مقدمه

جامع‏نگری و برخورد سیستمی در مدیریت کمی و کیفی منابع آب، به‌علت افزایش مؤلفه‌های این سیستم‏ها، پیچیدگی ارتباطات و آثار متقابل آن، اهمیت خاصی دارد؛ به همین دلیل، مدل‌سازی و مدیریت مسائل زیست محیطی، به‌ویژه پدیدۀ آلودگی دریاچه‌ها و مخازن سدها برای بررسی کیفیت آب، بسیار مهم است.

سدها سازه‌های آبی مهمی هستند که در همۀ نواحی جهان، به‌ویژه نواحی خشک و نیمه‌خشک برای مدیریت آب‏های سطحی احداث می‌شوند و در ارتباط تنگاتنگ با شرایط زمین‌شناسی هستند که در آن ساخته شده‌اند. با توجه به گسترد‌‍‌‍گی مخازن سدهای بزرگ و عدم امکان تغییر محور سدها به‌دلیل محدودیت‏های مختلف، امکان دارد که پس از آبگیری سد، آب مخزن با سازندهای کارستی در تماس قرار گیرد؛ خصوصاً اگر این تشکیلات حاوی نمک باشد، مخزن مورد تهدید پدیدۀ کارستی‌شدن، انحلال سازند کارستی و درنتیجه کاهش کیفیت آب مخزن، نشست ساختگاه و در مواقعی نیز نشست سازۀ سد می‌شود و تأسیسات نیروگاه، دستخوش خورندگی آب‏های عبوری قرار می‌گیرد؛ از این رو، ساخت سدها و مخازن در این سازندها با ریسک زیادی همراه می‌شود. درواقع، به‌دلیل انحلال‌پذیری فوق‏العاده بالای نمک، حدود 360 گرم بر لیتر (Hashemi Heidari 2012)، به انحلال کامل رخنمون‌های این کانی در مناطق مرطوب منجر می‌شود. در ایران حدود 11درصد از سطح کل کشور و حدود 90درصد از ارتفاعات زاگرس، از سازندهای کارستی تشکیل شده است (Afrasiabian and Rezaei 1999)؛ کارست معمولاً در سنگ‏های آهکی و ژیپس، گسترش می‌یابد؛ اما در سنگ‏های انحلال‌پذیر دیگر نظیر ماسه‌سنگ، سنگ نمک، کوارتزیت و ... هم مشاهده شده است. در جنوب و جنوب غرب ایران، بیش از 150 گنبد نمکی وجود دارد که در قسمت‏های مختلف آنها، آثار کارستی‌شدن رؤیت شده است. در این مناطق، نمک حدود پانصد میلیون سال قبل ( و بیشتر)، در مناطق پست یا حوضۀ کم‌عمق دریا، ته‌نشین شده و در طی دوران‌های بعدی، رسوبات بر روی آنها ته‌نشین‌ شده و این مناطق را در اعماق مدفون کرده است؛ قرن‌های بعد، به‌دلیل فشار زیاد موجود در این اعماق و با توجه به دانسیته و پلاستیسیتۀ بالا، نمک در قالب توده‌های استوانه‌ای با قطر چندین کیلومتر، شروع به بالا آمدن کرده است که به آنها، دیاپیر یا گنبدنمکی گفته می‌شود. علاوه بر کارست نمک، کارست ژیپسی در بسیاری از سازندهای تبخیری جهان، نظیر مناطق مختلف زاگرس و در سازند تبخیری گچساران، در نزدیکی شهر شوشتر، مشاهده‌ شده ‌‍است (Karimi Vardanjani 2010). درواقع، یکی از مهم‏ترین عوامل اصلی کاهش کیفیت منابع آب منطقه‌ای خوزستان، وجود سازندهای گچساران و رسوبات حاوی نمک‏های انحلال‌پذیر است (Zareei and Azhdari 2006).گنبد نمکی عنبل درون مخزن گتوند، ازجملۀ این سازندها در بخش نمکی سازند گچساران است که در بالادست محور سد و درون مخزن قرار دارد. سد گتوند، نقش پراهمیت ذخیره‌سازی پنج میلیارد متر مکعب آب و تنظیم آن برای مصارف شرب، صنعت و کشاورزی جلگۀ خوزستان، کنترل و ذخیرۀ سیلاب‌های فصلی کارون و نیز افزایش دو هزار مگاوات انرژی برق آبی به تولید برق کشور را دارد؛ مخزن این سد، در مردادماه سال 1390 بهره‌برداری شد. در حال حاضر، مسئلۀ مهم در این سد، آثار سوء انحلال کارست نمکی عنبل است.

تاریخچۀ موضوع و پیشینۀ پژوهش

در سال‌های قبل و بعد از آبگیری سد گتوند، مطالعاتی دربارۀ جنبه‌های مختلف کارست نمکی موجود در مخزن صورت پذیرفته است؛ سازندهای زمین‌شناسی موجود در دشت گتوند، باعث افت کیفیت منابع آب زیر‌‍زمینی و افت کیفیت آب برای مصارف کشاورزی، صنعت و شرب شده است یا اینکه استفاده از این منابع را محدود کرده است (Mozaffarizadeh and Cheet sazan 2006)؛ ارزیابی آثار زیست‌محیطی ناشی از ساخت سد گتوند نشان داده است، احداث سد گتوند، باعث زهکشی نمک به درون آب، افزایش شوری آب‏های زیرزمینی محدودۀ منطقه، انتشار مواد محلول، تولید مواد سمی و افزایش آلودگی مواد آلی شده است (Sayadi et al. 2009). بازدیدهای میدانی هم‌زمان با مراحل پایانی ساخت سد گتوند، وجود فروچاله‌های متعدد و نیز وقوع زمین‌لغزش‏ها با ابعاد متفاوت، در محدودۀ 5 تا 9کیلومتری بالادست محل سد را نشان داد. با توجه به شواهد ژئومورفیک، مانند انحراف شدید رودخانۀ کارون، نتیجه این شد که سازند نمکی عنبل، یک ساختار هالکینتیک فعال است و ۳۰درصد از گنبد نمکی عنبل در اثر رانش بزرگ زمین، تحت تأثیر تخلیۀ فرسایشی قرار می‏گیرد و شیب دامنه توسط فرسایش رودخانه‌ای کنترل می‌شود (Gutiérrez and Lizaga 2016). در بررسی گمانه‌های اکتشافی حفاری‌شده در این محدوده نیز، مشاهده شد که لایه‌های نمکی از ترازهای بالاتر از تراز نرمال مخزن، تا اعماق زیر بستر رودخانۀ کارون گسترش یافته‌ است؛ با ادغام شواهد زمین‌شناسی و ژئومورفولوژیکی مخزن گتوند، اندازه‌گیری مقادیر هدایت الکتریکی (EC[1]) و کل مواد جامد محلول در آب (TDS[2])، برای 108 نمونۀ آب اخذشده از 11 ایستگاه نمونه‌برداری در امتداد مخزن و 58 ایستگاه نمونه‌برداری از مخزن، رودخانه‌ها و چشمه‌های اطراف آن، منابع شوری آب مخزن گتوند، شناسایی و ارزیابی شد (Jalali et al. 2019)؛ به‌طوری که در فاصلۀ زمانی اسفندماه 1390 تا بهمن‌ماه 1391، متوسط EC آب کارون در مقایسه با 5 سال قبل از آبگیری سد گتوند، از 2000 میکروموس بر سانتی‌متر به 2496 میکروموس بر سانتی‌متر، افزایش یافته است (Ghomeshi and Haghbin 2013).

 مسلم است، به‌دلیل تماس مستقیم آب مخزن با این لایه‌های نمکی، احتمال وقوع زمین‌لغزش و سقوط احجام بیشتر نمک همراه با توده‌های لغزشی به درون مخزن، شوری آب مخزن افزایش یافته و درنتیجه آثار منفیِ بر نحوۀ بهره‌برداری از سد و درنهایت تأمین نیازهای کشاورزی، دامپروری و صنعت آبزی‌پروری پایین‌دست سد گتوند را به دنبال داشته است (Rostami Paidar et al. 2013; Hadad et al. 2017, Rasoulimanesh 2014)؛ بنابراین نیاز به شناخت فرآیند انحلال و توزیع شوری در مخزن و شناخت عوامل مؤثر بر آن‌‌‌، بیش‌ازپیش اهمیت می‌یابد.

پدیدۀ انحلال، به عوامل متعددی ازجمله ویژگی‌های حلال و مادۀ حل‌شونده، حجم و سرعت جریان حلال درگیر، سطح در معرض تماس، غلظت اشباع، دما، فشار، اسیدیتۀ محیط و اثر مواد محلول بستگی دارد (Baghadashtaki 2010). نرخ انحلال به‌صورت عددی و در محیط آزمایشگاه، توسط Plumer et al. 1978، Sensson and Dreybrodt 1992 و Kaufman and Dreybrodt 2007 اندازه‌گیری و برای این پارامتر، رابطۀ زیر پیشنهاد شد (Hashemi Heidari 2012):

که در آن، F_i بیانگر نرخ انحلال، K_i [mol/ m³] ضریب انحلال، m_i ضریب ثابت بدون بعد، C[mol/m³] غلظت واقعی مادۀ حل‌شونده، C_eq [mol/m³] غلظت مادۀ حل‌شونده در مراحل مختلف انحلال و n_i توان که بستگی به‌نسبت غلظت مادۀ حل‌شونده به غلظت اشباع دارد. i، نشان‌دهندۀ مراحل مختلف فرآیند انحلال است؛ در مرحلۀ اول انحلال، انحلال با سرعت بسیار زیاد و با نرخ خطی، با قابلیت انتقال جرم زیاد صورت می‌پذیرد. در مرحلۀ دوم، انحلال با سرعت نسبتاً پایین و با نرخ خطی رخ می‏دهد و در مرحلۀ سوم انحلال، انحلال با نرخ غیرخطی و با مرتبۀ بالاتر انجام می‌شود. در گذشته، تحقیقات وسیعی درزمینۀ ضریب انحلال نمک انجام شده است؛ Alkattan et al.1997، انحلال سنگ نمک را با استفاده از دیسک چرخان، بررسی کردند؛ در این آزمایش، سنگ نمک را درون محیط آزمایشگاه، مابین دیسک و دیوارۀ فلزی مدل قرار دادند و مابقی فضا را با آب پر کردند؛ با چرخش دیسک در سرعت‏های مختلف و جریان‌یافتن آب مابین دیسک و دیوارۀ مدل، سنگ نمک دچار انحلال شد و به این ترتیب، نرخ انحلال را تخمین زدند.

به‌منظور بررسی ویژگی‌های انحلال‌پذیری سازند نمکی عنبل، در سال قبل از آبگیری مخزن گتوند، 2010.Baghadashtaki et al، از روش سیرکولاسیون، برای اندازه‌گیری ضریب انحلال نمونه‌های سنگ نمک موجود در مخزن گتوند، در محیط آزمایشگاه استفاده و مقدار خوردگی این نمونه ها را 67/2 سانتی‌متر در روز اندازه‌گیری کردند.

همچنین، حساسیت پارامترهای مؤثر بر توزیع شوری، مانند ضرایب انحلال، پخش افقی و پخش قائم، دبی، میزان دما و رطوبت نسبی و رفتار کارست نمکی موجود در سد گتوند، با جمع‏آوری داده‌های میدانی سازند نمکی عنبل و مدل‌سازی با سری مختلف نرم‌‍‏افزارهای MIKE، بررسی و تحلیل شد و مقدار ضریب انحلال کارست را در شرایط جریان مخزن در سال اول آبگیری سد گتوند، 170کیلوگرم بر ثانیه (Hashemi Heidari et al. 2012) و در سال دوم آبگیری مخزن، 200کیلوگرم بر ثانیه (Mohammad Taheri 2014)، پیشنهاد کرد.

در مقایسه و جمع‏بندی نظرات سایر محققان، دربارۀ موضوع پژوهش و همچنین اقداماتی که برای رفع این مشکل صورت پذیرفته است، می‌توان نتیجه گرفت که اولاً، به بررسی راهکاری نیاز است که علاوه بر صرف کمترین هزینه برای اجرای آن، کمترین دخالت را هم در محیط زیست و اکوسیستم داشته باشد و بتواند شوری مخزن گتوند را کاهش دهد؛ مدیریت صحیح بهره‌برداری از مخزن و همچنین بررسی منحنی فرمان مخزن و اثر آن بر مقدار شوری آب مخزن، ازجملۀ این راهکارها است؛ دوم اینکه، اکثر پژوهش‏های گذشته دربارۀ سد گتوند، به بازۀ زمانی قبل و یا سال‌های اولیۀ آبگیری مخزن مربوط بوده و بیشتر وضعیت موجود مخزن را تشریح کرده و راه‌حلی عملی و بهینه، برای برون‌رفت از این شرایط ارائه نشده است؛ همچنین، محققان مربوط، تمام روابط موجود و پارامترهای درگیر در فرایند انحلال، ازجمله دبی نمک ورودی به مخزن را به‌صورت ثابت و معین، محاسبه و پیشنهاد کرده‌اند؛ همان‌طور که قبلاً هم اشاره شد، با توجه به پیچیدگی فرایند انحلال و دخیل‌بودن عوامل گوناگون در رابطه با این فرایند، ازجمله خلل و فرج فراوان در کارست، شرایط متفاوت آبگیری، تخلیۀ مخزن در طول دورۀ بهره‌برداری، تغییرات سرعت آب درون مخزن به‌علت بارندگی، سیلاب ورودی به مخزن و حجم عظیم کارست نمکی عنبل که به‌صورت یک منبع آلودگی فعال عمل می‌کند؛ واضح است که در طول فرایند انحلال، پارامترهای مربوط به آن، به هیچ عنوان ثابت نیست و به رویکردی کارآمد نیاز است که در گذر زمان، رفتار سازند نمکی را در تعامل با آب مخزن، با تحلیل کمی و کیفی بررسی کند. سرعت زیاد در مدل‌سازی، به روش سیستم داینامیک و آنالیز این نوع مدل‌سازی در مدت زمان کم، نسبت‌به سایر روش‏های مدل‌سازی، نظیر سری MIKE، آسانی ساختار، اصلاح مدل، توانایی انجام تحلیل، ارتباط مؤثر با مدل و افزایش اطمینان در روند مدل‌سازی، مدل‌سازی را از بقیۀ روش‌‍های رایج مدل‌سازی منابع آب جذاب‌‍تر می‌کند که این امر، به‌دلیل مشارکت کاربر در آن، ارتباط مؤثر با نتایج مدل، سهولت ایجاد تغییرات در مدل و قابلیت حساسیت این روش است. در فرآیند مدل‌سازی با سیستم داینامیک، ضمن امکان واردکردن متغیرهای کیفی و کمی به‌طور هم‌زمان در سیستم توسط کاربر، با نوشتن معادلات غیردقیق برای متغیرهای کیفی و شبیه‌سازی عددی آن، اثر آنها را بر کل سیستم در نظر می‌گیرد و بهترین دقت قابل دست‌‍یابی، همراه با پاسخ‏های کمی و تخمین‌های بهتر، نتیجۀ تصمیم‏ها و سیاست‌های کاربر را برآورده می‌کند.

معرفی منطقۀ موردمطالعه (ساختگاه سد)

همان‌طور که قبلاً بیان شد، بیشتر گسترش نواحی کارستی در ایران، در رشته‌کوه زاگرس است که پرباران بوده و با توجه به مساعدبودن وضعیت آب‌وهوایی، نواحی کارستی پهناوری در آن تشکیل شده است؛ سد گتوند، ازجمله سدهای خاکی با هستۀ رسی است که در منطقۀ ساختمانی زاگرس، چین‌خورده با سنگ‏های تبخیری بنا شده و خصوصاً کارست نمکی موجود در مخزن باعث شوری آب مخزن شده است. این سد جزء عظیم‏ترین سدهای برق‏آبی جهان و از نوع خاکی با هستۀ رسی، با حجم کل مخزن، 5/4 میلیارد متر مکعب و آخرین سد احداث‌شده بر رودخانۀ کارون در جنوب غربی ایران است که مخزن آن در مردادماه 1390، آبگیری شد؛ رخنمون‌های سازند گچساران در مخزن که در فاصلۀ 5 تا 9 کیلومتری بالادست محور سد و در جناح چپ رودخانه قرار دارد، دارای حجم بزرگی از چینه‌‌های ضخیم و انحلال‌پذیر نمک است، حفره و غار زیادی دارد و سطح آن در تماس مستقیم با آب‏های زیرزمینی، آب‏های سطحی و آب دریاچۀ سد است (شکل 1).

شکل 1- عکس ماهواره‌ای محل احداث سد، موقعیت گنبد نمکی و معدن نمک

Fig 1-Satellite image of the dam construction site and salt karst (Available from https://goo.gl/maps/jCXZw9BZYHpkoa627 [Accessed 17 August 2019)])

ازنظر تقسیمات زمین‌شناسى، تکیه‌گاه راست و چپ سد گتوند، بر کنگلومراى بختیارى و پى مرکزى سد، بر سازند آغاجارى قرار گرفته و محدودۀ مخزن (محدودۀ مطالعه این پژوهش) در نزدیکی معدن نمک، با طولی بیش از 90کیلومتر، با سازندهای آغاجاری، میشان، لهبری، کنگلومرای بختیاری احاطه شده است (شکل 2).

شکل 2- نقشۀ زمین‌شناسی مخزن و سد گتوند (National Iranian South Oil Company, 2009)

Fig 2- Location of Gotvand dam reservoir formations (National Iranian South Oil Company)

به‌هم‌‍ریختگی ساختاری و نیز مشاهدۀ باقیماندۀ توده‌های نابرجا در حاشیۀ چپ رودخانه، نشانگر وقوع زمین‌لغزش‏هایی با ابعاد بزرگ در زمان‌های گذشته است و وقوع زمین‌لغزش‏های متعدد با ابعاد کوچک‌تر به‌طور سالانه در فصولِ تر، بیان‌کنندۀ پتانسیل زیاد وقوع لغزش در سازند گچساران و ناپایداری دامنه‌های کارست نمکی و ورود نمک به مخزن است (Asakere and Mansourneghad 2013).

روش پژوهش و شیوۀ انجام مطالعه

در این پژوهش، شبیه‌سازی چگونگی عملکرد عوامل مؤثر بر هیدرودینامیک مخزن، نحوۀ انحلال کارست نمکی موجود در مخزن، فرایند توزیع شوری در دریاچۀ سد، اثر آن بر کیفیت آب درون مخزن و کیفیت دبی خروجی از آن با روش SD، براساس روابط علی و معلولی بین این پارامترهای مؤثر بر توزیع شوری و پارامترهای بیان‌کنندۀ میزان شوری انجام شد.

 برای مدل‌سازی سد گتوند، رفتار کارست نمکی و تحلیل داده‌های میدانی محدودۀ موردمطالعه، به‌منظور کمک به شناسایی بهتر وضعیت کیفی مخزن و کالیبراسیون مدل SD، از نرم‏افزار ونسیم استفاده شد؛ این نرم‌‍افزار شبیه‌سازی، در محیط مدل‌سازی گرافیکی، شی‌ء‌‍‏گراست؛ در آن، شکل‌ها با یک سری از زوج معادلات دیفرانسیلی مرتبۀ اول (اغلب غیرخطی) ساخته می‌شود که با روش اولر یا رانگ کوتا حل می‌شود و پیشرفت از کلیات به جزئیات صورت می‌گیرد؛ به‌طوری‏که تدریجاً، توابع و اجزای متصل‌شده بیشتر می‌شود تا یک مدل کامل و برای اجرا آماده شود.

در این مطالعه، ابتدا یک مدل ریاضی شبیه‌سازی-بهینه‌سازی طراحی و پس از آنکه مقادیر اولیۀ ترازهای هدف به مدل شبیه‌سازی وارد شد، این مدل اجرا شد. در ابتدای مدل‌سازی هیدرودینامیکی مخزن گتوند با SD، پارامترهای هیدرولوژیک مانند مقدار دبی ورودی به مخزن ازطریق رودخانۀ بالادست، رواناب، مقدار نیاز پایین‌دست، دمای هوا، مقدار تبخیر، بارندگی و نشت استفاده شد و با کمک داده‌های میدانی، نظیر اطلاعات حوضۀ آبریز سد و داده‌های مرتبط با شوری آب مخزن، مدل شبیه‌سازی و طراحی و بعد از آن، صحت‏سنجی و اجرا شد. در ادامۀ مدل‌سازی، برای بررسی چگونگی اثر کارست نمکی بر وضعیت کیفی مخزن، تحلیل‌حساسیت پارامترهای مؤثر بر توزیع شوری و نحوۀ انحلال کارست نمکی انجام شد و نتایج، تجزیه‌وتحلیل شد؛ درنهایت، برای کاهش مقدار شوری آب خروجی از مخزن، مدل SD سد گتوند، ترازی بالاتر از تراز دریچه‌های تحتانی برای آبگیری از مخزن، به جای آبگیری از تراز دریچه‌های تحتانی سد پیشنهاد می‌شود؛ به شرطی که با آبگیری از این تراز، به جای آبگیری از تراز دریچه‌های تحتانی، شوری نهایی آب خروجی از مخزن، کمتر از مقدار مجاز غلظت نمک در آب شرب و آب کشاورزی باشد؛ البته میزان EC آب رهاشده از مخزن، نباید از مقدار 1700میکروموس بر سانتی‌متر تجاوز کند؛ زیرا پس از رهاسازی آب از مخزن و قبل از رسیدن آب به دست مصرف‌کننده، علاوه بر برداشت آب در طی مسیر، پساب‏های کشاورزی یا پساب‏های کارخانجات و سایر آلودگی‌ها که به آب افزوده می‌شود، به افزایش EC آن منجر می‌شود و آب با EC، بالای 1700 میکروموس بر سانتی‌متر، قابل شرب نخواهد بود. بر این اساس، مقدار مجاز EC آب خروجی از مخزن سد گتوند، توسط مقامات ذی‌صلاح، حدود 1300میکروموس بر سانتی‌متر تعیین شده است (Mahab Ghods Consulting Engineering Company 2012).

مفاهیم طراحی مدل SD

در طراحی این مدل، اهداف به شرح جدول1 و محدودیت‌ها در جدول2 تعریف شد.

جدول 1- اهداف تعریف‌شده در مدل SD سد گتوند

Table 1- Objectives defined in the SD model of Gotvand Dam

جدول 2- محدودیت‌های تعریف‌شده در مدل SD سد گتوند

Table 2- Constraints defined in the SD model of Gotvand Dam

با درنظر گرفتن محدودیت‌های مندرج در جدول 2، برای دستیابی به کلیۀ اهداف مطابق جدول 1، متغیرهای ورودی به مدل SD سد گتوند، طبق جدول 3 مشخص شد.

جدول 3- متغیرهای ورودی به مدل SD سد گتوند

Table 3 -Input variables to the SD model of Gotvand Dam

با توجه به اینکه اکثر مدل‌های‌ هیدرولوژی،‌ به‌ تطبیق‌ و تعدیل ‌پارامترهای ‌کنترل‌‌کنندۀ ‌فرایندها نیاز دارند؛ بنابراین مدل SD سد گتوند، براساس مدل مفهومی شکل 3 طراحی شد.

شکل 3- مدل مفهومی تحقیق

Fig3- Conceptual model of researc

با درنظر گرفتن چگونگی انحلال کارست نمک و با توجه به فرایندها، معادلات ‌ریاضی ‌و الگوریتم‌های توصیف‏کنندۀ ‌فرایندها (شکل 3) و درنهایت به کمک روابط علی و معلولی بین آیتم های مؤثر بر کیفیت آب مخزن و محدودیت‌ها در سدهای برقابی (با هدف اولیۀ تولید انرژی، تأمین آب موردنیاز پایین‌دست سد و کنترل سیلاب‏های فصلی)، در سه قسمت، مطابق شکل4 در نرم‌افزار ونسیم طراحی شد.

شکل4- ‌مدل کلی شبیه سازی SD مخزن گتوند

Fig 4 - Model of Gotvand Dam System Dynamics simulation

ساخت مدل SD سد گتوند در نرم‌افزار ونسیم

پس از فهرست‌کردن تمامی متغیرها، پارامترهای مؤثر بر کیفیت آب و پارامترهای مبین شوری در مخزن، در صفحۀ اصلی ونسیم، نوبت تعیین اتصالات و ارتباطات بین این متغیرها، براساس روابط علی و معلولی است؛ در این روش، پیکان‌ها، نشان‌دهندۀ ارتباط بین متغیرها و جهت این پیکان‌ها، مشخص‌کنندۀ جهت وابستگی بین آنهاست؛ در زمان انجام ارتباطات بین متغیرهای اصلی، به یکسری متغیرهای کمکی نیاز است که نقش انتقالی دارد (Jalali and Afshar 2004). پس از تعیین محل متغیرها و ارتباطات مابین آنها، باید روابط ریاضی و منطقی بین آنها وارد شود.

 این روابط عموماً از فیزیک مسئله نشأت می‌گیرد و می‌تواند به‌عنوان محدودیت‏های موجود در مدل شبیه‌سازی سد گتوند، با روش سیستم داینامیک (شکل4)، مطرح شود.

 در نرم‏افزارهای گوناگون موجود برای مدلسازی SD، ورود اطلاعات و روابط موجود به‌صورت سری‌های زمانی، جدول، نمودار انجام شود؛ در پایان با تغذیۀ روابط بین متغیرها، مقداردهی اولیه به متغیرهای حالت و نیز تعیین محدوده و گام زمانی آنها، مدل، آمادۀ شبیه‌سازی است.

طول دورۀ شبیه‌سازی مدل SD سد گتوند، 68 ماه و با گام زمانی یک ماه، از مردادماه 1390 (ابتدای آبگیری مخزن گتوند) تا اسفندماه 1395، در نظر گرفته شد. سه قسمت مشخص‌شده در شکل 4 به شرح زیر، عملکرد مدل سیستم داینامیک سد گتوند را شبیه‌سازی می‌کند:

- قسمت اول (Part1): نحوۀ پر و خالی‌شدن مخزن (منحنی فرمان بهره‌برداری از مخزن)؛

- قسمت دوم (Part2): فرآیند انحلال کارست نمکی موجود در مخزن و تعامل آن با آب مخزن؛

- قسمت سوم(Part3): چگونگی محاسبۀ بهترین تراز آبگیری از مخزن، در مقایسه با آبگیری از تراز دریچه‌های تحتانی سد.

قسمت اول مدل SD (نمایش نحوۀ پر و خالی‌شدن مخزن و منحنی فرمان بهره‌برداری از مخزن)

در قسمت اول مدل SD مخزن گتوند (شکل5)، نحوۀ آبگیری مخزن و نحوۀ رهاسازی آب از مخزن، با استفاده از مبانی منحنی فرمان و دستورالعمل بهره‌برداری از سد، شبیه‌سازی شده است. اطلاعات کلیدی استفاده‌شده در قسمت اول مدل SD، شامل:

- مشخصات مربوط به ارتفاع- سطح- حجم سد گتوند (Ghomeshi and Haghbin 2013)؛

- سری‌های زمانی مربوط به دبی ورودی به مخزن، از طریق رودخانۀ بالادست و رواناب سطحی، بارندگی بر سطح مخزن، دما و تبخیر ثبت‌شده در ایستگاه هواشناسی گتوند؛

-تعیین مقدار جریان خروجی از مخزن: در هر دورۀ زمانی، مقادیر رهاسازی آب از مخزن، در صورت امکان با توجه به نیاز تعریف‌شده، براساس قوانین تصمیم‏گیری، نحوۀ آبگیری و تخلیۀ آب مخزن، مطابق نیازهای ماهانۀ پایین‌دست و سیاست‏های بهره‌برداری از مخزن و با استفاده از رابطۀ (1) محاسبه می‌شود. این مقدار همراه با تلفات مخزن و مقادیر نشت، از مجموع جریان ورودی و حجم ذخیرۀ مخزن کسر می‌شود؛ حجم باقی‌مانده با حجم معادل حداکثر ارتفاع آب در مخزن مقایسه‌ و مازاد آن به‌عنوان سرریز از مخزن خارج می‌شود (Sharifi and Tajrishi 2008 ; Jalali and afshar 2004 )؛

-از دیگر پارامترهای مهم در قسمت اول مدل SD سد گتوند، محاسبۀ مقدار سرریز از مخزن است که این مقدار با رابطۀ (2) محاسبه می‌شود (Sheikh Khouzani and Hosseini 2012)؛

شکل5- قسمت اول ‌مدل شبیه‌سازی SD مخزن گتوند (منحنی فرمان بهره‌برداری از مخزن گتوند)

Fig 5 - Part 1 SD Simulation Model of Gotvand Reservoir (Gotvand Reservoir Operation Curve)

قسمت دوم مدلSD مخزن گتوند (فرآیند انحلال کارست نمکی و تعامل آن با آب مخزن)

در قسمت دوم مدل SD(شکل6)، براساس تراز سطح آب مخزن و هندسۀ کارست نمک، مقدار سطحی از کارست محاسبه می‌شود که در تماس مستقیم با آب مخزن و در معرض انحلال است؛ همچنین با استفاده از مقادیر ضریب سرعت انحلال که به کمک مقادیر واقعی نمک ذخیره می‏شود، مخزن ( نتیجۀ اندازه‌گیری‌های میدانی) و مقادیر شوری اندازه‌گیری‌شدۀ EC آب مخزن، واسنجی و تعیین می‏شود، ضریب انحلال و درنهایت مقدار نمک ورودی به مخزن محاسبه می‌شود که ناشی از انحلال کارست نمکی است و این مقادیر، به مقدار نمک ورودی همراه با آب رودخانۀ بالادست، به مخزن اضافه می‌شود؛ درنتیجه حجم نمک ذخیره‌شده در مخزن (به‌صورت متغیر انباشت) و مقدار نمک خروجی از مخزن محاسبه می‌شود. در این قسمت، همچنین مقادیر حجم مفید مخزن که برای تأمین اهداف سد قابل‌استفاده است، ارتفاع آب شور و ...، EC در هر تراز مخزن مشخص می‌شود. اطلاعات مهم دیگری که در قسمت دوم مدل SD سد استفاده می‌شود، عبارتند از:

 -مقدار نمک ورودی به مخزن همراه با آب رودخانۀ بالادست: 725میلی‏گرم برای هر لیتر است (Office of Basic Studies of Khuzestan Water and Electricity Organization)؛

- دانسیته کارست نمکی: 2120 کیلوگرم بر متر مکعب است (Mahab Ghods Consulting Engineering Company 2012)؛

- سرعت آب در مخزن: 1سانتی‌‍متر بر ثانیه فرض و در هر گام زمانی سرعت ایجاد‌شده توسط رواناب ورودی به مخزن، به آن اضافه می شود Eftekhari 2008, Baghadashtaki 2010, Zahiri et al. 2011, Rasoulimanesh 2014))؛

- سطح نمک در معرض انحلال در ترازهای مختلف است (Mahab Ghods Consulting Engineering Company 2012).

در قسمت دوم مدل SD (شکل6)، دبی نمک ورودی ناشی از انحلال کارست نمکی موجود در مخزن ( ) از رابطۀ (3) محاسبه می‌شود و به کمک آن در رابطۀ (4)، ضریب انحلال کارست نمک را ( ) که درواقع بیانگر میزان ورود نمک ناشی از انحلال کارست به مخزن است، برحسب کیلوگرم بر ثانیه محاسبه می‌کند (Mohammad Taheri 2014).

در رابطۀ (3)، منظور از S_v ، مقدار خوردگی و فرسایش گنبد نمکی (ضریب سرعت انحلال نمک) و A مساحتی از گنبد نمک است که در تماس مستقیم با آب مخزن است و در رابطۀ (4)،  چگالی‌کارست نمکی را نمایش می‌دهد.

شکل6- قسمت دوم ‌مدل شبیه‌سازی SD مخزن گتوند (فرآیند انحلال کارست نمکی موجود در مخزن و تعامل آن با آب مخزن)

Fig 6 - Part 2 SD Simulation Model of Gotvand Reservoir (Gotvand Reservoir Operation Curve)

واسنجی و تعیین ضریب سرعت نرخ انحلال (مقدار خوردگی و فرسایش گنبد نمکی)

واضح است که تعیین ضریب سرعت انحلال، به‌دلیل اثر عوامل متعدد بر مقدار این ضریب، حساسیت زیادی دارد؛ با توجه به تغییرات سرعت آب درون مخزن، در طول عمر بهره‌برداری از مخزن گتوند، به‌دلایل احجام متفاوت، جریان ورودی به مخزن، آبگیری از لایه‌های بالایی و هیدرودینامیک متغیر مخزن، گرادیان شوری، اثر دما و لایه‌بندی حرارتی و ...؛ همچنین حجم عظیم کارست نمکی عنبل که به‌صورت یک منبع آلودگی فعال عمل می‌کند و امکان ریزش آن درون مخزن، مثلاً پس از تخلیۀ سریع مخزن در فصول سیلابی است، نمی‌توان از روابط مشخص انحلال، نرخ انحلال تودۀ نمکی موجود در مخزن گتوند را تعیین کرد؛ ضمناً براساس روابط (3) و (4)، ضریب سرعت انحلال نمک یا خوردگی و فرسایش گنبد نمکی (S_v)، مهم‌ترین پارامتری است که در محاسبۀ مقدار نمک تجمع‏یافته در مخزن، در مدل SD، نقش بسزایی دارد؛

درواقع S_v، فرآیند انحلال را توصیف می‌کند و تعیین آن، دارای پیچیدگی زیادی است و نیاز به واسنجی دارد. با تعیین مقدار صحیح ضریب سرعت انحلال، می‌توان تطابق بالایی را بین نتایج خروجی مدل SD و اندازه‌گیری در واقعیت ملاحظه کرد.

در گذشته، مقدار این پارامتر توسط محققان متعدد، دربارۀ سازند نمکی عنبل در مخزن گتوند، ثابت فرض شده است (Baghadashtaki et al. 2010، Hashemi Heidari 2012 ، Mahab Ghods Consulting Engineering Company 2012 و Mohammad Taheri 2014)؛ البته Baghadashtaki et al. 2010، پس از تخمین S_v به میزان 1/1 سانتی‌متر بر ساعت در سال قبل از آبگیری مخزن، پیش‏بینی کردند که مقدار این پارامتر در ابتدای آبگیری مخزن، تا 20 برابر افزایش می‌یابد.

در پژوهش حاضر، با توجه به تغییرات زیاد و متغیربودن این پارامتر، خصوصاً در طول دورۀ آبگیری مخزن، از مقادیر واسنجی‌شده توسط Naderkhanloo et al. 2017، برای استفاده در مدل SD و در بازۀ زمانی دورۀ آبگیری (07/05/1390 تا 30/02/1392) استفاده شد (جدول4). ایشان با استفاده از شبیه‌سازی سه‌بعدی مخزن گتوند با مدل MIKE3 و اجراهای متعدد این مدل و مقایسۀ طیف وسیعی از خروجی‌های شبیه‌سازی با اطلاعات واقعی پارامترهای شوری اندازه‌گیری‌شده از مخزن سد گتوند، مقدار پارامتر ضریب سرعت انحلال را در بازۀ زمانی آبگیری مخزن، واسنجی، اعتبار سنجی و در نهایت تعیین کردند.

جدول4- مقادیر واسنجی نرخ انحلال در طول دورۀ آبگیری مخزن گتوند (Naderkhanloo et al. 2017)

Table 4 - Calibration values of dissolution rate(Sv) during Gotvand reservoir dewatering period (Naderkhanloo et al. 2017)

شایان ذکر است، مقادیر Sv برای مابقی دورۀ شبیه‌سازی مدل SD، از تاریخ 31/02/1392 تا پایان اسفندماه 1395، با استفاده از مقادیر EC اندازه‌گیری‌شده در مخزن گتوند (جدول5) و مقادیر نمک ذخیره‌شده در مخزن (جدول6)، واسنجی و تعیین شد.

جدول5- مقادیر EC اندازه‌گیری‌شدۀ مخزن سد گتوند

Table 5- Measured EC values ‌‌of Gotvand dam reservoir (Basic studies of Khuzestan Water and Electricity Organization ,Ministry of Energy)

  جدول6- مقادیر EC اندازه‌گیری‌شدۀ مخزن سد گتوند

Table 6- Amounts of salt stored in Gotvand reservoir based on field measurements(Basic studies of Khuzestan Water and Electricity Organization ,Ministry of Energy)

پس از واسنجی، اعتبار سنجی و درنهایت تعیین ضریب سرعت انحلال، با استفاده از تابع look up در نرم‌افزار ونسیم، مقادیر این پارامتر، طبق مقادیر مندرج در جدول های4 و 7 در مدل SD، برای تعیین سایر پارامترهای شوری، تغذیه شد:

جدول7- مقادیر واسنجی نرخ انحلال در طول دورۀ آبگیری مخزن گتوند

Table 7 - Calibration values of dissolution rate (Sv) during Gotvand reservoir dewatering period

پس از محاسبۀ S_V، مقادیر Q_salt، S_m، تعیین و بر این اساس، مقادیر نمک ورودی ناشی از انحلال کارست، محاسبه و به مقادیر نمک ورودی، به‌همراه رواناب بالادست اضافه شد؛ به این ترتیب، کل نمک ورودی به مخزن سد، مشخص شد.

قسمت سوم مدل SD مخزن گتوند (نمایش برداشت آب از ترازهای مختلف مخزن، در مقایسه با برداشت آب از تراز دریچه‌های تحتانی و مشخص‌کردن تراز بهینۀ آبگیری)

مدیریت کیفی آب مخازن و دریاچه‌ها عموماً ازطریق کنترل آلودگی‌های ورودی، تغییر رژیم هیدرولیکی، تغییر وضعیت فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی داخل مخزن و برداشت انتخابی از لایه‌های مختلف صورت می‌گیرد و لایه‌بندی حرارتی و کیفی آب مخازن و دریاچه‌ها، موجب تغییر کیفیت آب در اعماق مختلف می‌شود؛ بنابراین، تراز برداشت آب در کیفیت آب خروجی از مخزن مؤثر است. بر این اساس در این مطالعه، قسمت سوم مدلSD (شکل7)، به گونه‌ای طراحی شده است که ترازی را به‌عنوان تراز بهینۀ آبگیری پیشنهاد می‌کند که در آن EC کل آب خروجی از مخزن (مجموع آب ورودی به نیروگاه، آب خروجی از تراز دریچه‌های تحتانی و سرریز)، مساوی یا کمتر از 1300میکروموس بر سانتی‌متر باشد (Mahab Ghods Consulting Engineering Company 2012). تعیین مقدار آب خروجی از دریچه‌های تحتانی، با توجه به این اصل است که در سدها، چون بار هیدرولیکی آب بر دریچه‌های تحتانی بیشتر است، مدل SD، مقدار خروجی پیشنهادی از دریچه‌های تحتانی را بیشتر از دریچه‌های نیروگاه و سریز، مشخص می‌کند.

شکل7- قسمت سوم ‌مدل شبیه‌سازی SD مخزن گتوند (چگونگی محاسبۀ بهترین تراز آبگیری از مخزن در مقایسه با آبگیری از تراز دریچه‌های تحتانی سد)

Fig 7 - Part 3 SD Simulation Model of Gotvand Reservoir (How to calculate the best level of dewatering from the reservoir compared to dewatering from the level of the lower valves of the dam)

شایان ذکر است تراز دریچه‌های تحتانی سد گتوند، 124متر و تراز آبگیرهای نیروگاه، 154متر است. باتوجه به اینکه تغییرات مقدار شوری، متناسب با تغییرات حجم آب و درنتیجه تغییرات تراز سطح آب مخزن است، جهت آبگیری از ترازهای مختلف مخزن به‌دلخواه باشد (شکل8) و باید مقدار شوری در ترازهای مختلف مخزن مشخص شود

شکل8- نمایش شماتیک تخلیه آب از تراز انتخابی به جای آبگیری از تراز دریچه‌های تحتانی

Fig 8 - Shows a schematic diagram of water discharge from the selected level at dam reservoir instead of intake from the lower gate

اعتبارسنجی مدل

به‌منظور بررسی صحت نتایج مدل SD و تعیین مقدار اعتبار آن، در این بخش خروجی‌های مدل SD با رفتار مرجع (اطلاعات واقعی مخزن)، مقایسه می‌شود. برای انجام این کار، دستۀ اول اطلاعات این سال‌ها، مانند مقادیر جریان ورودی و خروجی از مخزن، تراز ارتفاع آب در مخزن، حجم ذخیرۀ مخزن از سازمان آب و برق خوزستان در بازۀ زمانی مردادماه 1390 تا اسفندماه 1395 اخذ و با مقادیر خروجی این پارامترها از مدل SD، مقایسه شد. دستۀ دوم اطلاعات پارامترهای مهم دربارۀ سازند نمکی، نظیر اندازۀ سطح تماس کارست نمکی که در معرض انحلال با آب مخزن است، مقدار فرسایش و خوردگی گنبد نمکی (S_v)، غلظت نمک و مقدار نمک انباشته‌شده در مخزن است که نتایج خروجی مدل در این بخش، با داده‌های اندازه‌گیری‌شدۀ شرکت توسعۀ منابع آب و نیروی ایران، سازمان آب و برق خوزستان، گروه آب دانشگاه شهید چمران اهواز، مقایسه شد؛ درنهایت با رسم نمودارهای 9 تا 14 و مقایسۀ آماری بین پارامترهای مؤثر و مهم در مقدار انحلال نمک کارست نمکی و محاسبۀ ضریب رگرسیون، اعتبار مدل SD بررسی شد.

همان‌طور که مشاهده شد، در نمودارهای 9 تا 11 و نمودار 13، روند تغییرات داده‌های واقعی و خروجی مدل، کاملاً مشابه‌اند و در نمودارهای 12 و 14، مقادیر R² بالاتر از 9/0 است که نشان‌دهندۀ رضایت‌‍بخش‌بودن نتیجۀ صحت‌‍‏سنجی مدل و کالیبره‌بودن آن است. شایان ذکر است، اطلاعات هیدرومتری دریافت‌شده از ایستگاه هیدرومتری گتوند، بدون درنظر گرفتن مقادیر نفوذ و مقدار تبخیر از سطح مخزن است؛ همچنین با توجه به طویل‌بودن مخزن گتوند، مسلماً برداشت آب از رودخانه و در طول مخزن بدون هیچ کنترلی صورت می‌گیرد و تا زمانی که آب رودخانه موجود باشد، برداشت آب از آن توسط کشاورزان با انحراف آب انجام می‌پذیرد؛ بنابراین احتمال دقیق‌نبودن مقادیر خروجی از مخزن وجود دارد؛ ضمناً وجود نشت و کم و زیاد‌شدن مقدار نشت از سد که به‌طور دقیق و مستمر اندازه‌گیری نمی‌شود نیز می‌تواند در مقادیر خروجی از مخزن، خطا ایجاد کند.

بحث و تحلیل یافته‌های پژوهش

در این مطالعه سعی بر این بود که با استفاده از شبیه‌سازی مخزن گتوند با سیستم داینامیک، امکان مدیریت کیفی مخزن با اجرای منحنی فرمان‌های بهینه و انعطاف‌‍پذیر (آبگیری از ترازهای مختلف مخزن با مقادیر شوری متفاوت، به‌نحوی که آب خروجی از مخزن، کیفیت مورد تقاضای پایین‌دست را تأمین کند)، با توجه به وجود کارست نمکی در مخزن بررسی و درنهایت، راهکارهای مدیریتی ارائه شود. پس از طراحی مدل و اجرای آن، نتایج زیر حاصل شد:

شکل‌15، تغییرات مقدار نمک انباشته‌شده در مخزن، در دورۀ شبیه‌سازی را در کنار تغییرات حجم آب مخزن نشان می‌دهد. با افزایش حجم آب در مخزن و به‌تبع آن افزایش ارتفاع آب در مخزن، چون سطح تماس بیشتری از کارست نمکی در تماس مستقیم با آب مخزن است (شکل‌16)، به این ترتیب، میزان انحلال و درنتیجه میزان ورود نمک به مخزن و مقدار نمک ذخیره‌شده در مخزن افزایش می‌یابد؛ در پایان دورۀ شبیه‌سازی، مقدار نمک انباشته‌شده، به‌دلیل انحلال کارست نمکی و همچنین مقدار نمک به‌همراه آب رودخانۀ بالادست، 72/43 میلیون‌تن باشد. درصورتی‏که نتایج مطالعۀ Jalali et al. 2019، نشان داد، در بازۀ زمانی اسفندماه 1390 تا اسفندماه 1392، مقدار نمک انباشته‌شده در مخزن گتوند، 57میلیون‌تن نمک به‌علت انحلال کارست، 7 میلیون‌تن نمک به‌همراه آب رودخانۀ بالادست و 5/2میلیون‌تن نمک به‌همراه رواناب ورودی به مخزن و درمجموع، 5/66میلیون‌تن نمک تا پایان اسفندماه 1392 در مخزن گتوند انباشته شده است؛ ضمن اینکه Mohammd Taheri (2014)، مقدار نمک انباشته‌شده در مخزن گتوند را به‌علت انحلال کارست نمکی تا خردادماه 1393، 7/11میلیون‌تن نمک برآورد کرده است؛ شایان ذکر است، برای مقایسۀ نتایج مدل SD در پژوهش حاضر با دو مطالعۀ اخیر یادشده، مدلSD مقدار نمک ذخیره‌شده در مخزن گتوند را تا پایان اسفندماه 1392، 6/16میلیون‌تن، محاسبه کرده است.

مقدار نمک انباشته‌شده در اندازه‌گیری‌های میدانی، در اردیبهشت‌ماه 1392، 2/11میلیون‌تن است که مدل SD، مقدار نمک ذخیره‌شده در مخزن را در پایان اردیبهشت 1392، 97/13میلیون‌تن برآورد کرده است. شکل16، رابطۀ تغییرات بین تراز سطح آب در مخزن و تغییرات سطح کارست در تماس مستقیم با آب مخزن را نمایش می‌دهد که از این رابطه، در توزیع عمقی میزان ورود نمک به مخزن و آبگیری از ترازهای انتخابی مخزن، به‌منظور کنترل مقدار EC آب خروجی از مخزن در قسمت سوم مدل SD سد گتوند (شکل7)، استفاده شده است.

تغییرات دبی نمک ورودی به مخزن، ناشی از انحلال کارست (Q_salt) در طول زمان، در شکل 17 نشان داده شده است؛ متوسط دبی نمک ورودی به مخزن، به‌علت انحلال کارست، برابر با 0454/0متر مکعب در ثانیه (معادل 43/1میلیون متر مکعب در سال) است. نمودار تغییرات شوری در نزدیک کارست و محور سد در دورۀ شبیه‌سازی مخزن، به‌صورت شکل 18 است.

در ابتدای آبگیری سد، انحلال با سرعت بسیار زیاد و با قابلیت انتقال جرم بالا صورت می‌پذیرد و به این ترتیب، مقدار غلظت نمک در آب مخزن، در نزدیکی سازند افزایش می‌یابد و بعد از گذشت زمان، انحلال با سرعت نسبتاً پایین، صورت می‌گیرد و بعد ثابت می‌ماند. همان‌طور که در شکل18 مشاهده می‌شود، در مراحل اولیۀ انحلال، تغییرات مقدار شوری در نزدیکی محور سد و در نزدیک سازند نمکی، یکسان است؛ با گذشت زمان، مقدار شوری آب مخزن در کنار سازند، کاهش می‌یابد؛ ولی شوری در کنار سازۀ سد، با همان روند قبلی در حال افزایش است (شکل18). این پدیده را می‌توان این‌گونه توجیه کرد که با گذشت زمان، نمک جداشده از سازند، به‌همراه آب مخزن و جریان‌های بالادستی، حرکت می‌کند و پس از برخورد با بدنۀ سد، در پشت سد ته‌نشین و انباشته می‌شود (شکل 19).

 شکل19، تغییرات مقدار نمک ذخیره‌شده در مخزن را، در فاصلۀ محور سد تا محل کارست نمایش می‌دهد و همان‌طور که در این شکل مشاهده می‌شود، مقدار نمک انباشته در مخزن، با فاصله‌گرفتن از محور سد کاهش می‌یابد و بیشترین حجم نمک ته‌نشین‌یافته در کنار محور سد است؛ همچنین شکل20، روند تغییرات ضریب انحلال نمک و روند تغییرات گرادیان هیدرولیکی (مشابه روند تغییرات غلظت نمک در آب، مطابق شکل 18) را نشان می‌دهد.

شایان ذکر است، به‌علت وجود مناطق ضعیف و سست و شکستگی در محیط کارستی، به‌محض ایجاد جریان در این مناطق و برقراری گرادیان هیدرولیکی، نمک در جوار این نواحی به سرعت شسته می‌شود و با افزایش سرعت، جریان مقدار انحلال افزایش می‌یابد؛ ضمناً به‌دلیل اختلاف ارتفاع بسیار زیاد آب در دو طرف محور سد و درنتیجه اختلاف فشار هیدرولیکی در مناطق منفذی، گرادیان‌های هیدرولیکی بالایی مشاهده می‌شود که باعث افزایش سرعت‏های انحلالی در نواحی کارستی نزدیک محور سد می‌شود و این امر به سهم خود، می‌تواند در صورت وجود مناطق ضعیف در محیط کارستی، باعث ایجاد مسیرهای نشتی برای آب مخزن و ایجاد جریان در این مناطق می‌شود و سرعت شسته‌شدن و انحلال را افزایش می‌دهد.

در پژوهش حاضر، دامنۀ تغییرات مقدار ضریب انحلال کارست نمکی، در 68 ماه اول عمر بهره برداری سد توسط مدل SD، از 46/35 تا 86/599 کیلوگرم بر ثانیه و به‌طور متوسط3/96 کیلوگرم بر ثانیه محاسبه شد. علت افزایش مقدار این پارامتر تا مقدار 86/599، افزایش دبی نمک ورودی به مخزن (283/0 مترمکعب در ثانیه) ناشی از ضریب سرعت انحلال (میزان خوردگی سازند نمکی)، 7 سانتی‌متر در ساعت است. در مقایسۀ متوسط، ضریب انحلال سازند نمکی (3/96 کیلوگرم در ثانیه) محاسبه‌شده توسط مدل SD، Hashemi Heidari et al. 2012 ، با استفاده از مطالعه آزمایشگاهی و شبیه‌سازی عددی و تطبیق نتایج حاصل از آنها در بازۀ زمانی آبگیری اولیه ، مقدار ضریب انحلال سازند کارست نمکی را در شرایط جریان مخزن، 170 کیلوگرم بر ثانیه، محاسبه کرد و Mohammd Taheri 2014 ، در سال سوم پس از آبگیری از سد گتوند، ضریب انحلال را 200 کیلوگرم بر ثانیه پیشنهاد داد.

نتایج شبیه‌سازی مدل SD در این پژوهش، با درنظر گرفتن اثر سیلاب ورودی به مخزن در افزایش سرعت آب در مخزن، در هر دورۀ زمانی و افزایش سرعت فرسایش کارست نمکی نشان داد، مقدار خوردگی کارست نمک در طول پنج سال اول بهره‌برداری سد، به طور متوسط، 1/22سانتی‌متر در یک شبانه‌روز (7/80متر در سال) است؛ بررسی نتایج خروجی مدل SD، نشان داد نرخ خوردگی سازند نمکی در دورۀ آبگیری مخزن، 3/1 سانتی‌متر در ساعت است؛ در مقایسه با نتایج مطالعات گذشته در این خصوص، Baghadashtaki et al. 2010 در سال قبل از آبگیری سد گتوند و با استفاده از آزمایش‏های انحلال‌پذیری سیرکولاسیون نمونه‌های کارست موجود در مخزن گتوند، نشان داد، با فرض سرعت 1سانتی‌متر بر ثانیه، برای گردش آب در مخزن، مقدار خوردگی لایه‌های نمکی برابر 67/24سانتی‌متر در روز (03/1سانتیمتر در ساعت) است؛ همچنین Hashemi Heidari et al. 2012 ، مقدار این پارامتر را برای کارست نمک عنبل با نرم‌‍‏افزار MIKE21، در سال اول بهره‌برداری مخزن، 8/4 سانتی‌‍متر در روز محاسبه کرد؛ Mohammad Taheri. 2014، دربارۀ سد گتوند با نرم‏افزار MIKE3، برای دو سال اول بهره‌برداری مخزن، مقدار خوردگی کارست را 49/4 سانتی‏متر در روز و Naderkhanloo et al. 2017 4/2سانتی‌متر در ساعت (به‌طور متوسط طبق جدول4) تخمین زدند.

یکی از بهترین روش‌‍‏های مدیریت کیفیت آب خروجی از مخزن سد، آبگیری از ترازهای مختلف مخزن است؛ بنابراین شناخت مقدار شوری در ترازهای مختلف مخزن، اهمیت دارد؛ جدول 8، بیشترین، کمترین و متوسط مقادیر EC آب مخزن را در ترازهای کف، دریچه‌های تحتانی، ورودی به نیروگاه و تراز سطح آب مخزن، نشان می‌دهد. شکل 21، ضمن نمایش تغییرات مقدار EC در اعماق مختلف مخزن، نشان می‌دهد گرادیان شوری در لایه‌های نزدیک کف مخزن شدید است.

یکی از پارامترهایی که بر مقدار شوری در ترازهای مختلف آب مخزن مؤثر است، نحوۀ افزایش تراز سطح آب در مخزن و افزایش حجم آب در مخزن[4] است؛ شکل22، ضمن تأیید این فرآیند (افزایش مقدار نمک ذخیره‌شده در مخزن، با افزایش تراز سطح آب مخزن) نشان می‌دهد در یک عمق مشابه از مخزن، مقدار شوری در مخزن با تراز سطح آب بیشتر (حجم آب بیشتر) نسبت‌به مقدار شوری در مخزن، با تراز سطح آب مخزن کمتر (حجم آب کمتر)، بیشتر است و این موضوع بیان می‌کند، با گذشت زمان و افزایش ارتفاع آب در مخزن سد و عمر بهره‌برداری از سد، عمق لایه‌ها با شوری زیاد، کمتر است و به‌عبارتی حرکت لایه‌های شور به‌سمت بالاست و در کف مخزن، با یک لایۀ فوق اشباع از نمک، روبه‌رو هستیم .

جدول8-تغییرات مقادیر EC آب مخزن در ترازهای مختلف مخزن

Table 8- Independent changes of EC reservoir water at different reservoir levels

روند کلی تغییرات EC در ماه‌های ابتدای آبگیری، افزایشی است و سپس روند افزایش مقدار EC، با نرخ کم صورت می‌پذیرد و بعد تقریباً ثابت می‌شود. روند تغییرات EC در تراز آبگیرهای نیروگاه و سرریز، در محدودۀ مجاز شوری و در نهایت، 1390 میکروموس بر سانتی‌متر است (تقریباً مناسب برای مصارف شرب و کشاورزی)؛ ولی مقدار EC در تراز دریچه‌های تحتانی بسیار زیاد و نزدیک به 2073 میکروموس بر سانتی‌متر است و در ترازهای نزدیک به کف مخزن، نزدیک به 168285 میکرو موس بر سانتی‌متر است.

افزایش غلظت و شوری، بیانگر گسترش شوری از لایه‌های بالایی به کف، افزایش یا ثابت‌بودن میزان ورود نمک به مخزن و پیشروی جریان چگال شور به کف مخزن است. با نزدیک‌شدن به کف مخزن، شرایط هیدرودینامیکی مثل سرعت، کاهش می‌یابد و این امر، باعث کاهش اختلاط لایه‌ها، جلوگیری از زیادشدن EC و به تعادل‌رسیدن غلظت نمک می‌شود؛ همچنین باعث افزایش ضخامت لایه‌های شور مخزن می‌شود و درنهایت با ثابت‌شدن روند تغییرات شوری در مخزن، لایه‌بندی شوری رخ می‌دهد (شکل22). در ترازهای نزدیک به سطح مخزن، شوری آب کمتر، کیفیت آن مناسب‏تر و تغییرات غلظت نمک حالت نوسانی دارد؛ علت نوسانی‌بودن مقادیر غلظت نمک در این ناحیه، آبگیری از ترازهای بالا، اثر جریان ورودی به مخزن، ایجاد و اختلاط لایه‌بندی حرارتی و افزایش زمان‌ماند هیدرولیکی مخزن – که به ته‌نشینی جریان با چگالی زیاد منجر می‌شود- است. نتایج نشان داد، درصورتی که آبگیری از مخزن، فقط از تراز دریچه‌های تحتانی صورت پذیرد، فقط در 43درصد از دورۀ شبیه‌سازی، مقدار EC آب خروجی کوچک‌تر یا مساوی 1300میکروموس بر سانتی‌متر (مقدار EC آب خروجی از مخزن سد) است و اگر آبگیری از مخزن از ترازهای بالاتر از دریچه‌های تحتانی باشد، در 100درصد دورۀ شبیه‌سازی، مقدار EC آب خروجی کوچک‌تر یا مساوی 1300میکروموس بر سانتی‌متر است و مقدار بهره‌برداری بهینه از مخزن نسبت‌به حالت معمول، 57درصد افزایش می‌یابد (شکل 23)؛ شایان ذکر است در 35/7درصد دورۀ بهره‌برداری (بازۀ زمانی دی‌ماه 1392، اردیبهشت 1393، گام زمانی 30 تا 34)، آب در تراز نیروگاه هم، EC بالاتر از 1300میکروموس بر سانتی‌متر دارد و مدل SD، تقریباً 6متر بالاتر از تراز نیروگاه را به‌عنوان تراز مناسب آبگیری از مخزن پیشنهاد داده است (شکل 23)؛ در شرایط معمول آبگیری، ارتفاع آب شیرین درون مخزن به‌طور متوسط، 42متر و در بهترین حالت، بیشترین ارتفاع آب شیرین، 73متر است و با آبگیری از ترازهای مختلف (به‌طور متوسط تراز 147متر)، به شرطی که EC آب خروجی از مخزن کمتر از 1300میکروموس بر سانتی‌متر شود، ارتفاع آب شیرین درون مخزن، تا 89 متر افزایش می‌یابد. شکل24، مقادیر EC آب خروجی از مخزن را در حالت معمول آبگیری از مخزن و در حالت آبگیری از تراز انتخابی نمایش می‌دهد.

شکل 25، نشان می‌دهد، روند تغییرات گرادیان هیدرولیکی و تغییرات تراز سطح آب در مخزن، کاملاً شبیه به هم و به‌صورت تقریباً خطی است. افزایش گرادیان هیدرولیکی در مخزن و افزایش جریان در خلل و فرج کارست، به افزایش انحلال کارست نمکی منجر می‌شود؛ زیرا با افزایش تراز سطح آب در مخزن، سطح بیشتری از گنبد نمکی در تماس با آب و در معرض انحلال است؛ همچنین به‌دلیل افزایش فشار منفذی در حفرات، گردش آب در آنها، فرسایش و تخریب خلل و فرج، مقدار انحلال بیشتر است.

 همان‌گونه که شکل 26 نشان می‌دهد، نتایج شبیه‌سازی مخزن گتوند با سیستم داینامیک ثابت کرد، به‌طور متوسط، حدود 61% شوری آب مخزن گتوند به‌صورت مستقیم ( ورود نمک به‌همراه رواناب بالادست به مخزن) است و مابقی(حدود 39% شوری مخزن گتوند)، به‌صورت غیر مستقیم و با افزایش تراز سطح آب در مخزن، افزایش گرادیان هیدرولیکی و افزایش سطح کارست در تماس آب با مخزن و درنتیجه انحلال کارست نمکی، وارد مخزن می‌شود.

در مقایسه با نتایج این پژوهش،  Ghomeshi and Haghbin 2013اثر سد گتوند را بر افزایش شوری رودخانۀ کارون، با اندازه‌گیری شوری آب در ایستگاه‌های منتخب، در مسیر کارون و دز تحلیل کرد. نتایج این پژوهش نشان داد، مقدار اثر سد گتوند بر افزایش شوری، تاکنون حداکثر 23% و 71% افزایش شوری ناشی از ورود زهکش‏های مختلف در مسیر کارون است و همچنین 6% نیز به تغییرات شوری در رودخانۀ دز مربوط است که آن هم به ورود زهکش‏ها در مسیر این رودخانه مرتبط می‌شود.

آنالیز حساسیت پارامترهای مؤثر بر توزیع شوری

هدف از این بخش، استفاده از مدل SD، به‌منظور بررسی تغییر در مقادیر پارامترهای مستقل یا پارمترهای وابسته‌ای است که به‌تنهایی قابل‌کنترل و بر مقدار و توزیع شوری در مخزن مؤثر است؛ درواقع در هر آنالیز حساسیت، به‌تنهایی مقادیر هر یک از پارامترهای سطح تماس گنبد نمکی با آب مخزن، دبی ورودی به مخزن، تراز سطح آب در مخزن و ضریب انحلال، کاهش یا افزایش داده می‌شود و در پی این تغییرات، میزان تغییرات نمک ذخیره‌شده در مخزن، ضریب انحلال، EC در تراز دریچه‌های تحتانی سد و همچنین حجم مفید آب مخزن سد را اندازه‌گیری می‌کنیم. جدول‌های 9 و 10 و شکل‌های 27 و 28، نمونه‌ای از نتایج خروجی آنالیز حساسیت پارامترهای مؤثر، بر توزیع شوری در مخزن گتوند و با مدل SD است:

جدول9- نتایج آنالیز حساسیت افزایش مقادیر پارامترهای مؤثر بر مقدار شوری در مخزن

Table 9 - Results of sensitivity analysis of increasing the values of parameters affecting the amount of salinity in the reservoir

جدول10- نتایج آنالیز حساسیت کاهش مقادیر پارامترهای مؤثر بر مقدار شوری در مخزن

Table 10 - Results of sensitivity analysis of reducing the values of parameters affecting the amount of salinity in the reservoir

علت بررسی اثر تغییرات مقادیر تراز سطح آب در مخزن، سطح تماس کارست با آب مخزن، دبی ورودی از بالادست مخزن و ضریب انحلال کارست، این است که مقادیر این پارامترها را می‌توان جداگانه و به‌طور مستقل با اعمال تدابیری، کاهش یا افزایش داد.

نتایج آنالیز حساسیت نشان داد، نسبت‌به شرایط واقعی مخزن، با افزایش تراز سطح آب در مخزن گتوند، بیشترین افزایش را در تغییرات مقادیر حجم مفید آب مخزن سد، نمک ذخیره‌شده، ضریب انحلال و EC آب خروجی از تراز دریچه‌های تحتانی سد، مشاهده می‌شود؛ همچنین نتایج این بخش نشان داد با کاهش دبی ورودی به مخزن، بیشترین کاهش را در میزان حجم مفید مخزن و ضریب انحلال سازند نمکی داریم و با کاهش تراز سطح آب در مخزن، بیشترین کاهش را در میزان EC آب خروجی و مقدار نمک ذخیره‌شده در مخزن داریم. به عبارتی دیگر، با تغییر کوچکی، خصوصاً در تراز سطح آب در مخزن گتوند، مقادیر پارامترهای بیانگر توزیع شوری در مخزن، تغییر می‌یابد.

نتیجه‌

این پژوهش، به‌منظور شبیه‌سازی بهره‌برداری مخزن و نیروگاه سد گتوند و رفتار سازند نمکی عنبل در تعامل با آب مخزن و همچنین توزیع شوری در مخزن گتوند، با روش سیستم داینامیک، در بازۀ زمانی مردادماه1390 تا اسفندماه 1395 به‌مدت 68 ماه، با استفاده از نرم‏افزار ونسیم انجام شد؛ در این مطالعه سعی بر این بود با ابزار مدل‌سازی، حتی‌الامکان پیش‏بینی درست و جامعی از شرایط کیفی مخزن در اندرکنش با کارست نمکی صورت ‏گیرد؛ با توجه به نتایج شرح داده‌شده، مشاهده شد، شرایط مخزن در طی دورۀ آبگیری و بهره‌برداری از آن، شرایط گوناگونی است؛ در بازۀ زمانی شبیه‌سازی پژوهش حاضر نیز، پارامترهای هیدرولیکی، هیدرودینامیکی و آب‌وهوایی متغیر است که این موضوع را می‌توان در داده‌های مربوط به مخزن مشاهده کرد؛ به همین دلیل قابل پیش‏بینی است که در طی دورۀ شبیه‌سازی با SD، با مراحل مختلفی از توزیع شوری در مخزن، در اثر انحلال سازند نمکی روبه‌رو شویم. نتایج پژوهش حاضر به شرح زیر بیان می‌شود:

- مقدار کل نمک انباشته‌شده در مخزن در پایان دورۀ شبیه‌سازی، 72/43میلیون‌تن، محاسبه شد.

- متوسط وزن نمک ورودی به مخزن برابر با 645 هزارتن در ماه ( 395هزارتن نمک به‌همراه روان آب ورودی از بالادست به مخزن و 250هزارتن به‌علت انحلال سازند نمکی عنبل) محاسبه شد.

- به‌دلیل برخورد جریان‌های شور بالادست مخزن با محور سد و انباشته‌شدن نمک در کنار محور سد، مقدار شوری در کنار محور سد، به‌طور متوسط 68/8 برابر مقدار شوری در کنار سازند نمکی است.

- مقدار نمک انباشته‌شده در مخزن، با فاصله‌گرفتن از محور سد کاهش یافته و بیشترین حجم نمک، در مجاورت محور سد ته نشین شده است.

- میانگین سرعت انحلال نمک در طول دورۀ شبیه‌سازی، 921/0 سانتی‌متر در ساعت (34/19 سانتی‌متر در روز) حاصل شد.

- در مخزن واقعی علاوه بر انحلال سطحی، نفوذ آب به داخل حفرات، شکستگی‌های موجود در منطقه و لغزش لایه‌های نمک به داخل مخزن از عوامل دیگر افزایش شوری در داخل آب مخزن هستند که تاکنون در مدل‌های شبیه‌سازی، این موارد در نظر گرفته نشده‌اند؛ بنابراین مقدار واقعی ضریب انحلال نمک، بیشتر از ضریب انحلال مدل شبیه‌سازی است؛ ولی مطمئناً اصلی‌ترین عامل انحلال گنبد نمکی و افزایش شوری آب مخزن، انحلال سطحی در اثر تماس لایه‌های نمک سازند کارستی با حجم آب مخزن است که این پدیده به‌صورت آرام و مداوم و به‌صورت داینامیک در حال روی‌دادن است.

- نتایج حاصل از آنالیز حساسیت پارامترهای مؤثر بر توزیع شوری نشان داد، پارامترهای تراز سطح آب در مخزن و سپس مقدار دبی ورودی به مخزن سد، اثر درخور توجهی در نحوۀ توزیع شوری و مقدار غلطت نمک در مخزن دارد.

- تغییرات بیشتر تراز سطح آب مخزن در طی یک مدت کوتاه، باعث افزایش بیشتر غلظت نمک می‌شود و علت آن افزایش گرادیان هیدرولیکی در مخزن و افزایش جریان در خلل و فرج کارست و درنهایت، انحلال بیشتر کارست نمکی است و رابطۀ تراز سطح آب در مخزن و گرادیان هیدرولیکی تقریباً خطی است.

- دبی ورودی به مخزن ازطریق رودخانۀ بالادست، به‌دلیل اثراتی که بر شرایط هیدرودینامیکی مخزن می‌گذارد، اثر مستقیم بر روند شوری در مخزن دارد؛ به همین دلیل، با کنترل دبی ورودی به مخزن ازطریق مخازن سدهای بالادست، خصوصاً سد دز و اجرای منحنی فرمان‌های بهینه دربارۀ مقدار آب رهاشده ازطریق سد دز و همچنین سد گتوند، می‌توان روند پخش و توزیع شوری در مخزن را کنترل کرد.

- با قرارگیری دریچه‌های تخلیه‌کنندۀ آب، جهت پایین‌دست در رقوم بالاتر یا آبگیری از ترازهای انتخابی و بالاتر از تراز دریچه‌های تحتانی (به‌طور متوسط تراز 147متر) به جای آبگیری از تراز دریچه‌های تحتانی (تراز 124متر) و اختلاط آن با آب خروجی از تراز نیروگاه، EC کلی آب خروجی از مخزن کوچک‌تر یا مساوی با مقدار 1300میکروموس بر سانتی‌متر و برای تأمین نیاز پایین‌دست، پذیرفتنی است.

[1] Electrical Conductivity 

[2] Total dissolved solids  

[3] System Dynamics

[4] قبلاً در شکل15، روند افزایش مقدار نمک ذخیره‌شده در مخزن، در پی افزایش حجم آب مخزن،  نشان داده شده است.