بخشی از مقاله
چکیده
از عوامل مهم رسوب گذاری مخازن سدها جریان های گل آلودی است که با افزایش غلظت رسوبات معلق در جریان رودخانه های ورودی وارد مخازن سدها می شوند و ظرفیت آب مخازن و عمر مفید آن ها را کاهش می دهند. باز کردن دریچه های تحتانی سد روش متداول جهت تخلیه این جریان ها و حفظ حجم مفید مخزن می باشد. در انجام این عملیات اطلاع از نحوه حرکت جریان رسوبی، پخش و گسترش طولی، عرضی و عمقی و زمان رسیدن آن ها به بدنه سد در مدیریت بهینه زمان باز و بسته شدن دریچه ها مهم می باشد.
در این مقاله، پیشروی جریان گل آلود در مخزن سد سفیدرود با استفاده از مدل Mike3 در حالت مش بندی نامنظم شبیه سازی شد. نتایج نشان داد که بعد از واقعه سیلابی که از روز 86/1/23 و 9:20 صبح شروع شد اولین زبانه های جریان گل آلود در روز 86/1/24 و 10:20 صبح از طریق شاخه شاهرود سریع تر به بدنه سد رسیده و زمان باز شدن دریچه ها را برای خروج جریان گل آلود تعیین می کنند.
بررسی پروفیل غلظت رسوبات معلق نشان می دهد که با پیشروی به سمت سطح آب غلظت کاهش می یابد و ماکزیمم غلظت در جریان گل آلود ورودی رودخانه قزل اوزن و شاهرود به مخزن به ترتیب 16 kg/m3 و 12/52 kg/m3 می باشد در حالیکه با رسیدن به سد تا 3/93 kg/m3 کاهش می یابد.
مقدمه
رسوبگذاری در مخازن سدها و در پی آن کاهش عمر مفید آن ها یکی از مهمترین نگرانی هایی است که توجه دانشمندان را جلب کرده است. انباشت رسوبات، با کاهش حجم ذخیره مخزن در بلند مدت از راندمان عملکرد مخزن کاسته و بازده اقتصادی آن به شدت پایین می آید و سر انجام ظرفیت برای تنظیم جریان، تولید انرژی و کنترل سیلاب کاهش یافته و به مرور زمان حذف می گردد
داده های دقیقی در رابطه با نرخ رسوب گذاری در مخازن در جهان وجود ندارد، اما به طور معمول 1 تا 2 درصد از ظرفیت ذخیره مخازن در سرتاسر دنیا در اثر رسوبگذاری به طور سالیانه از دست می رود در حالی که افزایش سالیانه حجم ذخیره در اثر ساخت مخازن جدید نزدیک به 1 درصد می باشد، که مشکل را قابل تحمل تر می کند
در بیشتر مخازن، انتقال و ته نشینی رسوبات ریز دانه با جریان های گل آلود در ارتباط هستند. این جریان ها هنگامی بوجود می آیند که در زمان وقوع سیلاب، جریان رودخانه مملو از رسوب وارد مخزن می شود و در زیر آب ساکن و زلال مخزن غوطه ور می گردد.
در این حالت ذرات درشت دانه تر در ناحیه دلتا سقوط کرده و جریان با غلظت رسوبات معلق بالا به صورت جریان چگال زیر سطحی به حرکت خود در عمق مخزن و در طول خط القعر به صورت ثقلی ادامه می دهد. با تفاوت چگالی ایجاد شده توسط رسوبات معلق ریز دانه و همچنین شیب کف زیاد مخزن، جریان های گل آلود قادر به انتقال مقادیر زیادی از رسوبات در مسافت های طولانی هستند و به سمت عمیق ترین منطقه در نزدیکی سد حرکت می کنند .[3] شکل - 1 - پیشروی جریان گل آلود در مخزن سد را نشان می دهد.
شکل - 1 - شکل شماتیک جریان های گل آلود در داخل مخزن سد
ته نشین شدن رسوبات ریز دانه توسط جریان های گل آلود علاوه بر کاهش ظرفیت ذخیره آب مخزن، عملکرد دریچه های تحتانی و دهانه های آبگیر برای تولید برق را تحت تاثیر قرار می دهد و منجر به انسداد آن ها می گردد و بر اکولوژی مخزن تاثیر می گذارد. همچنین جریان های گل آلود بواسطه دریچه های تخلیه تحتانی سد، فرآیند کنترل کننده در رسوبگذاری مخزن هستند.
بطوری که در مواقع سیلابی با مانور مناسب دریچه های تخلیه تحتانی سد، می توان نوعی تخلیه هیدرولیکی رسوب از مخازن را انجام داد و به عنوان یکی از روشهای متداول رسوبشویی هیدرولیکی مخزن مطرح می باشند .[4] لذا شناسایی و تعیین نحوه حرکت و زمان رسیدن جریان های گل آلود به بدنه سد در مدیریت مخزن و زمان باز و بسته شدن دریچه ها بسیار کمک می کند و بنابراین مطالعه حرکت جریان های گل آلود در مخازن از نوع تحقیقاتی است که در جهت وصول به هدف فوق، اطلاعات گرانبهایی را در اختیار قرار خواهد داد.
با توجه به اهمیت جریان های گل آلود در رسوبگذاری و همچنین تخلیه مواد رسوبی از مخازن سد، مطالعات گسترده ای در زمینه جریان های گل آلود صورت گرفته است. اوهی و شلیس - 2007 - به بررسی کنترل جریان گل آلود توسط موانع نفوذپذیر و نفوذناپذیر در مخازن سدها بوسیله شبیه سازی عددی و مشاهدات آزمایشگاهی پرداختند.
نتایج نشان داد طراحی مناسب موانع می تواند جریان گل آلود را به میزان زیادی تحت تأثیر قرار دهد .[5] سکوییرس و همکاران - 2009 - به بررسی مدیریت رسوب با استفاده از جت و جریان گل آلود در مخزن سدی در شیکاگو پرداختند. آنها در این مطالعه به تعیین امکان سنجی فرسایش پذیری رسوبات ریزدانه بستر بوسیله جت وانتقال آن بوسیله جریان گل آلود پرداختند. نتایج نشان داد مقادیر زیادی از رسوب درنزدیکی ناحیه تخلیه جت می تواند فرسایش یافته و قسمتی از رسوب فرسایش یافته می تواند توسط جریان گل آلود به پایین دست انتقال یابد
محمد نژاد و شمسایی - 1387 - حرکت جریان های زیر سطحی و گل آلود در مخازن سدها را با استفاده از مدل سازی عددی شبیه سازی کرده و یک مدل عددی دو بعدی قائم با روش حل احجام محدود را برای بررسی ساختارهای قائم آن توسعه داده اند. نتایج نشان می دهند که بیشتر بودن چگالی جریان گل آلود نسبت به آب صاف تر مخزن، باعث می شود که آشفتگی جریان در راستای قائم، در مرز مشترک بین جریان گل آلود و آب صاف مخزن کاهش یابد و همچنین تطابق خوبی بین نتایج حاصل از مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی وجود دارد
رمضانی و قمشی - 1390 - میزان تاثیر جریان های غلیظ بر روند رسوبگذاری مخزن سد سفیدرود را با استفاده از مدل رایانه ای TCM و در یک دوره 30 ساله مورد ارزیابی و تحلیل قرار داده اند. مقایسه بین حالتی که جریان های غلیظ، خود را به بدنه سد رسانده و از سد خارج شوند و حالتی که تاثیر این جریان ها نادیده گرفته شود، انجام شده است.
نتایج نشان می دهند در صورت خروج جریان های غلیظ از سد، بازده تله اندازی برای شاخه قزل اوزن حدود 30 درصد و شاخه شاهرود حدود 20 درصد نسبت به حالت دیگر کاهش می یابد. مقایسه بین این دو حالت نشان می دهد در صورت خروج جریان های غلیظ از سد، متوسط کاهش حجم سالیانه مخزن در شاخه قزل اوزن از 1/07 به 0/73 درصد و در شاخه شاهرود از 0/55 به 0/43 درصد کاهش می یابد
مواد و روشها
مدل ریاضی Mike3
نرم افزار Mike3 یک مجموعه مدل ریاضی سه بعدی است که توسط موسسه هیدرولیک دانمارک1 تهیه شده است. نرم افزار فوق یک سیستم مدلسازی هیدرودینامیکی سه بعدی برای مخازن سدها، دریاچه ها، خلیج ها، مناطق ساحلی و دریاها و برای شبیه سازی جریان های با سطح آزاد، پارامترهای کیفی آب، جابه جایی رسوب و روند رسوب گذاری و فرسایش برای رسوبات چسبنده و غیر چسبنده مورد استفاده قرار می گیرد. این مدل براساس مش بندی منظم و نامنظم تهیه شده است که سیستم حل معادلات در این دو حالت به ترتیب از روش تفاضلات محدود و احجام محدود استفاده می کند.
در مدل Mike3 امکان ایجاد شبکه ی ساخت یافته برای جدا سازی در جهت قائم وجود دارد و یک مش لایه دار به ناحیه حل اضافه می شود که در این صورت المانها 6 وجهی خواهند بود. محاسبات Mike3 در داخل محیط Mike zero انجام شده و نتایج از طریق این نرم افزار مشاهده می شود. آماده سازی داده های ورودی و فایل مش منطقه برای مدل در محیط Mike zero انجام می گیرد. ماژول های مختلفی در مدل Mike3 در حالت مش بندی نامنظم وجود دارد که با توجه به امکانات ماژول هیدرودینامیک2، در این تحقیق از مدل فوق در حالت مش بندی نامنظم برای شبیه سازی جریان گل آلود در مخزن سد سفیدرود استفاده گردید
معادلات حاکم بر جریان در مدل هیدرودینامیک
مدل هیدرودینامیک براساس حل عددی معادلات ناویه - استوکس متوسط گیری شده رینولدزی تراکم ناپذیر سه بعدی با استناد به دو فرضیه بوزینسک و فشار هیدرواستاتیک می باشد. معادلات به کار رفته در مدل عبارتند از:
-1 معادله پیوستگی جریان
-2 معادلات مومنتم
معادلات مومنتم در راستای افقی برای مولفه های x وy به ترتیب بصورت زیر می باشد:
در این معادلات z,y,x مختصات کارتزین در جهت های طولی، عرضی، قائم، w,v,u مولفه های سرعت در جهت های z,y,x، تراز سطح آب، d عمق آب ساکن، h عمق کل آب +G - - K، g شتاب گرانش، S دبی ناشی از چشمه و چاه، us و vs سرعت هایی که آب به داخلآب ساکن جریان می یابد، sinØ f=2؛ پارامتر کریولیس : سرعت زاویه ای چرخشی ، : Ø عرض جغرافیایی - ، چگالی آب، 0 چگالی مرجع آب، pa فشار اتمسفر، t و A به ترتیب لزجت گردابه ای3 قائم و افقی و t زمان می باشند
