اثر اعمال نیاز محیط زیستی رودخانه بر مشخصات طرح و بهره برداری مخازن ذخیره با استفاده از روش مونت کارلو (مطالعه موردی: سد مخزنی نازلو)

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای مهندسی منابع آب، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 استاد، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

اغلب سیستم‌های مخازن ذخیرة موجود در سراسر دنیا بدون اعمال نیاز محیط زیستی پایاب سد در رهاسازی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. این امر اثرات مخربی در اکوسیستم رودخانه در پایاب چنین سیستم مخازن ذخیره، از جمله در حوضة آبریز دریاچه ارومیه، به‌وجود آورده است. در حال حاضر بر روی تمامی رودخانه‌های حوضة آبریز دریاچه ارومیه، سدهای مخزنی متعدد برای کنترل و تنظیم جریان رودخانه برای مصارف شرب و کشاورزی احداث یا در شرف احداث بوده و این سیستم‌ها غالباً بدون اعمال نیاز محیط زیستی پایاب رودخانه، خصوصاً حق‌آبة دریاچة ارومیه مورد بهره‌برداری قرار گرفته و احتمالاً موجب بحران خشک شدن دریاچه ارومیه شده است. در این مطالعه نوآورانه اثر اعمال نیاز محیط زیستی بر مشخصات طراحی و بهره‌برداری مخزن ذخیره فرضی رودخانه نازلوچای بر اساس پنج روش هیدرولوژیکی، Tennant، Tessman، Smakhtin، DRM و FDC Shifting مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است. بدین منظور یک روش مونت کارلو گسترده با تولید 1000 سری جریان ماهیانه 30 ساله با استفاده از رویکرد استوکاستیک توزیعی (ترکیب دو مدل AR(1) و Valencia and Schaake) برای محدودة وسیع از تقاضا (7 مورد)، شاخص اعتمادپذیری (11) و شاخص آسیب‌پذیری (2) انجام پذیرفته است. نتایج نشان داد که روش FDC Shifting (C) با میزان متوسط 32 درصد میانگین جریان ماهیانه و حداقل ضریب تغییرات (CV=0.20) مناسب‌ترین روش برآورد نیاز محیط زیستی پایاب مخزن ذخیرة مورد مطالعه بوده و تخصیص 95 میلیون مترمکعب در سال از سیستم ذخیره را لازم دارد. با اعمال نیاز محیط زیستی در تحلیل سیستم مخازن ذخیره، تغییرات حجم مفید، حجم تلفات تبخیر و دوره بحرانی با افزایش تقاضا به‌طور نمایی افزایش یافته و این افزایش در حدود 2 برابر برای روش Tennant تا 10 برابر برای روش Tessman نسبت به شرایط بدون اعمال نیاز محیط زیستی است. به‌طور خلاصه، یک روش برآورد نیاز محیط زیستی رودخانه در انطباق با رژیم جریان ماهیانه یا مبتنی بر الگوی رژیم جریان ماهیانه و با میزان مناسب (40-30 درصد متوسط جریان ماهیانه) مانند روش FDC Shifting (C) دارای مزیت نسبی بسیار بالاتری نسبت روش‌های دیگر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


منابع
آبساران (1378). گزارش فنی منابع آب سد مخزنی نازلو، مهندسین مشاور آبساران، شرکت آب منطقه‌ای آذربایجان غربی، 440 ص.
شاکری زارع، حجت، کرم، امیر، صفاری، امیر، و کیانی، طیبه (1399). ارزیابی نیاز جریانی محیط زیست بستر رودخانه مرزی هریرود بعد از احداث و آبگیری سد سلما افغانستان (با روش‌های هیدرولوژیکی)، جغرافیا و مخاطرات محیطی، 9(2)، 207-224. doi: 10.22067/geo.v9i2.85447
منتصری, مجید، و حیدری، جواد (1394). مقایسه عملکرد مدل های استوکاستیک در تولید داده های ماهیانه جریان و بارندگی، تحقیقات منابع آب ایران، 11(3)، 69-84.
نادری، محمدحسن، باقری خانقاهی، مرضیه، و سالاری جزی، میثم. (1402). بررسی شاخص‌های جریان زیست محیطی و مدل اکوهیدرولیکی PHABSIM در برآورد محدوده جریان رهاسازی بهینه اکولوژیکی از مخزن سد لتیان، تحقیقات مهندسی سازه های آبیاری و زهکشی، 23(89)، 21-46. doi: 10.22092/idser.2023.361807.1537
یاسی، مهدی (1397). مدیریت رودخانه‌ها و سدها در تأمین و هدایت آب به دریاچه ارومیه، پژوهش‌های راهبردی در علوم کشاورزی و منابع طبیعی، 2(1)، 59-76. doi: 10.22047/srjasnr.2017.110559
 
References
Absaran (1999). Technical report on water resources of Nazlou reservoir dam, Absaran Consulting Engineers, West Azerbaijan Regional Water Company, 440 p. [In Persian]
Aguilar, C., & Polo, M. J. (2016). Assessing minimum environmental flows in nonpermanent rivers: The choice of thresholds. Environmental modelling & software, 79, 120-134. doi: 10.1016/j.envsoft.2016.02.003
Amirataee, B., & Montaseri, M. (2023). Joint probability analysis of storage reservoir system characteristics. Journal of Hydrology, 622, 129753. doi: 10.1016/j.jhydrol.2023.129753
Batalla, R. J., Gomez, C. M., & Kondolf, G. M. (2004). Reservoir-induced hydrological changes in the Ebro River basin (NE Spain). Journal of hydrology, 290(1-2), 117-136. doi: 10.1016/j.jhydrol.2003.12.002
Chow, V.T, Maidmen., D.R., Mays, L.W. (1988). Applied Hydrology. International Edition, McGraw-Hill Book Company, New York.
Cook, C., & Bakker, K. (2012). Water security: Debating an emerging paradigm. Global environmental change, 22(1), 94-102. doi: 10.1016/j.gloenvcha.2011.10.011
Dalcin, A. P., Brêda, J. P. L. F., Marques, G. F., Tilmant, A., De Paiva, R. C. D., & Kubota, P. Y. (2023). The role of reservoir reoperation to mitigate climate change impacts on hydropower and environmental water demands. Journal of Water Resources Planning and Management, 149(4), 04023005. doi: 10.1061/JWRMD5.WRENG-581
Efstratiadis, A., Tegos, A., Varveris, A., & Koutsoyiannis, D. (2014). Assessment of environmental flows under limited data availability: case study of the Acheloos River, Greece. Hydrological Sciences Journal, 59(3-4), 731-750. doi: 10.1080/02626667.2013.804625
Fallah-Mehdipour, E., Bozorg-Haddad, O., & Loáiciga, H. A. (2020). Climate-environment-water: integrated and non-integrated approaches to reservoir operation. Environmental monitoring and assessment, 192, 1-10. doi: 10.1007/s10661-019-8039-2
Gao, B., Yang, D., Zhao, T., & Yang, H. (2012). Changes in the eco-flow metrics of the Upper Yangtze River from 1961 to 2008. Journal of Hydrology, 448, 30-38. doi: 10.1016/j.jhydrol.2012.03.045
Guimarães, R. C., & Santos, E. G. (2011). Principles of stochastic generation of hydrologic time series for reservoir planning and design: Case study. Journal of Hydrologic Engineering, 16(11), 891-898. doi: 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.000037
Harman, C., & Stewardson, M. (2005). Optimizing dam release rules to meet environmental flow targets. River Research and Applications, 21(2‐3), 113-129. doi: 10.1002/rra.836
Hirji, R., & Davis, R. (2009). Environmental flows in water resources policies, plans, and projects: findings and recommendations. World Bank Publications.
Hu, W. W., Wang, G. X., Deng, W., & Li, S. N. (2008). The influence of dams on ecohydrological conditions in the Huaihe River basin, China. Ecological Engineering, 33(3-4), 233-241. doi: 10.5555/20083233047
Hughes, D. A., & Hannart, P. (2003). A desktop model used to provide an initial estimate of the ecological instream flow requirements of rivers in South Africa. Journal of Hydrology, 270(3-4), 167-181. doi: 10.1016/S0022-1694(02)00290-1
Koutsoyiannis, D. (2002). The Hurst phenomenon and fractional Gaussian noise made easy. Hydrological Sciences Journal, 47(4), 573-595. doi: 10.1080/02626660209492961
Lin, G. F., & Lee, F. C. (1992). An aggregation-disaggregation approach for hydrologic time series modelling. Journal of Hydrology, 138(3-4), 543-557. doi: 10.1016/0022-1694(92)90136-J
Loucks, D. P., & Gladwell, J. S. (1999). Sustainability criteria for water resource systems. Cambridge University Press.
McMahon, T. A., & Adeloye, A. J. (2005). Water resources yield. Water Resources Publication.
McMahon, T. A., & Finlayson, B. L. (1995). Reservoir system management and environmental flows. Lakes & Reservoirs: Research & Management, 1(1), 65-76. doi: 10.1111/j.1440-1770.1995.tb00007.x
McMahon, T. A., Adeloye, A. J., & Zhou, S. L. (2006). Understanding performance measures of reservoirs. Journal of Hydrology, 324(1-4), 359-382. doi: 10.1016/j.jhydrol.2005.09.030
Mezger, G., del Tánago, M. G., & De Stefano, L. (2021). Environmental flows and the mitigation of hydrological alteration downstream from dams: The Spanish case. Journal of Hydrology, 598, 125732. doi: 10.1016/j.jhydrol.2020.125732
Montaseri, M., & Adeloye, A. J. (2002). Effects of integrated planning on capacity-yield-performance functions. Journal of Water Resources Planning and Management, 128(6), 456-461. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9496(2002)128:6(456)
Montaseri, M., & Adeloye, A. J. (2004). A graphical rule for volumetric evaporation loss correction in reservoir capacity-yield-performance planning in Urmia region, Iran. Water resources management, 18, 55-74. doi: 10.1023/B:WARM.0000015389.70013.e4
Montaseri, M., & Heydari, J. (2016). A comparison among the performance of the stochastic models in generating the monthly streamflow and rainfall data. Iran-Water Resources Research, 11(3), 69-84. [In Persian]
Montaseri, M. (1999). Stochastic investigation of the planning characteristics of within-year and over-year reservoir systems (Doctoral dissertation, Heriot-Watt University).
Naderi, M. H., Bagheri Khaneghahi, M., & Salarijazi, M. (2023). Study Indicators of Environmental Flow and PHABSIM EcoHydraulic Model to Estimation of Ecological Optimal Release Flow Range from Latyan Dam Reservoir. Irrigation and Drainage Structures Engineering Research, 23(89), 21-46. doi: 10.22092/idser.2023.361807.1537 [In Persian]
Ortiz-Partida, J. P., Kahil, T., Ermolieva, T., Ermoliev, Y., Lane, B., Sandoval-Solis, S., & Wada, Y. (2019). A two-stage stochastic optimization for robust operation of multipurpose reservoirs. Water Resources Management, 33, 3815-3830. doi: 10.1007/s11269-019-02337-1
Pahl-Wostl, C., Arthington, A., Bogardi, J., Bunn, S. E., Hoff, H., Lebel, L., ... & Tsegai, D. (2013). Environmental flows and water governance: managing sustainable water uses. Current Opinion in Environmental Sustainability, 5(3-4), 341-351. doi: 10.1016/j.cosust.2013.06.009
Salas, J. D., Fu, C., & Rajagopalan, B. (2010, November). Long Range Streamflow Forecasting Based on Hydrologic and Climatic Data. In World Environmental and Water Resources Congress 2010: Challenges of Change (pp. 2340-2351). doi: 10.1061/41114(371)242
Schmutz, S., & Moog, O. (2018). Dams: ecological impacts and management. Riverine ecosystem management: Science for governing towards a sustainable future, 111-127. doi: 10.1007/978-3-319-73250-3_6
Shakeri Zare, H., Karam, A., Saffari, A. & Kiyani, T. (2020). Assessment of Environmental Flow Needs of Harirud Border Riverbed after Construction and Dewatering of Salma Dam in Afghanistan (by Hydrological Methods). Journal of Geography and Environmental Hazards, 9(2), 207-224. doi: 10.22067/geo.v9i2.85447 [In Persian]
Shiau, J. T., & Wu, F. C. (2013). Optimizing environmental flows for multiple reaches affected by a multipurpose reservoir system in Taiwan: Restoring natural flow regimes at multiple temporal scales. Water Resources Research, 49(1), 565-584. doi: 10.1029/2012WR012638
Smakhtin, V., Revenga, C., & Döll, P. (2004). A pilot global assessment of environmental water requirements and scarcity. Water international, 29(3), 307-317. doi: 10.1080/02508060408691785
Smakhtin, V.U. & Anputhas, M. (2006). An assessment of environmental flow requirements of Indian river basins. IWMI Research Report 107. International Water Management Institute, Colombo, Sri Lanka, 36p.
Srikanthan, R., & McMahon, T. A. (2001). Stochastic generation of annual, monthly and daily climate data: A review. Hydrology and earth system