چکیده

     این تحقیق فرض نیاز به تغییر در منحنی فرمان مخازن سدها، در دوره آتی و در شرایط رخداد تغییر اقلیم را بررسی می کند. به منظور سازگاری با شرایط اقلیمی آینده، مدل جامعی برای ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر عملکرد مخزن پیشنهاد می‌کند. مدل پیشنهادی شامل زیر مدل LARS-WG برای تبدیل خروجی‌های مدل CGCM تحت سه سناریوی انتشار A1B, A2, B1 به مقیاس محلی، زیرمدل IHACRES جهت شبیه‌سازی جریان ورودی به مخزن در دوره آتی (2030-2017) (واسنجی شده با آمار دوره پایه (2006-1993)) و روش فراکاوشی، الگوریتم ژنتیک (GA) جهت بهینه‌سازی عملکرد مخزن می‌باشد. در ادامه منحنی فرمان بهره‌برداری سد دز برای دوره زمانی آینده، تحت سه سناریوی A1B, A2, B1 و گذشته محاسبه گردید.

بررسی نتایج نشان می‌دهد که منحنی فرمان با شرایط تغییر اقلیم در دوره آتی موجب کاهش شاخص تأمین آب می‌گردد که میزان این کاهش حدود 7/1 تا 7/5 درصد در شرایط رخداد سناریوهای A2، B1 و A1B می‌باشد. در نهایت باید گفت که نادیده گرفتن اثر تغییر اقلیم و استفاده از نحوه بهره برداری از مخزن دوره پایه برای دوره آینده، موجب کاهش درصد تأمین تخصیص تعریف شده می­گردد.

کلمات کلیدی : تغییر اقلیم، ریزمقیاس نمایی، منحنی بهره برداری سد، سد دز

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه

این مطالعه با عنوان “بررسی اثرات تغییر اقلیم بر منحنی فرمان بهره‌برداری سدها (مطالعه موردی سد دز)” در قالب فصول زیر ارائه شده است:

فصل اول شامل کلیاتی در مورد مفهوم تغییر‌اقلیم، بررسی پیامدهای آن بر منابع طبیعی و منابع آب بوده و ضرورت، هدف، سؤالات و فرضیات انجام این مطالعه تشریح گردید. فصل دوم شامل نگاهی به مطالعات انجام شده در زمینه اثر این پدیده بر منابع آب و نحوه‌ی بهره‌برداری از مخزن می‌باشد که توسط دیگر محققین داخلی و خارجی انجام شده است. منطقه مطالعاتی در فصل سوم و روش انجام تحقیق که شامل جمع آوری آمار و اطلاعات مورد نیاز و ارزیابی داده ­های مشاهداتی است، موضوع فصل چهارم می­باشد. فصل پنجم پردازش داده و ارائه نتایج حاصل از مدل‌سازی و شبیه‌سازی ویژگی­های اقلیمی حوضه را تشکیل می‌دهد. این فصل دربردارنده نتایج انجام تحقیق و انتخاب بهترین مدل­ها در هر بخش می­باشد. در پایان و در فصل ششم این گزارش به جمع‌بندی نتایج و ارائه پیشنهادات پرداخته می­شود. در پیوست1 میزان درصد تغییرات بارش، دمای حداقل و حداکثر، تحت سه سناریوی  A1B, A2, B1و در پیوست2 کد نوشته شده برای برنامه آورده شده است. در انتها فهرست منابع مورد استفاده، ارائه ­گردیده است.

 

 

این مطلب را هم اگر خواستید بخوانید :

 

فصل اول کلیات

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-1- مقدمه

در این فصل مروری بر مفهوم تغییر اقلیم و علل ایجاد آن و تاثیر این پدیده بر منابع طبیعی و منابع آب انجام می­شود و در ادامه به ضرورت و هدف انجام این مطالعه اشاره می­شود.

 

1-2- مفهوم تغییر اقلیم و اهمیت بررسی مدیریت مخزن سد

تغییر اقلیم عبارتست از تغییرات رفتار آب و هوایی یک منطقه نسبت به رفتاری که در طول یک افق زمانی بلند مدت از اطلاعات مشاهده یا ثبت شده در آن منطقه مورد انتظار است. تغییر اقلیم یک پدیده پیچیده اتمسفری‌- اقیانوسی در مقیاس جهانی و دراز مدت است. این پدیده متأثر از افزایش گازهای گلخانه‌ای در اتمسفر می‌باشد که منجر به دگرگونی در وضع آب و هوا، تغییر توزیع مکانی و زمانی بارش و نوع آن (جامد یا مایع)، جریان آب­های سطحی، تبخیر، تغذیه سفره آب‌زیرزمینی و کیفیت آب شده و به طور کلی روند جدیدی را در اقلیم جهانی موجب می‌گردد. تغییر اقلیم باعث می‌شود که برخی مناطق، مرطوب‌تر و برخی مناطق، خشک‌تر گردند و شدت و تواتر حوادث حدی مانند سیلاب و خشکسالی افزایش یابد. بطور کلی توزیع زمانی و مکانی بارش و الگوهای آن دچار تحول گردیده و میزان تبخیر نیز افزایش می‌یابد. تغییراقلیم بدون تردید یکی از چالش‌های بسیار مهم دوران فعلی آب‌و‌هوایی است که در مقیاس جهانی رخ می‌دهد و دارای اثرات مهمی بر کشورها و به ویژه در بخش منابع آب می‌باشد (IPCC, 2001).

گسترش روزافزون فعالیت­های صنعتی به دلیل افزایش جمعیت جهان، استفاده بی‌رویه از سوخت‌های فسیلی و تغییر کاربری اراضی موجب افزایش انتشار گازهای گلخانه­ای به خصوص CO2 شده است. انتشار روزافزون گازهای گلخانه­ای، توازن انرژی زمین را بر هم زده و موجب گرم شدن کره زمین می­گردد. پدیده گرمایش جهانی و تغییر اقلیم حاصل از آن، اثرات قابل توجهی بر سامانه‌های مختلف نظیر منابع آب، کشاورزی و محیط‌زیست دارد. تغییرات حاصل از رشد سریع اقتصادی و صنعتی، از یک سو، و گذر بسیاری از کشورهای جهان‌سوم به جامعه صنعتی در دهه­های 1970 و 1980، از سوی دیگر، باعث گسترش تغییرات زیست‌محیطی شده است. گرچه بهبود سریع در تکنولوژی کالاهای صنعتی و تدوین قوانین مناسب در حفظ و کنترل محیط‌زیست و آب سالم تدریجاً زمینه کاهش آلاینده­های موثر در تغییر اقلیم را فراهم نموده است، ولی سنجش­های مستقیم گازهای دی‌اکسیدکربن، منواکسیدکربن، متان و کاهش غلظت اوزن در طی سه چهار دهه گذشته تصویری نگران کننده از تخریب محیط‌زیست و ناهنجاری­های اقلیمی بدست داده است (Baede et al., 2001).

با توجه به گزارشات IPCC، اگر انتشار گازهای گلخانه­ای کاهش نیابد، متوسط دمای زمین تا سال 2100 می ­تواند 1/1 تا 6/4 درجه سانتیگراد افزایش یابد. همچنین، بررسی­ها نشان از بالا آمدن سطح آب دریاها، ذوب شدن یخ­های قطبی، کاهش پوشش برف و افزایش پدیده­های شدید اقلیمی مانند سیل‌ها و خشکسالی­ها دارد که این تغییرات در پی افزایش متوسط دمای سطح زمین رخ داده است (IPCC، 2007).

از زمانی که موضوع امکان گرم شدن زمین مطرح شد، مسئله بررسی تغییرات در چرخه آب بین زمین، دریا و هوا به عنوان یک عامل مهم اثرگذار بر روی مسائل اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی مطرح گردید. تغییراقلیم نه تنها اثرات مستقیمی بر محیط‌زیست بطور عام خواهد داشت بلکه سبب می‌گردد که داده‌ها و اطلاعات جمع‌ آوری شده در گذشته که مبنای طراحی سازه‌های آبی و سایر سازه‌ها می‌باشند، دیگر شاخص مطمئنی برای رفتارسنجی منابع آب و اهمیت سازه در آینده نباشد (Lane et al., 1999).

تا دو دهه‌ی گذشته بیشتر کارشناسان و متخصصان صنعت آب در دنیا سعی و کوشش خود را در جهت دستیابی به تکنیک‌های ساخت سازه‌های آبی به کار می‌برند و اکثر پروژه‌ها منتهی به ساخت سد و شبکه‌ی انتقال و توزیع آب می‌شد. در این راستا تحقیقات گسترده‌ایی انجام شد که منجر به تهیه‌ی استانداردهای جهانی گردید.

با اینکه تکنولوژی ساخت یک سازه‌ی آبی و ضمائم آن نقش مهمی در بالا بردن راندمان پروژه در یک سیستم منابع آب[1]  دارد ولی به تنهایی قادر به مدیریت آن سیستم نمی‌باشد.

از سال 1980 پس از گذر از مرز ساخت و ساز تاسیسات آبی در اکثر کشورهای دنیا به دلیل به وجود آمدن مسائل مختلفی از قبیل افزایش نیاز آبی، وقوع سیلاب و خشکسالی‌های شدید و به خصوص مطرح شدن مسائل زیست‌محیطی، آلودگی و تغییراقلیم، مدیریت ‌منابع ‌آب به عنوان یک مسئله‌ی مهم در رأس امور تحقیقاتی و مطالعاتی قرار گرفت.

مدیریت منابع آب به خصوص از دیدگاه ریاضی در سال‌های اخیر با توجه به تحقیقات گسترده‌ایی که در این زمینه می‌شود، منجر به دستاوردهای ارزشمندی شده است. گرچه ارتباط بین مراکز تحقیقاتی و اجرایی و یا از تئوری به کاربردی کردن تحقیقات به سادگی میسر نیست، ولی با این وجود پس از سال‌ها تلاش برای متصل کردن این دو، در حال حاضر مدیریت منابع آب با بهره گرفتن از ابزار و روش‌های نوین انجام می‌شود.

یکی از بحث‌های مدیریت ‌منابع ‌آب به خصوص در کشورهایی که تعداد زیادی سدهای مخزنی دارند، مربوط به مدیریت مخازن سدها می‌باشد.

در ایران با بیش از 80 سد در حال بهره‌برداری و ده‌ها سد در حال مطالعه، در اکثر موارد مشاهده می‌شود که حجم آب ذخیره شده‌ی پشت سد به مراتب کمتر از حجم طراحی می‌باشد.

محدودیت‌های رودخانه‌های پرآب و دائمی و عدم دارا بودن یک سیستم منسجم مدیریت حوضه‌ی آبریز، مدیریت منطقی، اصول و واقع بینانه‌ایی را در بهره‌برداری از سدها ایجاب می‌کند.

در این راستا با بهره گرفتن از تکنیک و علوم پیشرفته و ابزاری چون سیستم ماهواره‌ایی، اطلاعات جغرافیایی، بانک داده‌ها و روش‌های جدید محاسباتی، میتوان سیستمی را به وجود آورد که با بهره گرفتن از آن مدیر سد با توجه به نتایج حاصل از سیستم بتواند وضعیت سد را در هر لحظه ارزیابی کند و تصمیم[2] مقتضی را جهت مدیریت بهتر اتخاذ کند.(3)

بهره‌برداری بهینه[3] از مخازن سدها نیازمند مدیریت در نواحی ذخیره که برای جریان‌های ورودی آتی پیش‌بینی شده‌اند، می‌باشد. بهینه‌سازی[4] یک مفهوم اساسی برای افزایش مدیریت و بهره‌وری تاثیرات متقابل[5] پروژه‌های سد‌سازی می‌باشد. مفهوم بهره‌‌برداری بهینه وقتی اهمیت بیشتری پیدا کرد که قواعد بهره‌برداری[6] از مخازن کامل تر گردید.

بهینه‌سازی بهره‌برداری به نرم‌افزارهای موثری برای پیش‌بینی جریان ورودی به مخازن، از پیش‌بینی‌های قطعی در زمان واقعی تا پیش‌بینی‌های طولانی مدت مبتنی بر احتمال، نیاز دارد. این نرم‌افزارها همچنین باید دستورالعمل‌های راهنمایی (قواعد بهره‌برداری) را برای اتخاذ تصمیمات بهره‌برداری، تأمین  نمایند.(65)

قواعد بهره‌برداری مخزن، راهنمایی‌هایی برای مسئولان بهره‌برداری مخزن می‌باشند. این قواعد برای مخازن در حال بهره‌برداری در شرایط ماندگار (و نه برای مخازنی که بلافاصله بعد از ساخت پر شده و یا برای تأمین مجموعه‌ایی از اهداف جدید موقت بهره‌برداری می‌شوند) کاربرد دارند.

قواعد بهره‌برداری از مخازن در واقع انتقال اطلاعات طراح به متصدیان بهره‌برداری می‌باشد که به طور مکرر باید بهنگام‌سازی[7] شوند. چند نوع از قواعد وجود دارند، اما هر یک به حجم‌های ذخیره یا خروجی مخزن مطلوب یا لازم، در هر زمان خاص از سال اشاره می‌کنند. برخی از این قواعد، حجم‌های ذخیره‌ی مورد نظر را تعیین می‌کنند که از آن به عنوان منحنی‌های‌فرمان[8] یاد می‌کنند. (18)

یک منحنی فرمان شرح می‌دهد که چه مقدار ذخیره در اوقات مختلف سال باید در مخزن وجود داشته باشد تا آب مورد نیاز را همواره یا با حداقل کمبود[9] بتوانیم تامین نماییم.

مدیریت مخازن با بهره گرفتن از منحنی‌های‌فرمان، موضوع پیچیده‌ایی است، چرا که این منحنی‌ها از یک سری دقیق جریان که شاید دوباره اتفاق نیفتد، به دست می‌آیند.

بهره‌برداری از سد‌ها گاهی اوقات تنها به مدیریت تأمین آب[10] محدود می‌شود، اما کمبود آب هنگامی اتفاق میفتد که تقاضای[11] آب از عرضه‌ی[12] آن تجاوز می کند، بنابراین در طرح‌های مدیریتی بهینه‌سازی آب، باید هر دوی آنها مورد محاسبه قرار گیرند.(65)

مدل‌های شبیه‌سازی[13] ، روش‌های مؤثری را برای ارزیابی کارآیی سیاست‌های بهره‌برداری[14]، در اختیار قرار داده و با جزئیات بیشتری نسبت به مدل بهینه‌سازی سیستم مورد مطالعه را بررسی می‌کنند، اما ابزار مؤثری جهت انتخاب و یا تعریف بهترین سیاست بهره‌برداری نمی‌باشند. آنها در واقع برای پیش‌بینی عملکرد سیستم تحت یک سری شرایط خاص که شخص استفاده کننده از مدل آنها را اعمال می‌کند، به کار می‌روند و در نهایت شخص بعد از چندین بار اجرای مدل، حالت بهینه را انتخاب می‌کند. مدل‌های شبیه‌سازی با اینکه در جهت شناخت پدیده و فیزیک مسئله بسیار مفید هستند، ولی قادر به انجام مدیریت بهینه مخزن نمی‌باشند. بر این اساس با تلفیق مدل‌های شبیه‌سازی و بهینه‌سازی و تعریف تابع هدف[15] (تابعی که باید بهینه‌سازی شود) و قیودات[16] (محدودیت های فیزیکی، فنی، قانونی و مالی مقادیر متغییرهای تصمیم[17]) میتوان در یک زمان هم متغیر‌حالت[18] و هم متغیر‌تصمیم (در متغیر طراحی و بهره‌برداری ما به دنبال تعیین بهترین مقادیر آنها هستیم) را در نظر گرفت. با توجه به این مزیّت مدل‌های بهینه‌سازی، کاربرد آن به طور گسترده‌ایی در اکثر مدیریت‌ها به خصوص مدیریت منابع آب و مخازن، مرسوم می‌باشد.

همچنین گرایش محققین در سال‌های اخیر به استفاده بیشتر از اطلاعات تغییرات اقلیمی در مدیریت منابع آب عمدتاً به دلیل زیر است:

• افزایش آگاهی و اطلاعات در زمینه پدیده­های بزرگ مقیاس اقلیمی و ارتباط آن ها با فرایندهای محلی هیدرولوژیکی
• مسجل شدن وقوع پدیده تغییراقلیم (climate change) و تاثیرات آن بر منابع آب
• وقوع پدیده‌های سیل و خشکسالی با فرکانس کمتر و شدت­های زیادتر در بسیاری از مناطق دنیا در سالیان اخیر
• عدم توانایی برنامه ریزی­ها و پیش بینی­های مبتنی بر روند تاریخی اقلیم یک منطقه در مدیریت منابع آب

بدین ترتیب در سال‌های اخیر، بررسی رخداد تغییر اقلیم و سازگاری با آن، به عنوان موضوعی مهم مورد بررسی مجامع علمی جهان می‌باشد.

بنابراین به واسطه‌ی افزایش نیاز آبی به خاطر رشد جمعیت، مهاجرت و افزایش مصرف آب به خاطر بهتر شدن استانداردهای زندگی، کمبود آب به مرور زمان افزایش یافته است. کمبود درتأمین آب، موجب تنش‌های اجتماعی و بی‌ثباتی سیاسی خواهد شد لذا برای هر اجتماعی حفاظت از این منابع آبی برای کاهش تلفات تا جایی که امکان داشته باشد، ضروری است.

1-3- ضرورت انجام تحقیق

پدیده تغییر اقلیم و اثرات آن،‌ به عنوان یکی از مهم‌ترین چالش‌های پیش رو در مدیریت ‌منابع‌‌آب و انرژی شناخته شده ‌است. بخش عمده‌ای از تحقیقات انجام شده و در حال انجام در زمینه آب و انرژی از دهه آخر قرن بیستم تاکنون،‌ معطوف به بررسی این پدیده و اثرات آن بوده ‌است. بررسی مطالعات صورت گرفته در این زمینه در چند دهه اخیر نشان می‌دهد که تغییرات اقلیم تاثیر قابل توجهی بر وضعیت بارش و دما و پارامترهای متاثر از آنها همچون رواناب و رطوبت خاک داشته است. این تغییرات در مناطقی مانند ایران منجر به محدودیت منابع آب موجود و تشدید بحران‌های کم‌آبی می‌گردند. از دیگر پیامدهای پدیده تغییر اقلیم و افزایش دمای کره زمین تبدیل الگوی بارش برف به باران می‌باشد که این مسئله باعث کاهش آورد رودخانه‌های وابسته به ذوب برف در فصل‌های بهار و تابستان و افزایش رواناب در فصل‌های پائیز و زمستان می‌شود. این مسئله باعث می‌شود که آبدهی مطمئن سدها با آنچه در زمان طراحی در نظر گرفته شده تطابق نداشته باشد که از جمله چالش‌های پیش‌رو در برنامه‌ریزی و مدیریت منابع آب خواهد بود (استیل دان و همکاران، 2008).

بنابراین نمی­توان بدون توجه به اثرات این پدیده، به برنامه‌ریزی مطمئن برای مدیریت منابع آب در آینده پرداخت. در واقع در گذشته این برنامه ­ریزی­ها با توجه به این فرض صورت می­گرفت که شرایط اقلیمی آینده، خصوصیات و تغییرپذیری مشابه شرایط گذشته خواهند داشت. سدها بر اساس داده‌های در دسترس از جریان­های موجود در رودخانه­ها و با توجه به مقدار و فرکانس مورد انتظار خشکسالی و سیلاب، طراحی و ساخته می­شدند. مخازن با بهره گرفتن از آمار هیدرولوژیکی گذشته برای تامین اهداف مختلف، سیاست­های بهره‌برداری را اتخاذ می­نمودند. اما در حال حاضر اعتماد به آمار گذشته ممکن است منجر به اتخاذ تصمیمات ناصحیح و به طور بالقوه خطرناک یا گران گردد. از این رو بررسی اثرات تغییر اقلیم بر منابع آب از ضروریات برنامه‌ریزی و مدیریت سیستم‌های منابع آب کشورها، به ویژه کشورهای نیمکره شمالی (از جمله ایران)، می‌باشد و بدین ترتیب نیاز به بررسی اثرات تغییر اقلیم بر مخازن سدها و مشاهده عملکرد مخازن احساس می‌شود، تا با اتخاذ سیاست‌هایی از افت عملکرد مخازن تحت تاثیر تغییر اقلیم جلوگیری شود.

در تحقیق پیش­رو به بررسی اثر تغییر اقلیم بر رواناب ورودی به مخزن سد دز و نیز چگونگی تاثیر این پدیده بر نحوه بهره ­برداری از مخزن و تأمین نیاز پائین دست پرداخته می‌شود. حوضه مورد مطالعه جزو مناطق خشک ایران از نظر آب‌و‌هوایی محسوب می­شود، با توجه به خشک و کم آب بودن منطقه و اهمیت مدیریت منابع آب موجود در این حوزه آبریز، اهمیت بررسی اثرات احتمالی تغییر اقلیم در آینده در این حوضه بیشتر احساس می‌شود. در واقع نتایج این تحقیق می‌تواند در بهبود برنامه ­ریزی منابع آب منطقه تحت تاثیر پدیده تغییر اقلیم مفید و موثر ­باشد.

1-4- فرضیات تحقیق

در این تحقیق فرض میکنیم:

1-  دمای منطقه در دوره آتی افزایش و بارش کاهش خواهد یافت.

• به کارگیری مدل‌های AOGCM در شبیه‌سازی رواناب و داده‌های بارش و دما دارای عدم قطعیت است.
• رواناب منطقه در دوره آتی کاهش یافته و مخزن سد دز با کاهش حجم روبرو خواهد شد.
• منحنی فرمان کنونی سد دز جوابگوی وضعیت شرایط آتی بهره‌برداری از سد نخواهد بود.

 

1-5- پرسش‌های اصلی تحقیق

پرسش‌هایی که درنهایت و در فصل نتیجه‌گیری باید به آنها پاسخ داد به شرح زیر است:

مؤلفه‌های اقلیمی حوضه سد دز چه تغییراتی های در دوره‌آتی خواهند داشت؟

این تغییرات در  مؤلفه‌ها چه تأثیری بر منحنی فرمان بهره‌برداری سد دز دارد؟

 

1-6- اهداف تحقیق

با توجه به ریسک­های موجود در سیستم­های منابع آب، یکی از مهمترین راه‌کارهای مدیریتی تلاش برای درک این موضوع است که مؤلفه­ های تغییر اقلیم چه تاثیری بر منابع آب در دوره­ های آتی می‌گذارند. در واقع هدف از انجام این تحقیق ارائه یک مدل جامع ارزیابی اثرات تغییر اقلیم بر عملکرد مخزن سد دز با هدف تأمین نیاز کشاورزی، شرب، صنعت، ماهیگیری و زیست محیطی در آینده می­باشد. برای تحقق هدف مورد نظر مراحل زیر انجام میگیرد:

1. بررسی اثرات تغییر اقلیم بر پارامترهای هواشناسی منطقه با بهره گرفتن از مدل گردش عمومی و نیز مدل ریزمقیاس نمایی LARS-WG
2. بررسی میزان حساسیت پارامترهای هیدرولوژیکی منطقه (مانند رواناب ورودی به مخزن) نسبت به تغییر اقلیم
3. بررسی اثر تغییر اقلیم بر عملکرد مخزن و شاخص تامین آب

 

 

 

 

[1] Water resources system

[2] Decision

[3] Optimal Operation