การวัดการไหลและตะกอนสำหรับโครงการสามผา

เชิงนามธรรม
ปัญหาการไหลและตะกอนเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการดำเนินงานและอายุการใช้งานของโครงการสามผา (Three Gorges Project: TGP) มีการนำแนวทางมากมายมาใช้ในการวิจัยปัญหาการไหลและตะกอนของโครงการสามผา (TGP) ในระหว่างการสาธิต การวางแผน การออกแบบ การก่อสร้าง และการดำเนินงาน ซึ่งได้ผลลัพธ์ที่สำคัญมากมาย เพื่อทำความเข้าใจความก้าวหน้าของการวัดการไหลและตะกอนในโครงการต่างๆ ของจีน และประสบการณ์การสังเกตการณ์ตะกอนในอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่พิเศษ บทความนี้จึงได้นำเสนอการวัดการไหลและตะกอนของโครงการสามผาเป็นหลัก ซึ่งประกอบด้วยสถานการณ์ทั่วไปของ TGP การกระจายตัวของเครือข่ายสถานีอุทกวิทยา ปัจจัยในการวัด เทคโนโลยีการวัดใหม่ และการเปลี่ยนแปลงของตะกอนในอ่างเก็บน้ำและบริเวณท้ายน้ำหลังจากการกักเก็บโครงการสามผา ผลการวัดตะกอนแสดงให้เห็นว่าสถานการณ์พื้นฐานของปัญหาตะกอนอยู่ในเกณฑ์ดี และปัญหาตะกอนเหล่านี้อาจสะสม พัฒนา และเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา ดังนั้นจึงควรให้ความสนใจอย่างต่อเนื่อง

1 บทนำ
โครงการเขื่อนสามผา (Three Gorges Project: TGP) เป็นโครงการอนุรักษ์น้ำและผลิตไฟฟ้าพลังน้ำที่ใหญ่ที่สุดในโลก ตั้งอยู่ที่เมืองซานเต้าผิง เมืองอี้ชาง มณฑลหูเป่ย ซึ่งเป็นเส้นแบ่งระหว่างต้นน้ำและกลางน้ำของแม่น้ำแยงซีเกียง เขื่อนนี้ควบคุมพื้นที่ระบายน้ำ 1 ล้านตารางกิโลเมตร และมีปริมาณน้ำท่าเฉลี่ย 451,000 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อปี ด้วยความจุในการกักเก็บน้ำท่วม 22,150 ล้านลูกบาศก์เมตร โครงการนี้มีบทบาทสำคัญในการควบคุมน้ำท่วมในลุ่มแม่น้ำแยงซีเกียง ด้วยระดับน้ำกักเก็บปกติ 175 เมตร ทำให้อ่างเก็บน้ำมีความจุในการกักเก็บรวม 39,300 ลูกบาศก์เมตร และ 22,150 ล้านลูกบาศก์เมตรเป็นความจุในการควบคุมน้ำท่วม การพัฒนาเขื่อนสามผามุ่งเน้นไปที่การป้องกันน้ำท่วม การผลิตกระแสไฟฟ้า และการขนส่งทางน้ำ นอกจากนี้ยังช่วยปรับปรุงสภาพแวดล้อมทางนิเวศวิทยาอีกด้วย ในช่วงเวลาดังกล่าว เขื่อนได้รับประโยชน์อย่างครอบคลุมทั้งในด้านการควบคุมน้ำท่วม การเดินเรือ การผลิตกระแสไฟฟ้า และการใช้ประโยชน์จากทรัพยากรน้ำ

ในฐานะส่วนสำคัญของระบบควบคุมน้ำท่วมในพื้นที่ตอนกลางและตอนล่างของแม่น้ำแยงซีเกียง เขื่อน TGP ควบคุมปริมาณน้ำไหลเข้าแม่น้ำจิงเจียง ซึ่งเป็นแม่น้ำที่อันตรายที่สุดในช่วงน้ำท่วมถึง 96% และมากกว่าสองในสามของปริมาณน้ำไหลเข้าเมืองอู่ฮั่น เขื่อน TGP มีบทบาทสำคัญในการบรรเทาอุทกภัยและลดปริมาณน้ำท่วมใหญ่ในพื้นที่ตอนบนของแม่น้ำแยงซีเกียง ณ สิ้นเดือนสิงหาคม เขื่อนสามารถกักเก็บน้ำไว้ได้ 180,000 ล้านลูกบาศก์เมตรในช่วงฤดูน้ำหลาก ปริมาณน้ำไหลเข้าเขื่อนมากกว่า 70,000 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาทีในปี พ.ศ. 2553 และ พ.ศ. 2555 และลดระดับน้ำท่วมสูงสุดลงได้ประมาณ 40% ช่วยลดแรงกดดันในการควบคุมน้ำท่วมในพื้นที่ท้ายน้ำได้อย่างมาก ในช่วงฤดูแล้ง ปริมาณน้ำไหลออกเขื่อนเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 5,500 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาที ทำให้มีน้ำไหลเข้าเขื่อนตอนกลางและตอนล่างของแม่น้ำแยงซีเกียงมากกว่า 20,000 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อปี

การสำรวจต้นแบบนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการวิจัย การก่อสร้าง และการดำเนินงานด้านตะกอนของเขื่อนสามผา (TGP) ในช่วงเวลาต่างๆ การวัดต้นแบบถูกนำมาใช้เพื่อวิเคราะห์ความผันแปรของปริมาณน้ำท่าและปริมาณตะกอนในช่องทางหลักของแม่น้ำแยงซี รวมถึงการเปลี่ยนแปลงและวิวัฒนาการของพื้นแม่น้ำ การกระจายตัวของพื้นที่แสดงไว้ในรูปที่ 1 ผลการสังเกตการณ์ในปัจจุบันโดยพื้นฐานแล้วสอดคล้องกับขั้นตอนการศึกษาความเป็นไปได้ (Lu & Huang, 2013) แต่เนื่องจากปริมาณตะกอนที่ต้นน้ำลดลงและการสร้างอ่างเก็บน้ำแบบน้ำตกบนแม่น้ำจินชาหลังทศวรรษ 1990 ทำให้การตกตะกอนของอ่างเก็บน้ำสามผา (TGR) น้อยกว่าเดิมมาก ส่งผลให้ความรุนแรงและระยะห่างของการกัดเซาะพื้นแม่น้ำบริเวณท้ายน้ำของเขื่อนสามผาเพิ่มขึ้น

2 การออกแบบและการวัดเครือข่ายอุทกวิทยา
เพื่อรวบรวมข้อมูลพื้นฐานและให้บริการด้านวิศวกรรมการก่อสร้างลุ่มน้ำ คณะกรรมการทรัพยากรน้ำฉางเจียงได้ค่อยๆ จัดตั้งสถานีอุทกวิทยาจำนวนมากตามแนวแม่น้ำสายหลักและสาขาของแม่น้ำแยงซีเกียงตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1950 ต่อมาในช่วงทศวรรษ 1990 เครือข่ายสถานีอุทกวิทยาและเครือข่ายตรวจสอบตะกอนได้ก่อตั้งขึ้นอย่างสมบูรณ์ ซึ่งประกอบด้วยสถานีอุทกวิทยา 118 แห่ง และสถานีตรวจวัดมากกว่า 350 แห่ง นอกจากนี้ งานสำรวจและวิเคราะห์ตะกอนแม่น้ำจำนวนมากได้เสร็จสมบูรณ์แล้ว ข้อมูลการสังเกตการณ์ทางอุทกวิทยาและตะกอนในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาเป็นพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับการสาธิต การออกแบบ การก่อสร้าง และการดำเนินงานของ TGP

การสำรวจต้นแบบนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการวิจัย การก่อสร้าง และการดำเนินงานด้านตะกอนของ TGR ในช่วงเวลาต่างๆ หลังจากที่อ่างเก็บน้ำเริ่มกักเก็บในปี พ.ศ. 2546 ปัญหาตะกอนได้ปรากฏขึ้นทั้งในลุ่มน้ำตอนบนและตอนล่าง จึงได้ดำเนินการสำรวจต้นแบบและการวิจัยตะกอนที่เกี่ยวข้องเพื่อการดำเนินงานของ TGP โดยตรง วัตถุประสงค์ของการสังเกตการณ์ประกอบด้วยประเด็นต่างๆ ดังนี้: การตรวจสอบข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับสถานะช่องทางธรรมชาติก่อนการกักเก็บอย่างสมบูรณ์; การอ้างอิงสำหรับการตัดสินใจเกี่ยวกับแผนการกักเก็บแบบแบ่งงวด; การติดตามความผันแปรของการกัดเซาะและการทับถมของตะกอนทั้งในลุ่มน้ำตอนบนและตอนล่างแบบเรียลไทม์ และการค้นหาปัญหาเพื่อกำหนดมาตรการแก้ไขได้ทันท่วงที; การตรวจสอบความถูกต้องของเทคโนโลยีการจำลองที่นำมาใช้ และเพิ่มความน่าเชื่อถือของการพยากรณ์ตะกอน TGP

ขอบเขตการสังเกตการณ์ต้นแบบตะกอนทางอุทกวิทยาครอบคลุมพื้นที่อ่างเก็บน้ำ ที่ตั้งเขื่อน และบริเวณลุ่มน้ำตอนล่าง ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2492 เป็นต้นมา จากการวัดตะกอน การสังเกตการณ์ร่องน้ำ และการสำรวจและสำรวจในระยะยาว ได้มีการรวบรวมข้อมูลการสังเกตการณ์ต้นแบบและผลการวิจัยวิเคราะห์จำนวนมาก จึงสามารถตอบสนองความต้องการในการวางแผน การออกแบบ และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในระยะนิยามได้ ระยะก่อสร้างเป็นช่วงระหว่างกาลเพื่อต่อจากระยะพยากรณ์ และระยะเวลาก่อสร้างทั้งหมดคือ 17a ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสังเกตการณ์ความผันแปรของปริมาณน้ำท่า ตะกอน และสภาพขอบเขตอย่างต่อเนื่อง ซึ่งไม่เพียงแต่จะนำไปสู่การออกแบบ การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การก่อสร้าง และการดำเนินงานเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการตรวจสอบและเพิ่มประสิทธิภาพของการออกแบบและการควบคุมด้วย

ปัจจัยการติดตามหลักๆ ประกอบด้วย อุทกวิทยา ตะกอน และภูมิประเทศของร่องน้ำ การสำรวจภูมิประเทศของร่องน้ำส่วนใหญ่มีวัตถุประสงค์เพื่อติดตามความสม่ำเสมอของการเปลี่ยนแปลงของร่องน้ำในแหล่งน้ำดิบ การสะสมตัวของตะกอนที่อ่างเก็บน้ำ การกัดเซาะบริเวณท้ายน้ำ และการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่สำคัญหลังจากการกักเก็บน้ำ TGP

2 การออกแบบและการวัดเครือข่ายอุทกวิทยา
เพื่อรวบรวมข้อมูลพื้นฐานและให้บริการด้านวิศวกรรมการก่อสร้างลุ่มน้ำ คณะกรรมการทรัพยากรน้ำฉางเจียงได้ค่อยๆ จัดตั้งสถานีอุทกวิทยาจำนวนมากตามแนวแม่น้ำสายหลักและสาขาของแม่น้ำแยงซีเกียงตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1950 ต่อมาในช่วงทศวรรษ 1990 เครือข่ายสถานีอุทกวิทยาและเครือข่ายตรวจสอบตะกอนได้ก่อตั้งขึ้นอย่างสมบูรณ์ ซึ่งประกอบด้วยสถานีอุทกวิทยา 118 แห่ง และสถานีตรวจวัดมากกว่า 350 แห่ง นอกจากนี้ งานสำรวจและวิเคราะห์ตะกอนแม่น้ำจำนวนมากได้เสร็จสมบูรณ์แล้ว ข้อมูลการสังเกตการณ์ทางอุทกวิทยาและตะกอนในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาเป็นพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับการสาธิต การออกแบบ การก่อสร้าง และการดำเนินงานของ TGP

การสำรวจต้นแบบนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการวิจัย การก่อสร้าง และการดำเนินงานด้านตะกอนของ TGR ในช่วงเวลาต่างๆ หลังจากที่อ่างเก็บน้ำเริ่มกักเก็บในปี พ.ศ. 2546 ปัญหาตะกอนได้ปรากฏขึ้นทั้งในลุ่มน้ำตอนบนและตอนล่าง จึงได้ดำเนินการสำรวจต้นแบบและการวิจัยตะกอนที่เกี่ยวข้องเพื่อการดำเนินงานของ TGP โดยตรง วัตถุประสงค์ของการสังเกตการณ์ประกอบด้วยประเด็นต่างๆ ดังนี้: การตรวจสอบข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับสถานะช่องทางธรรมชาติก่อนการกักเก็บอย่างสมบูรณ์; การอ้างอิงสำหรับการตัดสินใจเกี่ยวกับแผนการกักเก็บแบบแบ่งงวด; การติดตามความผันแปรของการกัดเซาะและการทับถมของตะกอนทั้งในลุ่มน้ำตอนบนและตอนล่างแบบเรียลไทม์ และการค้นหาปัญหาเพื่อกำหนดมาตรการแก้ไขได้ทันท่วงที; การตรวจสอบความถูกต้องของเทคโนโลยีการจำลองที่นำมาใช้ และเพิ่มความน่าเชื่อถือของการพยากรณ์ตะกอน TGP

ขอบเขตการสังเกตการณ์ต้นแบบตะกอนทางอุทกวิทยาครอบคลุมพื้นที่อ่างเก็บน้ำ ที่ตั้งเขื่อน และบริเวณลุ่มน้ำตอนล่าง ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2492 เป็นต้นมา จากการวัดตะกอน การสังเกตการณ์ร่องน้ำ และการสำรวจและสำรวจในระยะยาว ได้มีการรวบรวมข้อมูลการสังเกตการณ์ต้นแบบและผลการวิจัยวิเคราะห์จำนวนมาก จึงสามารถตอบสนองความต้องการในการวางแผน การออกแบบ และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในระยะนิยามได้ ระยะก่อสร้างเป็นช่วงระหว่างกาลเพื่อต่อจากระยะพยากรณ์ และระยะเวลาก่อสร้างทั้งหมดคือ 17a ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสังเกตการณ์ความผันแปรของปริมาณน้ำท่า ตะกอน และสภาพขอบเขตอย่างต่อเนื่อง ซึ่งไม่เพียงแต่จะนำไปสู่การออกแบบ การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การก่อสร้าง และการดำเนินงานเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการตรวจสอบและเพิ่มประสิทธิภาพของการออกแบบและการควบคุมด้วย

ปัจจัยการติดตามหลักๆ ประกอบด้วย อุทกวิทยา ตะกอน และภูมิประเทศของร่องน้ำ การสำรวจภูมิประเทศของร่องน้ำส่วนใหญ่มีวัตถุประสงค์เพื่อติดตามความสม่ำเสมอของการเปลี่ยนแปลงของร่องน้ำในแหล่งน้ำดิบ การสะสมตัวของตะกอนที่อ่างเก็บน้ำ การกัดเซาะบริเวณท้ายน้ำ และการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่สำคัญหลังจากการกักเก็บน้ำ TGP

เซ็นเซอร์วัดความเร็วการไหลของระดับน้ำแบบเรดาร์สำหรับสถานการณ์ต่างๆ เช่น เขื่อน ช่องทางเปิด และเครือข่ายท่อใต้ดิน สามารถตรวจสอบข้อมูลได้แบบเรียลไทม์