رو شهایی نوین در هماهن گسازی نیروگا ههای برقابی با محی طزیست

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد ساز ه های آبی، دانشگاه فردوسی مشهد، دانشکده مهندسی آب

2 کارشناسی ارشد ساز ههای آبی، دانشگاه فردوسی مشهد، دانشکده مهندسی آب

چکیده

چکیده
هیدروپ کیهای ناشی از قطع و وصل متناوب توربی نهای مولد برقابی
از کیسو باعث فرسایش بستر رودخانه، تولید رسوبات بیشتر و کاهش
نفوذپذیری ساحل رودخانه می شود و از سوی دیگر نظم و فرکانس حرارتی
بالای این هیدروپ کیها اثرات خطرناک و فاجعه باری بر محیط زیست
رودخان هها می گذارد. چنانچه جریان طبیعی رودخانه تغ ییرات کمی داشته
باشد، محیط زیست متحمل آسیب چندانی نشده و شاید بتوان گفت این
حالت برای محیط زیست بهترین حالت است. لذا بازسازی زیستگاه و تلاش
برای تضعیف هیدروپ کی مولدهای برقابی که به رودخانه می رسند اقدامی
مؤثر در جهت حفظ زیستگاه خواهد بود. با تر یکب تکن کیهای مختلف
و اقدامات عملی مانند حفظ مخازن یا کاهش نوسانات توربین این کار
امکان پذیر خواهد بود. برای کاهش نوسانات توربین، با آنالیز خصوصیات
چندین نوع توربین، مشخص شده است که ظرفیت حمل توربی نهای
متعامد منوط است به داشتن عریض ترین بازه. این نوع توربین با دو و حتی
سه توربین با ظرفیت های مختلف برابری میک‌ند و م یتواند برای هر دبی
در هر فصلی به کار رود. در این مطالعه اقدامات صورت گرفته در جهت

کلیدواژه‌ها


انسان و محیط زیست
40
www.irsen.org : سایت اینترنتی انجمن متخصصان ایران
چکیده
هیدروپ کیهای ناشی از قطع و وصل متناوب توربی نهای مولد برقابی
از کیسو باعث فرسایش بستر رودخانه، تولید رسوبات بیشتر و کاهش
نفوذپذیری ساحل رودخانه می شود و از سوی دیگر نظم و فرکانس حرارتی
بالای این هیدروپ کیها اثرات خطرناک و فاجعه باری بر محیط زیست
رودخان هها می گذارد. چنانچه جریان طبیعی رودخانه تغ ییرات کمی داشته
باشد، محیط زیست متحمل آسیب چندانی نشده و شاید بتوان گفت این
حالت برای محیط زیست بهترین حالت است. لذا بازسازی زیستگاه و تلاش
برای تضعیف هیدروپ کی مولدهای برقابی که به رودخانه می رسند اقدامی
مؤثر در جهت حفظ زیستگاه خواهد بود. با تر یکب تکن کیهای مختلف
و اقدامات عملی مانند حفظ مخازن یا کاهش نوسانات توربین این کار
امکان پذیر خواهد بود. برای کاهش نوسانات توربین، با آنالیز خصوصیات
چندین نوع توربین، مشخص شده است که ظرفیت حمل توربی نهای
متعامد منوط است به داشتن عریض ترین بازه. این نوع توربین با دو و حتی
سه توربین با ظرفیت های مختلف برابری میک‌ند و م یتواند برای هر دبی
در هر فصلی به کار رود. در این مطالعه اقدامات صورت گرفته در جهت
واژ ههای کلیدی: هیدروپ کی، توربین، بازسازی زیستگاه، محیط زیست
رو شهایی نوین در هماهن گسازی نیروگا ههای برقابی با محی طزیست
ben_na80@yahoo.com • بنیامین نقوی، کارشناسی ارشد ساز ههای آبی، دانشگاه فردوسی مشهد، دانشکده مهندسی آب
• مینا حسی نپور طهرانی، کارشناسی ارشد ساز ههای آبی، دانشگاه فردوسی مشهد، دانشکده مهندسی آب
• فاطمه کوروش وحید، کارشناسی ارشد ساز ههای آبی، دانشگاه فردوسی مشهد، دانشکده مهندسی آب
انسان و محیط زیست
41
www.irsen.org : سایت اینترنتی انجمن متخصصان ایران
مقدمه
جدای از نکات مثبت متعدد نیروی برقابی مانند تجدید شدنی بودن آن،
این مولد م یتواند خالق مشکلات زیست محیطی خطیری باشد. تمامی
طر حهای برقابی در پیوستگی رودخانه خلل ایجاد میک‌نند ] 1[. سدها
همانند مانعی در جهت مهاجرت و عبور طولی آبزیان عمل کرده ] 2[ و
همچنین ذرات رسوب را به تله می اندازند. علاوه بر این مسیر رودخانه بین
مسیر انحراف آب و مسیر اصلی غالباً دبی کاهنده ای به نام جریان رسوبی
ایجاد میک‌ند. در اکثر مطالعات انجام شده در این زمینه نتایج اکولوژ کیی
این جریان مانند کاهش ثبات زیستگاه و یا کاهش دسته ماه یها اشاره
شده است. عملکرد سد، اثرات متعددی بر رژیم جریان طبیعی رودخانه دارد.
اساساً در تابستا نها و در نتیجه ذوب برف و یخ، مخازن از آب پر شده و در
فصل زمستان آب ذخیره شده برای تولید برق مورد استفاده قرار م یگیرد.
این وضعیت بر آب پا یی ندست تأثیر دوگان های دارد: 1( در مقایسه با شرایط
طبیعی، دبی رودخانه در زمستان افزایش و در تابستان کاهش میی‌ابد و
2( دامنه و فرکانس سیلا بهای بزرگ به خاطر حجم رسوبات اضافی در
مخزن کاهش می یابد. این اثرات فصلی با نوسانات سریع سیلاب ناشی
از عملکرد روزانه مولدهای برقابی، تشدید م یشود. هیدروپ کیهای ایجاد
شده به این روش آنقدر توان ندارند که بتوانند جبران سیلا بهای طبیعی را
برای انتقال رسوبات به جای مانده در بستر رودخانه داشته باشند ] 3[. نظم
و فرکانس حرارتی بالای این هیدروپ کیها اثرات خطرناک و فاجعه باری بر
بی مهرگان، ماه یها و زیستگاهشان م یگذارد ] 4[. پس از ساخت کی مولد
و پر کردن مخزن، رژیم جریان پا یین دست با رژیم طبیعی )HPP( برقابی 1
قرار م یگیرد و هرگونه HPP رودخانه متفاوت شده و تحت تأثیر رژیم
تغ ییر در رژیم کار توربین باعث ایجاد نوسانات ناگهانی )هیدروپ کی( در
تراز آب م یشود ] 5[. افزایش فرآیند لایزایی، انتقال قائم بین رودخانه و آب
زیرزمینی را کاهش داده و اجتماع آبزیان و شرایط تخ مگذاری ماهیان را
.] تحت تأثیر قرار م یدهد ] 6
مهم ترین و محک مترین ساز های که به منظور تثبیت بستر رودخان ههای
منظم به کار م یرود خاکریز 2 است. با این وجود در طی دور ههای اخیر در
زمینه مدیریت رودخانه، اقدامات رو به جلویی صورت گرفته که تلاش
میک‌ند منافع اقتصادی، سیاسی و اکولوژ کیی منطقه را با کیدیگر وفق دهد.
1.Hydropower plant
2.Levee
انسان و محیط زیست
42
www.irsen.org : سایت اینترنتی انجمن متخصصان ایران
کمتر و توده بی مهرگان در رودخان ههای متأثر از برقابی در مقایسه با
رودخان ههایی که این مولد را ندارند به حساب آید. این تغ ییرات دمایی
متناوب به آبخوان مجاور، جایی که با خصوصیات زمی نشناسی ماتریس
خاک خاکریزها فعل و انفعالاتی دارد، منتقل می شوند. در این ناحیه م یتوان
هدایت هیدرول کیی را با فرمول دارسی محاسبه کرد:
J
va n
K = )1(
میانگین v ، [ms [ نشا ندهنده هدایت هیدرول کیی k که در آن
فاکتور تخلل n شیب سطح آب زیرزمینی و J ، [ms [ سرعت جریان
است.
در واقع سیگنا لهایی که تغ ییرات تراز آب و تغ ییرات دما را نشان
م یدهند اطلاعات متفاوتی در اختیار م یگذارند. سیگنال مربوط به تراز آب
رابطه بین چا هها را نشان م یدهد در حالیک‌ه سیگنال دما انتقال حرارت
در آب زیرزمینی را نشان م یدهد. دامنه و تأخیر دمای مینیمم و ماکزیمم
نسبت به رودخانه به عنوان مشخصه هایی برای فرآیند نفوذ به کار می روند.
در سیستم جریان نفوذی، تغ ییرات دما به خاطر انتقال حرارت به صورت
کنوکسیون و هدایت گرمایی صورت م یگیرد. سیگنال دما در طی انتقال به
آب زیرزمینی به خاطر انتقال حرارت به ماتریس خاک با تأخیر همراه است.
این بدی نمعناست که سیگنال دما به عنوان ردیاب انتقال آب، زمانی که از
که )R( مقاطع همبسته تحویل گرفته می شوند باید با کی فاکتور تأخیر دما
ماتریس خاک تصحیح شود: )n( تابعی است از تخلخل
n
(1 n(
R 1

= + β ) 2(
توصیفک‌ننده انرژی گرمایی بین سیال β در این رابطه، ضریب بی بعد
منعکسک‌ننده فاکتور تخلخل است. این بدی نمعناست که n و فاز جامد و
.R/ سیگنال دما همانند ذرات آب از آ یکفر عبور میک‌نند، اما با سرعت 1
0 حدود 3 و 5 است. لذا تغ ییرات دمایی در / 0 و 2 / برای منافذ 1 R مقدار
آب رودخانه تغذیه منابع زیرزمینی را نیز تحت تأثیر قرار م یدهد و وجود
مولدهای برقابی در این مورد می تواند مزید بر علت باشد.
تأثیر ساز ههای موجود در رودخانه بر زیستگاه
1 تأثیر دوگانه ریپ رپ 1
ریپ رپ ساز های است غالباً پار هسنگی که به منظور جلوگیری از فرسایش
ساحل و دیواره رودخانه مورد استفاده قرار م یگیرد. برخورد امواج و
جریان آب به دیواره سواحل سبب شستگی، تعریض رودخانه و از بین
رفتن زمی نهای اطراف م یشود که به کمک ری پرپ م یتوان از ایجاد
1.Riprap
لذا در فضای رودخان ههای با جمعی تهای متراکم و با بهره اقتصادی بسیار
بالا، اقدامات حفاظتی و بازسازی زیستگاه با مشکلات و محدودی تهای
بسیاری مواجه شده است. مسائل مربوط به بازسازی زیستگاه مانند تعریض
رودخانه و کاهش هیدروپ کی مولدهای برقابی موضوعات اساسی در این
مطالعه هستند. هدف از این مطالعه از کیسو امکان بازسازی زیستگاه به
همراه اقدام برای کنترل سیلاب و بهبود موقعیت هیدرولوژ کیی برای
HPP موفقیت در بازسازی زیستگاه است و از سوی دیگر تع یین اثرات
بر رژیم جریان رودخانه در مسیر پا یین دست و اقداماتی که م یتوان برای
کاهش قدرت هیدروپ کیهای حاصل از آن انجام داد می باشد.
روند تغییرات دما در رودخانه ها
تغ ییرات دمای آب در رودخان هها اساساً تحت تأثیر تبادل انرژی با اتمسفر
و رسوبات و همچنین حرارت جزیی است] 4[. امروزه، این رفتار طبیعی
تحت تأثیر هیدروپ کیها تشدید شده است. مطالعات نشان م یدهد که
وجود مولدهای برقابی، عموماً سبب گرم شدن آب رودخانه در زمستان و
سرد شدن آن در تابستان م یشود. علاوه بر این، هیدروپ کیهای ناشی از
تغ ییرات لحظ های مولدهای برقابی، بخصوص در ما ههای زمستان که دبی
طبیعی، کم و تقریباً ثابت است، اثراتی منفی بر زیستگاه و آبزیان منطقه
م یگذارد. به طور معمول پارامترهای رژیم رودخانه )مانند سرعت، عمق
و دبی در طول رودخانه( در زمان سیلاب بهاره به حداکثر مقدار و در
خشکی تابستانه و سرمای زمستانه به حداقل مقدار خود م یرسد. دامنه تغ ییر
پارامترهای مذکور پیش از همه به وجود دریاچه، مخازن، جنگل و باتلاق در
حوزه رودخانه، تجمع و مهار نفوذ آب بستگی دارد. ایده اولیه تحقیق صورت
گرفته بر این فرض استوار است که چنانچه جریان طبیعی رودخانه تغ ییرات
کمی داشته باشد، محیط زیست، متحمل آسیب چندانی نم یگردد و شاید
بتوان گفت این حالت برای محیط زیست بهترین حالت است. قرار گرفتن
تراز آب در مخزن با تغ ییرات جزیی و اجتناب از گذردهی آب از طریق
سرریز ممکن است به عنوان حالت بهینه برای این وضعیت به شمار آید.
آبی که سبب ایجاد هیدروپ کی م یشود، از قعر بخ شهایی با دمای ثابت
در بالادست رودخانه سرچشمه م یگیرد. این آب مستقیماً به ایستگاه تولید
نیرو، جایی که آب به رودخانه م یریزد لولهک‌شی م یشود. در این فرآیند،
هیدروپ کیها به شدت رژیم دمای فصلی، هفته ای و روزانه رودخانه را تغ ییر
م یدهند. در جریان تولید برقابی آب رودخانه در زمستان گرم و در تابستان
سرد م یشود. این تغ ییرات دمایی برای جمعیت ب یمهرگان به شدت مضر
است. با این وجود بعید به نظر م یرسد که دما تنها عاملی باشد که اندازه
گون ههای جانوری و پخش جغرافیایی حشرات آبزی را تحت تأثیر قرار ده د.
تغ ییرات متناوب دمایی ممکن است به عنوان فاکتور اضافی برای تراکم
-1
a
-1
انسان و محیط زیست
43
www.irsen.org : سایت اینترنتی انجمن متخصصان ایران
چنین نقیص های جلوگیری کرد. وجود مولدهای برقابی باعث تغ ییر دسته
ماهی ها در طول رودخانه م یشود. از آنجایی که در فضای شکاف بین
سن گهای زاویه دار بزرگ، سرع تهای جریان کم است، دست ههای بزرگ
ماهی در اطراف ساح لهای مجهز به ریپ رپ یافت می شوند. در عوض، در
مسیرهای با پوشش محدود که حاوی رسوبات زیادی هستند یا بدون سازه
هستند آبزیان کمتری مشاهده م یشوند. با این وجود، در برخی مناطق با
وجود استفاده از ری پرپ مقدار آبزیان منطقه کاهش میی‌ابد. مطالعات نشان
م یدهد با وجود آنکه ریپ ر پها ایجاد پوشش ایجاد میک‌نند، اما نسبت
به غنای ساحل طبیعی رودخانه، جانشین فقیری هستند. بر این اساس
نتایج نشان م یدهد که در مسیری با مورفولوژی ساحل طبیعی نسبت به
سواحل مجهز به عوامل مصنوعی دسته آبزیان بیشتری یافت م یشود.
شرایط زیستگاهی در سواحل ری پر پدار نسبتاً کینواخت است و بخ شهای
حفاظت شده تنها به مناطق خط ساحلی محدود شده است )خاکریز(. علاوه
بر این ریپ رپ شرایط زیستگاهی لازم را برای گرو ههای سنی مختلف
.] ماه یها فراهم نمیک‌ند ] 8
2 بازسازی زیستگاه
سؤالی که پیش م یآید این است که آیا تلاش برای بازسازی زیستگاه و
بهبود خط ساحلی و ساز ههای داخل دریاچه م یتواند منجر به افزایش دسته
ماهی ها و دیگر پارامترهای وابسته به اکولوژی آنها شود؟ در مطالعات
پیشین، اکثر مثا لهای بازسازی زیستگاه رودخانه مربوط به اقداماتی
مانند تعریض مقطعی، ساختن ساز ههای داخل دریاچه یا بازسازی سواحل
می باشد که هر کی شرایط زیستگاهی بسیار مختلفی را ایجاد میک‌ند. در
بسیاری از موارد، اثرات مثبت نظیر گسترش گون هها و بازگشت فرآورد ههای
طبیعی بر اجتماع ماهیان گزارش م یشود. به طور مشابه اقدامات سازه ای
در طول خط ساحل برای آبزیان از اهمیت بسزایی برخوردار است. از این
لحاظ در چنین شرایط هیدرولوژ کیی رودخانه سؤال اصلی این است که
آیا اقدامات سازه ای به تنهایی مؤثرند. با وجود احداث بهترین ساز ههای
زیستی مناسب، مشاهده م یشود که در ری پر پها، دسته آبزیان کاهش
یافته و لذا شک موجود در مورد عدم کاربری مناسب این تأسیسات صحیح
است. آبزیانی که تحت تأثیر هیدروپ کی قرار م یگیرند عموماً از آبزیانی که
در جریان رسوبی یا بخش های بدون تغ ییرات هیدرولوژ کیی قرار می گیرند
کوچ کترند. بازسازی زیستگاهی، نفوذپذیری خاکریز بازسازی شده را
تغ ییر می دهد و از اینرو سرعت نفوذ آب رودخانه به آب زیرزمینی تغ ییر
خواهد کرد. لذا برای جلوگیری از صعود سطح ایستابی در دشت سیلابی
و حفظ ذخایر آب شرب در خاکریزهای جدید، نش تبندی اضافی لازم
و ضروری است. از آنجا که سناریوهای بازسازی زیستگاهی، با شرایط
مرزی ناسازگاری مواجه هستند، موقعیت اکولوژ کیی ماه یها م یتواند با
بازسازی ساختار زیستی در طول رودخانه بسیار بهبود یابد. این موفقیت
در صورتیک‌ه لایزایی ساحل رودخانه برداشته شود، عموماً با تعریض نیز
امکان پذیر است.
3 پایداری زیستگاه
در بین مضرات متعددی که از اثرات مخرب ناشی از هیدروپ کی بر ماه یها
گزارش شده، بحث در مورد پایداری زیستگاهی از اهمیت ویژه ای برخوردار
است. بواسطه نوسانات سری عتر از آب که به 1 متر هم می رسد، ری پرپ
دائماً از آب پوشیده نیست. همچنین به دلیل عدم پوشش ثابت، ساز ههای
وابسته با کاهش جدی یکفیت زیستگاهی مواجه م یشوند. مطالعات میدانی
و همی نطور مدل های زیستی در مسیرهای هیدروپ کی، افزایش ناپایداری
زیستی را به ویژه در مورد موجودیت زیست آبزیان جوا نتر نشان م یدهد.
عکس العمل آبزیان دیگر نیز نسبت به هیدروپ کی مشابه است. این آبزیان
نیز در نتیجه اثرات آبشستگی به خاطر سرع تهای بالای جریان به شدت
آسیب م یبینند. از طرفی، در بستر رودخان ههایی که به شدت توسط رسوبات
گرفته شد هاند تولید مثل طبیعی ماهی ها با مشکلات فزاینده ای مانند کمبود
ذخیره اکسیژن مواجه م یشوند. همچنین به واسطه مبادله آرام بین رودخانه
و آب زیرزمینی، یکفیت زیست آبزیان مضافاً تنزل میی‌ابد. علاوه بر این،
کمبودهای هیدرولوژ کیی در مطالعات مشهود است. در منظر طولی سیستم،
مشاهده م یشود که پایداری زیستگاه ماهیان به خاطر وجود پوشش کم
و تغ ییرات تراز آب به شدت حساس هستند. در کی نمای قائم و جانبی،
تغ ییرات ناپایدار در تراز آب نه تنها به خود رودخانه محدود نم یشود بلکه
آبخوان مجاور را نیز تحت تأثیر قرار م یدهد. اگر هدایت جانبی با اقدامات
بازسازی زیستگاهی مانند تعریض رودخانه بهبود یابد، احتمال اختلالات
اکولوژ کیی تولید شده به این شیوه بیشتر است. در واقع، برای تعریض بستر
رودخانه، خاکریز موجود باید جابجا شود تا امنیت دره پا یین دست در مقابل
سیلاب را تأمین کند. برقراری مجدد رابطه متقابل رودخانه با آب زیرزمینی
منجر به منافعی برای آبزیا ن، شرایط تخمگذاری ماه یها و همی نطور
رابطه آبخوان مجاور برای کنترل سیلاب م یشود ] 7[. با این وجود بهبود
هدایت قائم بدون مخارج جدی امکا نپذیر نیست. در طی ما ههای تابستان
0 متر پا یی نتر از تراز آب رودخانه قرار / سطح ایستابی آب زیرزمینی، 5
م یگیرد. اگر اقدامات ذخیره مجدد نفوذپذیری را افزایش دهد تراز آب در
آ یکفر نزد کی رودخانه م یتواند صعود کرده و کشاورزی منطقه، زیربنا و
ذخیره آب شرب عمومی را خراب کند.
اثرات هیدروپیک
قطع و وصل توربی نها و تنظیم رژیم آنها با توان موردنیاز، باعث تغ ییرات
انسان و محیط زیست
44
www.irsen.org : سایت اینترنتی انجمن متخصصان ایران
و ایجاد هیدروپ کی م یشود. با وجود HPP ناگهانی تراز آب پا یین دست
آنکه تغ ییر در تراز آب، بستر رودخانه را تخریب میک‌ند، حداقل تعداد قطع
.] و وصل توربی نها برابر تعداد روزهای سال است. ] 9
کوچک رژیم کار خود را کمتر از 2 تا 3 بار در روز تغ ییر HPP کی
نم یدهد و حتی ممکن است از این مقدار نیز بیشتر باشد. هر تنظیم، کی
تراز موج اضافی در نوسانات رودخانه )هیدروپ کی( پدید می آورد. بنابراین
سالانه بیش از 1000 هیدروپ کی در پا یی ندست ایجاد میک‌ند که دو HPP
HPP برابر بیشتر از تعداد تغ ییرات طبیعی رودخانه در حالت بدون حضور
است.
HPP سرعت افت تراز آب پس از قطع توربین به زمان شروع و فاصله از
cm/h بستگی دارد. برای حفظ تخم ماه یها ماکزیمم سرعت افت مجاز
15 است ] 10 [. سرعت نوسانات تراز آب به پخش موج جزر و مدی در طول
سرعت رودخانه بستگی دارد.
برای تع یین پتانسیل برقابی، محدوده تغ ییرات دبی و انتخاب توربین
.] استفاده از هیدروگرا فهای آماری ضروری است ] 5 HPP مناسب برای
که بر اساس Q/Q هیدروگراف آماری عبارتست از گراف دبی نسبی
سر یهای آماری تنظیم شده است. این پارامتر م یتواند کی پارامتر جهانی
باشد که برای آنالیز رواناب رودخانه و تخمین مقدار پتانسیل برقابی رودخانه
مناسب باشد. دبی نسبی ماکزیمم و مینیمم را م یتوان از هیدروگراف آماری
خوانده و ضریب کینواختی دبی را به دست آورد:
Qmin
Qmax
Q0 min
Q
Q0 max
Q
k t = =








)3(
به ترتیب دبی حداکثر و حداقل در Qmin و Qmax که در آن
ضریب کینواختی دبی است. k t دبی پایه و Q ، هیدروگراف
مشخصات توربین های آبی
بازه انتقا لدهی توربی نها بسیار کم است. نسبت دبی ماکزیمم به
دبی مینیمم که به عنوان ضریب انتقال توربین معرفی و به شکل
نشان داده شد معمولاً به 2 تا 3 نم یرسد. تنها k t = Qtmax /Qtmin
ضریب توربین های متعامد، به ویژه آنهایی که دارای گردشگرهای حدی
عرضند، ممکن است نزد کی به 5 باشد. در برخی رودخان هها این ضریب
.] بسیار بالاتر از ضریب توربین بوده و به حد 10 تا 50 می رسد ] 11
توربی نهای متعامد به توربی نهایی اتلاق م یشود که ب رخلاف بیشتر
توربی نهای آبی که جریان های محوری یا شعاعی دارند، آب به شکل اریب
یا عرضی از داخل توربین و تیغ ههای آن عبور میک‌ند. پس از آنکه آب
از گردشگر عبور کرد در سمت مخالف ادامه مسیر داده و با عبور آب از
گردشگر بازده توربین دوبرابر م یشود. توربی نهای متعامد غالباً به صورت
زوج توربی نهای با ظرفیت متفاوت که توسط شفتی به یکدیگر متصل اند
ساخته می شوند.
کی توربین واحد چنین روانابی را تنها در صورتی که آبی در مخزن
تجمع نکرده باشد م یتواند عبور دهد. در بیشتر مواقع دو یا چند HPP
توربین نیاز است تا دبی رودخانه را عبور دهد که ممکن است در محدوده
قابل توجهی قرار گیرد.
بر اساس دبی سالانه رودخانه انتخاب م یشوند. در HPP توربی نهای
کوچک، مشخصات جریان رودخانه به ندرت HPP هنگام طراحی کی
مورد توجه قرار م یگیرد و معمولاً برای کی مولد نیرو چندین توربین با
توان کیسان انتخاب م یشود. دب یهای سیلابی و خشکی رودخانه نم یتواند
از چنین توربی نهای عبور کند. بنابراین تجمع آب در مخزن و تغ ییرات قابل
توجه جریان رودخانه از نتایج غیرقابل اجتناب خواهد بود. بروز این مسئله
آغازگر مشکلات زیست محیطی و اثرات مخربی است که پیشتر به آن اشاره
شد. توربی نها قادرند تنها کی مقدار مشخص از آب را انتقال دهند. محدوده
این مقدار انتقال به افت مجاز بازدهی ماشین بستگی دارد. به طور کلی
ηm = k tηv محدوده منطقه کاربری موتورهای هیدرول کیی با رابطه
بازده اسمی ηv ضریب رژیم و k t بیان می شود که در آن
0
0
انسان و محیط زیست
45
www.irsen.org : سایت اینترنتی انجمن متخصصان ایران
مجموع دبی های ماکزیمم دو توربین کوچک تر تنظیم شود؛ چهارمی
با مجموع دبی های ماکزیمم سه توربین کوچک تر و به همین ترتیب
برای انتخاب توربی نهای بعدی از چنین روندی پیروی می کنیم. در
چنین حالتی تمام بازه دبی های رودخانه ممکن است با دو یا سه، و
خیلی به ندرت، با چهار توربین با توان های مختلف تأمین شود.
اگر نوع و ضریب انتقال تمام توربین های موردنظر، یکسان باشد،
تعداد توربین ها را می توان با رابطه زیر به دست آورد:
)4(
) در )جدول 1 k و m تعداد توربی نهاست. مقادیر m که در آن
آورده شده است. این جدول به خوبی نشان می دهد که افزایش تعداد
توربی نها و ضریب انتقال، باعث افزایش سریع انتقال مولد برقابی
می شود. با توجه به گرانی توربین ها استفاده از توربین هایی با دامنه
انتقال بالا مفیدتر از افزایش تعداد توربین هاست.
بررسی توربین هایی با دامنه انتقال وسیع ما را به سمت انتخاب
توربین های متعامد سوق می دهد. ضریب انتقال این توربین ها به 5
می رسد. علاوه بر این م یتوان ضریب را با معرفی یک مقسم برای
.) قسمت متحرک توربین به سادگی افزایش داد )شکل 1
توربینی که شامل مقسم باشد قادر است در عرض ی کسوم و
دو سوم کار کند، و عرض یک متحرک کامل برای دو و حتی سه
توربین با انتقال متفاوت عمل م یکند. در اینجا باید اشاره کرد که
ضریب توربینی که با عرض متحرک یک سوم و دو سوم کار م یکند
کمتر از توربینی است که با عرض کامل کار می کند.
با سرعت چرخشی ثابتی کار م یکنند. HPP توربین های استاندارد
در این حالت منطقه کار توربین در محدوده خطوط 1 و 2 است
باعث ایجاد یک افت کاملاً N )شکل 2(. دور شدن از نقطه رژیم نرمال
ناگهانی در بازده توربین م یشود. نقطه بازدهی ماکزیمم برای هر
و Q د بی را م یتوان در دیاگرام تجمعی یافت. در شکل 2، نقاط
Q -Q نشا ندهنده حداکثر بازدهی هستند و محدوده Q
که بازه وسیعی از دبی های را در برم یگیرد منطقه رژیم بهینه
خواهد بود. علاوه بر این هر نقطه از خط که متناظر با یک دبی
مشخص باشد، در آن دبی بازده ماکزیمم است )شکل 2(. بنابراین
رژیم سرعت چرخشی متغیر با تولید انرژی لازم و افزایش بازدهی،
قدرت انتقال دهی توربین را افزایش می دهد. افزایش انتقا لدهی
توربین با سرع تهای چرخشی متغیر به منزله هماهنگی کار مولدها
با محیط زیست است چراکه در این حالت میزان نوسانات ناشی از
فرکانس چرخشی توربین ها در دریاچه کاهش یافته و اثرات مخرب
ناشی از هیدروپیک به حداقل می رسد.
ماشین است. معمولاً این مقدار، با ماکزیمم بازده ماشین برابر است.
0، ضریب رژیم / در برخی موتورها و پمپ های هیدرولیکی، 58
قابل قبولی است که معادل 51 % مجاز کمتر از شرایط رژیم بهینه
می باشد. لازم به ذکر است که ضریب رژیم توربین ها بسته به توان
0 تغییر م یکند. ضریب یکنواختی / 0 تا 59 / توربین در محدوده 58
معمولاً min r Q / max r Q ruk
رواناب رودخانه )برحسب زمان( =
است. این بدین معناست k tu بسیار بزرگ تر از ضریب انتقال توربین
که عبور تمام دبی رودخانه از طریق یک توربین بدون تجمع آب در
یک مخزن غیرممکن است و این در حالی است که معمولاً ضریب
یکنواختی رواناب رودخانه چندین برابر ضریب انتقال توربین است.
افزایش قدرت انتقال مولد و کاهش هیدروپیک
به طور کلی انتقال در مولد نیرویی که دارای دو یا سه توربین است
در مقایسه با مولدی با توربین واحد و توان برابر 2 تا 3 برابر بیشتر
است. چنانچه رواناب رودخانه خیلی نامنظم باشد، تعداد زیادی
توربین با توان یکسان لازم است. اما در چنین حالتی نصب چندین
توربین غیرمنطقی است و بکارگیری توربین هایی با توان های مختلف
عقلانی تر است. توربین اول با توجه به توان کمتر و براساس کمترین
دبی ممکنه انتخاب می شود. مینیمم انتقال توربین بعدی نباید به
ماکزیمم دبی توربین اول برسد. مینیمم انتقال توربین سوم باید با
(kt c +k + k +... + k ) k
2
tc
3
tc tc
m
ru
tc
ts*
ts* tl* tl*
انسان و محیط زیست
46
www.irsen.org : سایت اینترنتی انجمن متخصصان ایران
k و m جدول شماره 1. عبارت برای مقادیری از
شکل شماره 1
شکل شماره 2
(k t c+k + k +... +k ) 2 tc
3tc tc
m
tc
تعداد توربین ها
5
5
62
353
1364
4
4
30
110
340
3
3
14
39
84
2
2
6
12
20
1
1
2
3
4
1
2
3
4
k t c ضریب
دیاگرام توربین: 1 نقطه رژیم اسمی
2 خطوط
3 خط رژیم بهینه
انسان و محیط زیست
47
www.irsen.org : سایت اینترنتی انجمن متخصصان ایران
با ایجاد جریان منتاوب ایده رژیم توربی نهای با سرعت متغیر تحقق
میی‌ابد. در این حالت دامنه نوسانات توربین محدود و قابل کنترل بوده
و می توان برحسب میزان موردنیاز آن را کنترل کرد. کنترل نوسانات
هیدروپ کی هدف ما در جهت کاهش اثرات مخرب مولد برقابی را تأمین
میک‌ند.
و ηt − Q ،n - Q در کی توربین مشخص رابطه بین پارامترهای
سرعت چرخشی برحسب دور بر دقیقه( ( n معلوم است. با داشتن Pt − Q
بازده توربین( م یتوان رابط های سینوسی بین این دو متغیر برقرار ( ηt و
نوشت. با Q و n را برحسب ηt و لذا م یتوان Q تابعی است از n . کرد
رابطه کلی توان توربین برحسب ،)H( داشتن مقداری ثابت برای هد آب
دبی و راندمان به فرم کلی زیر قابل ارائه خواهد بود:
)5(
m ،Q هد آب برحسب KW ،H توان توربین برحسب Pt که در آن
ηt 9 و / حاص لضرب هد آب در عدد 81 α ، m /s دبی جریان برحسب
بازده توربین خواهد بود. این معادله برای بررسی رژیم کار نمونه، مورد
استفاده قرار م یگیرد. باید دانست که انتخاب چنین پارامتری به عنوان
و بزرگی بار توان )rpm( فرکانس کاملاً مستقل از فرکانس چرخشی توربین
مولد است. به این ترتیب می توان رژیم مستقلی برای دبی های مختلف و
فرکانس چرخشی توربین به دست آورد.
در این حالت با وجود آنکه دامنه تغ ییرات دبی وسیع است، اما تغ ییرات
ولتاژ بسیار کم و شدت جریان در آن بسیار محدود خواهد بود. این
خصوصیات م یتواند هماهنگی مناسبی بین توربین و جریا نهای رودخانه
برقرار میک‌ند.
نتیج هگیری و بحث
اقدامات عملی که در جهت حفظ زیستگاه و کاهش هیدروپ کی مولدهای
برقابی می توان انجام داد به این شرح است:
• طراحی تعریض رودخانه باید تا آنجا که ممکن است بزرگ، طولانی و
قطع هبندی شده باشد. خاکریز بازسازی شده باید کاملاً نش تبندی شود تا
از صعود سطح ایستابی در مناطق مسکونی جلوگیری کند.
• به منظور تضعیف هیدروپ کیها در رودخان ههای منتهی به دریاچه، آب
عبوری از توربین باید در حوضچه آرامش یا مخازن زیرزمینی پیش از ورود
به رودخانه ذخیره شوند.
• قطع و وصل یکنواخ تتر و آرا متر توربی نها م یتواند منجر به تولید
اینچنینی » ملایم « هیدروپ کیهایی با سرعت آرا متری شود. رو شهای
که در بالا با آن اشاره شد مؤثر » سخت « تنها در تر یکب با اقدامات
خواهند بود.
• بازسازی زیستگاه ماهیان در رودخانه تنها زمانی م یتواند موفقیت آمیز باشد
که پیشرف تهای ساز های با اقدامات مربوط به کمبودهای هیدرولوژ کیی
مانند هیدروپ کی و جریان رسوبی همراه باشد.
• مولدهای برقابی معمولی با کی یا چند توربین با توان کیسان محیط زیست
را منفعل کرده و خسارت وارد م یسازد.
• برای کاهش اثرات مولدهای برقابی بر جریان رودخانه و محیط زیست
باید از دو یا چند توربین با توان مختلف استفاده کرد.
• بازه انتقال توربی نهای متعامد وسیع است، لذا برای کاربر یهای گسترده
در توسعه برقاب رودخان ههای کوچک م یتوانند توصیه شوند.
• افزایش انتقا لدهی توربین، امکان راه اندازی توربین ها در سرع تهای
چرخشی متغیر را فراهم آورده و هماهن گسازی کار مولدها با محیط زیست
را فراهم می آورد.
• با ایجاد جریان منتاوب ایده رژیم توربی نهای با سرعت متغیر تحقق
میی‌ابد. در این حالت دامنه نوسانات توربین محدود و قابل کنترل بوده و
می توان برحسب میزان موردنیاز آن را کنترل کرد.
• در توربین های مذکور دامنه تغ ییرات ولتاژ نسبت به تغ ییرات دبی ناچیز
بوده و اثرات مخرب هیدروپ کی ناشی از وجود مولد برقابی به شکل
چشمگیری قابل کاهش خواهد بود.
Pt =9.81HQη t = αQηtru
3
انسان و محیط زیست
48
www.irsen.org : سایت اینترنتی انجمن متخصصان ایران
منابع
1) Loizeau, J. L., & Dominik, J. “Evolution of the Upper Rhone
River discharge and suspended sediment load during the last
80 years and some implications for Lake Geneva”. Aquatic
Sciences, 2000, No. 62.
2) Friedl, G., & Wueest, A. “Disrupting biogeochemical
cycles – consequences of damming”. Aquatic Sciences,
2002, No. 64.
3) Cereghino, R., & Lavandier, P. “Influence of hypolimnetic
hydropeaking on the distribution and population dynamics
of Ephemeroptera in a mountain stream”. Freshwater Biology,
1998, No. 40.
4) Meier, W., Bonjour, C., Wueest, A., & Reichert, P. “Modeling
the effect of water diversion on the temperature of mountain
streams”. Journal of Environmental Engineering-ASCE, 2003,
No. 129.
5) Balcciunas, P.; & Zdankus, N,” Harmonization of
hydropower plant with the environment”, Journal of
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2005, No. 11
6) Schaelchli, U. “Basic equations for siltation of riverbeds”.
Journal of Hydraulic Engineering, 1995, No. 121.
7) Brunke, M., & Gonser, T. “The ecological significance of
exchange processes between rivers and groundwater”.
Freshwater Biology, 1997, No. 37.
8) Schmetterling, D. A., Clancy, C. G., & Brandt, T. M. “Effects
of riprap bank reinforcement on stream salmonids in the
western United States”. Fisheries, 2001, No. 26.
9) Moog, O. “Quantification of daily peak hydropower effects
on aquatic fauna and management to minimize environmental
impacts”. Regulated Rivers Research & Management, 1993,
No. 8.
10) Harvey A. “Micro-hydro design manual. A guide to
small-scale water power schemes”. UK: Intermediate
Technology Publications; 1993.
11) Z¡ dankus N. “Small power turbine modi.cation possibilities.
Renewable energy in agriculture”. Proceedings of inter
national conference. Raudondvaris, 1999.
انسان و محیط زیست
49
www.irsen.org : سایت اینترنتی انجمن متخصصان ایران
New methods on coordination between hydropower plants
and environment
B. Naghavi, Master student of Hydraulic structures, Water Engineering Faculty, Mashhad Ferdousi
University ben_na80@yahoo.com
M. Hosseinpour Tehrani, Master student of Hydraulic structures, Water Engineering Faculty, Mashhad
Ferdousi University
F. Kourosh Vahid, Msc. of Hydraulic structures, Water Engineering Faculty, Mashhad Ferdousi
University
Abstract
The Hydro peaks induced by frequent starting
and stopping of hydropower plant turbines are
considered to cause the erosion of riverbed, more
sediment generated, reduced permeability of the
riverbank and also their regularity and high
temporal frequency produce grave impacts on
river environment. Low fluctuation of natural river
flow leads to low harm and provide best situation
for environment. Thus, rehabilitation and hydro
peak reduction of hydropower plant are the effective
affairs for environment support. This can be
realized by a combination of different hard technical
and soft operational measures such as retention
reservoirs or slower up and down ramping of
turbines. The characteristics of several turbine types
are analyzed. The carrying capacity of a cross flow
turbine is regarded to have the widest range. In
addition, the width of the range may be expanded
with special auxiliary equipment. This type of
turbine is equivalent to two or even three turbines of
varying capacities, and it can handle the discharges
from any season. Rehabilitation and change in
hydropower plant turbine for hydro peak reduction
are discussed in this study and results show the
efficiency of these changes.
Key words: Hydro peak, Turbine, Rehabilitation,
Environment

Loizeau, J. L., & Dominik, J. “Evolution of the Upper Rhone
River discharge and suspended sediment load during the last
80 years and some implications for Lake Geneva”. Aquatic
Sciences, 2000, No. 62.
2) Friedl, G., & Wueest, A. “Disrupting biogeochemical
cycles – consequences of damming”. Aquatic Sciences,
2002, No. 64.
3) Cereghino, R., & Lavandier, P. “Influence of hypolimnetic
hydropeaking on the distribution and population dynamics
of Ephemeroptera in a mountain stream”. Freshwater Biology,
1998, No. 40.
4) Meier, W., Bonjour, C., Wueest, A., & Reichert, P. “Modeling
the effect of water diversion on the temperature of mountain
streams”. Journal of Environmental Engineering-ASCE, 2003,
No. 129.
5) Balcciunas, P.; & Zdankus, N,” Harmonization of
hydropower plant with the environment”, Journal of
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2005, No. 11
6) Schaelchli, U. “Basic equations for siltation of riverbeds”.
Journal of Hydraulic Engineering, 1995, No. 121.
7) Brunke, M., & Gonser, T. “The ecological significance of
exchange processes between rivers and groundwater”.
Freshwater Biology, 1997, No. 37.
8) Schmetterling, D. A., Clancy, C. G., & Brandt, T. M. “Effects
of riprap bank reinforcement on stream salmonids in the
western United States”. Fisheries, 2001, No. 26.
9) Moog, O. “Quantification of daily peak hydropower effects
on aquatic fauna and management to minimize environmental
impacts”. Regulated Rivers Research & Management, 1993,
No. 8.
10) Harvey A. “Micro-hydro design manual. A guide to
small-scale water power schemes”. UK: Intermediate
Technology Publications; 1993.
11) Z¡ dankus N. “Small power turbine modi.cation possibilities.
Renewable energy in agriculture”. Proceedings of inter
national conference. Raudondvaris, 1999.