ارزیابی عدم قطعیت در تولید انرژی برق‏ آبی تحت شرایط تغییر اقلیم- بابک ذوالقدر اصلی؛ امید بزرگ حداد- گروه عطران

0

پیش‏بینی‏ ها نشان می‏دهند که منطقه خاورمیانه از اثرات ناشی از پدیده تغییر اقلیم در امان نخواهد بود. از همین‏رو در تحقیق حاضر و به‌منظور ارزیابی میزان اثرپذیری نیروگاه‌های برق‌آبی به‌عنوان یکی از منابع تولید انرژی پاک، با کمک مدل گردش عمومی جو CanESM2، رفتار اقلیمی حوضه کرخه در اثر سه سناریوی اقلیمی RCP 2.6، RCP 4.5 و RCP 8.5 پیش‌بینی گردید.

نتایج مذکور، با کمک روش ریزمقیاس‌نمایی تناسبی و مدل ریزمقیاس‌نمایی آماری ریزمقیاس گردیدند. در ادامه و با بهره‌گیری از مدل بارش-رواناب IHACRES، نتایج مذکور برای شبیه‌سازی رفتار آب‏شناختی منطقه استفاده گردیدند. در گام انتهایی، میزان تولید انرژی برق‌آبی برای چهار سامانه مخزن سری با کمک داده‌های دوره پایه و تغییر اقلیم شبیه‌سازی شد.

به طور کلی، برای تحلیل نتایج بدست آمده و عدم قطعیت آنها، علاوه بر بهره‏گیری از شاخص‏های متداول آماری، از معیارهای کارآیی اطمینان‌پذیری، برگشت‌پذیری و آسیب‌پذیری استفاده گردید. برای نمونه تحلیل کارآیی سامانه‏های برق‏آبی در دوره تغییر اقلیم نشان دادند که بهترین عمل‏کرد با توجه به معیارهای اطمینان‌پذیری، برگشت‌پذیری و آسیب‌پذیری به ترتیب در ماه‌های مه (80%)، دسامبر (45%) و آوریل (19%) رخ خواهد داد.

به طور کلی نتایج نشان دادند که هر چند احتمال بروز شکست در سامانه‌ها در حال کاهش هستند و همین‌طور در صورت بروز این شکست‌ها احتمال خارج شدن از وضعیت شکست برای سامانه‌ها افزایش می‌یابد، اما انتظار می‌رود شدت شکست‌های احتمالی در سامانه در دوره تغییر اقلیم افزایش یابد.

کلمات کليدي: تغییر اقلیم، انرژی برق‏آبی، انرژی تجدیدپذیر، مدیریت منابع آب، بهره‏برداری از مخزن، عدم قطعیت.

 

  • مقدمه

امروزه، به واسطه رشد سریع جمعیت و بالا رفتن سطح رفاه جوامع، بسیاری از کشورها در تامین انرژی برق مورد نیاز خود دچار مشکل هستند. بر اساس گزارش‏های سازمان جهانی انرژی در سال 2014 مقدار کل منابع اصلی انرژی برابر با 699’13 Mtoe برآورد شده است، که این مقدار نسبت به سال 2012، 5/2 درصد افزایش یافته است. از طرفی، در حدود 81 درصد از منابع اصلی انرژی طی سال‏های مذکور با استفاده از نوعی از سوخت‌های فسیلی تامین شده است.

انتظار می‌رود که با توجه به نرخ رشد جمعیت و افزایش سرانه مصرف، این مقادیر در حال افزایش باشند، به خصوص اینکه، پیش‏بینی‏ها نشان می‏دهند که نرخ افزایش جمعیت در مناطق شهرنشین، که سرانه مصرف انرژی بیش‌تری نیز دارند، بالاتر خواهد بود.

از طرفی باید در نظر داشت که منابع اصلی تامین انرژی، به علت محدود بودن ذخایر سوخت‏های فسیلی و همچنین خسارت‏های زیست‏محیطی نمی‌توانند به عنوان پاسخی بلندمدت برای تامین نیاز انرژی جوامع در نظر گرفته شوند (دینسر و ایسار[1]، 2015؛ ذوالقدر اصلی[2] و همکاران، 2018).

منابع جایگزین سوخت‏های فسیلی باید قادر باشند تا علاوه بر وارد کردن کم‏ترین میزان خسارت‏های زیست‏محیطی (نظیر انتشار گاز‏های گلخانه‏ای)، به راحتی و در تمامی نقاط دنیا نیز قابل استحصال باشند. منابع انرژی دوست‏دار محیط زیست که قادرند تا به عنوان جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی معرفی شوند عبارتند از:

انرژی خورشیدی، باد، اقیانوس، برق‏آبی، زیست‏توده و زمین‏گرمایی. هر چند باید در نظر داشت که پیشرفت فن‏آوری و ماهیت ذاتی منابع یاد شده با یکدیگر تفاوت دارد. برای نمونه، انرژی خورشیدی و باد، به دلیل ذات نوسان‌پذیرشان، نمی‌توانند به عنوان جایگزینی مطمئن برای تامین نیاز انرژی در نظر گرفته شوند. در مقابل اما انرژی برق‌آبی به دلیل خصوصیت‏های منحصر به فردی که دارد،

قادر است تا به عنوان گزینه مکمل و یا جایگزین برای سوخت‏های فسیلی در نظر گرفته شود. در حال حاضر انرژی برق‌آبی، با اختلاف، بیش‌ترین سهم در تولید انرژی را در بین منابع پایدار دارا است (IPCC، 2014). هر چند در مورد انرژی برق‏آبی باید در نظر داشت که محرک اصلی نیروگاه‏های برق‌آبی چرخه آب‌شناختی است که خود از عوامل اقلیمی حاکم بر منطقه اثر می‌پذیرد.

در نتیجه این امر، وضعیت منابع آب و در نتیجه میزان برق تولید شده توسط سامانه‌های برق‌آبی به اقلیم منطقه و تغییرات محتمل آن وابسته خواهد بود.

تغییر اقلیم به هر گونه تغییرات در الگوی رفتاری بلند‌مدت پدیده‌های هواشناسی اطلاق می‌شود. این تغییرات می‌توانند دوره‌های زمانی ده ساله تا یک میلیون ساله را در بر‌گیرند. امروزه پدیده تغییر اقلیم، به دلیل وجود شواهد مختلف، به یک واقعیت انکارناپذیر تبدیل شده است؛

هر چند هنوز بحث پیرامون عوامل، نحوه و شدت اثرگذاری آن در محافل علمی ادامه دارد (ذوالقدر اصلی و همکاران، 1394). کشور ما نیز از اثرات ناشی از این پدیده در امان نبوده و با توجه به قرار گرفتن در عرض‌های جغرافیایی پایین، گمان می‌رود بیش‌ترین پیامدهای منفی این پدیده را متحمل خواهد شد (لین[3] و همکاران، 1999).

از نمونه مطالعات اثرات تغییر اقلیم بر انرژی برق‏آبی می‏توان به تحقیقات لنر[4] و همکاران (2005) اشاره مرد که در آن با کمک یک تحلیل مدل-محور به بررسی تاثیر تغییر اقلیم بر روی پتانسیل تولید انرژی برق‌آبی اروپا پرداختند. نتایج این مطالعه نشان دادند که با توجه به پدیده تغییر اقلیم، روندهای ناپایدار منطقه‌ای در پتانسیل برق‌آبی به خصوص برای کشورهای جنوبی و جنوب شرقی اروپا، قابل انتظار خواهد بود.

در تحقیقی دیگر، مینوایل[5] و همکاران (2009) مدیریت تطبیقی سامانه منابع آب کانادا را با رویکرد بهره‌برداری انرژی برق‌آبی، در اثر پدیده تغییر اقلیم مورد بررسی قرار دادند. نتایج این بررسی نشان دادند که تغییر اقلیم، معیار اطمینان‌پذیری مخزن را کاهش داده (نامناسب) و در مقابل معیار آسیب‌پذیری آن را افزایش خواهد داد (نامناسب).

لازم به ذکر است که همواره پدیده تغییر اقلیم با افت عملکرد سامانه‏های برق‏آبی همراه نخواهد بود. برای نمونه، لی[6] و همکاران (2011) در مطالعه خود بر روی اثرات پدیده تغییر اقلیم بر سامانه منابع آب حوضه رودخانه کلمبیا، آمریکا، نشان دادند که می‌توان با استفاده از رویکرد مدیریتی مناسب میزان تولید انرژی برق‏آبی را در دوره تغییر اقلیم افزایش داد.

همان‌طور که نشان داده شد، بررسی اثرات پدیده تغییر اقلیم، به خصوص در مورد سامانه‌های تولید انرژی برق‏آبی، که به شدت از تغییرات محتمل در وضعیت اقلیمی تاثیر می‌پذیرند، از الزامات دست‌یابی به یک طراحی، بهره‏برداری و مدیریت مناسب به شمار می‌رود. برای این منظور لازم است تا مبانی مورد استفاده در پیش‏بینی‏های اقلیمی به طور مرتب به‏روز رسانی شوند، تا دید دقیق‏تری از شرایط منتج از پدیده تغییر اقلیم حاصل شود.

از همین‌رو، تحقیق پیش‌رو تلاش دارد تا با بررسی اثرات منتج از پدیده تغییر اقلیم بر حوضه کرخه، به عنوان یکی از مهم‏ترین حوضه‏های مستعد برای تولید انرژی برق‏آبی در کشور، عمل‌کرد برخی از سامانه‌های تولید انرژی برق‌آبی منطقه را مورد ارزیابی قرار دهد. برای این منظور، ابتدا وضعیت اقلیمی حوضه در اثر سناریوهای به‏روز شده کمیته بین‏ دولتی تغییر اقلیم[7] (IPCC)، که در مطالعات پیشین کم‏تر مورد توجه قرار گرفته‎اند (RCP 2.5، RCP 4.5 و RCP 8.5) ارزیابی شدند.

سپس نتایج بدست آمده به کمک روش ریزمقیاس‏نمایی تناسبی و مدل ریزمقیاس‌نمایی آماری، ریزمقیاس شدند. در انتها و پس از شبیه‏سازی رفتار آب‏شناختی منطقه، عمل‌کرد چهار سامانه مخزن که با هدف تولید انرژی برق‌آبی در مراحل طراحی (سازبن جریانی، سازبن مخزنی و کرخه جریانی) و یا آغاز بهره‌برداری (سیمره) قرار داشتند، مورد بررسی قرار گرفت.

در این مرحله از کار، برای دست‌یابی به یک ارزیابی و تحلیل‌ جامع از میزان انرژی برق‌آبی تولید شده در شرایط تغییر اقلیم، چارچوبی اصلاح‏ شده، که در عین ایجاد سهولت در محاسبات از دقت بالایی نیز برخوردار بود، بر مبنای معیار‌های کارآیی معرفی گردید. باید توجه داشت که با انجام مراحل مذکور نه‌تنها طراحی‏های انجام گرفته برای دوره پایه مورد ارزیابی قرار خواهند گرفت، بلکه میزان اثرپذیری پروژه‌های مذکور از سناریوهای تغییر اقلیم معرفی شده در گزارش‏های جدید IPCC بررسی خواهد شد.

این نتایج گام اولیه مناسبی برای انتخاب گزینه‏های موجود برای پروژه‌های برق‏آبی منطقه محسوب می‌شود؛ به نحوی که برداشت این گام اولیه مناسب، موجب می‌گردد که در آینده طرح‏های مناسب‌تری برای بهره‏برداری و مدیریت در دست باشند.

  • مواد و روش‏ها

در بخش‌های آتی، به طور مختصر، مبانی مورد استفاده در تحقیق حاضر برای بررسی پدیده تغییر اقلیم، مدل‌سازی‌های آبشناختی، شبیه‌سازی سامانه‌های برق‌آبی و در نهایت بررسی عمل‌کرد این سامانه‌ها بیان می‏گردد.

2-1- تغییر اقلیم

یکی از اصلی‌ترین هدف‌های مطالعه پدیده تغییر اقلیم، انجام پیش‌بینی چشم‌انداز اقلیم زمین است. به طور کلی، برای انجام یک پیش‌بینی اقلیمی سه مرحله کلی وجود دارد. گام ابتدایی انجام یک پیش‌بینی اقلیمی، انتخاب یک سناریو برای وضعیت پیش‌روی زمین است.

در گام بعد، وضعیت اقلیمی کره زمین شبیه‌سازی می‌شود. در این مرحله، رفتار اقلیمی زمین در قالب یک مدل تعریف شده و با توجه به سناریو انتخاب شده در مرحله پیش به‌عنوان شرایط اولیه در مدل، رفتار اقلیمی زمین شبیه‏سازی می‏شود. هر چند این پیش‌بینی‌ها به دلیل مقیاس مکانی مورد استفاده در مدل‌های گردش عمومی جو، در فواصل مکانی بزرگی انجام می‌پذیرند و نتایج آنها برای مقیاس‌های کوچک‌تری، مانند حوضه آبریز، قابل تعمیم نیستند.

برای رفع این مشکل، انجام گام دیگری که به “ریزمقایس‌نمایی” نتایج شهرت دارد، ضروری است. در این مرحله نتایج مدل‌های گردش عمومی برای مقیاس‌های کوچک‌تر اصلاح می‌شوند.

در مطالعه حاضر از نتایج جدیدترین گزارش IPCC، که از مفهوم “مسیرهای نمایان‌گر غلظت” (RCPs) بهره می‏گرفتند، برای تهییه سناریو‏های اقلیمی استفاده شد. به طور خلاصه در این گزارش، 4 مسیر کلی برای بیان میزان تشعشعات اعمالی 5/8، 6، 5/4 و W/m2 6/2، که به ترتیب به RCP 8.5، RCP 6، RCP 4.5 و RCP 2.6 نمایش داده می‌شوند، تعریف گردید

و نتایج ناشی از هر مورد تا اواخر قرن حاضر شبیه‌سازی و توسعه داده شد. اطلاعات تکمیلی در مورد سناریوهای اقلیمی در منابع قابل استخراج خواهد بود (ذوالقدر اصلی، 2017).

پس از مشخص کردن الگوی رفتاری محرک‌های اقلیمی، لازم است تا نحوه اثرگذاری آن‌ها بر اقلیم کره زمین شبیه‌سازی شود، چرا که بسیاری از سناریوهایی که تا کنون معرفی شده بودند، از محرک‌های غیراقلیمی برای تشریح وضعیت آتی کره زمین صحبت به میان می‌آوردند و در نتیجه لازم است تا این موارد به متغییرهای اقلیمی تبدیل شوند.

راه‏کار این مسأله در مدل‌های گردش عمومی جو (GCM)، که در واقع مدل‌هایی هستند که به‌منظور شبیه‌سازی اقلیم زمین توسعه داده شده‌اند و قادر هستند تا تغییرات اقلیم آینده کره زمین را پیش‌بینی کنند، نهفته است (ذوالقدر اصلی، 2017). در بین مدل‌های ارائه شده تحت پروتکل CMIP5 می‌توان به CanESM2 اشاره کرد. مدل گردش عمومی CanESM2 دومین نسل از مدل‌های اقلیمی است که توسط مرکز مدل‌سازی و تحلیل اقلیمی کانادا (CCCma)، با نظارت سازمان محیط زیست این کشور توسعه یافته است.

در این مدل، کل سطح زمین به صورت سلول‌هایی با ابعاد 128×64 کیلومتر، شبکه‌بندی شده است. در تحقیق حاضر، از این مدل برای شبیه‎سازی رفتار زمین در قبال سناریو‏های مختلف اقلیمی بهره جسته شده است.

در گام انتهایی ریزمقیاس‏نمایی نتایج قرار دارد. در تحقیق حاضر از دو روش ریزمقیاس‌نمایی تناسبی و مدل ریزمقیاس‌نمایی آماری بهره جسته شده است. ریزمقیاس‏نمایی تناسبی که یکی از روش‌های ریزمقیاس‌نمایی مکانی محسوب می‌شود، ابتدا لازم است تا یک مدل گردش عمومی جو شرایط اقلیمی را در دوره پایه مد نظر شبیه‌سازی کند، سپس مدل مذکور به تولید سناریوهای تغییر اقلیمی دما و بارش مبادرت می‌ورزد.

در انتها لازم است تا متوسط تغییرات مشاهده شده در هر ماه برای پارمترهای یاد شده بین دو حالت شبیه‌سازی در دوره پایه و دوره آتی، محاسبه گردد.

(1)
(2)

در روابط فوق، DTt = فاکتور تغییر برای دما؛ DPt = فاکتور تغییر برای بارش؛  = میانگین بلندمدت دمای شبیه‌سازی شده توسط مدل‌های گردش عمومی در دوره‌ تغییر اقلیم؛ = میانگین بلندمدت بارش شبیه‌سازی شده توسط مدل‌های گردش عمومی در دوره‌ تغییر اقلیم؛  = میانگین بلندمدت دمای شبیه‌سازی شده توسط مدل‌های گردش عمومی در دوره پایه و  = میانگین بلندمدت بارش شبیه‌سازی شده توسط مدل‌های

گردش عمومی در دوره پایه و در گام زمانی tام هستند. در این مرحله از فاکتورهای تغییر محاسبه شده برای دو متغییر بارش و دما، برای ریزمقیاس‌نمایی تناسبی داده‌های اقلیمی استفاده می‌شود.

(3)
(4)

در روابط فوق،  = سری زمانی دما در دوره پایه؛  = سری زمانی بارش در دوره پایه؛  = سری زمانی دما در دوره تغییر اقلیم و  = سری زمانی بارش در دوره تغییر اقلیم هستند.

هر چند این روش در بسیاری از موارد، به خصوص در پیش‌بینی‌ها کوتاه‌مدت‌تر اقلیمی، نتایج قابل قبولی از خود ارئه می‌دهند، اما در پاره‌ای از موارد، به دلیل دخیل نکردن متغییرهای متنوع در پیش‌بینی پارامترهای اقلیمی، الزاماً بهترین راه حل در انجام پیش‌بینی‌های اقلیمی محسوب نمی‌شوند. لذا در مطالعه حاضر از مدل ریزمقیاسنمایی آماری استفاده گردیده است که اطلاعات بیش‏تر پیرامون آن در مراجع قابل استخراج هستند (ذوالقدر اصلی، 2017، ذوالقدر اصلی و همکاران، 2018).

2-2- مدل‎سازی آب‏شناختی

مدل بارش-رواناب IHACRES، توسط جکمن و هورنبرگر[8] در سال 1993، برای اهدافی نظیر ارزیابی متغیرهای اقلیمی، از قبیل تغییرات بارش، دما و نیز تغییرات ضریب رواناب، توسعه داده شده است. این مدل همواره به دلیل نیاز کم به داده‌ها و قدرت بالا در تخمین داده‌های روزانه مورد توجه محققین، به خصوص در زمینه بررسی‌های اقلیمی، بوده است. این مدل قادر است تا بدون صرف زمان و هزینه زیاد، نتایج قابل قبولی را در سطح یک حوضه آبریز ارائه کند.

مبانی این مدل بر اساس دو ماژول غیرخطی هدررفت و خطی آب‌نمود واحد طراحی شده است. برای شبیه‌سازی آب‌نمود رواناب، مدل در ابتدا بارندگی (P) و دما (T) را در هر گام زمانی t توسط ماژول غیرخطی، به بارش موثر (u) تبدیل می‌کند. سپس به وسیله ماژول خطی آب‌نمود واحد و بارش موثر محاسبه شده در مرحله پیشین، رواناب سطحی را در هر گام زمانی تخمین می‌زند. روندنمای مدل در شکل 1 ترسیم شده است.

ارزیابی عدم قطعیت در تولید انرژی برق‏آبی تحت شرایط تغییر اقلیم- عطران

 

شکل 1- روندنمای مدل IHACRES

لازم به ذکر است که برای واسنجی و صحت‏سنجی مدل مذکور از شاخص‌های خطای نسبی (RB)، شاخص نش-ساتکلیف (NSE) و نسبت مجذور مربعات خطای میانگین به انحراف معیار داده‌های مشاهداتی (RSR) استفاده شده است، که اطلاعات تکمیلی در مورد آنها در منابع معرفی شده قابل استخراج هستند (ذوالقدر اصلی و همکاران، 2018).

2-3- شبیه‏سازی سامانه‏های برق‏آبی

همان‌طور که پیش‌تر هم بدان اشاره شد، انرژی برق‌آبی که امروزه یکی از پرکاربردترین منابع تجدیدپذیر محسوب می‌شود، در واقع، چیزی جز تبدیل انرژی پتانسیل و جنبشی آب به انرژی الکتریسته نیست. عمل‌کرد کلی این سامانه بدین ترتیب است که ابتدا آب از دریچه خروجی تعبیه شده در بدنه سد، که در مسیر آن توربین‌های نیروگاه تعبیه شده خارج می‏گردد. در واقع در این مرحله از فرآیند تولید انرژی برق‌آبی، انرژی پتانسیل و جنبشی آب ذخیره شده در مخزن به انرژی جنبشی، و البته گرمایی در توربین‌ها تبدیل می‌گردد.

سرانجام، انرژی حرکت توربین‌ها توسط مولدها به انرژی برق تبدیل خواهد شد. آب عبوری از نیروگاه نیز، در نهایت، در پایین‌دست سد وارد رودخانه می‌گردد. در انتهای این بخش با کمک مبانی و روابط ریاضی حاکم برای شبیه‌سازی چنین سامانه‏ای، تولید انرژی برق‌آبی شبیه‏سازی گردید. گفتنی است که روابط مذکور، از دید ریاضی، به دلیل داشتن قیود و روابط غیرخطی و شرطی، از جمله مسائل غیرخطی محسوب می‌شوند. در نهایت اطلاعات تکمیلی در خصوص روابط و قیود شبیه‏سازی در منابع معرفی شده قابل استخراج هشتند (ذوالقدر اصلی و همکاران، 2018).

2-4- معیارهای کارآیی

معیارهای کارآیی که در واقع ابزاری برای کمی‌سازی جنبه‌های مختلف رفتار یک سامانه هستند، به علت سهولت در محاسبه و نگرشی به نسبت جامع به عمل‌کرد سامانه، می‌توانند به‌عنوان ابزار مناسبی برای تحلیل عدم قطعیت در عمل‌کرد سامانه‌هایی که داده‌های آنها از جنس سری زمانی هستند، نیز مورد استفاده قرار گیرند. این معیار‌ها به دلیل اینکه قادرند رفتار و نوسانات موجود در یک سری زمانی را در قالب یک یا چند عدد ساده خلاصه نمایند،‌ در بسیاری از مطالعات منابع آب، به خصوص پیش‌بینی‌های انجام گرفته در خصوص تغییرات اقلیمی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

این معیار‌ها می‌توانند روابطی به سادگی میانگین‌گیری از نتایج خروجی‌، تا روابط پیچیده‌تری نظیر معیار‌های کارآیی احتمال محور (PBPC) را شامل شوند. شاید بتوان تحقیقات هاشیموتو [9] و همکاران (1982)، را به‌عنوان یکی از پیش‌گامان محاسبه ریسک و اطمینان‌پذیری مدیریت سامانه‌های منابع آب معرفی کرد. در تحقیقات ایشان، بر توسعه و بهبود مفاهیم مورد استفاده در سه معیار کارآیی PBPC تمرکز ویژه‌ای شده است که به ترتیب، اطمینان‌پذیری، برگشت‌پذیری و آسیب‌پذیری نام داشتند.

اطمینان‌پذیری معیاری است که احتمال پیروزی سامانه را مورد بررسی قرار می‌دهد و لازمه این کار، بررسی و تحلیل رفتار سامانه در یک محدوده زمانی مشخص بهره‌برداری است. اطمینان‌پذیری، بنا به تعریف، عبارت است از احتمال این‌که وضعیت در گام زمانی tام [X(r,t)]، برابر با پیروزی (S) باشد. برای محاسبه چنین احتمالی، از رابطه (5) بهره گرفته می‌شود.

(5)

که در آن، αr = اطمینان‌پذیری سامانه برای مخزن rام است. اطمینان‌پذیری، با تعبیر یاد شده در رابطه (5)، را می‌توان به‌عنوان متمم ریسک در نظر گرفت. تعبیر یاد شده می‌تواند رفتار سامانه را در قبال یک سناریو غیر قطعی، با بیان احتمال موفقیت در سامانه، که در واقع رسیدن به ظرفیت تعریف شده برای آن سامانه است، خلاصه کند. لازم به ذکر است که مقدار عددی اطمینان‌پذیری همواره بین صفر و یک قرار دارد و بیشینه‌سازی اطمینان‌پذیری در یک سامانه به‌عنوان مطلوبیت تلقی می‌شود.

برگشت‌پذیری در یک سامانه به صورت احتمال رخداد واقعه پیروزی پس از وقوع یک واقعه شکست تعریف می‌شود. به عبارت دیگر، برگشت‌پذیری انتظار عمل‌کرد موفق سامانه، پس از یک واقعه شکست (F) را بیان می‌کند. این معیار، که بنا به تعاریف ارائه شده در واقع از یک احتمال شرطی بهره می‌گیرد، به صورت رابطه (6) بیان می‌شود.

(6)

که در آن، γr = مقدار عددی معیار برگشت‌پذیری برای مخزن rام است. گفتنی است، بنا به تعاریف ارائه شده، اگر بازه شکست به صورت مجموعه‌ای از شکست‌های غیر منقطع تعریف شود، برگشت‌پذیری را می‌توان به صورت عکس متوسط بازه‌های شکست معرفی کرد. در واقع تعبیر یاد شده می‌تواند رفتار سامانه را در قبال یک سناریو غیر قطعی، با بیان احتمال بازگشت به حالت موفقیت در سامانه پس از وقوع یک واقعه شکست، خلاصه کند.

گفتنی است که مقدار عددی معیار برگشت‌پذیری همواره بین صفر و یک قرار دارد و بیشینه‌سازی برگشت‌پذیری در یک سامانه به‌عنوان مطلوبیت تلقی می‌شود.

معیار کارآیی آسیب‌پذیری به بررسی شدت شکست‌های محتمل برای یک سامانه می‌پردازد. بنا به تعریف ارائه شده، آسیب‌پذیری برای یک سامانه با کمک رابطه (7) قابل محاسبه است.

(7)

که در آن، f(r,t) = شدت شکست در مخزن rام در گام زمانی tام؛ e(r,t) = احتمال وقوع متناظر با هر شکست در مخزن rام در گام زمانی tام و υr = آسیب‌پذیری سامانه برای مخزن rام را نشان می‌دهند. کمینه‌سازی آسیب‌پذیر‌ی در یک سامانه به‌عنوان مطلوبیت تلقی می‌شود. گفتنی است که تا کنون تعابیر متفاوتی برای آسیب‏پذیری ارائه شده است که تمامی آنها نقاط ضعف‏های متعددی داشتند.

در تحقیق حاضر برای ارزیابی هر چه بهتر سامانه‏های آبی و رفع ایراد‏های رایج در فرمول‏های معرفی شده برای معیار آسیب‏پذیری، تابع وزن‏دهی معرفی شده در رابطه (8) ارئه گردیده است. معیار یاد شده همواره بین صفر و یک قرار داشته و کمینه‎‏سازی آن در یک سامانه به‌عنوان مطلوبیت تلقی می‏شود.

(8)

که در آن، PPCr = ظرفیت اسمی مخزن rام است.

در انتها لازم به ذکر است که ترکیب سه معیار فوق، هر چند قادر نیست تا تمام خصوصیات غیر قطعی یک سامانه را مورد ارزیابی و تحلیل قرار دهد، اما بی‌شک با در نظر داشتن سهولت نسبی در محاسبه این معیار‌ها و مفاهیم مورد استفاده در آنها، می‌توانند به‌عنوان رویکرد مناسبی برای تحلیل رفتار سامانه در قبال سناریو‌های تغییر اقلیم و زیست‏محیطی بهره جست.

3- معرفی منطقه مطالعاتی

حوضه کرخه که یکی از سه حوضه پر آب کشور محسوب می‌گردد، در غرب کشور و در مناطق میانی و جنوب غربی رشته کوه‌های زاگرس قرار داشته و به لحاظ تقسیم‌بندی کلی آب‏شناختی ایران، جزئی از حوضه آبریز خلیج فارس به شمار می‌رود. از لحاظ تقسیم‌بندی سیاسی، بخش اعظم حوضه آبریز رودخانه کرخه در استان‌های همدان، کرمانشاه، لرستان، ایلام، خوزستان و بخش بسیار کوچکی از آن در استان‌های کردستان و مرکزی واقع شده است.

مساحت حوضه آبریز کرخه برابر 604’51 کیلومتر مربع است و زیر حوضه‌های سیمره، کشکان و پایاب کرخه را در برمی‌گیرد. ارتفاع حوضه کرخه در مرتفع‌ترین بخش از 580’3 متر (کوه الوند)، تا 3 متر بالاتر از سطح دریا در دشت آزادگان، متغیر است. در سیمای توسعه حوضه آبریز کرخه سدهای متعددی به‌منظور تولید انرژی برق‌آبی یا تامین نیاز کشاورزی و همچنین سامانه‌های انتقال آب از حوضه مجاور تعریف شده است،

به طوری که هم اکنون علاوه بر سد بزرگ کرخه، و سد سیمره در بالادست آن به اتمام رسیده و وارد مرحله آبگیری شده چندین سد با اهداف گوناگون در فاز مطالعاتی قرار دارند. اطلاعات جامع‏تری از حوضه مذکور در منابع معرفی شده قابل یافت هستند (شرکت توسعه منابع آب و نیروی ایران، 1389).

3- نتایج و بحث

در مطالعه حاضر، از مدل CanESM2 برای شبیه‌سازی رفتار دو خصیصه پارامتر دما و بارندگی، در اثر سه سناریو RCP 2.6، RCP 4.5 و RCP 8.5 استفاده شده است. سپس نتایج مرحله پیش با کمک روش ریزمقیاس‌نمایی تناسبی و مدل ریزمقیاس‌نمایی آماری، ریزمقیاس شدند. برای نمایش هر چه بهتر اثرات پدیده تغییر اقلیمی بر آبدهی رودخانه‌های سیمره و کرخه نتایج حاصل در سه دوره زمانی 30 ساله شامل (2039-2010)، (2069-2040) و (2099-2070) نمایش داده شده و با نتایج دوره پایه (2009-1980) مقایسه شده‌اند.

در گام ابتدایی در تحقیق حاضر، به پردازش و تولید سناریوهای اقلیمی در مقیاس حوضه آبریز پرداخته شد. برای نمونه، شکل 1 تفاوت بین میانگین ماهانه بلندمدت بارندگی در دوره (2069-2040) و میانگین ماهانه بلندمدت بارندگی در دوره پایه (2009-1980) در اثر سناریو RCP 4.5 و روش ریزمقیاس‏نمایی تناسبی ارائه شده است.

شکل 1- تفاوت بین میانگین ماهانه بلندمدت بارندگی در دوره تغییر اقلیم و میانگین ماهانه بلندمدت بارندگی در دوره پایه در اثر سناریو RCP 4.5 و روش ریزمقیاس‏نمایی تناسبی

در ادامه و پس از شبیه‏سازی‏های آب‏شناختی به کمک مدل واسنجی و صحت‏سنجی شده تهیه شده و برآورد آبدهی رودخانه کرخه در شرایط اقلیمی متفاوت ترسیم شده در مراحل قبل، میزان انرژی برق‏آبی تولیده شده در هر یک از سناریوهای قابل انتظار در اثر پدیده تغییر اقلیم مورد شبیه‏سازی قرار گرفت. برای نمونه، در شکل 2 نمودار جعبه‌ای ساده برق تولید شده توسط سامانه‌های مخزن در اثر سناریو RCP 4.5 و روش ریزمقیاس‏نمایی تناسبی ارائه شده است.

شکل2- نمودار جعبه‌ای ساده برق تولید شده توسط سامانه‌های مخزن در اثر سناریو RCP 4.5 و روش ریزمقیاس‏نمایی تناسبی

در گام انتهایی و در راستای تحلیل عدم قطعیت نتایج حاصل از شبیه‏سازی‏های انجام گرفته، معیار‏های کارآیی اطمینان‏پذری، برگشت‏پذیری و آسیب‏پذیری برای سامانه‏های برق‏آبی منطقه محاسبه گردید. برای نمونه، نتایج مربوط به معیار اطمینان‏پذیری در شکل 3 خلاصه شده است.

شکل 3- مقایسه معیار اطمینان‏پذیری سامانه‏های مخزن در دوره پایه و تغییر اقلیم

 

4- نتيجه گيري

نتایج نشان دادند که با توجه به معیار اطمینان‏ پذیری به جز در ماه مارس، آوریل و اکتبر که به ترتیب 3، 10 و 1 درصد کاهش عمل‌کرد سامانه‌های مخزن در دوره تغییر اقلیم وجود خواهند داشت، در سایر ما‏ه‏ها احتمال بروز موفقیت در سامانه‌های مخزن افزایش خواهد یافت. معیار برگشت‏پذیری نیز بهبود وضعیت سامانه‌ها در دوره تغییر اقلیم در مقایسه با دوره پایه را متصور می‏شود. هر چند برخلاف دو معیار قبل، نتایج نشان می‏دهند که مقدار آسیب‏پذیری سامانه به جز در ماه‏های فوریه و مه که به ترتیب 2 و 6 درصد کاهش (بهبود) در مقدار معیار آسیب‏پذیری نسبت به دوره پایه وجود داشته‏ است،

در سایر ماه‏ها آسیب‏پذیری سامانه‌ها در دوره تغییر اقلیم افزایش یافته است. این مساله بر این نکته اشاره دارد که هر چند احتمال شکست‏ها در سامانه کاهش خواهد یافت و در صورت بروز این شکست‏ها، احتمال خروج سامانه‏ها از وضعیت نامطلوب به حالت پیروزی در بیش‏تر ماه‏ها افزایش خواهد یافت، اما در غالب موارد شدت این شکست‏های احتمالی نیز در مقایسه با دوره پایه در حال افزایش است. در انتها لازم است تا به اهمیت اثرگذاری پدیده تغییر اقلیم بر عمل‌کرد قابل انتظار برای سامانه‏های آبی اشاره کرد.

عموماً به دلیل طول دوره بهره‏برداری بلندمدت بسیاری از سازه‏های آبی، نظیر سامانه‏های مخزن که با هدف تولید انرژی برق‏آبی بهره‏برداری می‏شوند، به شدت در معرض اثرپذیری از چنین تغییرات احتمالی در اقلیم حاکم بر منطقه هستند، به نحوی که عدم توجه به این پدیده قادر است تا عمر مفید این سامانه‏ها را به طرق مختلف دست‏خوش تغییراتی نامساعد کند. از همین‏رو است که توصیه می‏شود در مراحل مختلف طراحی، جانمایی، بهره‏برداری و مدیریت این قبیل سامانه‏ها، اثرات محتمل پدیده تغییر اقلیم به درستی مورد ارزیابی قرار گیرند.

یکی دیگر از نکات مهمی که از نتایج مذکور قابل استنباط است، کاربرد عدم قطعیت در تحلیل عمل‌کرد و انتخاب یک مجموعه به‌عنوان بهترین گزینه است. همان‏طور که پیش از این نیز بدان اشاره شد، عدم قطعیت در تغییر اقلیم به گونه‏ای است که شرایط گوناگونی را برای آینده اقلیمی یک منطقه متصور می‏شود و این پیش‏بینی‏ها الزاماً در یک راستا نیستند. از همین‌رو است که انتخاب یک طرح مناسب و یا تعیین سیاست مدیریتی و بهره‏برداری کارآمد در این شرایط بسیار دشوار خواهد بود.

بی‏شک، برای انتخاب یک طرح لازم است تا تمامی جوانب موثر در فرآیند تصمیم‏گیری لحاظ گردد. برای نمونه، یک طرح پیشنهادی تنها زمانی مناسب شمرده می‏شود که، نه‌تنها به طور متوسط در سناریو‏های محتمل عمل‌کرد مناسب و قابل قبولی را از خود نشان‏دهد، بلکه، از دید اقتصادی، اجتماعی، صنعتی، سیاسی و کشاورزی نیز توجیه‏پذیر باشد.

منابع

شرکت توسعه منابع آب و نیروی ایران (1389). ” مطالعات برنامه‏ریزی منابع آب.” مطالعات سیستمی حوضه آبریز کرخه، جلد پنجم، 361-1.

ذوالقدر اصلی، ب.، بزرگ حداد، ا.، و خلقی، م. (1394). “مروری بر عوامل موثر بر تغییر اقلیم.” دومین کنفراس بین‏ المللی توسعه پایدار، راه‏کارها و چالش‌ها، تبریز، 6-4 اسفند.

Dincer, I. & Acar, C. (2015). “A review on clean energy solutions for better sustainability.” International Journal of Energy Research, 39(5), 585-606.

IPCC, (2014). “Climate change 2014: Impacts, adaptation, and vulnerability.” Contribution of working Group II to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY.

Hashimoto, T., Stedinger, J.R., & Loucks, D.P. (1982). “Reliability, resiliency, and vulnerability criteria for water resource system performance evaluation.” Water Resources Research, 18(1), 14-20.

Lane, M.E., Kirshen, P.H., & Vogel, R.M. (1999). “Indicators of impacts of global climate change on U.S. water resources.” Journal of Water Resources Planning and Management, 125(4), 194-204.

Lee, S.Y., Fitzgerald, C.J., Hamlet, A.F., & Burges, S.J. (2011). “Daily time-step refinement of optimized flood control rule curves for a global warming scenario.” Journal of Water Resources Planning and Management, 137(4), 309-317.

Lehner, B., Czisch, G., & Vassolo, S. (2005). “The impact of global change on the hydropower potential of Europe: A model-based analysis.” Energy Policy, 33(7), 839-855.

Minville, M., Brissette, F., Krau, S., & Leconte, R. (2009). “Adaptation to climate change in the management of a Canadian water-resources system exploited for hydropower.” Water Resources Management, 23(14), 2965-2986.

Zolghadr-Asli, B. (2017). “Discussion of “Multiscale assessment of the impacts of climate change on water resources in Tanzania” by Umesh Adhikari, A. Pouyan Nejadhashemi, Matthew R. Herman, and Joseph P. Messina.” Journal of Hydrologic Engineering, 22(8), 07017010.

Zolghadr-Asli, B., Bozorg-Haddad, O., & Chu, X. (2018). “Effects of the uncertainties of climate change on the performance of hydropower systems.” Journal of Water and Climate Change, jwc2018120.

اشتراک:

درباره نویسنده

نظرات بسته اند

برچسب‌ها : % % % % % % % % %
Call Now Button