بخشی از مقاله
کاربرد مدل Ribasim در مدیریت منابع آب (مطالعه موردی حوضه رودخانه صوفی چای)
چکیده
تأمین نیازهای آبی به دلیل نوع مصرف (شرب، صنعت و کشاورزی) ماهیتی تناوبی (با دوره سالانه) دارد که در اثر مسائلی مانند رشد جمعیت دارای یک روند افزایشی است. با توجه به اهداف احداث سد به طور کلی شامل ذخیره آب برای مصارف صنعتی، خانگی و کشاورزی، بهبود کیفیت آب، کنترل و کاهش اثرات نامطلوب ناشی از سیل ، بهبود شرایط زیست محیطی و تولید انرژی الکتریکی و بهره برداریهای تفریحی است، که به منظور تخصیص بهینه منابع مصرف در بهره برداری از مخزن سدها، مدلهای مختلفی بکار می رود که این مدلها عمدتا قابلیت شبیه سازی آب تخصیص یافته بر اساس سیاستهای بهره برداری را دارا می باشند سیاستهای بهره برداری براساس اولویتهای مصرفی و تقاضا مشخص می شود، و یکی از این مدلها، مدل RibaSim می باشد، که برای شبیه سازی حوزه و تخصیص منابع به مصارف مختلف بکار می رود. ابزاری جامع و انعطاف پذیر برای بهم پیوستن داده های هیدرولوژیکی و فعالیتهای مصرف کننده آب میباشد بطور کلی کاربرد این نرم افزار در مدیریت یکپارچه منابع آب میباشد، که بر اساس منابع آب موجود (جریان سطحی، مخازن سدها، منابع آب زیرزمینی )، مصارف (شرب، صنعت، کشاورزی، آبزی پروری، زیست محیطی و...)، میتواند براساس الویت بندی انواع منابع ومصارف ازمنابع مختلف، تخصيص منابع آب را شبیه سازی نماید. در این مقاله ضمن معرفی نرم افزارRibaSim و تشریح ساختار مدل به کاربرد این مدل در حوضه رودخانه صوفی چای از ابعاد مدیریتی با اعمال سناریوهای مختلف بهره برداری از منابع آب در راستای تخصیص به منابع مصارف و جایگاه و منزلت واقعی مصرف بهینه پرداخته و بعد از اجرای مدل مذکور در حوصه رودخانه صوفی چای، نتایج ارزشمند تخصیص بهینه از مخزن سد علویان به منابع مصارف و کمبودها در مناطق مختلف بدست آمد.
کلمات کلیدی: مدال Riba Siml، تخصیص منابع آب ، مصرف بهینه، منابع مصارف و کمبودها
مقدمه
RibaSim یک بسته نرم افزاری برای شبیه سازی رفتار حوزه رودخانه در طول تغییرات هیدرولوژیکی آن می باشد. این مدل یکك ابزار جامع و انعطاف پذیر برای پیوسته کردن ورودیهای هیدرولوژیکی در موقعیت های مختلف برای فعالیتهای مصرف کننده آب در حوزه می باشد. همچنین ابزاری مناسب برای ارزیابی تنوع اندازه گیریهای وابسته به سازه ها و مدیریت بهره برداری می باشد. این نرم افزاریک آنالیز ساختاری برای داده های به هم پیوسته وابسته به سیستم های پیچیده منابع آب فراهم می سازد.
Ribasim تعداد استانداردی از گره (nocle) و ارتباط (link) را که شبکه منطقه مورد مطالعه را میسازد، میشناسد. هر گره و ارتباط وابسته به بخشی خاص از مدل است. هر گره و ارتباط خاصی محاسبات مربوط به خود را انجام میدهد. Ribasim در موسسه هیدرولیک دلفت هلند ساخته شده و براساس پروژه های انجام شده به روز رسانی و توسعه یافته است. المانهایی که در مدل با آن سر کارداریم مانند عملکرد مخزن، آب کشاورزی و حداقل آب مورد نیاز و... از منوی گزینه ها انتخاب می شود که کار با آن بسیار آسان بوده و به راحتی قابل به روز رسانی می باشد. هدف از کاربرد این مدل در حوضه آبریز رودخانه صوفی چای عبارتنداز ایجاد ابزارهای مدیریت منابع آب مناسب جهت کمک به تخصیص صحیح آب به مصرف کنندگان، آنالیز سناریوهای طبیعی حدی (تر سالی و خشکسالی و...) در شرایط فعلی و آینده بصورت عکس العملهای مختلف مدیریتی، و ظرفیت سازی در حوضه برای انجام روش مدیریت یکپارچه منابع آب و توسعه آن در تصمیم گیری می باشد۱.
موارد استفاده از RibaSim به شرح ذیل می باشد:
• ارزیابی محدودیتهای منابع موجود و پتانسیل جهت توسعه در حوزه و یا منطقه
* ارزیابی اندازه گیریهای انجام شده جهت اصلاح و بهینه شدن مقوله تأمین آب
* ارزیابی منشأ ورودی آب به هر نقطه از حوزه رودخانه جهت آنالیز کیفیت
۱- طرح ریزی مدل
برای انجام شبیه سازی حوزه رودخانه توسط نرم افزار RibaSim یک مدل از منطقه مورد نظر تهیه می گردد که شبکه Networkنامیده میشود. این شبکه شامل یک سری گره(Node) که توسط خطوط ارتباطی (Link) به هم پیوسته اند. چهار گروه اصلی المانهای طراحی در مدل به شرح زیر می باشد:
۱-۱- تاسیسات زیربنایی اعم از طبیعی و غیر طبیعی مانند: مخازن سدها، دریاچه ها، رودخانه ها، کانالها، ایستگاههای پمپاژ از آب سطحی وزیرزمینی و خطوط لوله
۲-۱- مصرف کننده های آب و به عبارت وسیعتر کلیه فعالیتهای وابسته به آب مانند: مصارف خانگی، شهری، صنعتی، کشاورزی، تولید نیروی برقابی، کشتهای آبی، تفریحات آبی، نیاززیست محیطی
۳-۱- مدیریت سیستمهای منابع آب مانند: فرمانهای بهره برداری برای مخازن سدهاوسدهای انحرافی، اولویتها و نخصیص متناسب آب، حداقل جریان مورد نیاز برای حفظ حیات رودخانه و محیط زیست
۴-۱- هیدرولوژی (مثل جریان ورودی به سیستم، جریان بین حوزه ای، بارش و تبخیر) و ژئوهیدرولوژی (مثل آب زیرزمینی) و رفتارهای هیدرولیکی (مثل رابطه تر از جریان) گره ها در مدل نشان دهنده سازه ها، مصرف کنندگان، جریانهای ورودی وغیره می باشند. همچنین ارتباطات بین آنها(Link) نشان دهنده انتقال آب بین فعالیتهای مختلف یا بین منابع مختلف است مانند تقابل بین رودخانه یا مخازن آب سطحی و آب زیر زمینی و یا تبادل آب بین دو آکیفر .
۲- شبیه سازی
ابزاری جهت آنالیز یک حالت خاص با توجه به سری زمانی طولانی مدت که هم دوره های خشک و هم دوره های مرطوب را برمی گیرد. در شبیه سازی باید گام زمانی را تعریف نمود که به عنوان مثال از گامهای زمانی ماهانه، ۱۵ روزه، ۱۰ روزه و غیره استفاده می شود، با توجه به اینکه ماهیت اصلی RibaSim مدل بیلان آب است. در هر گام زمانی تعیین شده محاسبات بیلان آب در دو فاز صورت می پذیرد:
-فاز تعریف هدف (فاز تقاضا)
در این فاز محاسبات نیاز آبی انجام می گیرد که از نتایج آن میزان رهاسازی از مخازن، آب سطحی، آکیفرها و ایستگاههای پمپاژ و سدهای انحرافی معلوم می گردد.
- فاز تخصیص آب ( فاز تأمین) در این فاز تخصیص آب به کلیه مصرف کنندگان برمبنای اهداف، میزان دسترسی و فرمانهای تخصیص انجام می پذیرد. این نوع تخصیص را می توان به وسیله فرمانهای تخصیص اصلاح نمود. مثلاً تخصیص براساس اولویت یک مصرف کننده خاص یا تخصیص متناسب با نیاز، براساس شبیه سازیهای انجام شده معمولاً دسته ای از گزینه ها جهت توسعه و استراتژی مدیریت فراهم می آید. کارآیی حوزه در تامین نیازها نیز به لحاظ تخصیص آب، تولید انرژی مطمئن، بیلان آب حوزه و... مورد بررسی قرار می گیرد .
۳- ساختار مدل Ribasim
آماده سازی داده های ورودی اجرای مدل پردازش داده های خروجی بصورت جدول، نمودار، نقشه و دیاگرام تشکیل دهنده ساختار مدل می باشند. Ribasimگره های استانداردی ایجادشده و انواع ارتباطات را که شبکه حوزه می تواند براساس آن ساخته شود را تشخیص می دهد. توضیح مختصری در مورد هریک از گره ها و ارتباطات در زیر آورده شده است
• زمینهای تحت آبیاری: محاسبات مربوط به نیاز آبی شبکه با در نظر گرفتن مشخصات محصولات، پارامترهای نوع آبیاری و بارش واقعی
• مصرف توام آب سطحی وزیرزمینی برای مصارف مختلف نظیر آب شهری و صنعتی و کشاورزی
• بیلان آبی آکیفرها ظرفیت پمپاژ و حداکثر عمق برداشت از آب زیرزمینی کشت آبی با آب لب شور و یا شیرین، نیاز آبی آنها حداقل جریان مورد نیاز برای بهداشت، قایقرانی و محیط زیست نیروگاههای جریانی (بین مسیر رودخانه)
• نیاز تولید برقابی در مخازن آب سطحی
• آب برگشتی از مصرف کننده ها
• فرمانهای بهره برداری از مخازن آب سطحی
• تعریف هیدرولیکی مسیر رودخانه و تقسیم بندی مخزن آب سطحی
۴- داده های ورودی
مدل ورودیهای مدل به موضوعات زیرتقسیم بندی شده است:
• داده های مربوط به طراحی شبکه حوزه رودخانه شامل موقعیت مخازن آب سطحی، آکیفرها (مخازن آب زیرزمینی) ، سدهای انحرافی، کانالها، رودخانه ها، مکانهای انحراف آب و مصارف آب شهری ، کشاورزی ، صنعتی و سایر.
• داده های مربوط به گره و ارتباط موجود در شبکه (مثل داده های مربوط به سازه ها) • منابع آب موجود برای مصرف کنندگان آن در حوزه
• قوانین تخصیص آب و فرمانهای بهره برداری برای مخازن آب سطحی وسدهای انحرافی
• داده های هیدرولوژیکی (سریهای زمانی جریان سطحی در مرزهای حوزه ، تبخیر از سطح آزاد آب ، بارش و اطلاعات هواشناسی و... ) داده های شوری
• داده های مصارف کشاورزی (وضعیت موجود و آتی)
• داده های مصارف شرب و صنعت (وضعیت موجود و آتی)
• داده های مصارف آبزی پروری و نیاز زیست محیطی (وضعیت موجود و آتی) • داده های پساب برگشتی حاصل از انواع مصارف مختلف (وضعیت موجود و آتی)
* داده های نیاز آبی برای حفظ موجودیت دریاچه ارومیه (وضعیت موجود و آتی)
۵- خروجی مدل
نتایج شبیه سازی را می توان به وسیله یک سری نمودارهای استاندارد، فایلهای خروجی، نقشه هاو جداول مشاهده نمود. به عنوان مثال می توان الگوی کشت، تخصیص آب، میزان کمبود آب برای هریک از مصرف کنندگان، ذخیره واقعی مخازن آب سطحی وزیرزمینی کل بیلان آب حوزه و میزان تولید انرژی را بصورت نمودارو جداول ونقشه گزارش داد. جداول خلاصه نیز، نتایج اصلی (میزان موفقیت، میزان تخصیص آب، کمبود آب، میزان بهره وری آب، درصد شکست در هر سال و نیز تولید انرژی) را
در گام زمانی برای هر گره و ارتباط نشان می دهد.
۶- انواع گره
گره ها: محلهایی هستند که آب منشعب، ذخیره و یا به جریان های اصلی دیگر می پیوندد.
انواع گره ها عبارتند از
Layout node در واقع گره هایی هستند که برای کامل کردن شبکه بندی حوزه بکار می روند و جریان تنظیمی در این بخش وجود ندارد.
(Demand nodes (activity nodes: جایی که آب مصرف ویا از یک کانال یا رودخانه منشعب می شود.
Control nodes: جایی که توزیع جریان در فضا و زمان می تواند متاثر از ساختارهای دست بشر باشد (سازه های هیدرولیکی
و...)
Layout nodes انواع این گره ها عبارتند از :
Fixed Inflow : اطلاعات مربوط به این گره به صورت سری زمانی برای هر سال تعریف می شود. Variable Inflow : سری زمانی بلندمدت داده های جریان که بصورت ماهانه یاسالانه تعریف می شود. Terminal node: این گره مرز پایین دست حوزه جائیکه آب از سیستم خارج می شود را نمایش می دهد. Confluence node: این گره جایی است که شاخه های متعدد رودخانه، کانال و یا خط لوله به آن می پیوندد .
Water District node : گره زیر حوزه بالادست را نشان می دهد که شامل اراضی کشاورزی با آبیاری دیم یا بارانی، مصرف کنندگان آب شهری و صنعتی که نیاز این بخش از آب بارندگی و یا رواناب تامین می شود. جهت محاسبه نیاز آبی اراضی کشاورزی از مدل AGWAT استفاده می شود .
Dummy node: این گره میزان جریان را در ایستگاه های اندازه گیری واقع برروی رودخانه را نشان می دهد.
(2) Demand nodes انواع این گره ها عبارتند از :
Fixed, Variable and Advanced Irrigation node : گره ها نیاز آبی بخش کشاورزی رامشخص می کند تفاوت این سه گره در میزان جزئیاتی است که در محاسبه نیاز، قبول می کنند. در Fixed lrrigation تنها نیاز خالص مشخص می شود که از دو گره دیگر نیز اطلاعات کمتری را شامل می شود. در Variable lrrigation در این بخش نیاز ناخالصی تعریف می شود. در Advanced lrrigation جزئیات بیشتری نسبت به دو مورد فوق لازم است. در این بخش مدل AGWAT برای محاسبه نیاز و مدل WaCliS برای محاسبه بازده محصول و هزینه های تولید استفاده می شود. Fishpond and Brackish fishpOnd node: در این گره فعالیت های آبزی پروری را می توان مشخص نمود. Public Water Supply node : در این گره نیازهای آبی را در سه بخش شرب و صنعت می توان تعریف نمود LOSS floW node: این گره محلی را نشان می دهد که آب تبخیر و یا نفوذ می کند به عبارتی در سیستم ناپدید می شود و ممکن است در بخشهای دیگر سیستم مورد استفاده قرار گیرد به طور مثال نفوذ آب سطحی به سفره های زیر زمینی. LOW floW node: در این گره حداقل نیاز جریان را می توان تعریف نمود. به عنوان مثال، از نقطه نظر حفظ محدودیت های کیفی آب و یا حداقل آبی که باید در یک کانال وجود داشته باشد.
S. Ground water district node 5 جامع و کاملی شامل گره های rrigation ،PWSا و ذخیره آب زیر زمینی است.
(3) Control nodes انواع این گره ها عبارتند از : DVersion node: این گره محل انشعاب آب را از رودخانه یا از یک کانال
