การวัดอัตราการไหลและปริมาณตะกอนสำหรับโครงการเขื่อนสามหุบเขา

เชิงนามธรรม
ปัญหาการไหลและตะกอนเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ส่งผลกระทบต่อการควบคุมการจ่ายน้ำและอายุการใช้งานของโครงการเขื่อนสามหุบเขา (TGP) มีการใช้แนวทางต่างๆ มากมายในการวิจัยปัญหาการไหลและตะกอนของ TGP ตลอดช่วงการสาธิต การวางแผน การออกแบบ การก่อสร้าง และการดำเนินงาน และได้ผลลัพธ์ที่สำคัญหลายประการ เพื่อทำความเข้าใจความก้าวหน้าของการวัดการไหลและตะกอนในโครงการที่เป็นตัวแทนของจีนและประสบการณ์การสังเกตตะกอนในอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ บทความนี้จึงนำเสนอการวัดการไหลและตะกอนของ TGP เป็นหลัก ซึ่งรวมถึงสถานการณ์ทั่วไปของ TGP การกระจายตัวของเครือข่ายสถานีอุทกวิทยา ปัจจัยการวัด เทคโนโลยีการวัดใหม่ และการเปลี่ยนแปลงของตะกอนในอ่างเก็บน้ำและพื้นที่ท้ายน้ำหลังจากสร้างเขื่อน TGP ผลการวัดตะกอนแสดงให้เห็นว่าสถานการณ์พื้นฐานของปัญหาตะกอนอยู่ในเกณฑ์ดี และปัญหาตะกอนเหล่านี้อาจสะสม พัฒนา และเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา ดังนั้นจึงควรให้ความสนใจอย่างต่อเนื่อง

1 บทนำ
โครงการเขื่อนสามหุบเขา (Three Gorges Project หรือ TGP) เป็นโครงการอนุรักษ์น้ำและผลิตไฟฟ้าพลังน้ำที่ใหญ่ที่สุดในโลก เขื่อนตั้งอยู่ที่ซานโต่วผิง เมืองอี้ฉาง มณฑลหูเป่ย ซึ่งเป็นเส้นแบ่งระหว่างตอนกลางและตอนบนของแม่น้ำแยงซี เขื่อนควบคุมพื้นที่ลุ่มน้ำ 1 ล้านตารางกิโลเมตร และปริมาณน้ำไหลเฉลี่ยต่อปีสูงถึง 451,000 ล้านลูกบาศก์เมตร ด้วยความจุในการกักเก็บน้ำเพื่อป้องกันน้ำท่วม 22.15 พันล้านลูกบาศก์เมตร โครงการนี้มีบทบาทสำคัญในการควบคุมน้ำท่วมในลุ่มแม่น้ำแยงซี โดยมีระดับน้ำปกติที่ 175 เมตร ความจุในการกักเก็บน้ำทั้งหมดของอ่างเก็บน้ำคือ 39,300 ล้านลูกบาศก์เมตร และ 22,150 ล้านลูกบาศก์เมตรเป็นความจุในการควบคุมน้ำท่วม การพัฒนาโครงการ TGP มุ่งเน้นไปที่การป้องกันน้ำท่วม การผลิตไฟฟ้า และการขนส่งทางน้ำ นอกจากนี้ยังจะช่วยปรับปรุงสภาพแวดล้อมทางนิเวศวิทยา ในช่วงเวลาดังกล่าว โครงการได้มอบผลประโยชน์อย่างครอบคลุมในด้านการควบคุมน้ำท่วม การเดินเรือ การผลิตไฟฟ้า และการใช้ทรัพยากรน้ำ

เขื่อนสามหุบเขา (TGP) เป็นส่วนสำคัญของระบบควบคุมอุทกภัยในแม่น้ำแยงซีตอนกลางและตอนล่าง โดยควบคุมปริมาณน้ำไหลเข้าสู่แม่น้ำจิงเจียง ซึ่งเป็นช่วงแม่น้ำที่อันตรายที่สุดในช่วงน้ำท่วมถึง 96% และควบคุมปริมาณน้ำไหลเข้าสู่เมืองอู่ฮั่นมากกว่าสองในสาม เขื่อนสามหุบเขามีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการบรรเทาอุทกภัยและลดปริมาณน้ำท่วมครั้งใหญ่ในแม่น้ำแยงซีตอนบน ภายในสิ้นเดือนสิงหาคม เขื่อนได้กักเก็บน้ำไว้ถึง 180 พันล้านลูกบาศก์เมตรในช่วงฤดูน้ำท่วม ในปี 2010 และ 2012 มีปริมาณน้ำไหลเข้ามากกว่า 70,000 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาที และช่วยลดระดับน้ำท่วมสูงสุดลงประมาณ 40% ช่วยลดแรงกดดันในการควบคุมน้ำท่วมในพื้นที่ปลายน้ำได้อย่างมาก ในช่วงฤดูแล้ง ปริมาณการปล่อยน้ำได้เพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 5,500 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาที ทำให้มีน้ำมากกว่า 20 พันล้านลูกบาศก์เมตรต่อปีสำหรับแม่น้ำแยงซีตอนกลางและตอนล่าง

การสังเกตการณ์ต้นแบบดำเนินการเพื่อสนับสนุนการวิจัยตะกอน การก่อสร้าง และการดำเนินงานของเขื่อนสามหุบเขาในแต่ละช่วงเวลา การวัดต้นแบบถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของปริมาณน้ำไหลและปริมาณตะกอนในลำน้ำสายหลักของแม่น้ำแยงซี รวมถึงการเปลี่ยนแปลงและวิวัฒนาการของพื้นแม่น้ำ การกระจายตัวของสถานที่ต่างๆ แสดงในรูปที่ 1 ผลการสังเกตการณ์ในปัจจุบันโดยพื้นฐานแล้วสอดคล้องกับขั้นตอนการศึกษาความเป็นไปได้ (Lu & Huang, 2013) แต่เนื่องจากการลดลงของตะกอนต้นน้ำและการสร้างอ่างเก็บน้ำแบบเรียงลำดับบนแม่น้ำจินซาหลังปี 1990 ทำให้การสะสมตะกอนของอ่างเก็บน้ำสามหุบเขา (TGR) น้อยกว่าแต่ก่อนมาก ส่งผลให้การกัดเซาะพื้นแม่น้ำรุนแรงและกว้างขวางมากขึ้นในบริเวณปลายน้ำของเขื่อนสามหุบเขา

2. ระบบการออกแบบและการวัดเครือข่ายอุทกวิทยา
เพื่อรวบรวมข้อมูลพื้นฐานและให้บริการสำหรับการก่อสร้างทางวิศวกรรมลุ่มน้ำ คณะกรรมการทรัพยากรน้ำแม่น้ำฉางเจียงได้ทยอยจัดตั้งสถานีอุทกวิทยาจำนวนมากตามลำน้ำสายหลักและลำน้ำสาขาของแม่น้ำแยงซีตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา ภายในทศวรรษ 1990 เครือข่ายสถานีอุทกวิทยาและเครือข่ายตรวจสอบตะกอนดินได้ก่อตัวขึ้นอย่างสมบูรณ์ โดยประกอบด้วยสถานีอุทกวิทยา 118 แห่ง และสถานีวัดระดับน้ำมากกว่า 350 แห่ง นอกจากนี้ ยังมีการสำรวจแม่น้ำและวิเคราะห์ตะกอนดินจำนวนมาก ข้อมูลการสังเกตทางอุทกวิทยาและตะกอนดินในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาได้เป็นพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับการสาธิต การออกแบบ การก่อสร้าง และการดำเนินงานของโครงการเขื่อนสามหุบเขา (TGP)

การสังเกตการณ์ต้นแบบดำเนินการเพื่อสนับสนุนการวิจัยตะกอน การก่อสร้าง และการดำเนินงานของเขื่อนสามหุบเขา (TGR) ในช่วงเวลาต่างๆ หลังจากที่เขื่อนเริ่มกักเก็บน้ำในปี 2546 ปัญหาตะกอนได้ปรากฏขึ้นทั้งในบริเวณต้นน้ำและปลายน้ำ และการสังเกตการณ์ต้นแบบและการวิจัยตะกอนที่เกี่ยวข้องได้ถูกดำเนินการเพื่อสนับสนุนการดำเนินงานของเขื่อนสามหุบเขาโดยตรง เป้าหมายของการสังเกตการณ์ประกอบด้วยด้านต่างๆ ดังนี้: การทำความเข้าใจข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับสถานะของร่องน้ำธรรมชาติก่อนการกักเก็บน้ำอย่างสมบูรณ์; การใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการตัดสินใจเกี่ยวกับแผนการกักเก็บน้ำแบบเป็นงวด; การตรวจสอบแบบเรียลไทม์ของการเปลี่ยนแปลงของการกัดเซาะและการสะสมตะกอนทั้งในบริเวณต้นน้ำและปลายน้ำหลังจากกักเก็บน้ำ และการค้นหาปัญหาเพื่อดำเนินการแก้ไขได้ทันท่วงที; การตรวจสอบความถูกต้องของเทคโนโลยีการจำลองที่ใช้ และเพิ่มความน่าเชื่อถือของการพยากรณ์ตะกอนของเขื่อนสามหุบเขา

ขอบเขตการสังเกตต้นแบบตะกอนทางอุทกวิทยาครอบคลุมพื้นที่อ่างเก็บน้ำ บริเวณเขื่อน และบริเวณตอนล่างของแม่น้ำ ตั้งแต่ปี 1949 เป็นต้นมา ข้อมูลการสังเกตต้นแบบและผลการวิจัยวิเคราะห์จำนวนมากได้ถูกสะสมไว้โดยอาศัยการวัดตะกอน การสังเกตลำน้ำ และการสำรวจตรวจสอบมาเป็นเวลานาน ซึ่งตอบสนองความต้องการในการวางแผน การออกแบบ และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในขั้นตอนการกำหนดแนวทาง ขั้นตอนการก่อสร้างเป็นขั้นตอนชั่วคราวเพื่อสานต่อขั้นตอนการกำหนดแนวทาง และระยะเวลาการก่อสร้างทั้งหมดคือ 17 ปี ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสังเกตการเปลี่ยนแปลงของปริมาณน้ำไหล ตะกอน และเงื่อนไขขอบเขตอย่างต่อเนื่อง สิ่งนี้ไม่เพียงแต่เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการออกแบบ การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การก่อสร้าง และการดำเนินงานเท่านั้น แต่ยังใช้สำหรับการตรวจสอบและปรับปรุงการออกแบบและกฎระเบียบให้เหมาะสมอีกด้วย

ปัจจัยการตรวจสอบหลักๆ ได้แก่ อุทกวิทยา ตะกอน และลักษณะภูมิประเทศของลำน้ำ การสำรวจลักษณะภูมิประเทศของลำน้ำมีจุดประสงค์หลักเพื่อศึกษาความสม่ำเสมอของการเปลี่ยนแปลงของลำน้ำในพื้นที่ การสะสมของตะกอนในอ่างเก็บน้ำ การกัดเซาะในพื้นที่ท้ายน้ำ และการเปลี่ยนแปลงของช่วงลำน้ำสำคัญๆ หลังจากการสร้างเขื่อนสามหุบเขา

2. ระบบการออกแบบและการวัดเครือข่ายอุทกวิทยา
เพื่อรวบรวมข้อมูลพื้นฐานและให้บริการสำหรับการก่อสร้างทางวิศวกรรมลุ่มน้ำ คณะกรรมการทรัพยากรน้ำแม่น้ำฉางเจียงได้ทยอยจัดตั้งสถานีอุทกวิทยาจำนวนมากตามลำน้ำสายหลักและลำน้ำสาขาของแม่น้ำแยงซีตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เป็นต้นมา ภายในทศวรรษ 1990 เครือข่ายสถานีอุทกวิทยาและเครือข่ายตรวจสอบตะกอนดินได้ก่อตัวขึ้นอย่างสมบูรณ์ โดยประกอบด้วยสถานีอุทกวิทยา 118 แห่ง และสถานีวัดระดับน้ำมากกว่า 350 แห่ง นอกจากนี้ ยังมีการสำรวจแม่น้ำและวิเคราะห์ตะกอนดินจำนวนมาก ข้อมูลการสังเกตทางอุทกวิทยาและตะกอนดินในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาได้เป็นพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับการสาธิต การออกแบบ การก่อสร้าง และการดำเนินงานของโครงการเขื่อนสามหุบเขา (TGP)

การสังเกตการณ์ต้นแบบดำเนินการเพื่อสนับสนุนการวิจัยตะกอน การก่อสร้าง และการดำเนินงานของเขื่อนสามหุบเขา (TGR) ในช่วงเวลาต่างๆ หลังจากที่เขื่อนเริ่มกักเก็บน้ำในปี 2546 ปัญหาตะกอนได้ปรากฏขึ้นทั้งในบริเวณต้นน้ำและปลายน้ำ และการสังเกตการณ์ต้นแบบและการวิจัยตะกอนที่เกี่ยวข้องได้ถูกดำเนินการเพื่อสนับสนุนการดำเนินงานของเขื่อนสามหุบเขาโดยตรง เป้าหมายของการสังเกตการณ์ประกอบด้วยด้านต่างๆ ดังนี้: การทำความเข้าใจข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับสถานะของร่องน้ำธรรมชาติก่อนการกักเก็บน้ำอย่างสมบูรณ์; การใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการตัดสินใจเกี่ยวกับแผนการกักเก็บน้ำแบบเป็นงวด; การตรวจสอบแบบเรียลไทม์ของการเปลี่ยนแปลงของการกัดเซาะและการสะสมตะกอนทั้งในบริเวณต้นน้ำและปลายน้ำหลังจากกักเก็บน้ำ และการค้นหาปัญหาเพื่อดำเนินการแก้ไขได้ทันท่วงที; การตรวจสอบความถูกต้องของเทคโนโลยีการจำลองที่ใช้ และเพิ่มความน่าเชื่อถือของการพยากรณ์ตะกอนของเขื่อนสามหุบเขา

ขอบเขตการสังเกตต้นแบบตะกอนทางอุทกวิทยาครอบคลุมพื้นที่อ่างเก็บน้ำ บริเวณเขื่อน และบริเวณตอนล่างของแม่น้ำ ตั้งแต่ปี 1949 เป็นต้นมา ข้อมูลการสังเกตต้นแบบและผลการวิจัยวิเคราะห์จำนวนมากได้ถูกสะสมไว้โดยอาศัยการวัดตะกอน การสังเกตลำน้ำ และการสำรวจตรวจสอบมาเป็นเวลานาน ซึ่งตอบสนองความต้องการในการวางแผน การออกแบบ และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในขั้นตอนการกำหนดแนวทาง ขั้นตอนการก่อสร้างเป็นขั้นตอนชั่วคราวเพื่อสานต่อขั้นตอนการกำหนดแนวทาง และระยะเวลาการก่อสร้างทั้งหมดคือ 17 ปี ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสังเกตการเปลี่ยนแปลงของปริมาณน้ำไหล ตะกอน และเงื่อนไขขอบเขตอย่างต่อเนื่อง สิ่งนี้ไม่เพียงแต่เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการออกแบบ การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การก่อสร้าง และการดำเนินงานเท่านั้น แต่ยังใช้สำหรับการตรวจสอบและปรับปรุงการออกแบบและกฎระเบียบให้เหมาะสมอีกด้วย

ปัจจัยการตรวจสอบหลักๆ ได้แก่ อุทกวิทยา ตะกอน และลักษณะภูมิประเทศของลำน้ำ การสำรวจลักษณะภูมิประเทศของลำน้ำมีจุดประสงค์หลักเพื่อศึกษาความสม่ำเสมอของการเปลี่ยนแปลงของลำน้ำในพื้นที่ การสะสมของตะกอนในอ่างเก็บน้ำ การกัดเซาะในพื้นที่ท้ายน้ำ และการเปลี่ยนแปลงของช่วงลำน้ำสำคัญๆ หลังจากการสร้างเขื่อนสามหุบเขา

เซ็นเซอร์วัดระดับน้ำและความเร็วการไหลของน้ำแบบเรดาร์ เหมาะสำหรับสถานการณ์ต่างๆ เช่น เขื่อน คลองเปิด และเครือข่ายท่อใต้ดิน สามารถตรวจสอบข้อมูลแบบเรียลไทม์ได้