لایه بندی حرارتی مخزن سد سیمره با استفاده از مدل دو بعدی هیدرودینامیکی و کیفی CE-QUAL-W2

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، رشته مهندسی عمران، گرایش آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

2 استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل (مسئول مکاتبات)

3 استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

10.22034/jest.2018.22904.3200

چکیده

زمینه و هدف: وجود لایه‌بندی حرارتی در مخزن سد عامل و بیانگر تغییرات کیفیت فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آب در ترازهای مختلف است. خصوصیات دمایی مخازن سدها را می توان با استفاده از مدل‌های ریاضی پیش‌بینی کرد. مدل CE-QUAL-W2یک مدلی دو بعدی هیدرودینامیکی و کیفی است که با توجه به قابلیت‌های فراوان آن، برای لایه‌بندی حرارتی از آن استفاده می‌گردد.
روش بررسی: برای لایه‌بندی حرارتی سد سیمره در استان ایلام از مدل CE-QUAL-W2 استفاده گردید. گام نخست در مدل-سازی فرآیند کالیبرسیون است. کالیبراسیون یک فرآیند چند مرحله‌ای برای اصلاح پارامترها است تا بتوان بین داده‌های مشاهده شده و مدل تطابق ایجاد نمود. برای لایه‌بندی حرارتی در مدل CE-QUAL-W2 سه مرحله کالیبراسیون شامل کالیبراسیون هندسه مخزن، سطح آب و بهره‌برداری مخزن و دمایی وجود دارد که جهت اجرای بهینه مدل انجام گرفت. پس از انجام کالیبراسیون، نتایج لایه‌بندی برای ماه‌های مختلف سال استخراج شد.
یافته‌ها: میزان خطای جذر میانگین مربعات برای کالیبراسیون که با مقایسه داده‌های واقعی و داده‌های مشاهده ای، به ترتیب 5/0، 05/0 و 62/1 محاسبه گردید، بیانگر آن است که مدل برای لایه‌بندی حرارتی دارای قابلیت مناسبی است. بر اساس اطلاعات مربوط به مدل‌سازی، مشخص گردیده است که سد سیمره دارای یک دوره لایه‌بندی حرارتی است. این لایه‌بندی از اسفند ماه تا دی ماه ادامه دارد و در پاییز به اوج می‌رسد. ضخامت لایه سطحی آب که رولایه نام دارد از ماهی به ماه دیگر متفاوت است. ضمن آن‌که این تفاوت در لایه میانی یا ترموکلاین نیز در ماه‌های مختلف دیده می‌شود. ضخامت رولایه در آذرماه بیش از سایر ماه‌ها می‌باشد. وجود این لایه‌بندی در مخازن باعث می‌شود تا به تدریج مواد آلی و رسوبات ته‌نشین شده در کف زیاد شده و در هنگام اختلاط مخزن موجب گسترش پدیده تغذیه‌گرایی در مخزن شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره هفت، مهر ماه 98

لایه­بندی حرارتی مخزن سد سیمره با استفاده از مدل دو بعدی هیدرودینامیکی و کیفی CE-QUAL-W2

 

نسیم شعبانی[1]

علی رحمانی فیروزجائی[2]*

rahmani@nit.ac.ir

عزیر عابسی[3]

تاریخ دریافت:19/09/95

تاریخ پذیرش: 13/11/95

چکیده:

زمینه و هدف: وجودلایه­بندیحرارتیدرمخزنسدعاملوبیانگرتغییرات کیفیتفیزیکی،شیمیاییوبیولوژیکیآبدرترازهای مختلفاست. خصوصیاتدماییمخازنسدهارامیتوانبااستفادهازمدل­هایریاضی پیش­بینیکرد. مدل  CE-QUAL-W2یک مدلیدوبعدیهیدرودینامیکیوکیفیاست که با توجه به قابلیت­های فراوان آن، برای لایه­بندی حرارتی از آن استفاده می­گردد.

روش بررسی: برای لایه­بندی حرارتی سد سیمره در استان ایلام از مدل CE-QUAL-W2 استفاده گردید. گام نخست در مدل­سازی فرآیند کالیبراسیون است. کالیبراسیون یک فرآیند چند مرحله­ای برای اصلاح پارامترها است تا بتوان بین داده­های مشاهده شده و مدل تطابق ایجاد نمود. برای لایه­بندی حرارتی در مدل CE-QUAL-W2 سه مرحله کالیبراسیون شامل کالیبراسیون هندسه مخزن، سطح آب و بهره­برداری مخزن و دمایی وجود دارد که جهت اجرای بهینه مدل انجام گرفت. پس از انجام کالیبراسیون، نتایج لایه­بندی برای ماه­های مختلف سال استخراج شد.

یافته­ها: میزان خطای جذر میانگین مربعات برای کالیبراسیون که با مقایسه داده­های واقعی و داده­های مشاهده ای، به ترتیب 5/0، 05/0 و 62/1 محاسبه گردید، بیان­گر آن است که مدل برای لایه­بندی حرارتی دارای قابلیت مناسبی است. این لایه­بندی از اسفند ماه تا دی ماه ادامه دارد و در پاییز به اوج می­رسد. ضخامت لایه سطحی آب که رولایه نام دارد از ماهی به ماه دیگر متفاوت است. ضمن آن­که این تفاوت در لایه میانی یا ترموکلاین نیز در ماه­های مختلف دیده می­شود. ضخامت رولایه در آذرماه بیش از سایر ماه­ها می­باشد.

بحث و نتیجه­گیری: بر اساس اطلاعات مربوط به مدل­سازی، مشخص گردیده است که سد سیمره دارای یک دوره لایه­بندی حرارتی است. وجوداینلایه­بندی درمخازنباعثمی­شودتابهتدریجموادآلیورسوباتته­نشینشدهدرکفزیادشدهودرهنگاماختلاطمخزن موجب گسترشپدیدهتغذیه­گراییدرمخزنشود.

واژه­های کلیدی: لایه­بندی حرارتی، مدل CE-QUAL-W2، ترموکلاین، سد سیمره

J. Env. Sci. Tech., Vol 21, No.7,September, 2019

 

 

 

 


Thermal Stratification of Seymareh Dam Using Two-Dimensional, Hydrodynamic and Water Quality Model: CE-QUAL-W2

 

Nasim Shabani[4]

Ali Rahmani Firoozjaee[5]*

                                                         rahmani@nit.ac.ir

Ozeair Abessi[6]

Accepted: 2017.02.01

Received: 2016.12.09

 

Abstract:

Background: Thermal stratification in the reservoir changes the physical, chemical and biological quality at different levels. Temperature conditions of the reservoirs can be predicted using mathematical models. CE-QUAL-W2 is a two-dimensional, hydrodynamic and water quality model that is used for thermal stratification regarding its capabilities.

Material and Methods: CE-QUAL-W2 is used for thermal stratification in Seymareh dam. Calibration is first step in modeling. Calibration is an iterative process whereby model coefficients are adjusted until an adequate fit of observed versus predicted data is obtained. CE-QUAL-W2 model has three calibrations phase including volume-elevation, water balance and thermal calibrations, all have done for model optimum performance. After the calibration, stratification results are extracted for the various months.

Results: The root mean square error of calibration calculated by comparing the actual data and the observed data were 0.5, 0.05 and 1.62, respectively, indicating that the model for the layer ‌ Thermal conditioning is suitable. This stratification continues from March to December and culminates in autumn. The thickness of the surface layer of water, called the roller, varies from month to month. This difference is also seen in the middle layer or the thermocline in different months. The thickness of roller in December is more than other months.

Discussion and Conclusion: Based on modeling information, it has been determined that the Seymareh Dam has a thermal stratification period. The presence of this layering in the reservoirs causes the organic matter and sedimentation of sediments to gradually increase in the bottom of the reservoir.

Keywords: Thermal stratification, CE-QUAL-W2 Model, Thermocline, Seymareh Dam.

 

 

مقدمه

 

خصوصیاتطبیعیحوضهآبخیز،کمیتوکیفیتآب­هایورودی بهمخزن،خصوصیاتاقلیمیومیزانفعالیت­هایمختلفانساندرحوضهآبخیز ازجملهعواملیهستندکهکیفیتآبمخازنسدهاراتحتتاثیرقرار میدهند (1). احداثسدبهعنوانمانعیمهمدربرابرجریانهایطبیعیرودخانهنقشتعدیلیویژه‌ایدررژیمرودخانهای داشتهودرحقیقتبهصورتیکداممنجربهتلهاندازیجریان­هایسطحیمی‌گردد(2). بااحداثسددرمسیررودخانه­ها،جریانپویاودرحالحرکت رودخانهبهآبیایستاوراکدتبدیلمی­گردد. اینتغییر،اکوسیستم رودخانه­ایرابهاکوسیستمدریاچه­ایتبدیلمی­نماید. مهم­تر­ین تفاوتایندواکوسیستمرامی­تواندرزمانماندولایه­بندی آبدانستکهباعثمی­شودکیفیتآبرودخانهقبلازمخزنسدو بعدازآنمتفاوتباشد. لایه­بندیبهمعنیایجادلا­یه­هایی از جرم­هایسیالمی­باشدکهدراثراختلافدردانسیتهایجادمی­گرددو می­تواندناشیازاختلافدرحرارتویاوجودموادمحلولومعلق باشد. لایه­بندیحرارتیمرسوم­تریننوعلایه­بندیاستودرسدهای بزرگتأثیربسزاییبراکوسیستممخازنسدهادارد (3، 4).

ساختوبهرهبرداریازمخازنسدهااصولامنجربهدوتغییرعمدهدرروندبهظاهرنابهنجارجریانهایطبیعیرودخانه‌هامی‌شود.اولآن­کهاحداثمخزنباعثافزایشزمانماندآبگردیدهوازسویدیگرباعثایجادپدیدهلایه‌بندیآبدرمخزنمی­شود(5). یکیازعواملبسیارمهمکهخصوصیاتآبدریاچه­هاو مخازنسدهاراتحتتأثیرقرارمیدهد،لایهبندیحرارتیاستکه دراواخربهارودرطیتابستاندرمخازنعمیق اتفاقمی­افتد (1). لایه­بندی عبارت است از شکل­گیری لایه­هایی در پروفایل عمقی بدنه آبی که باعث تغییر ناگهانی در کیفیت آب می­گردد. (6). دراغلب مخازن و دریاچه­ها، لایه­بندی حاصل موازنه حرارتی بین آب ذخیره شده و سایر ورودی­ها به مخزن می­باشد. در زمان لایه­بندی سه لایه مشخص در مخزن به وجود می­آید (7):

1. رو­لایه یااپیلیمنیون،که منطقه بالاتر، گرم­تر و با دانسیته کم­تر می­باشد. این لایه، یک لایه نازک و نسبتا یکنواخت از نظر درجه حرارت می­باشد. ضخامت رولایه از دریاچه­ای به دریاچه دیگر و از ماهی به ماه دیگر متفاوت است.

2. میان­لایه یا متالیمنیون، که منطقه میان رولایه و زیر­لایه می­باشد و صفحه ترموکلاین در آن قرار دارد. در میان­لایه گرادیان شدید دانسیته و درجه حرارت وجود دارد، که این پدیده انتقال قایم گرما و مومنتم و مواد داخل دریاچه را محدود کرده و باعث جدایی مشخصه های هیدرولیکی، دمایی و اکولوژیکی در دو لایه دریاچه می­شود.

3. زیر­لایه یا هیپولیمنیون، که منطقه پایین­تر، سردتر و با دانسیته بیش­تر است. این لایه سرد با گرادیان حرارتی کم­تر در کف مخزن قرار دارد. وجود لایه­های سنگین­تر، سردتر و با اکسیژن محلول کم­تر در کف مخازن تغییرات عمده­ای در کیفیت آب ایجاد کرده و اهمیت شناخت لایه­بندی را دو چندان می­کند.

وجودلایه­بندیحرارتیدرمخزنسدعاملوبیان­گرتغییرات کیفیتفیزیکی،شیمیاییوبیولوژیکیآبدرترازهایمختلفاست کهدرصورتتداوممی­تواندمنجربهنامناسبشدنشرایطکیفیآب در مخزن گردد (8، 9).

خصوصیاتدماییمخازنسدهارامیتوانبااستفادهازمدل­هایریاضی پیش­بینیکردودرصورتپیش­بینیمشکلاتمحیط­زیستی می­توانازطرقمختلفبرایتخفیفوتسکینآن،راهدرمانیرا درپیشگرفت (10).

اکثرمدل­هایموجودجهتبررسیرفتارکیفیمخازنآبیمدل­هایتوسعه­یافتهفیزیکیبودهومعادلاتحاکم برواکنش­هایکیفیوبنیادیکم­ترتغییرکردهوتلاش‌هابیش­ترمتوجهافزایشابعادوروش­هایحلموثرترومفیدتر بودهاست. توسعهمدل­هایشبیه‌سازیکیفیتمخزنبامدل­هایشبیه‌سازیرفتارحرارتیمخازنآغازشد. دردهه گذشتهمحققینزیادی درطرح‌هایپژوهشیواجراییخود از مدل CE-QUAL-W2 ستفادهکرده‌اندکهحکایتازکاراییمدلفوقدارد.برمبنایاینمدلامکانپیش‌بینیاثراتفرایندهایطبیعیوفعالیت­هایانسانیرابرروی ویژگی­هایفیزیکی،شیمیاییوبیولوژیکیآبدرمخازنفراهممی­آید (11).

مدل  CE-QUAL-W2 مدلیدوبعدی، طولی – عمقی، هیدرودینامیکیوکیفیاست. بهدلیلفرضهمگنبودنجانبی این مدل برای پیکره‌هایآبیطویلوباریکمناسباست. توسعهوتکاملاینمدلاز سهدههپیشآغازشدهوبرای مخازن، دریاچه‌ها،رودخانه‌هاوخورهادر سراسردنیااستفادهشدهاست .مدلاولیه CE-QUAL-W2کهبه عنوان LARM شناختهمی‌شودتوسطادینگروبوچاک (12) توسعهدادهشد. اینمدلهیدرودینامیک،دما ومشخصه‌های کیفی آبمانند  TDS (Total Dissolved Solids) راشبیه‌سازیمی‌کرد. توسعهبیش­ترامکانشبیه‌سازی چندینانشعابوخوررادر مدل GLVHT توسط کولوولز (13) فراهمکرد. پسازافزودنالگوریتم‌هایکیفیآبمدلبه­نام CE-QUAL-W2  نسخه یکشناخته شد.

برخیازقابلیتهایمدل CE-QUAL-W2 جهتشبیه­سازیریاضی بهقرارزیراست:

1. تغییراتسطحآب،سرعتآبودمابهصورتدینامیکقابلپیش­بینیاست.          

2.عواملمختلفتعیینکیفیتآبباانتخابکاربرمیتواندشبیه­سازیشدهویاازشبیه­سازی حذفگردد.

3.  اینمدلدرسامانه­هایمختلفآبیازقبیلرودخانه،مخزنسد،دریاچهومصبوترکیبآن­ها قابلکاربرداست.

4. باتقسیمبدنهاصلیسیستمآبی(Water body) و تعیین مقاطع (Segment) و لایه­های عمقی (Layer) در اشکالمتنوع   محیط­هایآبیباابعادوعمقهایمختلفقابلیتبکارگیریدارد.

5.مدلدارایانعطافکافیجهتانتخابنوعوتعدادنتایجمحاسباتقابلاخذاست.

ازمدلCE-QUAL-W2در مطالعات متعددی در داخل کشور انجام شده است. جدول 1 نمونه ای از این مطالعات را نشان می­دهد.


 

جدول 1-مطالعات انجام شده برای مدل­سازی کیفی آب

Table 1- Case studies for water quality modeling

نویسندگان

موارد مدل­سازی

نتیجه

مدیری و همکاران (14)

اثر تغییر اقلیم بر رژیم حرارتی سد لتیان

حساس بودن سد لتیان به تغییر دما

نظریها و همکاران (10)

لایه­بندی حرارتی برای سه سال تر، خشک و نرمال

هر‌‌ چه تأثیروجودسدرویرژیمآبیبیش­ترباشد(سالخشک)،امکاننزدیکیشرایطبهوضعیتدریاچه‌ایبیش­تراست.

سعیدی و همکاران (15)

رژیم حرارتی و غلظت اکسیژن محلول در سد شهید رجایی

دریاچه سد شهید رجایی در دسته دریاچه‌های منومیکتیک گرم قرار دارد.

ظهره‌وند و همکاران (16)

شرایط کیفی آب در مخزن سد ماملو

وجود لایه‌بندی تابستانه حرارتی و گسترش پدیده تغذیه‌گرایی

ویسی و همکاران (17)

لایه‌بندی حرارتی در دریاچه سد مخزنی اکباتان

دریاچه مورد نظر جزء دریاچه‌های یک گردشی گرم با یک گردش زمستانه به مدت 4 ماه

 


روش بررسی

منطقه­ی مورد مطالعه

رودخانه­های سیمره و کشکان سرشاخه­های رود کرخه هستند و حوزه آبریز بالای آن را با وسعت 38000 کیلومتر مربع تشکیل می­دهند. رود سیمره به طول 417 کیلومتر و شیب 3/0 درصد از به هم پیوستن رودخانه­های قره­سو و گاماسیاب تشکیل شده و مهم­ترین شاخه­های فرعی آن چرداول و شیروان می­باشد. متوسطبارندگیسالانهحوزهآب­ریزدر دوره۴۶سالهبرابربا7/422میلی­مترمی­باشد.

بهار7/25درصد،تابستانکم­تراز۱درصد،پاییز3/29درصدوزمستان8/44درصدازبارانسالیانهسهمدارندوحداکثرمیزانبارندگیدرماهاسفندبا۱۷درصدسهممیباشد. مردادگرم­ترینوبهمنسردترینماهسالاست. تعدادروزهاییخبندان5/33روزومتوسطسالانهسرعتباد45/1متربرثانیهمیباشد (18).

ساختگاه سد سیمره در حدود 40 کیلومتری شمال­غربی شهرستان دره­شهر و در 106 کیلومتری جنوب­شرقی شهرستان ایلام واقع است. مختصاتجغرافیاییآنبهطولشرقی َ12 47 وعرضشمالی َ1737 می­باشد (شکل 1). جدول 2 مشخصات بدنه سد و مخزن سد را نشان می­دهد.

 

 

 

شکل 1-موقعیت سد سیمره

Figure 1- Location of Seymareh Dam

 

در این مطالعه از نسخه 3.7.2 مدل CE-QUAL-W2 برای لایه­بندی حرارتی مخزن سد سیمره استفاده شد.


 

جدول 2- مشخصات مخزن سد (18)

Table 2- Dam reservoir attributes (18)

مشخصات مخزن سد

مشخصات بدنه سد

رقوم نرمال مخزن: 720 متر از سطح دریا

نوع سد: بتنی دو قوسی

رقوم حداقل بهره­برداری از نیروگاه: 705 متر از سطح دریا

ارتفاع از پی: 180 متر

رقوم حداکثر آب: 45/731 متر از سطح دریا

حداکثر عرض در پی: 28 متر

حجم کل مخزن: 3251 میلیون مترمکعب در تراز 5/731

عرض در تاج: 6 متر

حجم مفید مخزن: 810 میلیون مترمکعب

طول تاج: 202 متر

حجم مخزن در تراز نرمال: 2473 میلیون مترمکعب

رقوم تاج: 730 متر از سطح دریا

مساحت مخزن در تراز نرمال: 7/62 کیلومتر مربع

حجم بدنه سد و بلوک­­های رانشی: 558932 مترمکعب

مساحت مخزن در تراز 5/731: 9/72 کیلومتر مربع

 


 


داده های ورودی به مدل


ورودی­هایموردنیازمدلبرایانجامشبیه­سازیهایمذکور، شاملاطلاعاتهندسهمخزن،اطلاعاتهواشناسی (دمای هوا، نقطه­ شبنم، سرعت و جهت باد، پوشش ابر)،شرایطاولیه وشرایطمرزیمدلبود. داده­هایشرایطاولیهمدلشاملمقادیرترازوپروفیلدمایی اولیهمخزنسدبود. داده­هایشرایطمرزیمدلشاملدبیو دمایآبخروجیمخزنسدوهمچنیندبیودمایآبورودی بهمخزن است.

اولینگام در مدل­سازی، تعریف هندسه مخزناستکهدرآنمی­بایستژئومتریمخزنبهمدلمعرفیشود .در این بررسی مخزن سد سیمره به 28 بخش طولی و 62 لایه در جهت قائم تقسیم شده است که عمق هر لایه به میزان ثابت دو متر در نظر گرفته شده و فاصله طولی بخش­ها 2000 متر است.

برای ساخت مدل، داده­های سال آبی 1390تا 1392 استفاده و مدل هیدوردینامیکی ساخته شد. داده­های هواشناسی منطقه از سازمان هواشناسی استان ایلام و داده­های مربوط به دبی ورودی و خروجی و نیز اطلاعات دمای عمقی آب نیز از شرکت توسعه منابع آب و نیروی ایران تهیه شده است.

برای لایه­بندی حرارتی در مدل CE-QUAL-W2 سه مرحله کالیبراسیون وجود دارد که جهت اجرای بهینه مدل باید انجام گیرد.  این سه مرحله کالیبراسیون عبارتند از:

الف) کالیبراسیون هندسه مخزن: با استفاده از نمودار حجم - ارتفاع، طی یک فرآیند آزمون سعی و خطا با تغییر در پهنا و ضخامت لایه­ها انجام می­گیرد.

ب) کالیبراسیون سطح آب و بهره­برداری مخزن: که با مقایسه تراز بهره­برداری مخزن با تراز بهره­برداری مدل انجام می­گیرد.


ج) کالیبراسیون دمایی: مقایسه دمای پیش­بینی شده توسط مدل با دمای واقعی و اصلاح ضرایب اثرگذار بر آن جهت کاهش خطای مدل­سازی. برخی از ضرایب اثرگذار بر کالیبراسیون دمایی عبارتند

از دمای آب ورودی، اطلاعات هواشناسی، سایه روی سطح آب و ضریب کاهش نور.

در اولین گام، هندسه مخزن مورد کالیبراسیون قرار گرفت و هندسه مناسبی از مخزن برآورد شد. در ادامه با استفاده از داده­های سال آبی 1390تا 1392، سطح آب و بهره­برداری مخزن و دمای مخزن سد سیمره مورد کالیبراسیون قرار گرفت. در طی فرآیند کالیبراسیون، داده­های مشاهده شده مربوط به مخزن با داده­های شبیه­سازی شده توسط مدل مقایسه می­گردد. نتیجه مقایسه دو حالت، استخراج خطای کالیبراسیون است. خطای کالیبراسیون به دو صورت متوسط خطای مطلق و خطای جذر میانگین مربعات ارایه می­گردد (رابطه 1 و 2):

 رابطه 1:         

 رابطه 2:         

 

یافته­ها

کالیبراسیون هندسه مخزن

شکل 2 نمودار کالیبراسیون هندسه مخزن را نشان می­دهد. در این شکل، نسبت ارتفاع به حجم واقعی مخزن و نمودار ارتفاع به حجم مدل پس از 4 بار آزمون سعی و خطا و با تغییر در ضخامت لایه­ها نشان داده شده است.

 

شکل 2. نمودار کالیبراسیون حجم-ارتفاع

Figure 2- volume-elevation calibration chart

کالیبراسیون سطح آب و بهره­برداری مخزن

جهت انطباق تراز ذخیره مخزن در شرایط اجرای مدل و شرایط برنامه­ریزی منابع آب، واسنجی بهره­برداری مخزن انجام می­شود. در این مرحله، تراز سطح آب مشاهداتی با نتایج مدل­سازی مقایسه می­گردد.

شکل 3 تغییرات تراز سطح آب در طول دوره شبیه­سازی را نشان می­دهد.

 

 

 

شکل 3- نمودار کالیبراسیون سطح آب

Figure 3- Water balance calibration chart

 

کالیبراسیون دما

 

در این مرحله با مقایسه دمای حاصل از شبیه­سازی و مشاهدات واقعی و تصحیح پارامترهای تاثیرگذار بر دما، بیش­ترین تطابق بین مدل و مشاهدات ایجاد گردید. شکل 4 نتایج کالیبراسیون دمایی برای روزهای منتخب را نشان می­دهد.

 

 

شکل 4. نتایج کالیبراسیون دما برای روزهای منتخب

(نمودار آبی: مشاهده شده؛ نمودار قرمز: شبیه­سازی)

Figure 4- Thermal calibration for candidate days (Blue: Observed, Red: Simulation)

 

 

نتایج موفقیت فرآیند مدل­سازی دمایی سد سیمره را نشان می­دهد.

لایه­بندی حرارتی سد سیمره

پس از ورود داده­های مختلف به نرم­افزار و انجام فرآیند سه مرحله­ای کالیبراسیون، فرآیند شبیه­سازی به مدل پایدار و قابل قبولی منتهی گردید که تخمین حرارتی عمق­های مختلف سد سیمره را برای دوره­های زمانی مختلف ارایه می­دهد. فرآیند کالیبراسیون در سه مرحله انجام گرفت که جدول 3 میزان خطای مدل را نشان می­دهد.


جدول 3- خطای کالیبراسیون سه مرحله­ای

Table 3- Three-stages calibration error

کالیبراسیون

RMS

AME

کالیبراسیون هندسه مخزن

5/0

2/0

کالیبراسیون سطح آب و بهره­برداری مخزن

05/0

04/0

کالیبراسیون دمایی

62/1

52/1

 

بر اساس اطلاعات مربوط به مدل­سازی، مشخص گردیده است که سد سیمره دارای یک دوره لایه­بندی حرارتی است. شکل 5      لایه­بندی حرارتی سد سیمره را در یک دوره یک­ساله می­دهد.

 

 

 

شکل 5- لایه­بندی سد سیمره در دوره یک­ساله

Figure 5- Seymareh dam stratification during one-year period

 

 

این لایه­بندی از اسفند ماه به صورت تدریجی شروع می­شود. این لایه­بندی حدودا از دی ماه از بین می­رود و اختلاط در سد اتفاق  می­افتد. اوج اختلاط در بهمن ماه رخ می­دهد. ضخامت لایه سطحی آب که رولایه نام دارد از ماهی به ماه دیگر متفاوت است. ضمن آن­که این تفاوت در لایه میانی یا ترموکلاین نیز در ماه­های

 

مختلف دیده می­شود. ضخامت رولایه در آذرماه بیش از سایر ماه­ها می­باشد. شکل 6 لایه­بندی سد سیمره در ماه مهر را نشان می­دهد که در آن سه لایه حرارتی کاملا مشخص و از هم تفکیک شده هستند. شکل 7 نیز اختلاط کامل لایه­های آب سد سیمره را برای ماه بهمن نشان می­دهد.

 

 

 

 

 

بحث و نتیجه گیری

 

کیفیتآبمخزنبهعواملمختلفیچونحوضهآبریز،اقلیممنطقهبهویژههندسهومشخصاتوفرآیندهایداخلی مخزنبستگیدارد .علاوهبرآنکیفیتآبمتاثرازنوعوموقعیتمخزنوچگونگیبهره­برداریازقابلیتهایکنترل مخزناست. نتایج مدل­سازی نشان داده است که مخزن سد سیمره دارای لایه­­بندی 10 ماهه است. این لایه­بندی تقریبا از اواخر اسفند ماه شروع می­شود و در مهرماه به اوج خود می­رسد و حدودا اواخر آذر به پایان می­رسد. در مقایسه با مطالعات دیگر، در سد مارون لایه­بندی از اواخر فروردین شروع و در مرداد ماه به اوج می­رسد (2). همچنین در سد ماملو نیز اواخر فروردین شروع و در آذر ماه از بین می­رود (16).تشکیللایه­بندیحرارتی درمخزن،بهتدریجباعثافزایش ضخامترولایهشدبه طوریکهدرانتهایفصل پاییز ضخامتاینلایهبهبیش­ترین حد خود رسید. گرادیانحرارتیسطحیایجادشدهدردورهلایهبندیمخزنسدسیمره،بهدودلیل: جریاناتسطحیناشیازبادوتشعشعاتخورشیدی،می­تواندمی­باشد.

سطحدریاچه­هاومخازندربیش­ترمناطقزمینیکچرخه دماییمشخصرادرسالطیمی­کنند. همچنان­که نتایج این پژوهش نشان داد لایه­بندی حرارتی سد سیمره در بیش­تر ماه­های سال وجود دارد. یکی از دلایل ایجاد لایه­بندی حرارتی، تماس آب با اتمسفر و دریافت انرژی خورشید است. همزمان با کاهش دمای هوا خصوصا در فصل زمستان لایه­بندی حرارتی از بین می­رود و

در عین­حال با گرم شدن هوا لایه­بندی شکل­ می­گیرد. باشروعفصلزمستانوآغازدورهسرما،اختلاطدرمخزن سداتفاقافتادهاست.اختلاطآبمخزندرایندوره،باعثیکنواخت شدندمادرتمامیترازهامیشود.

لایه­بندیحرارتیدرمخازنسدها مانعدریافتاکسیژنازمنابعخارجیمی­شودوارتباط طبیعیمخزنباهوایاطرافراقطعمی­کند (19). وجوداینلایه­بندی درمخازنباعثمی­شودتابهتدریجموادآلیورسوباتته­نشینشدهدرکفزیادشدهودرهنگاماختلاطمخزن موجبگسترشپدیدهتغذیه­گراییدرمخزنشود.

لایه­بندی حرارتی مانع دریافت اکسیژن از منابع خارجی در داخل مخازن می­شود، کمبود اکسیژن و ایجاد شرایط بی­هوازی بر بسیاری از فرایندهای بوم شناختی و شیمیایی در مخزن تاثیر منفی می­گذارد. در این شرایط رهاسازی جریان از زیر­لایه در زمان لایه­بندی باعث می­شود که جریان آب سردتری از جریان پایه، آزاد و رها شود. جریان آب سرد از مخازن بالادست در شرایط گرم تابستان می­تواند باعث تقویت لایه­بندی یا حتی القای لایه­بندی در مخازن پایین­دست شود. افزایش حجم زی­توده فیتوپلانکتون­ها، کاهش اکسیژن محلول، مشکلات مربوط به بو، رنگ و کیفیت آب برای مصرف شرب و کاهش شفافیت آب برخی از اثرات پدیده تغذیه گرایی در مخازن سد است که به دلیل مصرف شرب سد سیمره می­تواند بر سلامت جوامع انسانی نیز اثرگذار باشد.

منابع

  1. Khayammi, M., Danesh, Sh., Khodashenas, S., Davari, K. 2009. Simulation of Water Quality in Dam’s Basins (Case Study – Torogh Dam Basin). Journal of Water and Soil, 23(1): 17-29. (In Persian)
  2. Hamzepour, S., Behmanesh, J., Mohamadnejad, B. 1391.  Evaluation of Water Quality within dam reservoirs using CE-QUAL-W2 Model, a two-dimensional (Case Study: Maroon Dam). The 11th Conference on Iranian Hydraulic, Oromieh University, Iran.
  3. Ford, D. E. 1990. Reservoir transport processes. P.15-41. In K. W. Thornton,B. L. Kimmel & F. E. Payne(eds) . Reservoir Limnology: Ecological Perspectives, John Wiley & Sons, New York.
  4. Nogueira, M. G., Henry, R., & Maricatto, F. E. 1999. Spatial and temporal heterogeneity in the Jurumirim Reservoir, Sao Paulo, Brazil. Lake Reserv. Res. Manage, 4: 107–120.
  5. Amiri, L., Vafaie, F., Ardalan, M. 2009. Thermal Stratification in Sefidrood Dam. The 8th International Conference on Civil Engineering, Shiraz University, Iran.
  6. Perks, C. 2006. Dealing With Stratification within a Water Supply Reservoir. 69th Annual Water Industry Engineers and Operators’ Conference Bendigo Exhibition Centre.
  7. Mikio, H. 1994. Water quality and its control, IAHR, A.A. Balkema, Rotterdam, Netherlands.
  8. Kermani, M., Naseri, S. 2002. Impacts of Dam construction on water quality. Journal of Water and Environment, 51: 6-11. (In Persian)
  9. Ford, D. E., Thornton, K. W. 1979. Time and length scales for the one-dimensional assumption and its relation to ecological models. Water Resources Res, 15: 113-120.
  10. Nazariha, M., Danaei, E., Hashemi, S.,  Izad Doustdar, A. 2010. Prediction of Thermal Stratification in Proposed Bakhtyari Reservoir With CE-QUAL-W2. Journal of Environmental Studies, 36 (54), 11-18. (In Persian)
  11. Madadi, H., Najmi, N. 2008. Stratification of Des Dam Reservior usin CE-QUAL-W2 Model. The Second Conference on Environmental Engineering, Tehran University, Iran. (In Persian)
  12. Edinger, J. E., Buchak, E. M. 1975. A Hydrodynamic, Two-Dimensional Reservoir Model: The Computational Basis, Prepared for US Army Engineer Division, Ohio River, Cincinnati, Ohio.
  13. Cole, T. M., Wells, S. A. 2007. A Two-Dimensional, Laterally Advanced, Hydrodynamic and Water Quality Model, Version 3. Army Engineering and Research Development Center.
  14. Modiri-Gharehveran, M., Etemad-Shahidi, A., & Jabbari, E. 2014. Effects of climate change on the thermal regime of a reservoir, Water Management, 167: 601-911. (In Persian)
  15. Saeidi, P., Mehrdadi, N., Ardestani, M., Baghvand, A. 2014. Simulation of Thermal Stratification and Dissolved Oxygen Concentrations Using Ce-Qual-W2 Model (Case Study: Shahid Rajaee Dam). Journal of Environmental Studies, 39(4): 171-180. (In Persian)
  16. Zohrevand, M., Seraji, M., Hashemi, S. 2011. Water Quality Condition Evaluation in Dam Reserviors Using Ce-Qual-W2 Model (Case Study: Mamloo Dam). The First International Conference on Dams and Hydropower. Tehran. Iran. (In Persian)
  17. Weysi, K., Samarghandi, M., Samadi, M., Safaee, M., Nourmoradi, H., MoghimBeigi, A. 2014. Monitoring of the Undesirable Phenomenon of Thermal Stratification in Reservoir Dam of Ekbatan, Hamadan. Journal of Health System Research, 9: 1005-1013. (In Persian)
  18. Mahab Ghodss Consulting Engeneering Company. 2015. Seymareh Dam Overview, www.mahabghodss.net (In Persian)
  19. Dehghan, J. 2001. Thermal stratification in tandem reservoirs, case study :reservoirs of karun1,karun2 and karun3 dams. Master of science in Environmental Engineering. Iran University of Science and Technology. 125 pages. (In Persian)


1-      دانش­آموخته کارشناسی ارشد، رشته مهندسی عمران، گرایش آب و سازه­های هیدرولیکی، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

2-      استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل (مسئول مکاتبات)

3-       استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

[4]- Msc Graduate of Civil Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran.

[5]- Assistant professor of Civil Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran.

[6]- Assistant professor of Civil Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran.

 

  1. Khayammi, M., Danesh, Sh., Khodashenas, S., Davari, K. 2009. Simulation of Water Quality in Dam’s Basins (Case Study – Torogh Dam Basin). Journal of Water and Soil, 23(1): 17-29. (In Persian)
  2. Hamzepour, S., Behmanesh, J., Mohamadnejad, B. 1391.  Evaluation of Water Quality within dam reservoirs using CE-QUAL-W2 Model, a two-dimensional (Case Study: Maroon Dam). The 11th Conference on Iranian Hydraulic, Oromieh University, Iran.
  3. Ford, D. E. 1990. Reservoir transport processes. P.15-41. In K. W. Thornton,B. L. Kimmel & F. E. Payne(eds) . Reservoir Limnology: Ecological Perspectives, John Wiley & Sons, New York.
  4. Nogueira, M. G., Henry, R., & Maricatto, F. E. 1999. Spatial and temporal heterogeneity in the Jurumirim Reservoir, Sao Paulo, Brazil. Lake Reserv. Res. Manage, 4: 107–120.
  5. Amiri, L., Vafaie, F., Ardalan, M. 2009. Thermal Stratification in Sefidrood Dam. The 8th International Conference on Civil Engineering, Shiraz University, Iran.
  6. Perks, C. 2006. Dealing With Stratification within a Water Supply Reservoir. 69th Annual Water Industry Engineers and Operators’ Conference Bendigo Exhibition Centre.
  7. Mikio, H. 1994. Water quality and its control, IAHR, A.A. Balkema, Rotterdam, Netherlands.
  8. Kermani, M., Naseri, S. 2002. Impacts of Dam construction on water quality. Journal of Water and Environment, 51: 6-11. (In Persian)
  9. Ford, D. E., Thornton, K. W. 1979. Time and length scales for the one-dimensional assumption and its relation to ecological models. Water Resources Res, 15: 113-120.
  10. Nazariha, M., Danaei, E., Hashemi, S.,  Izad Doustdar, A. 2010. Prediction of Thermal Stratification in Proposed Bakhtyari Reservoir With CE-QUAL-W2. Journal of Environmental Studies, 36 (54), 11-18. (In Persian)
  11. Madadi, H., Najmi, N. 2008. Stratification of Des Dam Reservior usin CE-QUAL-W2 Model. The Second Conference on Environmental Engineering, Tehran University, Iran. (In Persian)
  12. Edinger, J. E., Buchak, E. M. 1975. A Hydrodynamic, Two-Dimensional Reservoir Model: The Computational Basis, Prepared for US Army Engineer Division, Ohio River, Cincinnati, Ohio.
  13. Cole, T. M., Wells, S. A. 2007. A Two-Dimensional, Laterally Advanced, Hydrodynamic and Water Quality Model, Version 3. Army Engineering and Research Development Center.
  14. Modiri-Gharehveran, M., Etemad-Shahidi, A., & Jabbari, E. 2014. Effects of climate change on the thermal regime of a reservoir, Water Management, 167: 601-911. (In Persian)
  15. Saeidi, P., Mehrdadi, N., Ardestani, M., Baghvand, A. 2014. Simulation of Thermal Stratification and Dissolved Oxygen Concentrations Using Ce-Qual-W2 Model (Case Study: Shahid Rajaee Dam). Journal of Environmental Studies, 39(4): 171-180. (In Persian)
  16. Zohrevand, M., Seraji, M., Hashemi, S. 2011. Water Quality Condition Evaluation in Dam Reserviors Using Ce-Qual-W2 Model (Case Study: Mamloo Dam). The First International Conference on Dams and Hydropower. Tehran. Iran. (In Persian)
  17. Weysi, K., Samarghandi, M., Samadi, M., Safaee, M., Nourmoradi, H., MoghimBeigi, A. 2014. Monitoring of the Undesirable Phenomenon of Thermal Stratification in Reservoir Dam of Ekbatan, Hamadan. Journal of Health System Research, 9: 1005-1013. (In Persian)
  18. Mahab Ghodss Consulting Engeneering Company. 2015. Seymareh Dam Overview, www.mahabghodss.net (In Persian)
  19. Dehghan, J. 2001. Thermal stratification in tandem reservoirs, case study :reservoirs of karun1,karun2 and karun3 dams. Master of science in Environmental Engineering. Iran University of Science and Technology. 125 pages. (In Persian)