مدل‌سازی عددی لایه‌بندی حرارتی در مخزن سد با استفاده از مدل CE-QUAL-W2 (مطالعه موردی: سد یامچی)

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 7، دوره 16، شماره 58، آبان 1402، صفحه 101-114   

نوع مقاله: برگرفته از پایان نامه

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/wej.2023.30480.2358

نویسندگان

امین اسمعیل زاده هنجنی¹؛ مهدی سرائی تبریزی^{* 2}؛ حسین بابازاده³

¹دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته علوم و مهندسی آب، گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده علوم کشاورزی و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

²استادیار گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده علوم کشاورزی و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

³استاد گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده علوم کشاورزی و صنایع غذایی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

تاریخ دریافت: 30 اردیبهشت 1401،  تاریخ بازنگری: 24 تیر 1401،  تاریخ پذیرش: 29 آبان 1402 

چکیده

چکیده
مقدمه: یکی از مسائل تاثیر‌گذار بر کیفیت منابع آبی مانند مخازن سد‌ها و دیگر پیکره‌های آبی لایه‌بندی حرارتی می‌باشد. به‌منظور بررسی پدیده لایه‌بندی در مخازن سد‌ها بایستی به آنالیز دینامیک اختلاط و جریان‌های داخلی در مخزن پرداخت. باتوجه به تاثیر پدیده‌های مختلف در ایجاد لایه‌بندی، بررسی این پدیده در مخازن سد‌ها از طریق مدل‌های دینامیکی امکان‌پذیر است. بنابراین از مدل‌های عددی در کنار اندازه‌گیری‌های میدانی استفاده می‌شود.
روش­: از آب مخزن سد یامچی برای تامین آب شرب محدوده استفاده می‌شود، بنابراین مطالعات کیفیت آب این مخزن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در نتیجه در این پژوهش برای شناخت شرایط لایه‌بندی آب مخزن سد یامچی، شبیه‌سازی دمای آب با استفاده از مدل CE-QUAL-W2 در یک دوره 1 ساله از اردیبهشت‌ماه سال 1394 تا فروردین‌ماه سال 1395 انجام شده است. همچنین نتایج بدست‌ آمده توسط مدل با مقادیر دمای اندازه‌گیری شده در نقاط مختلف مخزن مقایسه شدند و با استفاده از این نتایج پدیده‌ لایه‌بندی حرارتی در مخزن شبیه‌سازی و مطالعه شده است.
یافته ­ها: در پژوهش حاضر مقادیر دمای اندازه‌گیری شده و نتایج شبیه‌سازی شده توسط مدل از تطابق مناسبی برخوردار بودند. نتایج نشان دهنده‌ی یک دوره لایه‌بندی حرارتی تابستانه در مخزن سد است که حدود چهار ماه از سال به طول می‌انجامد. این پدیده از خردادماه آغاز و در تیر شدت گرفته و در مردادماه به اوج خود می‌رسد، در نهایت تا اواسط شهریور ادامه دارد. از اواسط شهریور با کاهش دما لایه‌بندی حرارتی تضعیف شده و در فصل‌های پاییز و زمستان شاهد اختلاط در مخزن هستیم. این اختلاط تا اواخر اردیبهشت‌ماه ادامه دارد.
نتیجه­ گیری: از لحاظ لایه‌بندی، مخزن سد یامچی در دسته مخازن مونومیکتیک گرم قرار دارد. در این مخازن با شروع فصل بهار و جذب انرژی، شکل‌گیری لایه‌بندی حرارتی آغاز می‌گردد. به شکلی که در اواسط فصل تابستان شاهد لایه‌بندی شدیدی خواهیم بود و این لایه‌بندی تا پایان تابستان ادامه خواهد داشت. به تدریج با شروع فصل پاییز و کاهش دما‌ی محیط لایه‌بندی تضعیف می‌شود، به‌گونه‌ای که مخزن سد بخش عمده‌ای از زمستان و اوایل بهار را در شرایط اختلاط کامل به سر می‌برد. این لایه‌بندی به صورت یک چرخه سالانه مجدداً از اواسط و یا انتهای بهار شروع به شکل‌گیری می‌کند.
 

کلیدواژه‌ها

لایه‌بندی حرارتی؛ سد یامچی؛ مدل CE-QUAL-W2

عنوان مقاله [English]

Numerical Modelling of Thermal Stratification in Dam Reservoir Using CE-QUAL-W2 Model (Case study: Yamchi Dam)

نویسندگان [English]

Amin Esmaeilzadeh Hanjani¹؛ Mahdi Sarai Tabrizi²؛ Hossein Babazadeh³

¹Former M.Sc. Student of Water Engineering and Sciences, Department of Water Engineering and Sciences, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

²Assistant Professor, Department of Water Engineering and Sciences, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

³Professor, Department of Water Engineering and Sciences, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Abstract
Introduction: One of the effective issues on water resources quality like dam reservoirs and other water bodies is thermal stratification. For studying the stratification in reservoirs, turbulence dynamic and internal flows must be analyzed in reservoir. Because of many phenomena that effect on stratification, studying this phenomenon is possible just with use of dynamic models. In this way using numerical models beside yield measurements are unavoidable.
Methods: Due to the water usage of Yamchi dam as a drinking water and irrigation, studying the water quality has more importance, so in this research for studying the status of thermal stratification of Yamchi dam, modeling of temperature with CE-QUAL-W2 software in one year period from (May, 2015) until (April, 2016) was done. The value of observed temperature from various points of the reservoir were compared with modeled data and with the results of modeled data, variation trend of the stratification phenomena in Yamchi dam was studied.
Findings: In this research, the value of the observed temperature was in good agreement with modeled data. The results showed that the stratification phenomena happen in reservoir and lasts about 4 months in the year. This phenomenon begins at the late May and improves in July and reaches its peak in August. At last, it would end in early September. From the September due to decrease of the temperature, stratification in the reservoir is declined and Turbulence is also seen in Autumn and Winter. This turbulence continues until late May.

کلیدواژه‌ها [English]

Thermal Stratification, Yamchi Dam, CE-QUAL-W2 Model

مراجع

1.       Aghajanloo, k., (2021). Assessment of temporal variations of Alavian dam reservoir quality using WQI. 19^th Iranian Hydraulic Conference, Mashhad, Iran. 15-16 February.

2.       Beiramipoor, S., Qaderi, K., Haghjuie, H., Rahimpoor, M., (2018). 'Reservoir water quality management of Baft dam through selected drainage from the dam outlet locations using the model CE-QUAL-W2', Irrigation & Water Engineering, 8(31), pp.237.

3.       Chai, B., Li, Y., Huang, T., and Zhao, X. 2014. Pollution characteristics of thermally-stratified reservoir: A case study of the Heihe reservoir in Xian city, China. J. Chem. Pharm. Res. USA. 6: 7. 1231-1240.

4.       Ebrahimi, M., Jabbari, E. and Abbasi, H. (2015). Simulation of thermal stratification and salinity in dam reservoir using CE-QUAL-W2 software (Case study: Abaft Dam). J. Civil Engine. Urban. 5: 1. 07-11.

5.       Heidarzadeh, N., Neisari Tabrizi, N., (2019). 'Modeling and sensitivity analysis of water quality in Meymeh reservoir using CE-QUAL-W2 Software', Journal of Environmental Sciences and Technology, 21(5), pp.47-64.

6.       Kiani, S., (2017). 'Simulation of thermal stratification and concentration of the solvent oxygen using model CE QUAL W2 (Case Study: GARSHA Dam)', Journal of Wetland Ecobiology, 9(2), pp.39-52.

7.       kaveh, M., moridi, A., Shoorian, M., (2018). 'Solutions for Improving Water Quality in Dams' Reservoirs (Case Study: Ilam Reservoir)', Water Engineering, 11(37), pp.87-97.

8.       Ma, S., Kassinos, S.C., Fatta-Kassinos, D. and Akylas, E. (2008). Effects of selective withdrawal schemes on thermal stratification in kouris dam in Cyprus. Lakes &Reservoirs: J. Res. Manage. 13: 51-61.

9.       Rahimi Movaghar, M. Mirbagheri, S. Kerachian, R. (2019). Total dissolved solid and dissolved oxygen modeling, thermocline calculation and applying reservoir salinity reduction scenario in Shahid Rajaee reservoir using CE-QUAL-W2. Water Supply. 19 (2), pp.424-433.

10.   Rezaei Barandagh, H. Salmasi, F. Sahebi, F.  (2018). 'Water Quality and Temperature Stratification of Zanjan Taham Dam with CE-QUAL-W2 Software', Water and Soil Conservation, 25(1), pp.127-145.

11.   Soltani, G., Alavy, S. (2005). Experiences obtained from studies on quality effects of thermal stratification on few dams. In 12th Civil Engineering Student Conference, Tehran, Iran.

12.   Shaban, E., Ketabchi, H., (2019). 'Simulation of Sulfur Cycle using CE-QUAL-W2 model (Case Study of Seymareh Dam Reservoir, Iran)', Iranian Water Research Journal, 13(33), pp.151 161.

13.   Shabani, N., Rahmanifiroozjaee, A., Abessi, O., (2019). 'Thermal Stratification of Seymareh Dam Using Two-Dimensional, Hydrodynamic and Water Quality Model: CE-QUAL-W2', Journal of Environmental Sciences and Technology, 21(7), pp.77-87.

14.   Sabeti, R., Jamali, S. and Hajikandi Jamali, H. (2017). Simulation of thermal stratification and salinity using the Ce-Qual-W2 Model (Case Study: Mamloo Dam). Engineering, Technology and Applied Science Research.7(3). 1664-1669.

15.   talakesh, S., Fatahi Nafechi, R., Samadi Boroujeni, H., Mirabbasi Najafabadi, R., Khajepour, I., (2019). 'Investigation on Stratification of Temperature and Dissolved Oxygen in a Large Dam Reservoir (Case study: Karun 3 Dam)', Iranian Water Research Journal, 13(32), pp.49 57.

16.   Wells, S. A. (2020) "CE-QUAL-W2: A two-dimensional, laterally averaged, hydrodynamic and water quality model, version 4.2.2, user manual part 2, hydrodynamic and water quality model theory," Department of Civil and Environmental Engineering, Portland State University, Portland, OR.

17.   Wells, S. A. (2020) "CE-QUAL-W2: A two-dimensional, laterally averaged, hydrodynamic and water quality model, version 4.2.2, user manual part 4, model examples," Department of Civil and Environmental Engineering, Portland State University, Portland, OR.

18. Yuanning, Z., Xueping, G., Bowen, S., Chang, L., Budong, L., Xiaobo, L., (2022). ‘Tracking thermal structure evolution: An objective practice in a stratified reservoir based on high-frequency measurements’, Journal of Hydrology: Regional Studies, 39, 100989, ISSN 2214-5818, https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2022.100989