بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از متداولترین پدیدهها در مخازن، لایهبندی حرارتی میباشد که مهمترین تأثیر را بر مشخصههای هیدرولیکی، گرمایی و بخصوص کیفیت آب مخزن دارد. در این تحقیق با استفاده از مدل دوبعدی CE-QUAL-W2 لایهبندی حرارتی، شوری و اکسیژن محلول در مخزن سد شیرین-دره در یک دوره سیزده ماهه - آذرماه 1390 لغایت دیماه - 1391 شبیهسازی شده است. نتایج بررسیها حاکی از آن است که مخزن سد شیریندره دارای یک دوره لایهبندی حرارتی 6 ماهه بوده که از ابتدای بهار به مرور آغاز میشود، در تابستان به شدیدترین حالت خود میرسد و در اواسط آبانماه تقریبا شرایط اختلاط کامل در مخزن ایجاد میشود.
مطالعات کیفی آب مخزن نشان میدهد غلظت TDS در مخزن همواره کمتر از 500 میلیگرم در لیتر بوده که محدودیتی جهت مصرف شرب و کشاورزی ندارد. همچنین در دوره لایهبندی حرارتی در مخزن میزان اکسیژن محلول در عمقهای نزدیک به کف بشدت کاهش یافته و در شرایط اختلاط زمستانی شرایط بیهوازی در کف مخزن از بین میرود.
1. مقدمه
کمبود منابع آب شیرین، رشد روز افزون جمعیت و گسترش نیاز جامعه برای دسترسی به منابع آب با کیفیت مناسب، لزوم توجه و اهتمام به مطالعات و اجرای طرحهای مدیریت کیفیت آب را غیرقابل اجتناب مینماید. دریاچهها و مخازن از جمله منابع مهم آبهای سطحی محسوب میشوند. احداث سد باعث تغییرات عمدهای در رژیم متلاطم جریان رودخانهای میشود.
نخست اینکه احداث مخزن سبب افزایش زمان ماندآب شده و از سوی دیگر باعث ایجاد پدیده لایهبندی آب در مخزن میشود. لایهبندی به مفهوم ایجاد لایههایی از جرمهای سیال است که به دلیل اختلاف در دانسیته، درجه حرارت و یا مواد محلول و معلق ایجاد میشود. با توجه به اینکه دما در تسریع واکنشهای شیمیایی وتغییرات غلظت پارامترهای کیفی آب، نقش بسزایی دارد لذا نخستین گام در بررسی شرایط کیفی مخزن سد، شبیهسازی لایهبندی حرارتی میباشد. میزان شوری و غلظت اکسیژن محلول در آب از جمله پارامترهای بسیار تأثیرگذار در وضعیت کیفی آب مخزن میباشد.
بنابراین لازم است عواملی که سبب تغییرات غلظت TDS در عمق مخزن و کاهش شدید اکسیژن محلول و ایجاد شرایط بیهوازی در اعماق نزدیک به کف مخزن میشود شناسایی شده و راهکارهایی جهت بهبود این شرایط پیشنهاد شود. خوشبختانه در سالهای اخیر مطالعات زیادی در خصوص شرایط هیدرودینامیک و کیفی مخازن سدهای داخل کشور صورت گرفته است. پیشرفت روزافزون علوم رایانه و اهمیت بسیار زیاد مطالعات کیفی منابع آب، سبب تولید مدلهای عددی متنوعی جهت حل مسائل مربوط به کیفیت آب شده است.
انتخاب نوع مدل متأثر از عوامل مختلفی است از جمله کارایی مدل و شناخت نیازها، سابقه کابرد مدل و دارا بودن قابلیت اعتماد لازم، پیچیدگی مدل و همچنین هزینه عملیات و مدیریت زمان. مدل CE-QUAL-W2 یک مدل شبیهسازی هیدرودینامیک وکیفیت آب است که در دهه اخیر توسط بسیاری از محققین در طرحهای پژوهشی و اجرایی استفاده شده است که نشان از کارایی مدل مذکور دارد. بر همین اساس در مطالعه حاضر از نرم افزار CE-QUAL-W2 جهت پیشبینی و تخمین لایه بندی حرارتی، شوری و اکسیژن محلول در مخزن سد شیریندره استفاده شده است. در ادامه به تعدادی از مطالعات انجام شده با استفاده از این مدل اشاره شده است.
گوندوز و همکاران در سال 1998 با استفاده از مدل دو بعدی CE-QUAL-W2 شرایط لایهبندی حرارتی و کیفی آب در مخزن در دست احداث ایزیکلی جهت تأمین آب آشامیدنی شهر آنکارا را شبیهسازی کردند .[1] کیم و کیم در سال 2006 توزیع دما و جربان چگال را در دریاچه سویانگ کره با مدل CE-QUAL-W2 شبیهسازی کردند. دریاچه سویانگ با عمق 118 متر و شکل دنتریک جان پناه باد در تابستان دارای لایهبندی پایدار حرارتی است. در این مطالعه میزان خطای ریشه میانگین مربعات در مورد حرارت 1/44 درجه سانتیگراد بدست آمده است .[2]
شنگوی و همکارانش در سال 2008 به بررسی اثرات برداشت آب از نقاط مختلف سد کوریس در قبرس، بر روی لایهبندی حرارتی مخزن پرداختند. نتایج حاصل از این شبیهسازی با مدل CE-QUAL-W2 نشان داد که برای این سد طرحهای برداشت آب در مخزن میتواند استراتژی مناسبی برای مدیریت کیفیت آب ایجاد نماید .[3@ بهمنش و همکارانش در سال 1391 پدیده لایهبندی حرارتی مخزن سد مارون را با استفاده از مدل ریاضی CE-QUAL-W2 مورد ارزیابی قرار داده اند.
نتایج مدلسازی، نشان دهنده وجود لایهبندی حرارتی تابستانه میباشد که 8 ماه ادامه دارد. همچنین تغییرات شوری آب، نشان میدهد که مخزن سد از نظر TDSدر شرایط مطلوب است و محدودیتی از این لحاظ ندارد .[4] مهردادی و همکاران در سال1392 با استفاده از مدل CE-QUAL-W2 شبیهسازی لایهبندی حرارتی و غلظت اکسیژن محلول را بر روی سد شهید رجایی انجام دادهاند . نتایج نشان دهنده ایجاد لایهبندی حرارتی در تابستان و اختلاط قائم در زمستان بوده است همچنین از نتایج شبیهسازی اکسیژن محلول مشخص شد در زمان شکلگیری لایهبندی حرارتی، غلظت این پارامتر در کف مخزن به صفرمیرسد و در دوره اختلاط شرایط بیهوازی در کف مخزن از بین میرود .>5@
2. منطقه مورد مطالعه
دریاچه سد شیرین دره در 65 کیلومتری شمال غربی شهر بجنورد در محدوده شهرستان مانه و سملقان قرار دارد. سد شیرین دره با ظرفیت مخزن 91/5 میلیون مترمکعب و ظرفیت تنظیم آب برابر با 65/8 میلیون مترمکعب، یکی از بزرگترین سدهای استان خراسان شمالی است که بر روی رودخانه شیرین دره - یکی از سرشاخههای رود اترک - ، احداث شده است. هدف از احداث این سد علاوه بر تأمین سالانه 20 میلیون مترمکعب آب آشامیدنی مورد نیاز برای شهر بجنورد، تأمین بخشی از نیاز صنعت و اراضی کشاورزی پایین دست سد میباشد.
3. معرفی مدل CE-QUAL-W2
مدل CE-QUAL-W2 یک مدل دوبعدی متوسطگیری شده در عرض می باشد که توسط ارتش امریکا تدوین شده است و برای طرحهای عددی ارتباط مستقیم بین شبیهسازی هیدرودینامیک با کیفیت آب استفاده میشود. مدل شامل ماژول هیدرودینامیک و ماژول کیفیت آب میباشد. محاسبات هیدرودینانیک آن تحت تأثیر چگالی متغیر ناشی از دما، شوری، مواد محلول و معلق میباشد.
این مدل در ابتدا برای مخازن و دریاچهها توسعه یافته است اما میتواند برای رودخانهها و خورهای رودخانهای کم عرض نیز بکار رود .>6@ معادلات حاکم بر مدل شامل معادله سطح آزاد آب، مومنتم در جهت x، مومنتم در جهت z، معادله پیوستگی، انتقال اجزا و معادله حالت که ارتباط بین دانسیته، دمای آب و غلظت مواد جامد محلول و معلق را برقرار می-کند، میباشد. به لحاظ هیدرودینامیک مدل CE-QUAL-W2 میتواند تغییرات تراز سطح آب، سرعت و دما را پیشبینی کند.
از نظر بررسیهای کیفی آب نیز مدل قادر به شبیهسازی بسیاری از پارامترهای موثر بر کیفیت آب شامل گروه جامدات معلق معدنی، گروه پلانکتونها، مواد آلی و اشکال مختلف مواد مغذی همچون فسفر، آمونیاک، نیترات وغیره میباشد. مدل از یک گام زمانی یکسان و شبکهبندی فضایی برای همزمان کردن شبیهسازی هیدرودینامیک و کیفی آب استفاده میکند که این عامل سبب کاهش زمان محاسبات میشود.
مدل CE-QUAL-W2 محدودیتهایی نیز دارد، از جمله تغییرات هیدرودینامیکی و کیفی در عرض پیکره آبی در نظر گرفته نمیشود لذا برای پیکرههای آبی که دارای تغییرات معنی داری در جهت عرض هستند توصیه نمیشود. همچنین با توجه به پیچیدگی فعل و انفعالات کیفی آب در اکوسیستمهای آبی و تأثیر پارامترهای مختلف کیفی بر هم، این فعل و انفعالات در مدل ساده شده است.
4. آمادهسازی دادههای ورودی به مدل
جهت آغاز شبیهسازی هیدرودینامیکی و کیفی مخزن لازم است اطلاعات هندسی، بخشی از دادههای هواشناسی، شرایط اولیه و شرایط مرزی برای مدل CE-QUAL-W2 تعریف شود. شبیهسازی برای یک دوره 13 ماهه - آذرماه 1390 تا دیماه - 1391 انجام شده است لذا دادههای هواشناسی بصورت روزانه و در قالب فایل کنترل به مدل معرفی شده است. در این تحقیق مقدار خطای محاسبات با دو معیار خطای میانگین مطلق - AME - و ریشه میانگین مربعات خطا - RMSE - محاسبه شده است.
5. دادههای هندسی
اطلاعات هندسی مورد نیاز شامل نقشه توپوگرافی منطقه - برای نمایش پیکره آبی به مدل - و منحنی سطح-حجم-ارتفاع مخزن سد - جهت مقایسه با نمودار شبیهسازی شده - میباشد. اطلاعات هندسی و ژرفاشناسی مخزن سد شیرین دره از پروفیلهای هیدروگرافی خردادماه 1390 استخراج گردیده است. جهت معرفی مخزن سد شیریندره به مدل، مخزن سد بصورت یک پیکره آبی که در طول به 22 قسمت تقسیم شده است به مدل معرفی گردید. همچنین این پیکره آبی بصورت عمقی به 46 لایه تقسیم شده است.
