بخشی از مقاله
شبیه سازی عددی دو بعدی لایه بندی حرارت و شوری در مخزن سد پانزده خرداد
چکیده
پس از گذشت ۲ سال از بهره برداری سد پانزده خرداد در استان مرکزی، شوری آب مخزن آن رو به افزایش نمود و موجب نارضایتی مردم و نگرانی مسؤولین مربوطه گردید و باعث شد به منظور بررسی و منشأیابی عوامل مؤثر در تغییر کیفیت آب مخزن و راههای جلوگیری از شوری، اقدامات مختلفی انجام گیرد. از آنجا که تا کنون تحقیقات شوری و حرارت بر روی مخزن سد پانزده خرداد به صورت دو بعدی انجام نشده است، در این تحقیق با استفاده از آمار موجود، مدل دو بعدی CE-QUAL-W2 جهت شبیه سازی لایه بندی حرارت و شوری مخزن اجرا و سپس جهت پیشبینیهای آتی کالیبره شده و منحنی های توزیع شوری و حرارت در مخزن به منظور بهرهبرداری بهینه از آن ارائه گردیده است. نتایج حاکی از وجود لایه بندی قوی حرارت و شوری در مخزن به مدت حدودا 200 روز در سال میباشد. شبیه سازی مدل CE-QUAL-W2 در دوران لایه بندی مخزن از دقت مناسب برخوردار است اما در دوران اختلاط مخزن بهدلیل فرض فشار هیدرواستاتیک از دقت کمتری برخوردار است.
کلیدواﮊهها: شبیه سازی عددی ، لایه بندی حرارت ، شوری،سد پانزده خرداد، مدل . CE-QUAL-W2
۱‐ مقدمه
لایه بندی مخزن یعنی لایه هایی از جرمهای سیال که بوسیله اختلاف در دانستیه، اختلاف در درجه حرارت یا مواد محلول(
مانند شوری) و یا مواد معلق ایجاد میگردند. لایه بندی در مخازن نتیجه شرایط آب و هوایی منطقه و خصوصیات جریانات ورودی مخزن و آب رها شده از آن میباشد. در یک سیستم لایه ای شده پروفیلهای کیفیت آب برای برخی پارامترهای کیفی
آب بشرح شکل ۱ میباشند :
همانطوری که در شکل ۱ نشان داده شده است در یک مخزن لایه ای شده سه طبقه یا لایه متمایز میباشد :
۱‐ لایه بالایی یا اپی لیمنیون که مشخصه آن آب گرمتر باشوری کمتر و یا دانسیته کمتر میباشد . این لایه ، یک لایه نازک و
بطور کلی یک لایه یکنواخت از نظر شوری، درجه حرارت و دانسیته میباشد.
۲‐ لایه پایین یا هیپولیمنیون که مشخصه آن آب سردتر و شورتر و با دانسیته بیشتر میباشد . این لایه دارای گرادیان دانسیته کمی میباشد .
۳‐ لایه وسط یا متالیمنیون که صفحه ترموکلاین در آن قرار دارد. این لایه منطقه بین دو لایه بالایی و پایینی را تشکیل میدهد . از مشخصه های این لایه گرادیان زیاد دانسیته و درجه حرارت میباشد.
شوری نیز از خواص بی بعد مهم آبهای طبیعی و صنعتی میباشد و اصولا میتواند از اندازه گیری جرم نمکهای محلول در یک جرم معین محلول بدست آید. به طور کلی تأثیرات افزایش شوری در آبهای طبیعی عبارتند از :
۱. شوری ، تأثیر عمده ای بر طعم آب داشته و مصرف شرب را شدیدا تحت تأثیر قرار میدهد .
۲. از لحاظ کشاورزی و آبیاری ، آب شور رشد گیاهان را متوقف ساخته و ریشه گیاهان را خشک مینماید ، لذا برای مصارف کشاورزی حد مجازی برای شوری تعیین شده است .
۳. افزایش شوری آب باعث کاهش اکسیژن محلول در آب میگردد .
۴. شوری ، چگالی آب را بالا برده و به عنوان یکی از عوامل لایه بندی مخازن ، مطرح میباشد .
وجود لایه های سنگینتر، سردتر،شورتر و با اکسیژن محلول کمتر در کف مخازن تغییرات عمدهای در کیفیت آب ایجاد کرده و اهمیت شناخت لایه بندی را دوچندان میکند. شناخت این پدیده و پیشبینی آن قبل از احداث سد میتواند کمک مؤثری به کارشناسان و مدیران در انتخاب محل مناسب نصب دریچه های آبگیر سدها نماید تا همواره کیفیت آب مصرفی متناسب با نوع
مصرف بوده و از فشار بار ورودی به تصفیه خانه آب کاسته شود.
۲‐ مدل شبیه سازی مخزن
مدلهای شبیه سازی مخزن براساس ابعاد (یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی) ، زمان (دائمی و غیر دائمی بودن) ویا براساس تعداد ونوع موادی که شبیه سازی میشوند تقسیمبندی میشوند. در این تحقیق از یک مدل دوبعدی عمقی استفاده شده است.
۲‐۱ ‐ مدلهای دو بعدی عمقی
• این مدلها در شبیه سازی مخازن باریک(دراز) و عمیق و و لایه بندی شده و بدون تغییرات زیاد سطح آب(در عرض مخزن) قابل استفاده میباشند و اطلاعات خوبی از لایه بندی مخزن بدست میدهند.
• فرض برآنست که مخزن در جهت عرض کاملا مخلوط شده است، لذا جریانهای جانبی وارد شده به مخزن یا خارج شده از آن قابل شبیه سازی نمیباشند.
۲‐۲‐ مدل CE-QUAL-W2
مدل CE-QUAL-W2 یک مدل عددی دو بعدی است که هیدرودینامیک و کیفیت آب پیکره های آبی را در دو راستای قائم و طولی مدل مینماید. این مدل توزیع قائم و طولی انرﮊی حرارتی و مواد شیمیایی و بیولوﮊیکی انتخاب شده را در پیکره آبی در طول زمان شبیه سازی می کند و قابلیت ارزیابی آثار بهره برداری مخزن بر پارامترهای کیفی آب را دارا میباشد. این مدل در پیکره آبی ، حجم ، سطح آب ، چگالی ، سرعتهای قائم و طولی ، دما و غلظت اجزای کیفی را به خوبی معین میسازد. بدلیل آنکه فرض مدل همگن بودن پیکره آبی در جهت عرضی است لذا این مدل برای پیکره های آبی نسبتا طولانی با عرض کم که در طول و عمق دارای گرادیان کیفیت آب میباشند مناسب خواهد بود.بنابراین مشخص است که مدل برای پیکره های آبی نظیر رودخانه ها ، دریاچه ها ، خورها و مخازن سدها به کار برده میشود.
۲‐۲‐۱ قابلیت های مدل
الف‐ مدلسازی هیدرودینامیکی : مدل CE-QUAL-W2 تراز سطح آب ، سرعت جریان و دما را پیش بینی مینماید و تأثیر چگالی آب و لایه بندی آن در محاسبات هیدرودینامیکی مدل منظور میگردد .
ب‐ مدلسازی کیفی آب : هر ترکیبی از اجزای کیفی می تواند در مدلسازی منظور گردد. تأثیرات شوری و جامدات محلول بر چگالی آب و هیدرودینامک پیکره آبی ،تنها زمانی در نظر گرفته میشود که به عنوان پارامتر کیفی در قسمت کیفیت آب مدلسازی شوند.این برنامه قابلیت مدلسازی ۲۲ پارامتر کیفی از جمله جامدات محلول را دارا میباشد. همچنین قابلیتهای دیگری از قبیل مدلسازی بلند مدت ، در نظرگرفتن شرایط مرزی ، لحاظ کردن چندین شاخه غیر مرتبط، مدلسازی همزمان چندین پیکره آبی مرتبط ، لحاظ نمودن ورودیها و خروجیهای چندگانه، پوششهای یخی و ... را نیز دارا میباشد .
۲‐۲‐۲ محدودیت های مدل
الف‐ مدلسازی هیدرودینامیکی :
بدلیل دو بعدی بودن مدل ، تغییرات هیدرودینامیکی در عرض پیکره آبی در نظر گرفته نمیشود .
همچنین از آنجایی که ممنتم قائم در نظر گرفته نمیشود ، در جاهایی که شتاب عمودی جریان داشته باشیم نتایج مدل غیر واقعی خواهد بود .
ب‐ مدلسازی کیفی آب :
زئوپلانکتون ها و ماکروفایت ها ، در مدلسازی لحاظ نمیگردد و از آنجایی که تأثیرات آنها بر روی چرخه مواد مغذی حایز اهمیت است ، این امر یکی از نقاط ضعف مدل میباشد. همچنین مدل اکسیژن خواهی رسوبات در این برنامه بسیار ابتدایی میباشد .
۳‐ شبیه سازی مخزن پانزده خرداد
۳‐۱ موقعیت و اهداف سد پانزده خرداد
سد مخزنی پانزده خرداد با ظرفیت مخزن 200 میلیون متر مکعب و ظرفیت تنظیم آب برابر با 85 میلیون متر مکعب و با ارتفاع 54 متر از بستر رودخانه بر روی رودخانه لب شور قمرود در نزدیکی روستای عباسآباد دلیجان و در 120 کیلومتری جنوب تهران در سال ۲۷۳۱ احداث گردیده است. تأمین آب شرب شهر قم به میزان37.4 میلیون متر مکعب و تأمین 28.3 میلیون متر مکعب بعنوان بخشی از نیازهای کشاورزی اراضی حاشیه رودخانه دشت قم از اهداف احداث سد پانزده خرداد محسوب میگردد.
مشخصه عمده سد پانزده خرداد این است که اولین سد مخزنی است که بر روی یکی از رودخانه های لبشور کشور و با هدف تأمین آب شرب شهری احداث گردیده است.در جداول شماره ۱ مشخصات عمومی سد و مخزن سد پانزده خرداد و در شکلهای شماره ۲ و ۳ منطقه مورد مطالعه و پلان دریاچه آمده است.
۳‐۲ موقعیت و مشخصات رودخانه قمرود
رودخانه قمرود از شاخههای فرعی قرهچای است که از دامنه کوههای مرتفع واقع در جنوب خاوری شهرستان الیگودرز و از ارتفاعات زاگرس مرکزی سرچشمه میگیرد و بعد از تلافی با رودخانه دربند به مخزن سد گلپایگان می ریزد. سپس با انشعابات رودخانه خوانسار در محل دیزجان (غرقاب)، رودخانه خمین (ریحان) در گلماگرد و رودخانه در بندشور در چهلرزر و در آخر با رودخانه شور در نزدیکی دلیجان تلافی میکند و سپس به مخزن سد پانزده خرداد میریزد. مساحت حوضه آبریز تا محل ایستگاه هیدرومتری عباسآباد 10184 کیلومتر مربع و طول آبراهه اصلی آن 166.5 کیلومتر میباشد. میانگین آبدهی سالیانه این رودخانه 177 میلیون متر مکعب و مقدار دبی متوسط آن 5.61 متر مکعب در ثانیه براساس آمار بلند مدت ۴۴ ساله میباشد. رﮊیم آبدهی قمرود کاملا سیلابی است. بطوریکه متوسط حداقل ماهیانه (در ماه تیر) و متوسط حداکثر ماهیانه (در ماه
فروردین) بین ۰/۱ تا 14.5 متر مکعب در ثانیه تغییر مییابد. بعلت وجود دشتها و اراضی قابل آبیاری در کناره قمرود، مصرف
آب در تابستان بسیار زیاد بوده و آبدهی آن از اواسط بهار تا اوائل پائیز تحت تأثیر مصارف کشاورزی قرار دارد.
۳‐۳ مدت زمان شبیه سازی
بدلیل وجود اطلاعات کامل مربوط به مخزن در سال ۶۷۳۱ مدل برای این سال اجرا گردیدهاست. اولین روز انجام مطالعات میدانی و نمونه گیری از عمق مخزن ، به عنوان اولین روز شبیه سازی لحاظ گردیده است( 28 فروردین 75 ( 21 مارس 1997 )). بنابراین مدل برای 337 روز شبیه سازی اجرا گردیده و نتایج مربوط به دویست روز نخست شبیه سازی جهت کالیبراسیون مدل و مابقی جهت تأیید آن به کار گرفته شده است.
۳‐۴ اطلاعات ورودی مدل
اولین فایل ورودی به مدل ، فایل هندسه مخزن میباشد که در آن میبایست ﮊئومتری مخزن پانزده خرداد برای مدل تعریف گردد. در این شبیه سازی طول مخزن به فواصل مساوی 1000 متری تقسیم بندی شده و در مجموع شامل 15 قطعه در طول خواهد بود . همچنین بعد قائم مخزن به 19 لایه تقسیم بندی شده که عمق لایه ها عموما ۲ متر میباشد.
اشکال ۴ و ۵ هندسه شبیه سازی شده در فایل ورودی را نشان میدهند .
۳‐۴‐۲ فایل هواشناسی: در این فایل درجه حرارت هوا ، نقطه شبنم، سرعت باد و پوشش ابر در روزهای مختلف شبیه سازی برای مدل تعریف میگردند. در این شبیه سازی، اطلاعات هواشناسی به صورت روزانه به مدل وارد شده است.
۳‐۴‐۳ فایل شرایط اولیه: شامل اطلاعات مربوطه به کیفیت مخزن در اولین روز شبیه سازی
۳‐۴‐۴ فایل شرایط مرزی: شامل فایلهای دبی ورودی و خروجی، دمای آب ورودی و غلظت TDS آب ورودی میباشند.
۳‐۴‐۵‐ فایل های جنبی: شامل فایل ضرایب پوشش گیاهی منطقه در غالب فایل Shading وضریب اصلاح سرعت باد برای مقاطع مختلف طولی در قالب فایل Wind sheltering
۳‐۵ نتایج شبیه سازی و آنالیز حساسیت
پس از اجرا و کالیبراسیون مدل نتایج شبیه سازی برای ماههای سال 1376 به شرح شکلهای ۶ تا ۹ میباشد.همچنین آنالیز حساسیت ضرایب مدل به شرح زیر میباشد:
ـ ضریب پخش طولی Ax ، تأثیر چندانی در مدلسازی مخزن نداشت.در این مدلسازی ضریب Ax=1 منظور شده است .
ـ ضریب پخش قائم(Az(max ، نیز بدلیل کوچک بودن نسبی ابعاد مخزن تأثیر چندانی در مدلسازی مخزن نداشت. در این مدلسازی ضریب Az(max)=0.001 در نظر گرفته شده است.
ـ ضریب جذب سطحی تابش و ضریب اضمحلال نور در عمق تأثیر بسزایی در مدلسازی مخزن داشته و اعداد بزرگتر نتایج شبیه سازی را به واقعیت نزدیک میکند.در این مدلسازی ضریب جذب سطحی 0.25 و ضریب اضمحلال نور در عمق برابر 0.35 در نظر گرفته شده است.
ـ پوشش ابر تأثیر بسزایی در کاهش تابش خورشیدی داشته است و تصحیح مقادیر پوشش ابر منجر به بهبود نتایج شده است.
ـ تصحیح سرعت باد نیز عامل مهمیدر کالیبراسیون مدل بوده است . (تصحیح تراز اندازه گیری از 10 متر به ۲ متر و تصحیح طول بادگیر و اعمال ضریب . (WSC=0.8
‐ ضرایب تبادل سطحی افزایش یافته است . ( a=18،b=1.1،. (c=2
۴‐ جمعبندی و نتیجه گیری
‐ مطالعه پدیده لایه ای شدن آب مخزن سد پانزده خرداد(شبیه سازی شده و اندازه گیری شده) نشان داد که در این مخزن یک لایه بندی قوی حرارتی و شوری وجود دارد. متوسط گرادیان حرارتی آب مخزن سد پانزده خرداد در سال به حدود 16 درجه سانتیگراد و تفاوت شوری آب در سطح و عمق مخزن به 700 میلیگرم در لیتر می رسد.
‐ چرخش سالانه آب مخزن سد یکبار در سال و درآبان ماه اتفاق میافتد.
‐ مخزن سد پانزده خرداد بطور متوسط 200 روز از سال را به صورت لایه ای میباشد که نشان دهنده اهمیت این پدیده در مخزن مذکور دارد.
‐ اعداد بدون بعد و مطالعات میدانی انحراف کمی را از حالت یکبعدی در مخزن نشان میدهتد و نتایج شبیه سازی نیز نشان داد تغییرات در طول مخزن قابل صرفنظر بوده و میتوان مخزن سد پانزده خرداد را یکبعدی فرض نمود.
‐ به دلیل عدم تطابق پروفیلهای شوری شبیه سازی شده با مقادیر واقعی، احتمال میرود در کف مخزن چشمههای شور وجود داشته باشد. تفاوت بین دبی گزارش شده توسط ایستگاههای اندازه گیری با دبی اندازهگیریشده از روش محاسبه بیلان
