Joint water-supply and hydropower management in a capacity-depleted multipurpose reservoir: the two-input AD-2I–WE model for Akhangaran

تُعد خزانات المياه هي صهاريج التخزين العظيمة للحضارة، حيث تحجز تدفقات الأنهار الجبلية الموسمية لتطلق الماء ببطء عندما تجف الحقول وتظمأ المدن. لكن هذه الصهاريج لها عدو خفي: الطمي. فعلى مر العقود، يترسب الرمل والطين الذي تحمله الأنهار في القاع، مما يؤدي ببطء إلى ملء الخزان من الأرضية صعوداً. هذه العملية، المعروفة باسم الترسيب، لا تكتفي فقط بتقليل إجمالي كمية المياه التي يمكن أن يستوعبها الخزان، بل تغير أيضاً القواعد الأساسية لكيفية إدارة تلك المياه؛ فمستوى المياه الذي كان يعني يوماً ما خزاناً ممتلئاً قد يعني الآن خزاناً شبه فارغ، ويصبح توقيت إطلاق المياه عملية توازن دقيقة بين الحفاظ على حياة المحاصيل وتوليد الكهرباء. وفي وسط آسيا، حيث تذوب الثلوج لتغذي الأنهار في الربيع بينما يحتاج المزارعون إلى الماء أكثر في الصيف الحار، يعد هذا التوازن أمراً بالغ الأهمية. فإذا تقلصت سعة التخزين، فإن القدرة على نقل المياه من الموسم الرطب إلى الموسم الجاف تتضاءل، مما يهدد كلاً من الأمن الغذائي وتوليد الطاقة.

لقد تصدى الباحثون في جامعة TIIAME للبحوث الوطنية في أوزبكستان لهذه المشكلة في خزان "آخانغاران"، وهو مرفق حيوي بالقرب من طشقند يمد الري بالطاقة المائية والكهربائية. ومن خلال الجمع بين عقود من المسوحات تحت الماء مع السجلات اليومية لمستويات المياه وتوليد الطاقة، طوروا طريقة جديدة لإدارة الخزان تتكيف مع حجمه المتناقص. وتكشف الدراسة أن الخزان فقد جزءاً كبيلاً من سعته منذ السبعينيات، مما أجبر المشغلين على إعادة التفكير في كيفية نقل المياه عبر المواسم. وقد أنشأ الفريق نموذجاً مرناً لاتخاذ القرار يستخدم مدخلين رئيسيين: كمية المياه الحالية في الخزان، والطلب السنوي على كمية المياه التي يحتاجها المزارعون. ويسمح هذا النهج للنظام بإعطاء الأولوية للسلامة وإيصال المياه أولاً، ثم إيجاد طرق لتوليد المزيد من الكهرباء دون المساس بإمدادات المياه.

يظهر تاريخ خزان "آخانغاران" اتجاهاً واضحاً ومثيراً للقلق. فبين عامي 1972 و2022، انخفض إجمالي حجم المياه التي يمكن أن يستوعبها الخزان عند مستواه الطبيعي من 197.7 مليون متر مكعب إلى 169.4 مليون متر مكعب. وهذا يمثل خسارة قدرها 28.3 مليون متر مكعب، أو حوالي 14 بالمائة من سعته الأصلية. وقد تسارع معدل هذه الخسارة في السنوات الأخيرة، حيث حدث ما يقرب من ثلثي إجمالي الخسارة بين عامي 2006 و2022. ويعني هذا الانخفاض أن الحاجز المادي المتاح لتخزين ذوبان الثلوج في الربيع لاستخدامه خلال أشهر الصيف الجافة قد تقلص بشكل كبير. وعندما نظر الباحثون في كيفية تشغيل الخزان فعلياً بين عامي 2020 و2025، وجدوا أن القواعد الحالية، التي كانت تستند إلى أبعاد الخزان الأقدم والأكبر، لم تعد تعمل بفعالية. وتحت النهج القديم، فشل النظام في تلبية الطلب على المياه في ما يقرب من 30 بالمائة من الفترات الزمنية المقاسة، وكانت أسوأ حالات النقص تحدث في يوليو وأغسطس وسبتمبر عندما تكون احتياجات الري في ذروتها.

ولفهم كيفية إصلاح ذلك، اختبر الباحثون ثلاث استراتيجيات إدارة مختلفة. كانت الأولى هي مجرد مراقبة كيفية تشغيل الخزان حالياً لمعرفة مواضع فشله. والثانية كانت نهجاً جامداً حاول ضمان بقاء كمية محددة من المياه في الخزان في نهاية كل عام، بغض النظر عما يحدث خلال الصيف. أما الثالث فكان نموذجهم التكيفي الجديد، الذي وضع حداً أدنى صارماً للسلامة لضمان عدم انخفاض الخزان إلى مستوى منخفض بشكل خطير خلال العام، مع تعديل كمية المياه التي يتم إطلاقها بناءً على الوضع الراهن. لقد فشل النهج الجامد القائم على هدف نهاية العام لأنه أجبر الخزان على الاحتفاظ بالكثير من المياه في وقت مبكر، مما تسبب في نقص خلال أشهر الصيف الحرجة. ومع ذلك، نجح النموذج التكيفي الجديد في الحفاظ على احتياطي سلامة قدره 15 مليون متر مكعب في الخزان في جميع الأوقات. ومن خلال القيام بذلك، حسن موثوقية إيصال المياه بنسبة 3asi 6 بالمائة وقلل إجمالي كمية العجز في المياه بنحو 21 بالمائة مقارنة بالعمليات الحالية.

ومن النتائج الرئيسية للدراسة أن إدارة توقيت إطلاق المياه يمكن أن تعزز إنتاج الكهرباء بشكل كبير دون استخدام أي مياه إضافية. فالطاقة الكهرومائية لا تعتمد فقط على حجم المياه المتدفقة عبر التوربينات، بل أيضاً على ارتفاع المياه فوقها؛ فالمياه التي يتم إطلاقها من مستوى أعلى تولد طاقة أكبر. ووجد الباحثون أنه من خلال نقل إطلاق المياه إلى الأوقات التي يكون فيها الخزان أكثر امتلاءً وضغط الماء فيه أعلى، يمكنهم زيادة توليد الطاقة السنوية بنسبة تقارب 34 بالمائة مقارنة بجدول زمني قياسي. وقد جاءت هذه الزيادة بالكامل من تحسين التوقيت، وليس من استهلاك المزيد من المياه أو خفض سلامة إمدادات المياه. وحتى مع هذه التحسينات، أنتج النموذج طاقة أقل مما لوحظ فعلياً في السنوات الأخيرة، مما يشير إلى أن العمليات في العالم الحقيقي قد تستفيد من ظروف يصعب التنبؤ بها أو أن الحدود الفيزيائية للتوربينات يتم دفعها بطرق لا يستوعبها النموذج بشكل كامل.

كما سلطت الدراسة الضوء على قيد هيكلي لا يمكن لأي قدر من الإدارة الجيدة أن يحله. ففي عام 2022، وهو عام شهد تدفقاً مائياً غير عادي، اضطر الخزان لتصريف أكثر من 63 مليون متر مكعب من المياه. حدث هذا التصريف حتى عندما كان لدى النموذج معرفة كاملة بالطقس ومستويات المياه مسبقاً. وكان السبب هو مزيج من سعة التخزين المنخفضة للخزان والحد الفيزيائي للتوربينات، التي يمكنها تمرير كمية معينة فقط من المياه في الثانية الواحدة. وعندما جاءت المياه بسرعة أكبر مما يمكن للتوربينات التعامل معه وكان الخزان ممتلئاً بالفعل، كان لا بد من التخلص من الفائض. وتشير هذه النتيجة إلى قيد بنيوي صلب: المعدات الحالية لا تستطيع التعامل مع التدفق الكامل في السنوات الرطبة، مما يؤدي إلى هدر المياه التي كان يمكن استخدامها للطاقة أو تخزينها لوقت لاحق.

واختبر الباحثون أيضاً كيف سيستجيب النظام إذا زاد الطلب على مياه الري. ووجدوا أن طلب المزيد من المياه لم يؤدِ إلى المزيد من الكهرباء بشكل ملحوظ. فعندما ارتفع طلب الري من 280 مليون متر مكعب إلى 350 مليون متر مكعب، ظل مقدار الطاقة المولدة كما هو تقريباً، بينما نما مقدار الطلب غير الملبي بشدة. وهذا يشير إلى أن مجرد طلب المزيد من المياه لا يجعل النظام أكثر كفاءة؛ بل يخلق فجوة أكبر بين ما هو مطلوب وما يمكن توفيره. وتخلص الدراسة إلى أن المسار الأكثر فعالية هو التعامل مع طلب الري كهدف مرن يمكن تعديله بناءً على المياه المتاحة فعلياً، بدلاً من كونه وعداً ثابتاً يجب الوفاء به بأي ثمن.

وفي الختام، يوضح هذا العمل أنه في الخزان الذي فقد جزءاً كبيراً من سعته، لم تعد القواعد القديمة صالحة. والحل ليس في محاولة إجبار النظام على التصرف كما لو كان لا يزال ممتلئاً، بل في تكييف استراتيجية الإدارة مع الواقع الجديد. فمن خلال استخدام نموذج يتحقق باستمرار من مستوى المياه الحالي والاحتياجات المحددة لكل موسم، يمكن للمشغلين حماية إمدادات المياه، وتجنب المستويات المنخفضة الخطيرة، ومع ذلك يجدون فرصاً لتوليد المزيد من الطاقة. توفر الدراسة خارطة طريق واضحة لكيفية إدارة مورد يتضاءل، وتظهر أنه مع النهج الصحيح، يمكن الحفاظ على الأمن للمزارعين وشبكات الطاقة حتى مع تغير المشهد المادي تحت أقدامهم. وتشير النتائج إلى أن الخطوة التالية لخزان "آخانغاران" هي تحديث قواعده التشغيلية لتعكس حجمه الحالي والنظر في ترقية التوربينات للتعامل مع التدفقات العالية التي تسبب حالياً مثل هذه التسريبات الكبيرة.