نوع مقاله: مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 استادیار گروه عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی تهران، تهران، ایران. * (مسوول مکاتبات)
2 کارشناسی ارشد مهندسی عمران- محیط زیست، دانشگاه خوارزمی تهران
چکیده
کلیدواژهها
موضوعات
علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره پنج ، مردادماه 98
مدلسازی و تحلیل حساسیت کیفیت آب خروجی مخزن سد میمه با استفاده از نرمافزار CE-QUAL-W2
نیما حیدرزاده [1] *
نسیم نیساری تبریزی[2]
تاریخ دریافت:21/10/93 |
تاریخ پذیرش:17/11/94 |
چکیده
زمینه و هدف: کیفیت آب دریاچهها و مخازن سدها همواره متاثر از عوامل مختلفی میباشد. مقادیر بارش، دبی ورودی و خروجی، کیفیت آب ورودی و تراز بهرهبرداری از جمله عوامل تاثیرگذار بر کیفیت آب هستند. آگاهی از چگونگی و میزان تاثیر عوامل ذکرشده بر کیفیت آب در دورههای مختلف سال میتواند کمک موثری به انتخاب بهترین تراز آبگیری و در نتیجه مدیریت کیفی آب نماید.
روش بررسی: در این تحقیق با کاربرد مدل دو بعدی CE-QUAL-W2 با استفاده از آمار موجود، شرایط کیفی آب مخزن سد میمه از نقطه نظرTDS خروجی برای دوره 5 ساله مورد ارزیابی قرار گرفت.
یافته ها: نتایج مدلسازی نشان میدهد مقدارTDS خروجی در محل دریچه در تمامی دوره 5 ساله مورد بررسی از مقادیر مجاز تعیینشده توسط استاندارد فائو برای آبیاری تجاوز نموده است. همچنین به منظور تعیین عوامل تاثیرگذار بر TDS و انتخاب راهکار مناسب جهت بهبود کیفیت آب خروجی از مخزن، تحلیل حساسیت پارامترهای مختلف صورت گرفت.
بحث و نتیجه گیری: نتایج تحلیل حساسیت نشان داد که کیفیت آب ورودی تاثیرگذارترین عامل بر کیفیت آب خروجی از دریچه میباشد، به نحوی که تغییر 20 درصدی TDS جریان ورودی باعث تغییر 17 تا 20 درصدی TDS جریان خروجی شده است و عواملی نظیر دمای جریان، ضرایب پوشش باد، ضریب ویسکوزیته و ضریب پخش ادی تاثیرات قابل توجهی را دارا نبودهاند.
واژههای کلیدی: مدلسازی کیفی آب،CE-QUAL-W2 مخزن میمه، TDS،تحلیل حساسیت
واژه های کلیدی : تالاب مصنوعی سطحی، گیاه نی، COD، TSS، شهرک صنعتی بوعلی همدان.
J. Env. Sci. Tech., Vol 21, No.5,July, 2019
|
Modeling and sensitivity analysis of water quality in Meymeh reservoir using CE-QUAL-W2 Software
Nima Heidarzadeh [3] *
Nasim Neisari Tabrizi [4]
Admission Date: February 6, 2016 |
Date Received: January 11, 2015 |
Abstract
Background and Objective: Water quality of lakes and reservoirs is affected by many factors. Precipitation, inflow and outflow, inlet water quality and water abstraction level are the most important ones. Informing about the magnitude of the factors can help us to choose the best abstraction level and water quality management in different periods of a year, efficiently.
Method: In this study, water quality of the Meymeh reservoir, an under-construction dam, was evaluated by modeling of TDS using the 2-dimensional CE-QUAL-W2 software with available data, for a 5-year period.
Findings: The modeling results show that the amount of outflow TDS in all five years has exceeded the FAO permissible level for irrigation. Also, in order to evaluate the impacts of several factors on outflow TDS and choose the suitable solution to improve the quality of water, a sensitively analysis was performed.
Discussion and Counclution: The results of the sensitivity analysis showed that the quality of inflow water is the most effective factor on the outflow water quality, so that a 20% change in inflow TDS causes 18-20% change in outflow TDS and the other factors such as temperature, initial values of TDS in reservoir, wind sheltering coefficients (WSC), eddy viscosity and the diffusivity coefficient (AX, DX) do not have significant impacts.
Keywords: CE-QUAL-W2, Meymeh reservoir, Sensitivity analysis, TDS, Water quality modeling
مقدمه
کاربرد مدلهای ریاضی جهت شبیهسازی کیفی آب و واکنشهای موثر برکیفیت آن در منابع آبهای سطحی در دو دهه گذشته رشد چشمگیری داشته است. به طور کلی مدلهای کیفی متنوعی در جهت بررسی و پیشبینی کیفیت آب در مخازن سدها وجود دارد. با درنظر گرفتن عواملی مانند میزان دقت محاسباتی، وسعت و نوع دادههای مورد نیاز، نوع کاربری مدل و شرایط موجود، میتوان بهترین گزینه مدل را برای سیستم آبی مورد نظر انتخاب نمود. مدلهایی که به بررسی شرایط کیفی آب در دریاچهها و مخازن سدها میپردازند، از دیدگاه بعد محاسباتی در چهار گروه طبقهبندی میگردند که عبارتند از: الف) مدلهای صفربعدی، ب) مدلهای یکبعدی، ج) مدلهای دوبعدی و د) مدلهای سهبعدی. از آن میان مدل دوبعدی CE-QUAL-W2 (در طول و عمق) به دلایلی چون تعریف متغیرهای کیفی متعدد، دقت محاسباتی بالا، تعریف دقیق واکنشهای درون مخزن در برنامه، امکان استفاده در کلیه شرایط آب و هوایی، امکان استفاده برای پیکره آبی تقریباً پیچیده (از نظر هندسی)، نمایش گرافیکی برای کاربر، مدل سازههای کنترل خروجی و نیز توانایی انجام شبیهسازی برای دورههای زمانی کوتاه مدت و بلند مدت، کاربرد وسیعی در بررسی و پیشبینی خصوصیات کیفی آب دریاچهها، خورها و مخازن سدها پیدا کرده است. محمدی و همکاران (1) با استفاده از نرمافزار CE-QUAL-W2 وWASP6 پارامترهای نیترات و فسفات رودخانه پسیخان را مدلسازی کرده و مقادیر به دستآمده از هر دو مدل را با مقادیر واقعی مقایسه نمودند. نتایج نشان داد که مدل CE-QUAL-W2 نسبت به مدل WASP6 تطابق بیشتری با دادههای مشاهداتی دارد. تایکو[5] و همکاران (2) با استفاده از مدل CE-QUAL-W2 اقدام به شبیهسازی مخازن تِچی [6]و تی سِنگ وِن [7]در کشور تایوان نمودند. آنها به کمک این مدل پارامترهای کیفی مختلف از قبیل مواد مغذی، اکسیژن محلول و جلبکها را به مدت دو سال در این دو مخزن شبیهسازی کرده و با مقادیر میدانی بهدست آمده از هر دو مخزن مقایسه نمودند. بهادر[8] و همکاران (3) توانایی و ویژگی مدلهای شبیهسازی را مورد مطالعه قرار داده و مدلهای مختلف را مقایسه کردند. زیفی[9] و همکاران (4) به منظور شبیهسازی پارامترهای متعددی برای دریاچه پرسپ و برای سالهای 2010 تا 2013 مدل CE-QUAL-W2 را به کار بردند. نتایج توانایی مدل را در شبیهسازی کیفیت آب با خطای کمتر از 10 درصد نسبت به مقدار اندازهگیری شده نشان داد. برایان الیس[10] و مارک دارتی[11] در سال 2002 مطالعات خود را بر روی مخزن سد اکوکان در کشور آمریکا انجام داده و حساسیت این مخزن را با استفاده از نرمافزار CE-QUAL-W2 و نسخه از پیش کالیبرهشده مدل کیفیت آب مخزن که توسط ادل جورج[12] از دانشگاه صنعتی ویرجینیا تهیه شده بود، آنالیز کردند. آنها حساسیت مدل را با دو برابر کردن و نصف کردن مقادیر اکسیژنخواهی رسوب ([13]SOD) و تاثیر آن بر اکسیژن محلول مخزن در قسمتهای کم عمق و عمیق و در فصول مختلف سال تحلیل نمودند (5). سالیوان[14] و راند[15] (6) برای شبیهسازی هیدرودینامیک دما و کیفیت آب دریاچه هنری هگ[16] در اورگان آمریکا برای سالهای 2000 تا 2003 از مدل دو بعدی CE-QUAL-W2 استفاده کردند. آنها با تغییر 20 درصدی پارامترهای ضریب محو نور، سرعت باد، فسفر، نیتروژن، اکسیژنخواهی رسوب ورودی و میزان رشد جلبکی عوامل موثر بر دما و کیفیت آب این دریاچه را تحلیل حساسیت نمودند. همچنین چانگ[17] و اوه[18] (7) مخزن سد دیچانگ[19] در کشور کره جنوبی را با استفاده از نرمافزار مدلسازی CE-QUAL-W2 مورد مطالعه قرار دادند. نتایج آنالیز حساسیت آنها نشان داد که ضریب پوشش باد، ضریب شزی و ضریب تبادل گرمایی رسوبات بیشترین تاثیر را در شکلگیری لایهبندی حرارتی داشته است. از طرفی، تاثیر دمای آب ورودی طی سالیان بارش نرمال بسیار زیاد بوده در حالیکه طی سالهای خشک تاثیر بهسزایی نداشته است.
با توجه به اهمیت سد میمه در تأمین بخش مهمی از آب کشاورزی دشت دهلران در استان ایلام، در این تحقیق سعی شده شرایط کیفی آب مخزن این سد از لحاظ شوری و چگونگی روند تغییرات آن در طول سال ارزیابی گردیده و مهمترین پارامترهای تاثیرگذار بر غلظت TDS خروجی از مخزن با استفاده از مدل هیدرودینامیکی دو بعدی CE-QUAL-W2بررسی شود.
مواد و روشها
- منطقه مورد مطالعه
ساختگاه سد مخزنی میمه در 15 کیلومتری شمال غرب شهر دهلران در استان ایلام واقع شده است. حوضه آبریز مورد مطالعه بین طولهای جغرافیایی 46 درجه و 51 دقیقه تا 47 درجه و 18 دقیقه شرقی و عرضهای جغرافیایی 32 درجه و 45 دقیقه تا 33 درجه و 18 دقیقه شمالی واقع شده است. این سد جزء حوضههای آبریز گرمسیری در استان ایلام میباشد. هدف از ساخت سد میمه تامین آب مصرف کشاورزی اراضی دشت پهله و همچنین توسعه شبکه آبیاری و زهکشی دهلران میباشد. جدول (1) مشخصات سازهای و هیدرولوژیکی سد میمه را نشان میدهد (8).
کاربرد مدلهای ریاضی جهت شبیهسازی کیفی آب و واکنشهای موثر برکیفیت آن در منابع آبهای سطحی در دو دهه گذشته رشد چشمگیری داشته است. به طور کلی مدلهای کیفی متنوعی در جهت بررسی و پیشبینی کیفیت آب در مخازن سدها وجود دارد. با درنظر گرفتن عواملی مانند میزان دقت محاسباتی، وسعت و نوع دادههای مورد نیاز، نوع کاربری مدل و شرایط موجود، میتوان بهترین گزینه مدل را برای سیستم آبی مورد نظر انتخاب نمود. مدلهایی که به بررسی شرایط کیفی آب در دریاچهها و مخازن سدها میپردازند، از دیدگاه بعد محاسباتی در چهار گروه طبقهبندی میگردند که عبارتند از: الف) مدلهای صفربعدی، ب) مدلهای یکبعدی، ج) مدلهای دوبعدی و د) مدلهای سهبعدی. از آن میان مدل دوبعدی CE-QUAL-W2 (در طول و عمق) به دلایلی چون تعریف متغیرهای کیفی متعدد، دقت محاسباتی بالا، تعریف دقیق واکنشهای درون مخزن در برنامه، امکان استفاده در کلیه شرایط آب و هوایی، امکان استفاده برای پیکره آبی تقریباً پیچیده (از نظر هندسی)، نمایش گرافیکی برای کاربر، مدل سازههای کنترل خروجی و نیز توانایی انجام شبیهسازی برای دورههای زمانی کوتاه مدت و بلند مدت، کاربرد وسیعی در بررسی و پیشبینی خصوصیات کیفی آب دریاچهها، خورها و مخازن سدها پیدا کرده است. محمدی و همکاران (1) با استفاده از نرمافزار CE-QUAL-W2 وWASP6 پارامترهای نیترات و فسفات رودخانه پسیخان را مدلسازی کرده و مقادیر به دستآمده از هر دو مدل را با مقادیر واقعی مقایسه نمودند. نتایج نشان داد که مدل CE-QUAL-W2 نسبت به مدل WASP6 تطابق بیشتری با دادههای مشاهداتی دارد. تایکو[20] و همکاران (2) با استفاده از مدل CE-QUAL-W2 اقدام به شبیهسازی مخازن تِچی [21]و تی سِنگ وِن [22]در کشور تایوان نمودند. آنها به کمک این مدل پارامترهای کیفی مختلف از قبیل مواد مغذی، اکسیژن محلول و جلبکها را به مدت دو سال در این دو مخزن شبیهسازی کرده و با مقادیر میدانی بهدست آمده از هر دو مخزن مقایسه نمودند. بهادر[23] و همکاران (3) توانایی و ویژگی مدلهای شبیهسازی را مورد مطالعه قرار داده و مدلهای مختلف را مقایسه کردند. زیفی[24] و همکاران (4) به منظور شبیهسازی پارامترهای متعددی برای دریاچه پرسپ و برای سالهای 2010 تا 2013 مدل CE-QUAL-W2 را به کار بردند. نتایج توانایی مدل را در شبیهسازی کیفیت آب با خطای کمتر از 10 درصد نسبت به مقدار اندازهگیری شده نشان داد. برایان الیس[25] و مارک دارتی[26] در سال 2002 مطالعات خود را بر روی مخزن سد اکوکان در کشور آمریکا انجام داده و حساسیت این مخزن را با استفاده از نرمافزار CE-QUAL-W2 و نسخه از پیش کالیبرهشده مدل کیفیت آب مخزن که توسط ادل جورج[27] از دانشگاه صنعتی ویرجینیا تهیه شده بود، آنالیز کردند. آنها حساسیت مدل را با دو برابر کردن و نصف کردن مقادیر اکسیژنخواهی رسوب ([28]SOD) و تاثیر آن بر اکسیژن محلول مخزن در قسمتهای کم عمق و عمیق و در فصول مختلف سال تحلیل نمودند (5). سالیوان[29] و راند[30] (6) برای شبیهسازی هیدرودینامیک دما و کیفیت آب دریاچه هنری هگ[31] در اورگان آمریکا برای سالهای 2000 تا 2003 از مدل دو بعدی CE-QUAL-W2 استفاده کردند. آنها با تغییر 20 درصدی پارامترهای ضریب محو نور، سرعت باد، فسفر، نیتروژن، اکسیژنخواهی رسوب ورودی و میزان رشد جلبکی عوامل موثر بر دما و کیفیت آب این دریاچه را تحلیل حساسیت نمودند. همچنین چانگ[32] و اوه[33] (7) مخزن سد دیچانگ[34] در کشور کره جنوبی را با استفاده از نرمافزار مدلسازی CE-QUAL-W2 مورد مطالعه قرار دادند. نتایج
آنالیز حساسیت آنها نشان داد که ضریب پوشش باد، ضریب شزی و ضریب تبادل گرمایی رسوبات بیشترین تاثیر را در شکلگیری لایهبندی حرارتی داشته است. از طرفی، تاثیر دمای آب ورودی طی سالیان بارش نرمال بسیار زیاد بوده در حالیکه طی سالهای خشک تاثیر بهسزایی نداشته است.
با توجه به اهمیت سد میمه در تأمین بخش مهمی از آب کشاورزی دشت دهلران در استان ایلام، در این تحقیق سعی شده شرایط کیفی آب مخزن این سد از لحاظ شوری و چگونگی روند تغییرات آن در طول سال ارزیابی گردیده و مهمترین پارامترهای تاثیرگذار بر غلظت TDS خروجی از مخزن با استفاده از مدل هیدرودینامیکی دو بعدی CE-QUAL-W2 بررسی شود.
جدول 1- مشخصات کلی سد میمه (8)
Table 1. Meymeh dam general specifications (8)
مشخصات هیدرولوژیکی |
مشخصات سازهای |
نوع سرریز |
نوع سد |
|||||
حجم مفید مخزن بعد از رسوبگذاری |
حجم مخزن در تراز نرمال |
|||||||
50 ساله |
30 ساله |
15 ساله |
نسبت عرض به ارتفاع |
ارتفاع سد |
طول تاج |
|||
(MCM) |
(MCM) |
(MCM) |
(MCM) |
(m) |
(m) |
|||
9/13 |
8/37 |
7/55 |
6/73 |
18 |
60 |
1087 |
اوجی آزاد |
خاکی با هسته رسی |
- معرفیمدل CE-QUAL-W2
مدل CE-QUAL-W2 که توسط گروه مهندسین ارتش آمریکا توسعه یافته است، قابلیت بالایی در شبیهسازی فرآیندهای هیدرودینامیکی و کیفی دارا میباشد. با وجود اینکه این مدل برای مخازن سدها توسعه یافته است ولی میتواند برای رودخانهها وخورها نیز بهکار رود. مدل دو بعدی CE-QUAL-W2 از روش حل اختلاف محدود استفاده نموده و قابلیت شبیهسازی توزیع قائم و طولی انرژی حرارتی و مواد شیمیایی و بیولوژیکی انتخاب شده در توده آبی را در طول زمان دارد. این مدل همچنین قادر به شبیهسازی حجم، سطح آب، چگالی، سرعتهای قائم و طولی و غلظت اجزای کیفی آب بوده و برای مخازن و دریاچههای نسبتاً طولانی و باریک جهت نمایش پارامترهای کیفی به صورت نیمرخ قائم و طولی بسیار مناسب میباشد(9).
- انتخاب دادهها
اطلاعات مورد استفاده در این تحقیق شامل دادههای هواشناسی[35]، جریان ورودی و خروجی مخزن سد میمه و دادههای مربوط به مشخصات هندسی مخزن این سد میباشد. دوره مدلسازی از روز اول فروردین 1384 تا 29 اسفند 1388
منظور شده است. مبنای روز صفر در این تحقیق ساعت 12:00 نیمه شب 11 دی 1382 (اول ژانویه 2004) است. جهت ایجاد فایل هندسه[36]مخزن در مدل CE-QUAL-W2 از نقشههای توپوگرافی 1:2000 موجود استفاده شده است. در این محاسبات طول مخزن به 26 قسمت[37] با طولهای 100 تا 650 متری و عمق مخزن به 23 لایه 2 تا 4 متری تقسیم شده است. کوچکتر شدن طول این قطعات باعث بالا رفتن دقت مدل و از طرفی طولانیتر شدن زمان اجرای مدل میگردد. شکل (1) تقسیمبندی هندسی مخزن را نشان میدهد. دادههای کیفیت آب ورودی به مخزن از برازش رابطه دبی-TDS برای دادههای درازمدت کیفی ایستگاه هیدرومتری پل دهلران واقع در پاییندست سد و دادههای اندازهگیری شده در شاخه فرعی سیول حاصل آمد. رابطه (1) ارتباط بین TDS و دبی را در محل ایستگاه دهلران نشان میدهد.
( رابطه 1 )
شکل (2) دبی جریان ورودی و خروجی از مخزن و شکل (3) میانگین دبی سالانه ورودی به مخزن سد میمه را نشان میدهد.شکل (4) مقادیر TDS جریان ورودی که از رابطه بالا به دستآمده را نشان میدهد. با توجه به میانگین درازمدت آبدهی این رودخانه در محل ایستگاه دهلران معادل 1/5 مترمکعب بر ثانیه مطابق این شکل سال اول مدلسازی سال تر، سال دوم، نرمال و سال سوم، چهارم و پنجم، ، سال خشک محسوب میشوند (10). به علت عدم وجود ایستگاه اندازهگیری دادههای هواشناسی در محل سد، از اطلاعات ایستگاه سینوپتیک دهلران که نزدیکترین ایستگاه به مخزن میباشد، استفاده گردید. روابط و معادلات مورد استفاده در محاسبه دمای آب به شرح روابط (2) تا (7) ارایه شدهاست.
جدول 1- تجزیه واریانس برای چهار جاذب زیستی ازنظر میزان نیترات خروجی از جاذبها
Table 1. Variance analysis of four biosorbents in terms of the amount of nitrate output from the adsorbents
منابع تغییرات |
درجه آزادی |
میانگین مربعات |
تیمارها |
3 |
**844/10 |
خطا |
8 |
129/0 |
**: معنیدار در سطح اطمینان 99درصد
(رابطه2) |
|
(رابطه3) |
|
(رابطه4) |
|
(رابطه5) |
|
(رابطه6) |
|
(رابطه7) |
در روابط فوق Qin و Qout به ترتیب دبی ورودی و خروجی، p، Cp، Tin، A s و J به ترتیب چگالی آب، ظرفیت گرمایی ویژه آب، دمای آب ورودی، سطح مقطع جریان و شارژ گرمای ورودی به سیستم است. شار گرمای ورودی به سیستم حاصل شار گرمایی تابش خالص خورشید، امواج با طول بلند اتمسفر، امواج با طول بلند از آب، همرفت و تبخیر میباشد. T air، eair ، Uw، es و Ts به ترتیب دمای هوا، فشار بخار هوا، سرعت وزش باد، فشار بخار اشباع و دما در سطح آب است. RL، s و e ضرایب ثابت بازگشت نور، ضریب استفان-بولتزمن و ضریب انتشار نور از سطح آزاد آب است (11). مقادیر دمای هوا روزانه در شکل (5) نشان داده شده است. شایان ذکر است در استفاده از فرمولهای فوق فرض پایدار بودن (Steady Sate) برای رابطه (2) در نظر گرفته شده است و سپس بر مبنای دادههای هواشناسی (دمای هوا و نقطه شبنم) در دسترس، به روش حدس و خطا مقدار دمای مخزن برای هر رکورد اطلاعاتی محاسبه گردیده است. جزییات نحوه محاسبه در مرجع (11) آمده است.
شکل 1-پلان قطعه بندی و پروفیل لایهبندی مخزن میمه
Figure 2. Segmentation plan and layers profile of Meymeh reservoir
شکل 2- دبی ورودی و خروجی روزانه مخزن سد میمه
Figure 3. Daily inflow and outflow of Meymeh dam
شکل 3- میانگین دبی سالانه ورودی به مخزن سد میمه در دوره شبیهسازی
Figure 4. Average annual inflow of Meymeh dam during simulation period
شکل 4- غلظت جامدات محلول ورودی به سد میمه (mg/L)
Figure 5. TDS concentration of inflow of Meymem dam (mg/L)
شکل 5 - دمای هوای روزانه
Figure 5. Daily air temperature
- شبیهسازی کیفی مخزن
بر اساس اطلاعات جمعآوری شده، مدل شبیهسازی کیفی مخزن با استفاده از نرم افزار CE-QUAL-W2 به منظور بررسی پارامتر کیفی TDS تهیه گردید. مهمترین مفروضاتی که در انجام مدلسازی استفاده شده است، به شرح ذیل میباشد.
به منظور تعیین پارامترهای تاثیرگذار بر TDS مخزن بهخصوص در محل دریچه، بر روی پارامترهای ارتفاع دریچه،TDS و دمای جریان ورودی، مقدارTDS اولیه مخزن، ضریب پوشش باد، ضریب ویسکوزیته ادی[38] و ضریب پخش ادی[39] تحلیل حساسیت انجام گرفت. شایان ذکر است ضریب پوشش باد، شاخصی از شرایط جغرافیایی و توپوگرافی منطقه و موثر بر سرعت باد است. هر چه این ضریب عدد بزرگتری باشد، تاثیر موانع در کاهش سرعت باد کمتر میشود (12). همچنین ضرایب ویسکوزیته ادی و ضریب پخش ادی عمدتا عمل پخش ناشی از مومنتوم جریان را لحاظ مینمایند (13).
-تحلیل حساسیت پارامترهای ورودی
جهت بررسی میزان تاثیر هر یک از پارامترهای ورودی به مدل بر میزان TDS خروجی از مخزن از تحلیل حساسیت استفاده گردیده است. برای این منظور پس از ساخت مدل با دادههای ورودی واقعی و محاسبه مقادیر TDS خروجی، با ثابت نگهداشتن تمامی پارامترها و تغییر (افزایش و کاهش) 20 درصدی یک پارامتر و محاسبه تغییرات TDS خروجی، میزان تاثیر آن پارامتر بررسی میگردد. جدول (2) حالتهای مختلف تحلیل حساسیت در این تحقیق را نشان میدهد.
جدول 2- حالتهای مختلف تحلیل حساسیت
Table 2. Different scenarios of sensitivity analysis
حالت |
شرح |
0 |
حالت پـــایــه بـــا تــراز دریچــه 296 متــر و ( 9/0 =WSC) و (1AX=DX= ) |
1 |
افزایش تراز دریچه به تراز 300 متری |
2 |
کاهش تراز دریچه به تراز 292 متری |
3 |
کاهش 20 درصدی TDS جریان ورودی |
4 |
افزایش 20 درصدی TDS جریان ورودی |
5 |
کاهش 20 درصدی دمای جریان ورودی |
6 |
افزایش 20 درصدی دمای جریان ورودی |
7 |
کاهش 20 درصدی TDS اولیه مخزن |
8 |
افزایش20 درصدی TDS اولیه مخزن |
9 |
5/0WSC= |
10 |
1/0AX=DX= |
نتایج
پیش از ارایه نتایج حاصل از مدلسازی ذکر این نکته ضروری است به دلیل آنکه سد میمه در زمان تحقیق حاضر در دست اجرا بوده و بنابراین آبگیری نشده است، امکان کالیبراسیون نتایج نیز وجود ندارد. لیکن از جنبه صحتسنجی نتایج نرمافزار CE-QUAL-W2 برای TDS مطالعات مشابه دیگری وجود دارد که با نتایج مشاهدهای واقعی مقایسه گردیده و نشان میدهد این نرمافزار با دقت قابل قبولی امکان پیشبینی TDS را در لایههای مختلف مخازن سدها دارا است. به عنوان نمونه، دادههای در دسترس برای سد کرخه و مقایسه آن با مقادیر واقعی در جدول (3) آمده است.
جدول 3- نتایج صحتسنجی مدل CE-QUAL-W2 برای TDS در سد کرخه در فاصله سالهای 1384 تا 1385 (12)*
Table 3. Validation results of CE-QUAL-W2 model for TDS of Karkheh dam during 2005-2006 (12)
میانگین خطا% |
میانگین(mg/L)TDS |
عمق (متر) |
|
CE-QualW2 |
مشاهده ای |
||
7/5 |
430 |
406 |
0 |
9/0 |
431 |
433 |
5 |
0/1 |
433 |
434 |
10 |
5/6- |
435 |
471 |
15 |
5/1- |
445 |
459 |
20 |
4/9 |
468 |
463 |
25 |
5/9 |
490 |
452 |
30 |
2/6 |
501 |
475 |
35 |
4/3 |
514 |
500 |
40 |
8/2 |
518 |
506 |
45 |
6/3- |
514 |
537 |
50 |
0/3- |
505 |
535 |
55 |
9/4- |
492 |
522 |
60 |
* (میانگینها برای 13 دوره اندازهگیری صورت گرفته است)
همانگونه که ملاحظه میگردد این مدل قادر است با خطای میانگین کمتر از 10 درصد، مقدار TDS را در لایههای مختلف مخزن پیشبینی نماید. در تحقیق حاضر نیز از شرایط و ضرایب مشابهی در مدل استفاده گردیده است و انتظار میرود که نتایج با دقت قابل قبولی همراه باشد.
شکل (6) مقادیر TDS خروجی محاسبهشده توسط نرمافزار CE-QUAL-W2 را در محل دریچه نشان میدهد. مقدار TDS در تمامی دوره مدلسازی 5 ساله، با مقدار حداقل4000 و حداکثر 7733 میلیگرم بر لیتر، از حد مجاز تعیینشده توسط استانداردها برای استفاده کشاورزی فراتر رفته است. استاندارد فائو آب با TDS بیش از 2000 میلیگرم بر لیتر را برای آبیاری نامناسب قلمداد نموده است. TDS خروجی در محل دریچه در طول سالهای چهارم و پنجم مدلسازی مقداری بیشتر نسبت به سالهای ابتدایی داشته است. این افزایش با توجه به کاهش دبی ورودی و افزایش TDS جریان ورودی طبیعی بهنظر میرسد. بررسی مقادیر TDS نشان میدهد، TDS جریان خروجی در بیشتر مواقع مقداری بسیار کمتر از TDS جریان ورودی دارد. نتایج نشان میدهد، میانگین TDS جریان ورودی و خروجی در سالهای تر مقداری کمتر از مقدار مشابه در سالهای خشک دارد. با بررسی دقیقتر داده ها مشاهده میشود در زمانی که دبی ورودی بیشتری نسبت به روزهای قبل وارد مخزن میشود، TDS خروجی از مخزن مقداری بیش از TDS ورودی مخزن دارد. بهطور کلی اثر تعدیلکنندگی مخزن در TDS خروجی (نسبت به ورودی) را میتوان در شکل (7) و نیز در جدول (4) ملاحظه نمود.
شکل 6- غلظت TDS آب خروجی از مخزن (mg/L)
Figure 6. Outflow TDS concentration of Meymeh dam (mg/L)
شکل 7- غلظت TDS ورودی در مقایسه با TDS جریان محل دریچه (mg/L)
Figure 7. Comparison of inflow TDS and outflow TDS form the gate (mg/L)
جدول 4-مقادیر میانگین غلظت TDS ورودی و خروجی در مخزن میمه در سالهای مختلف شبیهسازی دوره 5 ساله
Table 4. Average values of the outlet/inlet TDS in Meymeh reservoir in several years of 5-year simulation period
سال |
میانگین TDS جریان ورودی(mg/L) |
میانگین TDS جریان خروجی (mg/L) |
میانگین دبی سالانه (m3/S) |
درصد مواقع افزایش TDS خروجی به ورودی |
1 |
6361 |
4772 |
00/6 |
0/23 |
2 |
5821 |
4674 |
55/3 |
5/25 |
3 |
7173 |
4649 |
65/2 |
5/11 |
4 |
10560 |
6450 |
92/0 |
7/4 |
5 |
10413 |
6290 |
18/2 |
4/10 |
تحلیل حساسیت پارامترهای ورودی
با توجه به کیفیت نامطلوب آب خروجی از مخزن به منظور بررسی و ارایه راهکار مناسب، تحلیل حساسیت پارامترهای اصلی ورودی بر روی TDS جریان خروجی انجام شده تا تاثیر هر یک از آنها مشخص گردد. تغییر 4 متری ارتفاع دریچه مخزن از تراز 296 متری سرریز به ترازهای 300 متری و 292 متری نشان داد که مخزن میمه حساسیت چندانی به ارتفاع دریچه نداشته و تغییر ارتفاع دریچه در بیشتر فصول نتوانسته مقدارTDS خروجی را تغییر دهد. شکل (8) میزان تغییرات TDS محل دریچه در اثر تغییرات ارتفاع دریچه را برای مدت 5 ساله نشان میدهد.
بررسی تاثیر TDS جریان ورودی نشان داد با افزایش و کاهش 20 درصدی مقادیرTDS جریان ورودی، مقادیر TDS خروجی به جز سال اول که بیشتر تحت تاثیر TDS اولیه مخزن است، بین 17 تا 20 درصد تغییر میکند. پروفیل قطعه 27 نشان میدهد TDS جریان ورودی بر لایههای بالایی مخزن تاثیر زیادی دارد و در بیشتر فصول لایههای زیرین همچنان مقدار TDS اولیه مخزن را حفظ کردهاند. شکل (9) تاثیر تغییر TDS جریان ورودی را در همه فصول و سالها نشان میدهد.
شکل 8- تغییرات غلظت مواد جامد محلول خروجی در اثر تغییرات تراز دریچه خروجی
Figure 8. Changes in outflow TDS affected by the outlet gate level changes
شکل 9- تغییرات غلظت مواد جامد محلول خروجی در اثر تغییرات TDS جریان ورودی
Figure 10. Changes in outflow TDS affected by the inflow TDS changes
شکل 8-تغییرات غلظت مواد جامد محلول خروجی در اثر تغییرات تراز دریچه خروجی
Figure 8. Changes in outflow TDS affected by the outlet gate level changes
شکل 9- تغییرات غلظت مواد جامد محلول خروجی در اثر تغییرات TDS جریان ورودی
Figure 9. Changes in outflow TDS affected by the inflow TDS changes
همچنین کاهش دما باعث کاهش ناچیز TDS خروجی و افزایش دما باعث افزایش ناچیز TDS در محل دریچه میشود (شکل 10). تغییر دمای جریان در بیشترین حالت توانسته است تا 5/1 درصد TDS محل دریچه را تغییر دهد.
شکل 10- تغییرات غلظت مواد جامد محلول خروجی در اثر تغییرات دمای جریان ورودی
Figure 10. Changes in outflow TDS affected by the inflow water temperature changes
نتایج تحلیل حساسیت تغییر غلظت اولیه TDS در مخزن نشان میدهد، تغییرات TDS اولیه مخزن بر مقادیر TDS قطعه 27 در سال اول بیشترین تاثیر را نسبت به سالهای دیگر داشته است (شکل 11). با گذشت زمان این تاثیر کمتر شده و در سالهای پایانی ناچیز میباشد. همچنین با توجه به پروفیل قطعه 27 تاثیر این تغییر در لایههای فوقانی بیش از لایههای زیرین میباشد. در واقع میتوان نتیجه گرفت که لایههای زیرین کمتر از لایههای بالایی از تغییرات سایر عوامل تاثیر پذیرفته و تغییر چندانی ندارند.
شکل 11- تغییرات غلظت مواد جامد محلول خروجی در اثر تغییرات TDS اولیه مخزن
Figure 11. changes in outflow TDS affected by the changes in the initial TDS of the reservoir
تغییر ضریب پوشش باد از مقدار 9/0 به 5/0 تغییر بسیار کمی در TDS قطعه 27 ایجاد کرده است. تغییر این ضریب در بیشترین حالت ممکن در شهریور 1388، باعث تغییر 6/4 درصدی TDS در محل دریچه شده است. نتایج نشان میدهد تاثیر شرایط توپوگرافی منطقه اطراف بر پوشش باد مخزن و در واقع سرعت باد نیز میتواند باعث تغییرTDS آب خروجی از مخزن گردد. همچنین نتایج تحلیل حساسیت پارامترهای ضریب ویسکوزیته ادی (AX) و ضریب پخش ادی (DX) در شکل (12) نشان داده شده است. TDS مخزن در هیچ یک از لایهها و در تمام مدت مدلسازی واکنشی به تغییر این ضرایب نشان نداده است. حساس نبودن مخزن به این ضریب نشان از عدم پخش TDS مخزن ناشی از مومنتوم جریان دارد.
در رابطه با تاثیر تغییر ضرایب پوشش باد، ویسکوزیته ادی و پخش ادی در مطالعات گذشته بررسیهایی صورت گرفته که لزوما در مورد TDS نبوده است. مطالعات مخزن سازبن نشان داده است که ضریب WSC یکی از پارامترهای موثر در دمای آب می باشد به طوری که با افزایش و یا کاهش مقدار آن ضریب به میزان 2/0 دمای سطح آب در دو لایه به میزان یک درجه به صورت معکوس تغییر میکند. همچنین تغییر ضرایب AX و DX از 1 تا 10، حساسیت کم سرعت جریان برای پارامتر های ضریب پخش در راستای افقی را نشان میدهد (13 و 14). از طرفی، مطالعات سد کرخه و آنالیز حساسیت دما و اکسیژن محلول مخزن به ضریب پوشش باد نشان داد که با افزایش ضریب پوشش باد، دما در سطح کاهش مییابد(12). همچنین مطالعات مخزن هنریهگ نشان داد تغییر 20 درصدی WSC باعث تغییر دمای مخزن به مقدار 2 درجه سانتیگراد به صورت مستقیم شده است (6). مطالعات مخزن دیچانگ نیز با تغییر 20 و 50 درصدی مقادیر AX و DX و WSC نشاندهنده تاثیر چشمگیر ضریب WSC بر دمای مخزن و بی تاثیر بودن ضرایب AX و DX بر دما میباشد (7). در تمامی مطالعات یاد شده، بین ضرایب مورد بررسی، عمدهترین تاثیر بر دمای مخزن مربوط به ضریب WSC بوده است. بنابراین انتظار میرود تغییر این ضریب در مطالعات حاضر چنین اثری را در قالب تغییر دانسیته آب که متاثر از TDS و دما میباشد، نشان دهد. از آنجاییکه در محدوده غلظت نمک موجود در آب سد میمه، تاثیر دما بر دانسیته بیشتر از TDS است، انتظار میرود که تغییر در ترتیب قرارگیری لایههای دارایTDS متفاوت چندان چشمگیر نباشد. بر اساس یافتههای شکل (13) و نیز جدول (5) این تغییر ناچیز را میتوان مشاهده نمود. همچنین تاثیر ضعیفتر تغییر دو ضریب دیگر، یعنی dx و ax بر TDS، نیز قابل تشخیص است که همسو با تاثیر ضعیف آنها بر تغییرات دما در مطالعات گذشته نیز میباشد.
شکل 12- تغییرات غلظت مواد جامد محلول خروجی در اثر تغییرات ضرایب (WSC ) و (AX,DX)
Figure 12. Changes in outflow TDS affected by the changes in WSC, AX, and DX coefficients
جدول (5) درصد تغییرات TDS محل دریچه در فصول مختلف و با توجه به تغییرات پارامترها و ضرایب مختلف را نشان میدهد. همچنین شکل (13) پروفیل قطعه 27 بهدست آمده از مدل CE-QUAL-W2 و در حالتهای مختلف تعریف شده در جدول (2)، به منظور تعیین پارامترهای اثرگذار بر TDS را نشان میدهد. در این شکل محور افقی مقادیر TDS بر حسب میلیگرم بر لیتر و محور افقی ارتفاع بر حسب متر را نشان میدهد. نتایج بیان میکند که لایههای بالایی مخزن در تمام فصول از تغییرات TDS جریان ورودی (حالت 3 و 4) تاثیر میپذیرد. در سال اول مدلسازی علاوه بر TDS جریان ورودی، TDS اولیه مخزن نیز باعث ایجاد تغییر در مقدار TDS این قطعه شده است. تغییرات جریان ورودی و سایر پارامترها در سالهای اول تا سوم مدلسازی، تاثیر چندانی بر لایههای زیرین مخزن نداشته و TDS این لایهها تنها با تغییرات پارامتر TDS اولیه مخزن رابطه کمی داشته است. در سال چهارم و پنجم مدلسازی که میزان دبی ورودی و ارتفاع آب کاهش یافته است، افزایش TDS جریان ورودی نیز باعث افزایش TDS لایههای زیرین شده است. لایههای میانی نیز مانند لایههای بالایی از تغییر TDS جریان ورودی تاثیر میپذیرد.
جدول 5- درصد تغییر TDS خروجی در محل دریچه در حالتهای مختلف تحلیل حساسیت نسبت به حالت پایه
Table 5. The outlet TDS change in percent at the outlet gate in several scenarios compared with basic scenario
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
حالت * |
|
ماه |
سال |
||||||||||
1/0- |
4/2- |
6/13 |
6/14- |
3/0 |
2/0 |
8/13 |
6/6- |
6/0 |
4/0 |
شهریور |
1384 |
1/0- |
9/0- |
0/8 |
2/9- |
1/0 |
1/0- |
8/10 |
2/12- |
1/0- |
0 |
آذر |
|
3/0- |
4/1 |
4/5 |
6/5- |
1/1 |
5/1- |
6/15 |
6/16- |
9/13 |
3/11- |
اسفند |
|
3/0- |
4/0- |
2/2 |
9/1- |
5/0- |
4/0 |
4/18 |
1/18- |
5/4 |
9/0- |
خرداد |
1385 |
4/0- |
1/0- |
6/2 |
0/3- |
1/0 |
1/0- |
5/17 |
8/17- |
1/0 |
0 |
شهریور |
|
1/0 |
5/0- |
4/1 |
4/1- |
9/0 |
1/0- |
9/18 |
7/18- |
0 |
0 |
آذر |
|
1/0- |
8/0 |
5/1 |
3/1- |
8/0 |
8/0- |
9/18 |
7/18- |
2/3 |
1/5- |
اسفند |
|
1/0- |
3/1 |
8/0 |
6/0- |
5/0 |
5/1- |
5/19- |
3/19- |
2/5 |
5/4- |
خرداد |
1386 |
4/0- |
1/0 |
7/0 |
5/0 |
8/0 |
5/1- |
8/19 |
5/19- |
7/2 |
8/0- |
شهریور |
|
1/0 |
1/1- |
5/0 |
3/0- |
5/0 |
1/0- |
6/19 |
4/19- |
0 |
1/0 |
آذر |
|
0 |
2/0- |
5/0 |
3/0- |
7/0 |
6/0- |
8/19 |
6/19- |
0 |
0 |
اسفند |
|
2/0- |
1/1 |
4/0 |
3/0- |
4/0 |
7/0- |
6/19 |
6/19- |
2/2- |
0 |
خرداد |
1387 |
4/0- |
5/2 |
3/0 |
2/0- |
7/0 |
7/0- |
8/19 |
7/19- |
3/1- |
- |
شهریور |
|
4/0- |
7/2 |
2/0 |
2/0- |
0/1 |
4/0- |
5/20 |
2/20- |
0/5 |
4/0- |
آذر |
|
0 |
7/1- |
3/0 |
4/0 |
4/0 |
4/0 |
8/19 |
9/19- |
0 |
0 |
اسفند |
|
0 |
2/4- |
2/0 |
2/0- |
3/0 |
1/1- |
9/19 |
9/19- |
5/0 |
2/0 |
خرداد |
1388 |
3/0- |
0/1- |
2/0 |
2/0- |
5/0 |
0/1- |
8/19 |
8/19- |
0 |
- |
شهریور |
|
0 |
8/0 |
1/0 |
2/0- |
3/0- |
1/0- |
8/19 |
7/19- |
0/15 |
8/13- |
آذر |
|
3/0- |
6/4- |
1/0 |
1/0 |
5/0 |
1/0- |
65/18 |
4/18- |
5/1 |
9/1- |
اسفند |
* حالتهای 1 تا 10 در جدول (2) توضیح داده شده است.
* |
|||||
شکل 13- پروفیل TDS قطعه 27از سال 84 تا 86
Figure 14. TDS profile of segment 27, during 2005 to 2007
(* حالتهای 1 تا 10 در جدول (2) توضیح داده شده است)
نتیجه گیری
در این تحقیق سعی شد تا با استفاده از دادههای کیفی و هواشناسی موجود برای سد درحال احداث میمه در استان ایلام و با بهکارگیری نرمافزار مدلسازی کیفی CE-QUAL-W2، میزان TDS آب خروجی از دریچه پس از آبگیری سد بررسی و تحلیل حساسیت گردد. نتایج حاصل از مدل نشان داد در تمامی دوره مدلسازی، مقدار TDS خروجی از دریچه بیش از 4000 میلیگرم بر لیتر بوده است که این مقدار بسیار بیشتر از مقدار توصیه شده برای استانداردهای آب کشاورزی میباشد. نتایج تحلیل حساسیت بر روی ارتفاع دریچه، مقدار TDS جریان ورودی، دمای جریان ورودی، TDS اولیه مخزن، ضریب پوشش باد، ضریب ویسکوزیته ادی و ضریب پخش ادی گویای تاثیر بیشتر TDS جریان ورودی نسبت به سایر متغیرها میباشد، به نحوی که تغییر 20 درصدی TDS جریان ورودی باعث تغییر 18 تا 20 درصدی TDS جریان خروجی شده است. با توجه به وابستگی مقدار TDS جریان ورودی به دبی ورودی به مخزن، مقدار TDS خروجی از مخزن نیز به دبی ورودی وابسته میگردد. بنابراین در تصمیمهای مدیریتی باید به میزان دبی و کیفیت آب ورودی توجه کافی داشته و در جهت کنترل کیفیت آب مخزن از این دو پارامتر استفاده نمود.
Reference
1- استادیار گروه عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی تهران، تهران، ایران. * (مسوول مکاتبات)
2- کارشناسی ارشد مهندسی عمران- محیط زیست، دانشگاه خوارزمی تهران
1- Assistant Professor, Department of Civil, Faculty of Technical and Engineering, University of Kharazmi, Tehran, Iran. * (Corresponding Author)
2- MSc. of Environmental Engineering, Department of Civil, Faculty of Technical and Engineering, University of Kharazmi, Tehran, Iran
1- Tai Kuo
2- Te-chi
3- Tseng-Wen
4- Bhadur
5- Zyfi
6- Brian ellis
7- Mark dougherty
8- Adil godrej
9- Sediment oxygen demand
10- Annett B. Sullivan
11- Stewart A. Rounds
12- Hnry Hagg
13- S.W. Chung
14- J.K. Oh
15- Daecheong
1- Tai Kuo
2- Te-chi
3- Tseng-Wen
4- Bhadur
5- Zyfi
6- Brian ellis
7- Mark dougherty
8- Adil godrej
9- Sediment oxygen demand
1- Annett B. Sullivan
2- Stewart A. Rounds
3- Hnry Hagg
4- S.W. Chung
5- J.K. Oh
6- Daecheong
7- Meteorological data
1- Bathymetry Data
2- Segment
1- Longitudinal eddy viscosity
2- Longitudinal eddy diffusivity