بخشی از مقاله
محاسبه حجم مخزن سد با استفاده از روش شبیهسازی و تخمین قابلیت اعتماد به آن (مطالعه موردی: سد شهید رجائی واقع در استان مازندران)
چکیده
یکی از شرایط اساسی در مدیریت و توسعه زیر ساختها، مسئله تامین آب و چگونگی توزیع آن بر اساس اولویت بندی نیازها میباشد. با توجه به اینکه ایران در منطقهایی خشک قرار گرفته و از طرفی گاهی سیلابهای شدیدی در رودخانههای کشور رخ میدهد میبایستی آب حاصل از این سیلابها در مخازن سدها ذخیره شود و در مواقع خشکسالی با یک سیاست مناسب از آن استفاده نمود برای این منظور باید حجم مخزن سد را به گونهایی تعیین نمود که اهداف اشاره شده را به بهترین نحو تامین نماید. روش شبیهسازی یکی از معمولترین روشها برای محاسبه حجم مخازن رودخانهای میباشد.که با انتخاب این حجم نمونه می توان تعداد شکستها را به حداقل رساند. مطالعه موردی این پژوهش، سد شهید رجائی واقع در استان مازندران میباشد با استفاده از این روش حجم مخزن محاسبه و با حجم موجود مقایسه شد. در این تحقیق حجم مخزن سد 99.25 میلیون متر مکعب برآورد گردید، که با در نظر گرفتن اعتبار %95 برای محاسبه حجم مخزن، میزان اعتماد به حجم برآورد شده %90.25 میباشد. با در نظر گرفتن کاهش سالانه 0.52 میلیون متر مکعب حجم مخزن بر اثر ورود رسوبات و عمر مفید 50 سال، حجم نهایی 125.25 میلیون متر مکعب بدست میآید. نتایج تحقیق نشان میدهد حجم محاسبه شده از حجم فعلی مخزن کمتر است
واژههای کلیدی: مدیریت زیر ساختها، محاسبه حجم مخزن، شبیه سازی، سد شهید رجائی استان مازندران.
مقدمه
مخازن، سازه هایی هستند که توسط بشر برای کنترل جریان رودخانه جهت تأمین نیازهای آبی ساخته می شوند. با توجه به اینکه منابع آب سطحی در ایران سهم عمدهای در تامین نیاز آبی بخشهای مختلف شرب، کشاورزی و صنعت دارا میباشند و سیستمهای مخازن ذخیره، دارای نقش اساسی در کنترل آبهای سطحی و تامین آب مورد نیاز بخشهای مختلف میباشند به همین دلیل مطالعه دقیق رفتار این سیستمها به منظور تامین آب مورد تقاضا به صورت رضایت بخش ضروری می-باشد.آبدهی رودخانه و نیازها از نظر زمانی با یکدیگر همخوانی ندارد بنابراین اعتماد پذیری تامین آب به شدت کاهش می یابد که ممکن است خسارات زیادی به بخشهای مصرفکننده آب وارد آورد. از این رو جهت استفاده مناسب و کاهش ریسک باید از سدهای مخزنی به عنوان مخازن ذخیره آب استفاده نمود.. اعتماد پذیری تامین آب توسط مخازن به عوامل مختلفی از جمله خصوصیات فیزیکی مخزن، سری زمانی آبدهی رودخانه، شرایط اقلیمی منطقه، میزان مصرف و روش بهرهبرداری بستگی دارد (خادمی و همکاران .((9831) از آنجا که مخازن جهت تنظیم و ذخیره آب برای دورههای کمبود آب، بسیار سودمند هستند، نقش مهمی در مدیریت منابع آبی در ایران بازی میکنند. مقدار آبدهی رودخانه (ورودی)، بارندگی، نیاز (خروجی)، تبخیر و رسوب از جمله عواملی است که باید در طراحی و تعیین حجم مخزن مورد توجه قرار گیرد. مجموع کل ظرفیت سدهای مخزنی کشور در حدود 0/000 مجموع ظرفیت مخزنهای دنیا میباشد و برداشتهای هیدروگرافی از مخازن نشان میدهد که به طور متوسط سالیانه درصد قابل ملاحظهای از ظرفیت سدهای کشور تحت اثر رسوب گذاری از بین میرود که این مقدار معادل 970 تا 000 میلیون مترمکعب است. بنابراین مهمترین مشکل رسوب گذاری در مخازن سدها کاهش ظرفیت مفید مخزن میباشد. تجارب سالهای اخیر نشان داده است که عدم توجه کافی به مقوله بهرهبرداری مناسب از منابع آب و تأسیسات آبی باعث هدر رفتن سرمایههای اولیه و حتی تخریبهای زیست محیطی شده است. از آنجایی که طراحی و ساخت تأسیسات آبی هزینههای هنگفتی را میطلبد، بیتوجهی به مسئله حجم مخزن نه تنها سود پیشبینی شده حاصل از تأسیسات را تأمین نمیکند بلکه در مقیاس کلی باعث ازدیاد مشکلات نیز میشود. روشهای معمول برای محاسبه حجم مخازن رودخانهای عبارتند از: روش منحنی تودهٌ روش منحنی توده تفاضلیٍ، روش پیک متوالیَ و روش شبیه سازیُ. (ریپل(((9338 برای نخستین بار روش طراحی ترسیمی را برای طراحی یک مخزن پیشنهاد کرد. روش وی بهصورت روش نمودار جرم تکامل یافت. محدودیت این روش به کاربردن تقاضای ثابت است. توماسِ (9190) روش سادهای به نام روش پیک متوالی پیشنهاد کرد، که با این روش طراحی مخزن با توجه به تقاضای متغیر انجام میگیرد.
میشل و همکارانّ (9130)، قابلیت اعتماد به روش برنامهریزی، در سیستم مخازن چند منظوره ، شامل 8 مخزن چند منظوره برروی رودخانه سرخ در تگزاس و اوکلاهما را مورد بررسی قرار دادند. این روش یک روش غیرخطی میباشد که می-تواند به دو نوع مدل جستجو و مدل برنامهریزی خطی تقسیم گردد. بدین منظور جهت جبران کمبود آب مورد نیاز دو مخزن با هم کار میکنند، هر مخزن میتواند به یک و یا تمام مخازن دیگر متصل باشد. در این تحقیق دو سطح الگوریتم راهحل، پیشنهاد گردید؛ راهحل پیشنهادی آنها میتواند برای یک سیستم با اهدافی چون کنترل سیل، تولید برق، آبیاری، تهیه آب و بهبود کیفیت آن بهکار برده شود. تابع هدف، افزایش بازده اقتصادی از طریق برقراری رابطه جایگزینی بین منافع و میزان خطر، که خود کم کردن میزان خطر را در بر دارد، در نظر گرفته شد. نتایج نشانگر مزایای عمدهای از رویکرد برنامهریزی در محاسبه قابلیت اطمینان نسبت به سایر روشهای بهینهسازی میباشد. همچنین آنها (9130) این روش را برای بررسی قابلیت اطمینان یک مخزن چند منظوره بهکار گرفتند و سه سطح الگوریتم راهحل را پیشنهاد نمودند. ایشان روش مورد استفاده خود را با ذکر یک مثال از مساله مدیریت مخازن با قیوداتی چون حداکثرسازی ذخیره و حداقلسازی حجم، که نباید
از یک مقدار تعیین شده تجاوز نمایند شرح دادند. خروجی این روش حجم بهینه برای رهاسازی و احتمال خطر (خطر شکست و خطر سیل) را محاسبه مینماید. دندی و همکارانٌ (9117) در مقایسهی روشهایی برای پیشبینی آبدهی سیستمهای چند مخزنه به تشریح مدل شبیهسازی، مدل بهینهسازی و مدل آبدهی پرداختند. عمادی و همکاران((9833 در بررسی مدلٍSOP در تأمین آب توسط سدهای مخزنی به این نتیجه رسیدند که کمبودهای ایجاد شده در این مدل بسیار شدید میباشد که اگر سیستم واقعاً با آن مواجه شود زیانهای جبران ناپذیری ایجاد خواهد شد. همچنین در این مدل مقدار کمبود کل در مقایسه با روشهای دیگر کمتر میباشد. با توجه به خصوصیات مدل SOP، به منظور تعدیل میزان کمبود و کاهش خسارت، بهتر است از سیاستهای دیگر بهرهبرداری که دارای انعطاف بیشتری میباشند استفاده شود. استمنَ (9178) یک مدل محدودی احتمالی برای بهره برداری از مخازن چند منظوره ارائه نمود. تابع هدف وی بهینه سازی ظرفیت مورد نیاز مخزن با توجه به محدودیت های آبرسانی شهری و کنترل سیلاب بود. اریکُ (9131) برای نشان دادن حالتهای مختلف شکست سیستم منابع آب، مطالعه خود را بروی مخزن یک سد که برای آبیاری مورد استفاده قرار میگرفت انجام داد. وی مدل مفهومی که توانایی بررسی قابلیت اطمینان و دیگر اشکال مناسب از نظر بهرهبرداری و آنالیزهای امنیتی را دارا باشد، ارائه نمود. جینِ (9111) از روش شبکههای عصبی مصنوعیّ برای پیش بینی آب ورودی و همچنین بهره برداری مخزن استفاده نمود. روز و همکارانْ (9111) اعلام نمودند که علیرغم پاره ای محدودیتها روش بهینه سازی قطعی بعنوان روش مناسب در سیاست های کنترل مخزن میتواند بکار برده شود. بایازیت و یونالَ (9110) اثرات جیره بندی روی عملکرد مخزن را از طریق شبیه سازی بررسی نمودند.
در مطالعه حاضر یکی از روشهای محاسبه حجم مخازن تحت عنوان روش شبیه سازی، به منظور تعیین حجم مخزن سد شهید رجایی با اعتبار%95 و تخمین میزان اعتماد به آن بکار گرفته شده است و حجم مخزن محاسبه شده از این روش با مقدار واقعی آن مقایسه گردید.
مواد و روش ها
روش شبیه سازی
از آنجا که هدف به دست آوردن حجم مخزن میباشد از روش شبیه سازی یکی از روش های معمول محاسبه حجم مخزن استفاده شده است. روش شبیهسازی مخزن عبارت است از تعیین حجم ذخیره ی مخزن در هر دوره بر اساس دبی ورودی به مخزن، برداشت آب و تلفات آب که با توجه به شرایط آب و هوایی و زمین شناسی محل رخ میدهد. (شریفی و همکاران(.((9830 مبنای روش شبیهسازی در نظر گرفتن رابطه توازن جرمیُ، برای محاسبه حجم مخزن در انتهای هر دوره (گام زمانی) میباشدمعمولاً. در مخازن بزرگ گام زمانی سالانه و در مخازن متوسط گام زمانی ماهانه و در مخازن کوچک گام زمانی چند هفتهای و یا یک هفتهای مورد استفاده قرار میگیرد. در روش شبیه سازی تعیین حجم مخزن با مطالعه رفتار سیستم و با توجه به ریسک قابل قبولی برای عدم تأمین نیازها صورت میگیرد. استفاده از این روش نیازمند بکارگیری از برنامهنویسی کامپیوتری بوده و اغلب بین 000 الی 9000 سری هم طول عمر مفید پروژه با استفاده از تکنیکهای تولید آمار مصنوعی، جهت مطالعه و برآورد ریسک و قابلیت مخزن جهت برآورد منظورهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. شبیه سازی مخزن بر اساس رابطه پیوستگی که به صورت معادله (9) میباشد انجام میگیرد.
در معادله (9)، St و : St 1 حجم آب در مخزن در اول دوره t و t 1 ، : Rt مجموعه برداشت در طول دوره :Qt .t میزان ورودی در طول دوره t، : Pt میزان بارندگی در طول دوره t، :Evt تبخیر در طول دوره t، : Spill t سرریز در طول دوره t میباشد.
در روش شبیه سازی مخزن در ابتدای دوره خالی فرض می شود، یعنی در ابتدای دوره اول خواهیم داشت: . معادله توازن جرمی مشخص میکند که ذخیره در انتهای یک ماه خاص مساوی ذخیره در انتهای ماه قبل به اضافه جریان ورودی در ماه منهای هرگونه تخلیه مانند آبرسانی یا جریان پایه پاییندست میباشد. در معادله (9) مقدار رسوب براساس درصدی از حجم مخزن از آن کم میشود. مقدار حجم تبخیر ) Evt ) بستگی به ارتفاع تبخیر ( (et و سطح تبخیر (سطح دریاچه،( ( At
دارد. این رابطه بصورت معادله((0 بیان میشود.
در معادله (0)، مقدار At را میتوان از رابطه سطح _ حجم ذخیره براساس حجم ذخیره ( (St مشخص نمود.
برای این کار در منحنی سطح –حجم از آنجائیکه معمولاً با جدا سازی بخش پایین (زیر ( Smin بقیه منحنی را می توان توسط خط راست ( با ضریب همبستگیزیاد و خطای نسبتاً کم ) بیان نمود و نیز احجام کمتر از Smin در معادلات استفاده نمی-شوند لذا طبق نمودار روبرو آنقسمت را جدا نمود و بر بقیه خطی برازش میدهیم.
اعتبار مخزنٌ
از آنجائیکه روند حوادث در آینده مشخص نیست، بررسی و محاسبهای که تنها براساس آمار تاریخی ثبت شده در گذشته استوار باشد میتواند خطاهایی زیادی در بر داشته باشد لذا جهت بررسی حوادثی که در آینده اتفاق میافتد با استفاده از روشهای تولید آمار مصنوعی مانند زنجیره مارکف، سریهایی با طولی برابر طول عمر مفید پروژه تولید نموده و برای هر سری یک حجم، با توجه به هر درصد احتمال تأمین که در نظر است، محاسبه میشود. اگر سریهای متعدد از یک ورودی را تولید نموده وبا توجه به نیاز مورد نظر حجم مخزن را محاسبه کنیم. با توجه به تفاوتهای ممکن در هر سری یک حجم برای هر سری مشخص میشود. بررسی احتمالاتی حجم مخزنها با استفاده از فرمولهایی نظیر ویبول و ... صورت میگیرد. اعتبار مخزن احتمال تأمین مقدار نیاز خاصی توسط مخزن را گویند. در روش شبیهسازی برای محاسبه حجم مخزن، بعد از معلوم کردن مقادیر پارامترهای رابطه توازن جرمی لازم است یک حجم اولیه برای مخزن در نظر گرفته شود. پس از محاسبه
برای هر دوره:
یعنی اگر حجم محاسبه شده کوچکتر از صفر بود، مقدار صفر برای آن منظور میشود و اگر بزرگتر از حجم فرض شده گردید مقدار آن را برابر قرار میدهیم. تعداد دفعاتی که حجم مخزن صفر شده است شمارش میگردد و طبق رابطه زیر درصد شکست محاسبه میشود:
در مرحله بعد فرض شده را تغییر داده و مجدداً اعتبار مخزن را محاسبه میکنیم و این عمل را تا رسیدن به اعتبار مورد نظر ادامه میدهیم، اعتبار فرض شده در هر پروژه بسته به نوع هدف متغیر است، در هر سری حجم متناظر با اعتبار مورد نظر محاسبه گردید. مقادیر حجم محاسبه شده را به صورت صعودی مرتب نموده و حجم متناظر با احتمال ویبول را استخراج می-کنیم.
قابلیت اطمینان
یکی از مهمترین شاخصها، برای بررسی کارایی سیاستهای بهرهبرداری از سیستمهای منابع آب در شرایط عادی قابلیت اطمینان میباشد. این شاخص نشان دهنده میزان تأمین اهداف سیستم است. احتمال اینکه شکستی در بهرهبرداری از سیستم در مدت زمانی مشخص رخ ندهد را قابلیت اطمینان گویند. تعریف قابلیت اطمینان بر تعریف شکست بنا شدهاست. بنابراین، قابلیت اطمینان نقطه مقابل مفهوم ریسک میباشد که احتمال شکست سیستم در یک مدت زمان مشخص است. شکست سیستم میتواند به شکست ساختاری و نارسایی عملکرد تقسیم گردد. شکست سازه شامل آسیب ساختار یا تسهیلات میباشد که از اجرای مطلوب وظایف سیستم در آینده ممانعت خواهد کرد، در صورتیکه نارسایی عملکرد لزوماً شامل آسیب ساختاری نمیباشد، بلکه ناتوانی سیستم از انجام مطلوب وظایف خود در برخی از زمانها میباشد. میزان اعتماد به حجم بدست آمده باروش شبیهسازی به صورت زیر محاسبه می گردد:
منطقه مورد مطالعه
سد مخزنی شهید رجایی در شمال ایران در استان مازندران و در 19 کیلومتری جنوب شهر ساری بر روی رودخانه ی دودانگه از سرشاخههای اصلی رودخانه تجن در محل سلیمان تنگه احداث گردیده است. این منطقه در طول جغرافیایی 09° -10´ تا 08°-90´ و عرض جغرافیایی تا80° -00´ تا 89° -90´ قرار دارد. از شمال به دریای مازندران، جنوب به ارتفاعات البرز مرکزی، شرق رودخانه نکا و غرب رودخانه سیاهرود منتهی میشود. ارتفاع منطقه از +00 تا -09 متر متغیر است، شیب عمومی دشت از جنوب به شمال از هفت در هزار در بالادست، یک و نیم در هزار در بخش مرکزی دشت و چهار در هزار در پایین دست متغیر است. محل سد در شکل (9) نشان داده شده است.
موقعیت سد شهید رجایی
شکل(:(1 موقعیت سد شهید رجایی
عملیات اجرایی سد از سال 9870 شروع و در سال 9870 به اتمام رسیده است. اهداف عمده احداث این سد شامل:
- تامین و تنظیم آب کشاورزی اراضی دشت ساری
- تامین کمبود آب آشامیدنی
- تامین آب مورد نیاز بخش صنعتی
- تولید برق
- کنترل طغیان و جلوگیری از خسارت ناشی از سیل میباشد.
مشخصات سد نیز در جدول (9) ارائه شده است.
جدول :(1) مشحصات هندسی مخزن سد شهید رجایی
مقادیر متوسط خروجی، تبخیر و آورد ماهانه مطابق جدول (0) میباشد.
جدول(:(2 مقادیر متوسط خروجی (نیاز)، تبخیر، آورد سد شهید رجایی در ماههای مختلف سال (میلیون مترمکعب)
ماه فروردین اردیبهشت خرداد تیر مرداد شهریور مهر آبان آذر دی بهمن اسفند
داده
جدول (8) مقدار متوسط ماهانه بارندگی در محل این سد را ارائه می دهد.
جدول( :(3 مقادیر متوسط بارندگی سد شهید رجایی در ماههای مختلف سال (میلیمتر)
ماه فروردین اردیبهشت خرداد تیر مرداد شهریور مهر آبان آذر دی بهمن اسفند
داده
