مدلسازی و تحلیل حساسیت کیفیت آب خروجی مخزن سد میمه با استفاده از نرم افزار CE-QUAL-W2

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] ^*

n.heidarzadeh@khu.ac.ir

 نسیم نیساری تبریزی[2]

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.

Modeling and sensitivity analysis of water quality in Meymeh reservoir using CE-QUAL-W2 Software

Nima Heidarzadeh [3] ^*

n.heidarzadeh@khu.ac.ir

Nasim Neisari Tabrizi [4]

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)

- 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

                                    **: معنی‌دار در سطح اطمینان 99درصد

در روابط فوق Q_in و Q_out به ترتیب دبی ورودی و خروجی، p، Cp، T_in، 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، e_air ، U_w، e_s و T_s به ترتیب دمای هوا، فشار بخار هوا، سرعت وزش باد، فشار بخار اشباع و دما در سطح آب است. R_L، 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.

1. مدل‌سازی با فرض مقدار غلظت TDS اولیه 6900 میلی­گرم ­بر­ لیتر انجام گرفته است. جهت منطقی شدن ارزیابی نتایج غلظت TDS در پایان دوره شبیه‎سازی 2 ساله، پس از یک بار اجرای مدل، به عنوان شرایط اولیه برای مدل شبیه‎سازی مخزن میمه در طول 5 سال تعریف گردید.
2. مدل‌سازی با فرض دمای اولیه  25 درجه سانتی­گراد برای کل مخزن انجام گرفته است.
3. شروع دوره مدل‌سازی از روز اول فروردین سال 1384منظور شده است.
4. نتایج TDS  خروجی در قطعه 27 که نزدیک­ترین قطعه به سرریز می­باشد و در لایه 14 که محل دریچه می­باشد مورد بررسی قرار گرفته است.

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

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)

                                      *  (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

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

* 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