیم تا هفتاد و پنج درصد متغیر مي باشد كه متأسفانه اين نرخ با گذشت زمان رو به افزايش است.
لازم است توجه كنیم كه رسوبگذاري به میزان 200 میلیون متر مكعب در سال به معني آن است كه هر سال 2 سد مخزني ايران هر يک با حجم 200 میلیون متر مكعب به نیمه عمر خود مي رسند. از سوي ديگر رسیدن يک سد به نیمه عمر خود يعني از دست دادن نیمي از حجم مخزن يا از دست دادن قابلیت تنظیم براي هدفهايي كه براي آن طراحي و ساخته شده است.
فرآيند رسوبگذاري از زماني كه عملیات سدسازي روي رودخانه اتمام پذيرد، آغاز شده و تا هنگامي كه مخزن كمالً با رسوب پر شود، پايان ميپذيرد. رسوبگذاري به طور طبیعي انجام ميگیرد و پیشگیري از وقوع آن ناممكن است. فرآيندي كه آغاز شده است را نميتوان متوقف كرد ولي ميتوان با انجام بعضي عملیات پیشگیرانه عملكرد آن را محدود ساخت. شدت و نسبت فرآيند رسوبگذاري در يک مخزن به فاكتورهاي مختلفي از جمله شرايط اقلیمي و جغرافیايي منطقه و مخزن، هیدرولوژي و زمینشناسي حوزه مخزن و رودخانه، وجود عملیات مختلف عمراني در حوزه مخزن و اندازه مخزن و حوزه آن و بسیاري عوامل ديگر بستگي دارد.
رسوب زدایی از مخازن سدها
رسوبزدايي از مخزن به مجموعه فعالیتهاي مهندسي برداشت رسوب از مخزن به منظور بازيافت ظرفیت ذخیره از دست رفته در اثر رسوبگذاري در مخزن براي افزايش عمر مفید مخزن و رسیدن به اهداف از پیش تعیین شده است.اساساً دو روش براي رسوب زدايي از مخازن وجود دارد: استفاده از تكنیکهاي مكانیكي و هیدرولیكي: تكنیکهاي هیدرولیكي شامل فالشینگ و سیفونینگ و تكنیکهاي مكانیكي شامل روشهاي حفاري و اليروبي ميباشد. گاهي اين دو روش را همزمان بكار ميبرند تا تأثیر آنرا افزايش دهند.
فالشینگ رسوب از مخازن تكنیكي است كه بوسیله آن رسوبات انباشته شده در مخزن بطور هیدرولیكي فرسايش يافته و با جريان شتاب داري كه در اثر باز شدن دريچه تحتاني سد ايجاد شده است، تخلیه ميگردد و تراز سطح آب در مخزن پايین ميآيد
شکل-1 شکل شماتیک رسوبزدایی
اساساً دو روش فالشینگ در مخزن وجود دارد: - 1 فالشینگ با كاهش تراز آب - 2 فالشینگ بدون كاهش تراز آب فالشینگ با كاهش تراز آب بر روي ذرات رسوبي اثرات وسیع تري دارد و در طول و عرض مخزن گسترش مييابد - شكل -2 الف - ولي فالشینگ بدون كاهش تراز آب، اثرات محلي داشته و تنها براي رسوبزدايي اطراف ورودي آبگیرها وقتي رسوبات گوهاي شكل تشكیل ميشود، بكار ميرود -
شکل -2 دامنه تاثیر عملیات فالشینگ در دو نوع عملیات الف - فالشینگ آزاد ب - فالشینگ تحت فشار
بسته به شدت كاهش تراز آب مخزن، فالشینگ در شرايط با سطح آزاد يا تحت فشار رخ ميدهد. فالشینگ در شرايط سطح آزاد، عملیاتي است كه تخلیهكنندهها كامالً باز بوده و سطح آب در مخزن به طور عمده كاهش يابد ولي از تراز پايینترين آبگیر كمتر نشود. در حالیكه فالشینگ در شرايط تحت فشار كه در اين تحقیق مورد بررسي قرار گرفته است، عملیاتي است كه تراز سطح آب كمي باالتر از دريچه هاي تخلیه انجام شود و جريان روزنهاي با جريان مخزن تداخل نداشته باشد. در اين حالت قسمتي از رسوب بخاطر اثر مكشي عبور جريان از آبگیرها فرسايش يافته و از آبگیرها به خارج از مخزن انتقال مي يابد.
2. مواد و روشها
-1-2 معرفی محدوده مطالعاتی
سد سفیدرود در 70 كیلومتري جنوب رشت و 100 كیلومتري درياي خزر كمي پائینتر از شهر منجیل در محل تالقي دو رودخانه قزلاوزن و شاهرود قرار گرفته است. در سال 1359 پس از 17 سال بهرهبرداري عادي، حدود 700 میلیون متر مكعب رسوب در مخزن نهشته شد. به گونهاي كه ظرفیت مخزن سد از 1765 میلیون متر مكعب به حدود 1050 میلیون متر مكعب كاهش يافت بعبارت ديگر حدود % 40 ظرفیت مخزن براي تنظیم جريانهاي ورودي از دست رفت. به اين ترتیب در ادامه سیاست بهرهبرداري از سد سفیدرود، مانور رسوبزدائي جاي آبگیري مخزن در باالترين تراز ممكن - كه به منظور تأمین بارآبي بر روي توربینها و تولید هرچه بیشتر انرژي الكتريكي كه در 17 سال اول بهرهبرداري معمول بوده است - در اين تحقیق با توجه به اينكه رسوبزدايي تحت فشار بیشتر رسوبات انباشته شده در نزديكي تاج سد را تخلیه مي كند لذا قسمتي از مخزن سد سفید رود نزديک محل سد تا فاصله دو كیلومتري از محل سد شبكه بندي شده است
شکل - 3 محدوده مطالعاتی طرح
-2-2 مدل MIKE3
يكي از قدم ها در استفاده از شبیه سازي عددي در مطالعات، انتخاب مدل عددي مناسب براي مسئله مورد نظر مي باشد. يكي از نرم افزارهاي موجود جهت شبیه سازي جريان و رسوب مدل MIKE3 مي باشد. نرم افزار MIKE3 يک مجموعه مدل رياضي سه بعدي است كه توسط مؤسسه DHI دانمارک تهیه شده و براي شبیه سازي میدان جريان با سطح آزاد، پارامترهاي كیفي آب، جابجائي رسوب و روند رسوب گذاري و فرسايش مورد استفاده قرار مي گیرد.
اين نرم افزار بر اساس روش تفاضل هاي محدود بر شبكه منظم تهیه و مي تواند در قسمت هاي مورد نیاز از شبكه بندي ريزتر در دل شبكه محاسباتي اصلي نیز بهره گیرد. بعضي از امكانات اين مدل آن را براي بكارگیري در مخازن سد ها در شرايط مختلف مناسب نموده است. از اين میان مي توان به محاسبه توزيع فشار در عمق به صورت هیدرودينامیک، امكان شبیه سازي روند تر و خشک شدن محدوده محاسباتي در مدل سه بعدي و شبیه سازي جريان هاي سه بعدي و شبیه سازي جريان هاي ثقلي نظیر جريان هاي غلیظ اشاره كرد.
نرم افزار MIKE3 روند رسوب گذاري و فرسايش را هم براي رسوبات چسبنده و هم غیر چسبنده شبیه سازي مي نمايد. براي محاسبه رفتار رسوبات چسبنده در اين مدل مي توان به طور همزمان طیف دانه بندي رسوبات و متغیر بودن مشخصات بستر به صورت چند اليه را در نظر گرفت. اين امتیاز بزرگي براي مدل مزبور در جهت شبیه سازي مسائل تركیبي رسوب گذاري و رسوب زدائي در مخازن سدها مي باشد.
لحاظ كردن طیف دانه بندي به افزايش دقت شبیه سازي روند رسوب گذاري كمک كرده و لحاظ كردن اليه بندي بستر براي شبیه سازي روند فرسايش مورد نیاز مي باشد. امكان تركیب اين دو توانائي براي شرايطي كه هم رسوب گذاري و هم فرسايش از اهمیت برخوردار مي باشند، مزيت قابل توجه مي باشد.يكي از شرايط مهم براي امكان بكارگیري مدل هاي سه بعدي در مسائل كاربردي مخزن سد، آن است كه فاصله ي گره هاي محاسباتي در راستاي عمق بتواند بسیار كمتر از فاصله ي گره هاي محاسباتي در صفحه افقي انتخاب شود.
در غیر اينصورت تعداد گره هاي محاسباتي مورد نیاز بیش از آن خواهد بود كه بتوان در كاربردهاي مخزن سد بتوان قرار داد. مدل هاي سه بعدي براي دارا بودن اين توانائي بايد تمهیدات خاصي در نظر گرفته باشند تا از نا پايداري محاسبات جلوگیري شده و محاسبات پارامترهاي مهمي نظیر اغتشاش در راستاي قائم و افقي به درستي انجام گیرد. مدل MIKE3 با در نظر گرفتن چنین نیازهايي تهیه شده است.
با توجه به اين كه در مش بندي نامنظم قابلیت اعمال مرز باز - قسمتهايي كه داخل مخزن قرار مي گیرند - بدون اطالعات رسوب در مدل وجود دارد، فقط از مش بندي نا منظم براي كالیبراسیون و نتیجه گیري استفاده شده است. در شكل 4 شبكه بندي مخزن سد سفید رود نشان داده شده است.در مدل حاضر با توجه به مدت زمان زياد جهت اجراي كامل مدل و همچنین براي رفع خطاهاي اولیه و پیدا كردن يک ديد كلي نسبت به مدلسازي جريان، ابتدا مدل با شبكه بندي درشت تر و در بخشي از زمان كامل 19 روز شبیه سازي اجرا شد و مشاهده شد كه در فالشینگ تحت فشار در طي 5 روز تخلیه صورت میپذیرد.
