شهادتي للتاريخ (5) : قراءة علمية وأسئلة تبحث عن اجابات “لللجنة الدولية» لسد النهضة (2)

بسم الله الرحمن الرحيم

الحلقة الخامسة من شهادتي للتاريخ  : صرح المخض عن الزبد

عند موائد الرحمن الفكرية

حول 

سد النهضة : قراءة علمية وتحليلية  أولي (2)

هَذَا بَيَانٌ لِلنَّاسِ وَهُدًى وَمَوْعِظَةٌ لِلْمُتَّقِينَ” (آل عمران):

بروفيسور

د.د. محمد  الرشيد قريش

مركز تطوير أنظمة الخبرة الذكية

لهندسة المياة والنقل والطاقة والتصنيع

 “ وَلَا تَكْتُمُوا الشَّهَادَةَ وَمَنْ يَكْتُمْهَا فَإِنَّهُ آثِمٌ قَلْبُهُ وَاللَّهُ بِمَا تَعْمَلُونَ عَلِيمٌ” (البقرة 283)

 " وَمَنْ أَظْلَمُ مِمَّنْ كَتَمَ شَهَادَةً عِنْدَهُ مِنَ اللَّهِ وَمَا اللَّهُ بِغَافِلٍ عَمَّا تَعْمَلُونَ " (البقرة 140)

 "وَلَا يَأْبَ الشُّهَدَاءُ إِذَا مَا دُعُوا وَلَا تَسْأَمُوا أَنْ تَكْتُبُوهُ صَغِيرًا أَوْ كَبِيرًا إِلَى أَجَلِهِ ذَلِكُمْ أَقْسَطُ عِنْدَ اللَّهِ وَأَقْوَمُ لِلشَّهَادَةِ وَأَدْنَى أَلَّا تَرْتَابُوا" (البقرة282)     مثل القائم علي حدود الله والواقع فيها... كمثل قوم ركبوا سفينة ، فأصاب بعضهم أسفلها...وأصاب بعضهم أعلاها

o فكان الذين في أسفلها إذا إستقوا الماء، مروا علي من فوقهم فأ ذوهم

o فقالوا: لو خرقنا في نصيبنا خرقا ،فإستقينا منه، ولم نؤذ من فوقنا فان تركوهم وأمرهم ، هلكوا جميعا”

حقائق علمية عن سد النهضة غابت عن المشهد رغم أنها تحمل في ثناياها الأجابة علي سؤال الساعة :

هل فوائد ومخاطر السد حقيقة مطلقة؟

أم تحققها مرهون بشروط لا يرجي تحقيقها؟

سؤال سنجيب عليه لاحقا

ان شاء الله

المحاور التي غطاها تقرير اللجنة الثلاثية الدولية حول سد النهضة والذي كشف عنه لأول مرة  في 29 أبريل 2014 في الصحافة المصرية

 حجم التوليد الكهرومائي

 قواعد تشغيل الخزان

 الترسبات الطميية

 معدل (حجم) التبخر للمياه من السد

 التغيرات المناخية

 تدفق وحركة المياه فى الخزان

 تصميم السد

 سلامة السد

لكن هناك تساؤلات فنية

أخفق تقرير اللجنة الدولية لسد النهضة

في تناولها رغم  أهميتها  القصوي

ونعتقد أنها ينبغي أن تطرح علي مائدة المفاوضات

سنوضحها هنا

يعقبها  تعقيب علمي علي كل تلك التساؤلات الفنية

موجز:

 فهم الهيدرولوجيا(علم المياه المؤسس علي كثير من الأحصائيات ونظرية الأحتمالات)  أمر حيوي لجعل السدود آمنة 

 نجاعة سد النهضة هي في قدرة مفيضه تمرير  الفيضان الأقصي المحتمل بأمان ،والذي ينبغي أن يكون قد تم تقديره بدقة بالأساليب الهيدروليجية الحديثة و "بفترة عوده" لا تقل عن 10000 سنة ، مع  اضافة "عامل هراء" بنسبة 20 ٪ للتغيرات المناخية " ، ذلك لأنه يستخدم في تقدير حجم الفيضان التصميمي للمفيض الذي يضمن سلامة السد

 وفي السدود المهمة يستخدم الفيضان الأقصي المحتمل كفيضان تصميمي للمفيض ، بينما "الفيضان التصميمي للخزان"  هو الذي يكفل الحماية للمرافق السودانية والمصرية

 احتمال فشل السدود الخرسانية كسدي  النهضة الرئيسي (والروصيرص) أعلي من احتمال انهيار السدود الجسرية الركامية كسد النهضة السروجي (وكسدي مروي والسد العالي)

 المقاربات الهيدروليكية القطعية للتصاميم الهندسية تعالج المخاطر الطبيعية تجريبيا، من خلال "عامل السلامة" ، لكن مثل هذه المقاربات لا تعطي  أية فكرة عن مدى سلامة تصميم السد  و هناك  حاجة ماسة إلى تقييم أكثر دقة ، وهو أمر لا يمكن أن يتم الا بالمقاربة الهيدرولوجية من خلال الأساليب الإحصائية والاحتمالية الصارمة

 الفوائد المفترضة لدول الأحباس السفلي من سد النهضة تتطلب أن يكون السد سد "تخزين"  و"متعدد الأغراض" ، لكن هذا سيضع أثيوبيا في مواجهة تناقضات لن يكون بوسع اثيوبيا الأقتراب من حلها الا علي حساب انتاج الكهرباء 

 ملء خزان السد يؤدي إلى تغييرات جذرية في النظام البيئي المائي من تدفق حر للتيار الي  "بيئة بحيرية"( Lacustrine Ecology)، وما لذلك من تداعيات

 علي الأرجح أن أثيوبيا ستسعي  لتقليل استخدام الخزان للحد من من حجم وذروة فيضان النيل الأزرق ، الا ان ارتضي  السودان ومصر المشاركة في الكلفة  كثمن للاستفادة المفترضة منه

 وعلي الأرجح أيضا أن أثيوبيا ستعمل علي الحد من ترسب الرواسب الطميية في الخزان باطلاقه لدول الحباس السفلي ما استطاعت لذلك سبيلا لتضيع بذلك احلام  السودان في خفض الطمي الداخل للخزانات السودانية،

 الخطر الكارثي للسودان ومصرمن سد النهضة  يتمثل في  الأنطلاق الفجائي لأكثر من 51 مليون "فدان-قدم" من المياه --9 مرات أكبر من سعة الروصيرص

 53% من فشل السدود  الخرسانية كسد النهضة هي بسبب الأساس (Foundation)، و 38% من فشل السدود الجسرية الركامية  كسد النهضة السروجي هي بسبب التسرب

 والزلازل تمثل تهديدا حقيقيا للسدود الجاذبية (Gravity Dams) كسد النهضة: و"السدود الكبيرة كسد النهضة في المناطق الجبلية تجهد القشرة الأرضية، ووجودها في  منطقة نشطة تكتونيا كمنطقة "الصدع الأفريقي العظيم" يجعلها تشكل  خطرا حقيقيا للسد ولمحطة توليد الكهرباء : وفي عام 1995 وحده "فيما يقارب 10 من السدود ذات  التوازن التكتوني الدقيق ، أطلق أول ملء  للخزان عقال الزلازل ، وإحصائيا، فان 50٪ من حوادث السدود  تحدث في غضون سنوات التشغيل الخمس الاولي

 أحكام التحسب الأستشرافي  لمتطلبات سلامة  سد النهضة ينبغي أن تراعي في كل من مراحل التخطيط والتصميم والتشييد والتشغيل

********

التساؤلات الفنية:

مقدمة:

 بشكل عام يتم الحكم على نجاعة المنشآت الهيدروليكية على أساس أدائها في تمرير فيضانات بحجم معين ، (على سبيل المثال "بعد فترة عودة معينة" (Return Period) من السنوات (أي years-T)   دون وقوع خسائر

وقد اختارت أثيوبيا لسد النهضة أولا/s) 19,370 m3) "كتصريف  "للفيضان الأقصي المحتمل " (Probable Maximum Flood—PMF ثم عدلته الي) 38,750  m3/s)) ، (قارن مع 18,750 m3/s وهو ما اختاره السودان لسد الروصيرص)

 و الفيضان الأقصي المحتمل هو الفيضان الذي يمكن توقعه من اجتماع أشد ظروف الأرصاد الجوية والهيدرولوجية الحرجة الممكنة للمنطقة،  وهو من أهم العناصر الرئيسية في تصميم السدود ودقة تقديره  تعتمد علي وثوقية المعلومات ودقة التحليل و التقدم في المعرفة العلمية ، وفشل معظم السدود هو بسبب فشل  المفيض في تمرير فيضان معين بأمان  (مما يؤدي إلي علو المياه للسد  Overtopping أوخرقه) ، بسبب الخطأ في  تقدير حجم ذلك الفيضان

 بناء سد النهضة خلف(Upstream) سد الروصيرص  سوف يخفض حجم الفيضان الأقصي المحتمل (PMF) لسد الروصيرص والذي استخدم في تقدير حجم الفيضان التصميمي للمفيض الخاص به (Spillway Design Flood)

 والسدود العالية بما يكفي لتوفير حيز فوق مستوى الأمداد الكامل –  Full Supply Level - FSL، لمياه الفيضان ، يمكن لها  تمرير الفيضان التصميمي الداخل (Inflow Design Flood --IDF)، من منفذ خروج مثل التوربينات، لتتجاوز الحاجة للمفيض، لكن سد النهضة ربما أراد كل الحيز لأنتاج الكهرباء

السؤال هنا:

  هل تم تقدير "الفيضان الأقصي المحتمل PMF)" بالأساليب القديمة ؟

 (كالمعادلات التجريبية أوبالمقارنة مع التجارب السابقة للأنهار الأخرى أو بمبادئ الهيدرولوجيا التي تحكم  تحويل الأمطار الي جريان سطحي)

 أم  تم تقدير "الفيضان الأقصي المحتمل" من بيانات الأرصاد الجوية والمعلومات الطبوغرافية و خصائص الحوض الخضرية التي هي اكثر دقة ؟  أهمية الدقة هنا تكمن في أن "حجم  أقصى  فيضان محتمل" يستخدم في تقدير حجم الفيضان التصميمي للمفيض   Spillway Design Flood-SDF) وهوالفيضان الأكثر أهمية لتصميم السد، لأنه يضمن سلامة البناء

 وقد تحسن فهم طبيعة الأرصاد الجوي (Meteorology)  وتحسنت طرق التحليل الهيدروليكي ، وأصبحت أكثر دقة ، فمثلا  تقدير "الفيضان الأقصي المحتمل PMF" المستقي من بيانات "الهطول المطري الأقصي المحتمل"  Probable Max Precipitation-PMP،  يمكن أن يختلف جذريا عن ذلك  المحسوب بالأساليب القديمة المشار اليها عاليه

 ماهي "فترة العودة" (Return Period,T-years) التي أعتمدتها أثيوبيا "لأقصى  فيضان محتمل" ؟

 علما أن السودان اختارT=1000 –years لسد الروصيرص باعتبار أن سد الروصيرص منخفض المخاطر ، أما في الخزانات عالية المخاطر كسد النهضة، فكلا من "فيلق الجيش الأمريكي للمهندسين (USA Corps of Engineers) و"المعهد الأمريكي للمهندسين المدنيين" يستخدامان T = 10 000 (أي  0.5 PMF ) اذ كا ن حدوث علو نادر  للسد هو أمر مقبول ، والا  ينبغي  اختيار (PMF) كمعيار عام ان كان خرق السد يشكل خطرا علي المجتمعات البشرية كما هو في حالة سد النهضة

 و"فترة العودة"، هي تقدير لاحتمال حدوث الفيضان،  على سبيل المثال، فيضان  بفترة عودة T=1000 –years لديه فرصة حدوث تعادل  (1/1000) أو   (0.1%)٪ وفيضان  بفترة عودة T=10000 –years لديه فرصة حدوث تعادل     (0.01%)٪ ، وفيضان  بفترة عودة T=10000 –years يعني أن في  المتوسط يحدث مثل هذا الفيضان مرة واحدة في كل 01000 سنة ولكن قد يحدث في أي وقت وقد لا يحدث على الاطلاق، فما يجب الألتفات اليه هنا هو كم  تبلغ احتمالية حدوث الفيضان :  % (0.1)  في حالة سد الروصيرص منخفض المخاطر ، لكن ينبغي أن يكون  تعادل (PMF ) لسد عالي المخاطر كسد النهضة وفق توصيات كلا من "فيلق الجيش الأمريكي للمهندسين (USA Corps of Engineers) والمعهد الأمريكي للمهندسين المدنيين

 وتعبير "فترة العودة"، هو قياس إحصائي مبني عادة على بيانات تاريخية تدل على متوسط فترة تكرار الفيضان على مدى فترة طويلة من الزمن، وعادة ما تستخدم لتحليل المخاطر (على سبيل المثال أن تقرر ما إذا كان ينبغي أن يسمح للمشروع أن يمضي قدما في منطقة خطر معين كالخطر الزلزالي، أو كما هو الحال هنا ، في تصميم سد قادر علي على الصمود أما  فيضان  بفترة عودة معينة ، وتلك هي احدي افتراضات الهيدرولوجيا الكلاسيكية التي تقول بأن قياسات المناسيب  المائية والأيرادات ، صالحة احصائيا (Statistically Valid)، لأنها نتاج ظروف طبيعية ثابتة—علي المدي البعيد—فبهذا مثلا قال هيرست (Harold Hurst) في دراسته الشهيرة "السعة التخزينية طويلة الأجل للخزانات" عام  1951 فيما عرف لاحقا ب “The Hurst Phenomenon، لكن الهيدرولوجيا الجديدة" (Modern Hydrology) صححت تلك المفاهيم وأبانت أن البيانات التاريخية السابقة لتصريف النهر – والتي استخدمت مثلا لأختيار فترة العودة لسد الروصيرص ، أصبحت غير موثوق بها ، وذلك بسبب:

 التدخلات البشرية وتأثيرها علي الأنسياب المائي

 التغييرات في خصائص مستجمعات المياه (Watersheds)

 الترسيب : فالطمي قد يملأ الخزانات إلى المستوى المفيض

 التغييرات في النهر والتي قد تشمل تحويل تدفق النهر  داخل (أوخارج) الحوض

 التغييرات في التخزين االصناعي

 التغييرات في استخدامات الأرض وفي الغطاء النباتي ، الناجمة عن إزالة الغابات الخ.

 تغير الأنماط المناخية

 القفزات المتواترة في قدرات الأستفادة من الأمكانات الجديدة في مجالات العلوم والتكنولوجيا  وعلوم الحاسوب ،

 التطورات العلمية والنقلات النوعية في مجال علم المائيات ، كالركون الي "نهج مستجمعات المياه" (Watershed Approach) في معالجة مشكلة الفيضانات، فمثلا:

 نتيجة لكل ما سبق ،  لم يعد مقبولا في تصميم أنظمة الدفاع ضد الفيضانات ، تأسيسها على حدث (تصميمي) واحد  ( Single Design Event)

 بل   ينبغي-- وفق "نهج مستجمعات المياه"--- تقييم حساسية التصميم لمعدلات دفق أعلي من الدفق المستخدم في التصميم (Design Flow)، مع الأخذ في الحساب التغيرات المناخية والتغيرات في استخدام الأراضي  ،  بمعني أنه:    ينبغي – مثلا -- في تقدير حجم الفيضانات – لكي يتضمن التصميم عملية تغير المناخ وعوامل استخدام  الأرض -- ا ضافة "عامل هراء" (بنسبة 20 ٪ للتغيرات المناخية في ذروة الفيضانات  الأكثر من 50 عاما (Fudge Factor

 كيف تم  التعامل مع عدم اليقين (Uncertainty) المرتبط بتقدير "الفيضان الأقصي المحتمل" (PMF)؟هل بالطرق القديمة ؟ أم باستخدام  أكبر الفيضانات، والنمذجة الهيدرولوجية؟

 "عدم اليقين" يصف ظواهر غير قابلة للقياس وغير متكررة ، أي عمليات عشوائية وغير ثابتة (Stationary Stochastic Process) ، وقد تكون:

 هيدرولوجية، كتدفق المجاري المائية، و هطول الأمطار  والمعلمات (Parameters)المرتبطة بتقدير الفيضان التصميمي(Design Flood) الخ أو

 هيدروليكية، كالتفاوت في المواد أو أخطاء النمذجة، على سبيل المثال استخدام معادلة مانينغ (Manning Equation) لوصف جريان مائي غير مضطرد وغير ثابت(Unsteady & Non-uniform Flow)، وقد تكون:

 هيكلية كالتعرية أو التشبع بالمياه وفقدان استقرار التربة الخ

 والطرق القديمة المشار اليها عاليه تشمل :

 إضافة مسافة بين أقصي منسوب للماء وقمة السد-freeboard(أي الجزء الظاهر من السد فوق خط الماء) كعامل أمان، أو

  بتحويل هطول الأمطار الي "جريان سطحي" -Runoff – أو بالرجوع إلى التجارب السابقة، ، مثلا بالمقارنة مع أنهار أخرى الخ)

 واستخدام  أكبر الفيضانات، والنمذجة الهيدرولوجية ، مثلا بتأسيس الفيضان التصميمي للمفيض (Spillway Design Flood)علي طريقة تحليل التردد للفيضانات (Flood Frequency Analysis)أو تحليل القيمة المتطرفة (Extreme Value Analysis

 وكيف تم تقييم عناصر عدم اليقين  المتعلق بالتصاميم  الهيدرولوجية؟ (Hydrologic Uncertaities)

 كالألتباسات الهيدرولوجية بشأن عمليات تدفق المجاري المائية(Stream Flow ) ، وعدم التيقن المرتبط  بالظواهر الطبيعية وعدم اليقين المرتبط بالنموذج المستخدم في التحليل وبمعلماته (Model Parameters) الخ

 وكيف تم تقييم عناصر عدم اليقين (أو الأخفاق)   الهيدروليكي (Hydraulic Uncertainties) 

 علي سبيل المثال عدم التيقن فيما يختص بالتصرف المائي التصميمي (Design Discharges) المستخدم في بناء السد

 أو بنجاعة النموذج التحليلي المستخدم ، فعلي سبيل المثال فان جريان المياه عبر المنشئات الهيدروليكية  كالسد(كما في حالة التدفقات الخارجة من بوابات السد أو موجات الفيضان او الفيضان الناجم عن انهيار السد) هو انسياب (أوتدفق) متقلب وغير ثابت (أي خصائص التدفق تتغير مع الوقت  (Unsteady Flow  وغير منتظم (Non-   uniform) أي متوسط سرعة المياه  تتفاوت في قطاعات المجري العرضية  المتعاقبة ) ولا  يمكن توصيفه الا من خلال معادلات سنت فنانت(St. Venant equations) للمياه الضحلة بينما معادلات مانق وشذي (Manning- Chezy)    لا تمثل بصورة صادقة الدفق المائي المتقلب وغير المنتظم (Unsteady Non-Uniform Flow) عبر السد

 وكيف تم تقييم عناصر عدم اليقين (أو الأخفاق )  الهيكلي (Structural Uncertainties)   

 على سبيل المثال الناجم عن تشبع التربة بالمياه وفقدانها لأستقرارها(Loss of Soil Stability)، أو فشلها الهيدروليكي

 وكيف تم تقييم المخاطر (ال (Risks المحتملة للسد؟ وان كان ذلك قد تم بالمقاربات القطعية    ( Deterministic Approaches) فما هو عامل السلامةSafety Factor  الذي أعتمد ؟ 

 "المخاطر" تصف ظواهرمتكررة وقابلة للقياس الكمي كالهطول السنوي للأمطاروهي عملية عشوائية لكن ثابتة (Stationary Stochastic Process)

 العلاقة بين المخاطر  (Risk )و"وثوقية" السد (Dam Reliability ) مثلا يعبر عنها كالأتي:

o Reliability (R)=1-Risk .    

o (i.e. If Risk Is .001, R=.990)

 والعلاقة بين "فترة العودة"  (T )و "والعمر التصميمي" للسد(N) ومخاطر انهياره(P) مثلا يعبر عنها كالأتي:

P= 1 – (1 – 1/T )N  T

 وعليه يمكن حساب "فترة العودة" "للفيضان الأقصي المحتمل " (Probable Maximum Flood—PMF من  العمر التصميمي" المختار للسد(N) ومخاطر انهياره((P، فمثلا وفق بيانات اللجنة الدولية للسدود الكبيرة فان احتمال انهيارالسدود الجاذبية لكل سنة (Gravity Dams)كسد النهضة الرئيسي و كسنار ) هو P=0.7X10-3) ) ، بينما

   احتمال انهيار السدود الدعامية كالروصيرص  

   هو 9.7X10-3

 ومن جانب اخر فان احتمال فشل السدود الخرسانية كسدي  النهضة الرئيسي والروصيرص (حيث تبلغ النسبة الخرسانية فيهما 83 % ولا ينطويان علي أية حشوات صخرية) أعلي من احتمال انهيار السدود الجسرية الركامية كسد النهضة السروجي وكسدي مروي والسد العالي(حيث تبلغ نسبة الحشوات الصخرية فيهما  40% و الخرسانية 2.8 % فقط)!

 وكمثال لمخاطر المشروع  المحتملة تلك المرتبطة ببناء السد ، هناك :

 عدم كفاية تحقيقات الموقع أو عدم كفاية التصميم

 والتأثيرات علي النظم الهيدرولوجية و الهيدروليكية والجيومورفولوجية؟ بما في ذلك :

 التاثيرات علي كمية المياه وجودتها،

 والتغييرات في  المياه الجوفية (مثلا من خلال التسربSeepage)

 والتأثيرات علي نظام القشرة الأرضية (Crustal System)  مثل التدهور في اسفل النهر(أمام السد ، كالتآكل نتيجة نقاء المياه والتعرية الضفية (Shoreline Erosion) بل وحتي:

  قدح زناد الزلازل  في منطقة نشطة  تكتونيا وليست ببعيدة عن الصدع الأفريقي العظيم (Great African Rift) -- مصر أنشأت معهدا كاملا بمسمي ”معهد بحوث الأثار الجانبية للسد العالي

 المقاربات القطعية( Deterministic Approaches) للتصاميم الهندسية تعالج المخاطر الطبيعية (كالفيضانات والزلازل وانهيار السد)  تجريبيا، من خلال عامل السلامةSafety Factor  (السودان مثلا استخدم عامل سلامة يعادل 1.5 للأحباس السفلي لسد الروصيرص وعامل سلامة يعادل 1.3 للأحباس العليا)

 لكن بالنظر الي ضخامة سد النهضة والمخاطر الجسيمة التي ستنجم عن انهياره ، وبالنظر الي أن غياب بوابات التحكم (Sluiceways) في سد النهضة يحرم هذا السد من فرصة زيادة هامش السلامة بزيادة عدد تلك البوابات، فمن الضروري – ان كانت أثيوبيا لن تأخذ بغير المقاربات القطعية في معالجة مخاطر انهيار السد – أن يكون "عامل السلامة" الذي اختارته  لسد انهضة كاف لتغطية:

 الأحمال غير المتوقعة

 حالات الأساس (Foundation Conditions ) غير المكتشفة وعلى الرغم من التحقيقات المعتادة التي خضع لها الموقع (لأحظ: 75٪ من فشل السدود الخرسانية كسد النهضة يرجع إلى الأساس Foundation و75٪ منها يرجع الي الترشحPercolation و عدم الضبط  الكافي للتسرب Seepage و التآكل الداخلي الذي يحدثه التسرب مما يؤدي إلى ظاهرة "الأنبوبية" Piping ، حيث يبدو التسرب كأنه ثقب يضخ مياها مشبعة بجزيئات التربة

 أخطاء التحليل الرياضي والأخطاء الحسابية

 التفاوات (الاختلافات) في خصائص المواد

 الانحرافات عن الخطة والناجمة عن ظروف البناء

 الأخطاء  البشرية في التصميم والتشغيل والصيانة

 لكن مثل هذه المقاربات القطعية لا تعطي  أية فكرة عن مدى سلامة تصميم السد مثلا ، وفي كثير من الأحيان تتجاهل كلا من عدم اليقين (Uncertaities ) والتفاوت والمتغيرات في خصائص مواد البناء، وفي الأحمال، وفي ظروف التشغيل الخ

 وبالنسبة لسد عظيم المخاطر كسد النهضة ، فأن هناك  حاجة ماسة إلى تقييم أكثر دقة للحد من المخاطر و عدم اليقين وزيادة الموثوقية ، وهو أمر لا يمكن أن يتم الا من خلال الأساليب الإحصائية والاحتمالية الصارمة (على أساس نظرية الموثوقية(Reliability Theory) ، وتحليل العشوائية (Stochastic Analysis )، نظرية القرارات (Decision Theory)، واساليب المحاكاة Simulation     الخ وهي أساليب طالما تم استخدامها في هندسة الإنتاج، ونظرية المعلومات والاتصالات والطائرات والمفاعلات النووية و في قوة التصاميم الهيكلية للأبراج، الخ

 ما هو "الفيضان التصميمي للخزان" Reservoir Design Flood  ،أي الفيضان الذي اعتمدته أثيوبيا لحماية المرافق السودانية والمصرية من اضراره؟

 وماهو "الفيضان التصميمي للمفيض (المصرف)" (Spillway Design Flood) 

 العنصر الحاسم في تصميم السدود هوالوصول  الي تقدير موثوق به لحجم الفيضان الذي  يمكن أن يصل إلى السد، والذي يجب التحسب له في المفيض (Spillway Design Flood --SDF)، أي الفيضان الذي يستطيع سد النهضة مثلا تمريره بأمان، عندما  يفيض الخزان عند امتلائه،  وهوالفيضان الأكثر أهمية لتصميم السد، لأنه يضمن سلامة البناء عند حدوث علو الماء للجسم الخرساني للسد أو لأجنحته (Overtopping وهوالحدث الذي يمثل وحده أكثر من ربع أسباب انهيار السدود في العالم،

 وأغلب أسباب انهيار السدود تكون بسبب عدم قدرة المفيض أو قناة التصريف (Sluiceway)على تمرير فيضان معين ، (مما يؤدي إلى تدفق المياه من اعلي السد Overtopping) أو خرقه، نظرا لكون  المفيض أو قناة التصريف قد صممتا  على تقدير للفيضانات غير موثوق به ، وذلك لأنه—وحتي الستينيات من القرن الماضي—كان تقدير حجم الفيضانات (والتخزين والطاقة المائية المقدرة) كلها تحسب بالمسطرة الأنزلاقية (Slide Rule)، من خلال صيغ المعادلات التطبيقية (التجريبة (Empirical Formula أوبالمقارنة مع النهار الاخري أو باستقاء تجارب الماضي مع استخدام مبادئ الهيدرولوجيا لتحويل الأمطار الهاطلة الي جريان سطحي (Runoff) أوبإضافة مسافة بين ذروة  السد و بين أعلي منسوب للمياه Freeboard كعامل أمان ضدعدم اليقين المرتبط بتقدير حجم الفيضان

 وفي السدود المهمة يستخدم الفيضان الأقصي المحتمل PMF (والبالغ /s 38750  m3 في حالة سد النهضة )  على نطاق واسع كفيضان تصميمي للمفيض (SDF) ،  أي أن المفيض  يصمم ليمرر الفيضان الأقصي المحتمل – وهي أساسا سياسة "التصميم الأمن  No Risk".

 لكن الفيضان التصميمي للمفيض يرتبط بدرجة عالية من عدم اليقين (Uncertainty) ، والأن ، للتعامل مع هذه الشكوك، يتم استخدام أعلى الفيضانات على الاطلاق (“الفيضان الأقصي المحتمل (“PMF ، ولكن لما كان  هناك دائما فيضان  أعلى من “الفيضان الأقصي المحتمل” (/s 38750  m3 المختار لسد النهضة ) ، تستخدم الإحصاءات والنمذجة الهيدرولوجية ، من خلال استناد تصميم الفيضان لمنهجية " تحليل التردد الفيضاني (Flood Frequency Analysis)

 هل أخذت أثيوبيا  بالمقاربة الهيدروليكية Hydraulic Design))  والمعتمدة على النهح (أو النمذجة) القطعية (Deterministic Modeling)، في تحديد حجم الفيضان التصميمي للمفيض؟

 هذا ما فعله المهندس الأستشاري لسد الروصيرص (شركتي الكساندر جب واندريه كوين وجين بلير ) حين أعتمد (13,500 m3/s) كتصريف  أقصى  فيضان محتمل ، لفترة عودة (T=1000  years)للروصبرص  واختار (15,000 m3/s)  كتصريف للفيضان التصميمي للمفيض

 مع زيادة هامش الأمان وزيادة طاقة اطلاق الفيضانات لسد الروصيرص عند التعلية بزيادة عدد بوابات السد العليا(High Level Sluice Gates

 وفي النهج القطعي :

 كل المدخلات تحددها  بضع أسباب معروفة (كما في حالة حساب طول المفيض أو تحديد سعة الخزان)

 هناك تجاهل شبه تام --في كثير من الأحيان—لعدم اليقين والتغيرية (التفاوت) في  خصائص مواد البناء، والأحمال، مكونات الأبعاد، وظروف التشغيل الخ  ومواجهة المخاطر (التصميمية) سالفة الذكريتم التصدي لها "تجريبيا"(Empirically)  من خلال :

 عوامل السلامة  (Safety Factorsكما في حالات عدم اليقين في التصاميم الهيكلية)

 “الهامش الاحتياطي” (Reserve Marginكما في   حالات عدم اليقين حول أداء المولدات الكهربائية)

 التكرار (Redundancy) (مسارات تدفق جانبية    بديلة  خفض الدرجة التشغيلية أو التصنيف ،

لكن كل هذا: لا يقدم أي فكرة عن مدى سلامة التصميم، فهو:

• يتجاهل في كثير من الأحيان على حد سواء عدم اليقين والتغيرات (التفاوت) في  خصائص مواد البناء، والأحمال، مكونات الأبعاد، وظروف التشغيل الخ

• ويبني كل شيءاستنادا علي "أسوأ حالة" (“worst-case” scenario)المحافظة ، مما يرفع  كلفة التصاميم والمشروع بمجمله

 أم هل أخذت أثيوبيا  بالمقاربة الهيدرولوجية (Hydrologic Design) في تحديد حجم الفيضان التصميمي للمفيض؟

  الطرق العشوائية (Stochastic Methods) تسمح بتقييم كلا من التقلبات الطبيعية وعدم اليقين، لتعطي -- بدلا من عدد واحد—"توزيع احتمالي" (Probability Distribution)

 و المقاربة الهيدرولوجية المعتمدة على النهح (أو النمذجة) الإحصائية- الأحتمالية Stochastic (Statistical & Probabilistic/ ،  تأخذ في الاعتبار العديد من الشكوك وعدم اليقين الغالب في الطبيعة كأساس لتحديد حجم "الفيضان التصميمي للمفيض" Spillway Design Flood)  (كما في حالة تحديد معدل الجريان السطحي الأقصى (أي الفيضان) من مستجمعات المياه   ،وكما فعل المكتب الأستشاري

International Panel on Flood Discharges for   Roseiresالمكلف من قبل البنك الدولي الذي اعتبر ان تصريف (15,000 m3/s) الذي اعتمده المهندس الأستشاري" للفيضان التصميمي لمفيض الروصيرص متدن للغاية ، خاصة مع وجود جسور ترابية طويلة ، اذ أن  حدوث علو الماء للجسم الخرساني للسد أو لأجنحته (Overtopping) سيكون كارثيا، وقام  بتقدير "أقصى  فيضان محتمل " علي أساس (PMF= 18,750 m3/s)  ، بدلا من (13,500 m3/s) الذي اختاره المهندس الأستشاري (قارن مع PMF= 38750  m3/s "الذي اختارته أثيوبيا كتصريف  أقصى  فيضان محتمل) واعتمد المكتب الأستشاري للروصيرص  الفيضان التصميمي للمفيض (Spillways Design Flood / Capacity)  علي أساس   (17,350 m3/s)، بدلا من (15,000 m3/s)  ، الرقم المختار من قبل المهندس الأستشاري

        وبدأ لظاهر العيان وكأنما قد  اسدل الستار علي عملية اختيار الفيضان الأكثر أهمية لتصميم وسلامة سد الروصيرص! لكن في الواقع هناك درجة عالية من عدم اليقين مرتبطة بتقدير "الحد الأقصى المحتمل للفيضانات" (PMF)،

 هل سد النهضة هو سد مشروع أحادي الغرض (أي Power Dam) أم خزانه متعدد الأغراض (Multi-Purpose Storage Dam ) ،؟

 أي أنه معني (بجانب توليد الطاقة الكهرومائية) بمصايد الأسماك(وفقا لبيان وزير الموارد المائية الأثيوبي  قبل افتتاح المشروع) "و بالزراعة" (المروية)، (وفقا لخطاب رئيس الوزراء الاثيوبي ملس زيناوي في حفل الافتتاح)، وحجز الطمي ل "تواجه أثيوبيا وليس السودان مشكلة الطمي داخل أراضيها"  والحماية من الفيضان لدول الأحباس السفلي اذ "لن يحدث بعد بنائه أي فيضان لنهر النيل" وفق حديث مليس زناوي في  الأهرام اليوم12-5-2011 نقلا عن الحياة اللندنية)

 وان كان خزان سد النهضة  متعدد الأغراض والأستخدامات، مما ترتبط به كل الفوائد المفترضة لدول الأحباس السفلي من سد النهضة :

 فماهو التقسيم لفضاء (حيز )الخزان

 وما هي احتياجات أثيوبيا من المياه لمشاريعها الزراعية وكيف ستأمن تلك الأحتياجات  ؟

 وكيف سيتم حل التناقضات بين الأغراض المختلفة حول الحيز(Space) و الوقت والتصريف ؟

 كالتناقض بين  توليد الكهرباء و الحماية من    الفيضانات

 وكالتناقض بين  توليد الكهرباء و الملاحة

 وكالتناقض بين انتاج الكهرباء  وتوفير إمدادات

  مياه المدن أو مع اطلاق المياه  للأحباس السفلي (السودان)

 وكالتناقض بين انتاج الكهرباء  وحصاد الثروة    السمكية

 وكالتنافس التصريفي(Discharge) و الزماني

 (Time) بين الطاقة(التوليد الكهربائي)  والري الخ ( سنوضح كل هذه التناقضات بالتفصيل  في حلقة قادمة من هذه الشهادة ، ان شاء الله ، وجل هذه الاغراض  لا يمكن تحقيقها الا علي حساب انتاج الكهرباء ،  الغرض  الجوهري للمشروع ، كما سنري لاحقا ان شاء الله!

 بمعني:

 هل  سيتم تخصيص مساحة منفصلة لكل غرض،   أم

 الأستخدام المشترك  للمساحة لأكثر من غرض    واحد

 و عند تشغيل الأغراض ، هل  سيتم الفصل بينها زمانيا ، أم تشغيلها معا في نفس الوقت، عن طريق مخارج منفصلة، أو عبر نفس القناة ؟

 ما هي  تأثيرات  السد علي النظام البيئي  (Ecosystem)،وما هو  تأثير استخدام مستجمعات المياه (Catchment) علي الأحباس السفلي؟

   ملء خزان يؤدي إلى تغييرات جذرية في النظام البيئي المائي: من تدفق حر للتيار الي  "بيئة بحيرية"( Lacustrine Ecology)، ومن ذلك "التنضيد الحراري" (أي تكون الطبقات الحرارية)، مما يؤدي الي تسارع تحلل المواد العضوية، وهذا بدوره يؤدي إلى انخفاض الأوكسجين المذاب وتحرير الفوسفات وغيرها من المغذيات الخ  وكلها لها تداعيات سنشرحها بالتفصيل ان شاء الله  

 لما كانت ادارة ومكافحة الفيضانات هي قرار سياسي  (Policy Decision) في يد أثيوبيا حصريا ، فما هي  سياسات أثيوبيا في هذا الشأن—وما هي معالجاتها  للتخفيف من الأضرارعلي السودان ومصر ؟ 

 في كل مرة يستخدم خزان النهضة للحد من حجم وذروة الفيضان، سيتم ترسيب الطمي في خزان السد وبالتالي خفض فائدته ، فالراجح اذن أن أثيوبيا ستسعي  لتقليل استخدام الخزان للحد من من حجم وذروة الفيضان ، مثلا :

 من خلال اعتماد قواعد تشغيل   (Reservoir Operating Rules)مناسبة للخزان - قدر الإمكان، وهذا أمر يعتمد على (حجم) التصريف الأقصى الذي يمكن تمريره عبر السد من دون  أن يؤدي ذلك الي مناسيب خطيرة نحو أسفل النهر"، (Downstream)

  زيادة أحجام الأنفاق الضغطية  أو خطوط الأنابيب Pressure Tunnels/ Pipelines Sizes ، يزيد كفاءة استغلال  فرق التوازن المائي (Head Utilization Efficiency) من خلال تقليل فقدان الضغط ( تقلص فرق التوازن المائي) بالاحتكاك الهيدرولي

 فالراجح اذا أن أثيوبيا ستسعي  لتقليل استخدام الخزان للحد من من حجم وذروة الفيضان ، الا ان ارتضي السودان ومصر المشاركة في الكلفة  كثمن للاستفادة المفترضة من الحد من الأضرار الناجمة عن الفيضانات أومن توفير التدفقات المائية المستقرة لمحطات الطاقة عندهم!(سنتناول جميع الفوائد المفترضة بالتحليل لاحقا ان شاء الله)

 لما كانت ادارة ومكافحة الرواسب الطميية هي قرار سياسي (Policy Decision) في يد أثيوبيا حصريا ، فما هي  سياسات أثيوبيا في هذا الشأن—ومعالجاتها  للتخفيف من الأضرار؟ 

وكم من الرواسب الطميية ستقرر أثيوبيا تمريرها عبر السد وكم سوف تبقيه خلفه؟

 بناء  أي سد، يؤثر جذريا في توازن الدفق النهري

 وتحت هذه  الظروف تشكل ادارة ومكافحة الرواسب الطميية والفيضانات والتحكم فيهما تحدي هندسي وتصميمي كبير ، وهو قرار سياسي في يد إثيوبيا حصريا

 وبالنسبة للرواسب الطميية ، هناك خياران:

 حجز الرواسب الطميية  في السد،

 أو اطلاقها لدول الأحباس السفلي

 أثيوبيا بالطبع ستختار الخيارالذي يوافق مصلحتها ما استطاعت لذلك سبيلا دعنا ننظرفي الخيارين من وجهة نظر أثيوبيا

 في حالة  حجز الرواسب الطميية  في السد:

 يعمل السد كفخ طبيعي  للرواسب الطميية،  مما يترتب عنه إطماءالخزان (Aggradation)، أي تراكم الطمي في الخزان ،وتقليص سعته ليفقده دوره بمرورالوقت

 تراكم الطمي في الخزان يقلص حجم "حيز الحفظ"(Conservation Storage) المستخدم لتوليد الطاقة مما يمثل فقدا للطاقة ، ولما كان الطمي ثقيل سيزداد ، حمل الطمي(Silt Load):علي السد ، هو حمل يحسب عنه في التصاميم بما يعادل حمولة هيدروستاتيكية(Hydostatic load    بكثافة من 1440 كجم / م

 في غياب "بوابات تحكم" (Sluiceways) في سد النهضة سيكون جل التصريف للسيطرة علي الفيضانات المشبعة بالطمي  عبر التربينات (بجانب المفيض ) : مرور الطمي عبر التوربينات عند توليد الكهرباء سيستدعي إصلاح مستمر لها و ينجم عنه ابقاء العديد من هذه التوربينات  خارج الخدمة طول الوقت، مما يمثل فقدا كبيرا للتوليد الكهربائي، و غياب بوابات التحكم سيحرم السد من تقليص مرور الطمي عبر التوربينات بموضعة تلك البوابات أسفل مداخل التربينات بحيث يكون ارتفاع  مدخل الطاقة أعلي من ارتفاع فتحات  مصرف المياه

 تحد الرواسب الطميية  من قدرة أثيوبيا علي حصاد الثروة السمكية التي تأملها من خزان سدالنهضة:

 فالرواسب الطميية كعملية فيزيائية بحتة، تبسط غطاء لفرشة القاع   وللكائنات الحية فوقه ، وتسد  خياشيمها و  آلية  تغذيتها

 تخفض الإنتاجية الأولية (In-stream Primary Productivity )  من خلال منع تسلل الضوء للقاع : وتؤدي الترسبات الشديدة  الي تغيير هيكلية "مجتمع الكائنات القاعية" Benthic Community" وخفض تنوعها وزيادة هيمنة أنواع بعينها مما يضر بتوازن "السلسلة الغذائية"

 اذن ليس من مصلحة اثيوبيا حجز الطمي والراجح أنها ستعمل علي الحد من ترسب الرواسب في الخزان باطلاقه لدول الحباس السفلي ما استطاعت لذلك سبيلا (مثلا من خلال خفض مناسيب  مياه الخزان بالسحب إلى أسفل خلال موسم  الفيضانات لطرد أكثر الرواسب من خلال  مصرف المياهSpillway)،  لتضيع بذلك احلام  السودان في خفض الطمي الداخل للخزانات السودانية، وتحاجج –صادقة بأن حجز الرواسب الطميية  في السد يؤدي الي اطلاق  مياه خالية من الطمي في الأحباس السفلي فيتسبب في تعرية فرشة النهر (Riverbed Degradation) أمام السد (في الأحباس السفلي) واحداث  تغيرات وتعديلات كاملة في خصائص مجري النهر في الأحباس السفلي (مثل النحر Scour والتعريةErosion)علي طول  مجري النهر، مع  حرمان مصر والسودان من فوائد الطمي(والتي سنفصلها لاحقا ان شاء الله)

 كيف تم تقدير (تقيم) حمل رفع المياه العلوي (Uplift Load)وهو من  الأحمال الواقعة علي  السدود الثقلية (Gravity Dams Loads) التي ينظر فيها عند التصميم؟

 حمل رفع المياه العلوي ليس مفهوما حجمه  بالكامل ورفع المياه العلوي المفرط ينجم عادة من عدم كفاية مراقبة التسرب و يفترض أنه يتغير بشكل خطي، ولكن لا يمكن تحديده بدقة. ويستخدم  طريقة "تحليل العناصر المحدودة" (Finite Element Analysis-FEA) لحساب ضغط الارتفاع تحت السد

 كيف تم تقدير حمل الزلازل (Earthquake Load) وهو من  الأحمال الواقعة علي  السدود الثقلية  التي ينظر فيها عند التصميم؟

 وهل تم في مرحلة التخطيط اجراء  "تقييم المخاطر" (Risk Assessment) للظاهرة الزلزالية ، أو للنشاط  الزلزالي المستحدث بسبب الخزان  ((Reservoir-Induced Seismic Activity--RIS، بما في ذلك  استخدام الطريقة الديناميكية "للعناصر المحدودة" (فيمDynamic Finite Elements Method ) لتحليل الاستجابة الزلزالية؟

 وما هي أحكام التحسب (الأستشرافي) التي اعتمدت لمقابلة لمتطلبات التصميمية لحمل الزلازل ?(Anticipatory Provisions)  

 غالبا ما يتم تصميم السدود بمعرفة جزئية  فقط لظروف وخواص الموقع وأساسه

  في دراسة للبنك الدولي عام 1990شملت 49 سدا وجدوا أن  أكثر من ثلاثة أرباع تلك السدود واجهت مشاكل جيولوجية غير متوقعة

 "حمل الزلازل" هو حمل في غاية الأهمية ولكنه غير مفهوم تماما

 وفي عام 1980 يعتقد أن 5 خزانات من أصل 9 في شبه الجزيرة الهندية قدح ملأها زناد الزلازل

 وقد أسهم "النشاط  الزلزالي المستحدث بسبب الخزان”   (RIS)في واحدة من أكبر كوارث السدود فتكا في العالم،اذ أدي الي علو المياه لذروة سد فيونت (Vaiont) في جبال الألب الإيطالية في عام 1963مما ترتب عنه مقتل 2600 شخصا.                                                                                                  والزلازل تمثل تهديدا حقيقيا للسدود الجاذبية (Gravity Dams) كسد النهضة  ("فيما يقارب 10 من السدود في الجزائر، والهند، وسد Katse في زامبيا (عام 1995) حيث التوازن التكتوني دقيق وهش ، أطلق أول ملء  للخزان عقال الزلازل"

 و"السدود الكبيرة في المناطق الجبلية تجهد القشرة الأرضية، ووجود مثل هذه السدود في  منطقة نشطة تكتونيا (وغير مستقرة) كمنطقة "الصدع الأفريقي العظيم" يجعلها تشكل  خطرا حقيقيا  ... لأفريقيا أكبر من خطر تغير المناخ "(كما قال البروفيسور كريس Hartnady من جامعة كيب تاون، بي بي سي، 1995)

 والأخطرما في الأمر أن الزلازل  تحدث أحيانا في مناطق كان يعتقد في السابق أنها غير نشطة زلزاليا.

وبصفة عامة، فان "فترة العودة"، للزلزال الأقوي مصداقية Max Credible Earthquake -MCE للسدود الهامة هي  T=500-1000 عاما، هذا يعني أن في  المتوسط يحدث مثل هذا الزلزال مرة واحدة في كل 500-1000 سنة ولكن أيضا قد يحدث في أي وقت !

 ولكن "فترة العودة"، للزلزال الأقوي مصداقية أقصر من ذلك (من ال500-1000 سنة) على طول الصدوع الزلزالية الرئيسية كالصدع الأفريقي العظيم

 والمخاطر لمحطات التوليد الكهرومائية قد تتضمن:

 خرق السد

 انزلاق محطة توليد القدرة ( Power House) بعيدا عن مرساة (مثبت) قناة ضبط جريان الماء(Penstock Anchor)

 انزلاقات أرضية تدفع  بتدحرج صخور  تحدث اضرارا بالسد وبمعدات التحكم في بواباته

 هل تم تقدير احتمال فشل (انهيار) سد النهضة في اطارالخروج من  من رد الفعل للمخاطر إلى استباقها لضمان سلامة السد؟

 تقدير احتمال فشل سد ما يمكن ان يوفرفي هذه المرحلة  ،الأساس العلمي لتصميم  السد ولبرامج تقييم السلامة فيه الأن و ولبرامج تفتيشه مستقبلا ودراسة أسباب فشل سدود الدول الأخري في  الماضي (مثلا بسبب التسريب   Seepage  أوظاهرة "الأنبوبية"(    Piping، والتي تمثل التطوير التدريجي للتآكل الداخلي الذي يحدثه   التسرب) يمكن أن تقلل من حوادث سدود أثيوبيا ، بل وربما تمنع انهيارها وتسهم في تحسين التصميم وعمليات البناءو الأداء والتشغيل التفتيش والصيانة والتدريب والبحث العلمي

 وإحصائيا، فان ما لا يقل عن 50٪ من حوادث السدود ، تحدث في غضون سنوات التشغيل الخمس الاولي، و 70٪ تحدث في السنوات ال 10 الأولى من التشغيل – بينما السدود التي بنيت قبل 1940 –كخزان جبل أولياء—هي صاحبة أعلي  احتمالات الفشل

 وحسب تقارير اللجنة الدولية للسدود أسباب فشل السدود  الخرسانية ((Concrete Dam والتي ارتفاعها أكثر من 15 متر كسد النهضة الرئيسي(وسد الروصيرص ) هي:

 53% بسبب الأساس(Foundation)

  29 % بسبب علو المياة  لذروة السد (Overtopping)

 و18  % لأسباب أخري

 أما أسباب فشل السدود الجسرية الركامية  ذات الحشوة الصخرية – Rockfill Embankment Dam كسد النهضة السروجي (Saddle Dam)  فهي:

 38% بسبب التسرب ( Seepage ) وظاهرة الأنبوبية (Piping)

 35% بسبب علو المياة  لذروة السد ((Overtopping

 و21% بسبب الأساس(Foundation)

 و6% لأسباب أخري

 ما نوعية "دراسات سلامة السد"(Dam Safety Studies)  التي تمت؟

 فهم الهيدرولوجيا(علم المياه المؤسس علي كثير من الأحصائيات ونظرية الأحتمالات)  أمر حيوي لجعل السدود آمنة 

 والتحليل الهيدرولوجي من المستلزمات الرئيسية للدراسات الهيدروليكية (دراسة السوائل المتحركة والتي تعتمد في الغالب على وسائط قطعية)

 ودراسات سلامة السد عادة ما تتطلب تقييما لأنتقال  موجة الفيضان (أي الرسم المائي Hydrograph) في الأحباس السفلي، أي تقيم علاقة موجة الفيضانات الوظيفية مع الوقت  لتوفير معلومات عن:

 سطح الماء وقت ذروة الارتفاعات

 تصريف ذروة الفيضان

 توقيت تلك الارتفاعات والتصريف في مواقع مختلفة في الأحباس السفلي  لسد النهضة

 ومثل هذه الدراسات تتطلب ايضا وضع برامج لسلامة السد، والتفتيش الدوري و"قياس السلوك" مثل:

 الحركة و الإمالة في جسم السد Structure Deflection & Movement

  وضغط الدفع العلوي Uplift Pressure

 وتشوهات الأساس (Foundation Deformations

 و النشاط الزلزالي

 وتحري أضرار "التجويف" -النقرةCavitation Damage التي قد تطال الآلات والمنشآت الهيدروليكية كالمفيض و عداء مروحة التوربينات Turbine  Runners،ودعامات البوابات ( Gate Piers

 وفي الظروف العادية تستغرق ذروة فيضان النيل أسابيع لتعبر طول النيل الرئيسي وروافده الرئيسية، مما يعطي انطباعا خاطئا بأن هذا  يتيح وقتا كافيا للتحذير من الفيضان لكن عند فحص مرور ذروة  الفيضان القادم من  الروصيرص مثلا نجدها:

 تصل الخرطوم (علي بعد 624 كيلو متر) في 5 أيام

 وتصل أسوان (علي بعد 1841  كيلو متروانحدار 15.5 x 10-5 (من الخرطوم) في حوالي  10 أيام،

 وتصل القاهرة (علي بعد حوالي3250 كيلو متر من الروصيرص وعلي بعد  800 كيلو متر وانحدار  7.5 x 10-5 من أسوان) في 5 أيام أخري، (كما يوضح الرسم المرفق)،

 لذا الوقت المتاح لاتخاذ أي قرارحقيقة هو قصير لأن أقل مهلة لأخلاء المراكز السكانية متوسطة الحجم في الدول النامية لا تقل عن شهر!  فما بالك بفيضان انهيار السد الكاسح!

 وهنالك آليتان  لفشل(أو خرق)  السد Dam Breach Mechanisms):

 فشل السدود الجامدة الخرسانية (أو البنائية) كالجسم الرئيسي من سدالنهضة (و جبل أولياء وسنار):

    تحدث كإزالة مفاجئة لهيكلية السد أوجزء منها نتيجة  لأجهاد زائد،على سبيل المثال: 

  التحميل المفرط ، مما يؤدي دفع علوي لهيكل السد

 التشوه المفرط  (Excessive Deformation)

  للهيكل   بسبب هبوط الأساس (Foundation)   أو فشل هيكلي  بسبب فقدان الدعم من الأساس (Foundation)   أومن  الدعامات (Abutments

 فشل السدود الجسرية (Embankment Dams)  كسد النهضة السروجي Saddle Dam (ومروي والسد العالي) عادة بسبب تآكل داخلي للموادأو  تجاوز قمة السد (Overtopping)

 الأمر الأكثر صعوبة هو محاكاة  ذروة "الفيضان الكسري" ( الناجم عن انهيار أوخرق السد)  ، لان من الصعب --على سبيل المثال- التنبؤ بالخصائص الهيدرولوجية للفيضان الكسري(3) (مثل: ذروة التصريف -- Peak Dischrge، مستوي المياه      River Stage، حجم الفيضان أو "زمن الرحلة" (Travel Time) لموجة الفيضان (نماذج انهيار السدود البسيطة غالبا ما تكون مبنية على التجريب وترتبط ذروة التدفق (Qmax) مع ارتفاع السد (H) أو مع  حجم الخزان، على سبيل المثال: Qmax =a Hb     )

 التنبؤ بوقع مثل هذا الفيضان الجارف --الناشيء عن انهيار السد --علي الأحباس السفلي يتم من خلال تقصئ مسار الفيضان في تلك الأحباس (Flood Routing)، وأكثر البرمج استخداما (في الولايات المتحدة) هوبرنامج  (-88  DAMBRK) والذي يتألف من أربعة أجزاء:

 وصف زمانية وهندسية انهيار (خرق) السد

 حساب الرسم المائي الناجم عن خرق    السد(Breach Outflow Hydrograph)  تقصئ مسار الرسم المائي الناجم عن    انهيار(خرق) السد في الأحباس السفلي.

 محاكاة سيناريوهات  مختلفة عن حجم  الأنهيار(الخرق) وسرعة توسعه وبالتالي تقييم مدى  حساسية هذه المتغيرات علي:

  منسوب الفيضان في الأحباس السفلي

 حجم الضرر الناجم عن خرق السد

 والسمة الهامة لموجة الفيضان هي حجم الفيضان، (Flood Volume) وليس تصريف الذروة(Peak Discharges)

 ومدة  الفيضان Flood Duration ) أي الزمن الذي يبقى خلاله تصريف الفيضانات فوق عتبة معينة) وهي الأكثر اتصالا بمخاطر الفيضان

 الخطر الكارثي للسودان ومصر يتمثل في  الأنطلاق الفجائي لأكثر من 51 مليون "فدان-قدم" من المياه (9 مرات أكبر من سعة الروصيرص) و13 مرة أكبر مما سمي "بالخطر الكارثي" الذي خططت له ألمانيا في الحرب العالمية الثانية  في الأطلاق الفجائي ل 3.9 مليون "فدان-قدم" من سد أسوان القديم " علي الحلفاء في مصر!

 لكن، هل كون أن سدا أدي دوره بشكل مرض في الماضي ولم ينهار ،  يضمن سلامته في المستقبل (كما زعم البعض في استدعاء حالة سد الروصيرص لأثبات أن سد النهضة معافي من الفشل)؟ بالطبع  لا !وذلك بسبب

 التغييرات في:

 خصائص مستجمعات المياه

 الترسيبات الطميية

 البيئة المحيطة بالخزان

 التطور المعرفي

 هذه التغيرات يمكن أن تغير المعايير الهيدرولوجية (Hydrological Criteria) بعيدا عن  تلك التي اعتمدت مثلا في وقت تصميم وبناء سد الروصيرص مثلا 

 كما أن الحركات التباينية (الرأسية والأفقية) للسد يمكن أن يؤدي إلى شقوق في جسمه

 وهناك أيضا  التغييرات الكيميائية، والشيخوخة وتدهور المواد التي تطال السد بمرور الزمن

 وقد يحدث  انسداد للمرشحات و المصارف (على سبيل المثال بواسطة الجسيمات الغروانية Colloidal Particlesأو الترسيبات  الكيميائية) مما يمكن أن يؤدي إلى رفع ضغط المياه العلوي (Uplift Pressure)  بما يكفى ليعرض استقرار السد أو دعائمه الكتفية  للخطر

 " نمذجة" موجة الفيضان الناجمة عن انهيار السد ،هي  محاكاة كلاسيكية لمشكلة "التدفق غير المستقر في القنوات المفتوحة" (Unsteady Open Channel Flow)، وتنطوي علي مهمتين:

 حساب هيدروغراف التدفق الخارج من الخزان (Reservoir Outflow Hydrograph) والتي تشمل محاكاة انهيار السد  ثم

 "تقصي تدفق المياه الداخلة والمخزنة في الخزان عبر فتحة الكسر والمخارج الأخري ثم تتبع مرور الهيدروغرف عبر الأحباس السفلي

 وهناك خمسة  عناصر أساسية في أي تحليل عملية فشل (أو خرق) السد:

 تقدير مغيرات الفشل (حجم "الخرق" وشكله ووقت الفشل)،

  تقدير تصريف الذروة للفشل( ذروة التدفق)

 و تقدير الرسم البياني المائي للفيضان  (Hydrograph) الناجم عن فشل السد وهو أساسا نتاج  لعاملين:

§ فالخصائص الفيزيائية للسد (مثل هندسة السد -Dam Geometry-ومواد البناء، ونسق أو "بصمة" الفشل (Failure Mode)؛ تحدد أبعاد وتوقيت "تشكل وتطور الخرق".

§ "تشكل وتطور الخرق" بدوره --  بالأضافة لسعة الخزان ، و التصرف المائي الداخل للخزان  وقت الفشل -- يحددوا "تصريف الذروة" وشكل الرسم البياني المائي للفيضان("هيدروغراف الخرق")

 تقصي مسار الفيضان ومناسيبه(Breach Flood Routing)   

 تقدير الظروف الهيدروليكية في المواقع الحساسة.

 ولعل أبسط نهج في تحليل عملية فشل السد هو التحليل المقارن أي تقدير تصريف الذروة للخرق ( أي حجم الموجة الفيضانية الناجمة عن فشل أوخرق  السد)  ومغيراتها باستقاء ذلك من  حالات سابقة لفشل سد مماثل (- في الحجم، والهندسة، والارتفاع، والأنحدار وسعة ومساحة مسطح الخزان، الخ)(3)

 ويمكن استخدام أساليب المنهج التجريبي (Empirical Methods) كمعادلة:– ماكدونال ولانقريدج), والتي تعتمد على التحليل الإحصائي للبيانات التي تم الحصول عليها من الفشل (كحجم المياه المندفعة من فتحة الخرق وحجم الجسرالذي إزالته المياه ، وارتفاع المياه خلف السد، وتوسع فتحة الخرق مع مرور الوقت) ،  للتنبؤ بوقت الفشل والأبعاد الهندسية للخرق ، فضلا عن :

 النماذج المؤسسة علي المبادي الفيزيائية والعلاقات المادية "السببية" (Physically-based “Process” or “Causal” Model) كنموذج (أو برنامج) (BREACH، المستخدم علي نطاق واسع والذي يستخدم "نموذج التعرية" Erosion Modelالمبني على أساس مبادئ النقل الهيدروليكية )الرسوبيات والتربة) وما أغفله المنهج التجريبي (مثل مسطح الخزان المائي والمناسيب، وأبعاد السد، وخصائص التربة وأثار الماء المنصرف بعد التدوير  Tailwater أمام السد) للتنبوء "بتصرف الذروة" و "تشكل وتطور الخرق" وتوسع فتحة الخرق مع مرور الوقت.

 النماذج البارامترية (المعلمية(Parametric Models مثل HEC-1، HEC-HMS و HEC RAS- تمكن من  تقدير تصريف الذروة  و وتقصي الموجة التي يوثق لها الرسم البياني المائي للفيضان  (Hydrograph) الناجم عن خرق السد(Routing the dam breach hydrograph) وتقدير الظروف الهيدروليكية (كانخفاض ذروة الفيضان وميقات وصول الموجة الفيضاتية وسرعة وعمق التدفق ) في المواقع الحرجة في الأحباس السفلي

 النماذج الهيدرولوجية(Hydrologic Models) والتي توظف معادلة الاستمرارية (Continuity Equation)والعلاقة بين التخزين في الحبس النهري المعني والتفريغ في نهاية المطاف.. HEC-1 و HEC-HMS- هي النماذج الهيدرولوجية الأكثر استعمالا لتحليل سلامة السد وكلاهما يمكنان من حساب الرسم البياني المائي للفيضان (أي "هيدروغراف الخرق") ،لكن النماذج الهيدرولوجية لا توفر معلومات عن المناسيب أو عن سرعات تدفق المياه و غير مناسبة حينما يكون حجم الماء المرتد بالحجز كبيرا كما في حالة سد جبل أولياء

 النماذج الهيدروليكية(Hydraulic Models):

      النماذج الهيدروليكية أكثر "تجريبية" من النماذج الهيدرولوجية اذ أن  لديهم متغير واحد فقط للمعايرة وهو  (معامل الخشونة the Roughness Coefficient. وهي توظف معادلات سنت فنانت(St. Venant Equations) (أي معادلة الاستمرارية بجانب موازنات  الطاقة والزخم       (Energy and Momentum Balances   لحساب المناسيب ، ومتطلبات البيانات الأساسية الهيدروليكية هي :    بيانات التصرفات(كما يعكسها الهيدرو غراف)،

 المقاطع العرضية للمجري ،

  أطوال الأحباس، ومعلمات الخشونة ،

 هندسة المجري،

 وحالة التخم (Boundary Conditions).

  وتنقسم النمذجة الهيدروليكية في التحليل الي قسمين:

 انسياب (أوتدفق غير مضطرد (متقلب وغير ثابت (Unsteady Flow Analysis) حيث التغيرات في معدل التدفق المائي التي تعتمد على الوقت يتم تحليلها صراحة كمتغيرات(Variables) حيث يمكن تقييم خفض وتيرة موجة من الفيضان، وتقدير  حجم الفيضان وسرعة تقدمه نحو المواقع الحساسة وبرنامج الأنسياب (أوالتدفق غير المضطرد (المتقلب وغير الثابت -HEC-RAS - هو الأكثر استخداما ، ويمكن استخدام نموذج هيدروليكي لتحليل سلامة السدود

 انسياب (أوتدفق مضطرد (مستمر Steady Flow Analysis) ومع  تجاهل عامل الوقت تماما، ويمكن تحليل وتحديد ارتفاع سطح المياه، وسرعة تدفقها في قطاع عرضي معين باستخدام معادلة مانينغ (Manning’s equation)في ظل الافتراض ظروف تدفق يتغير تدريجيا. (Gradually- varied Flow Conditions)

 وهناك احيايين ينبغي فيها تناول تدفق المياه"كانسياب غير مضطرد (أو غير ثابت Unsteady Flow) وبالتالي أخذ الوقت في الأعتبار، مثلا:

 ضروري في تحليل الأنهار ذات الأنحدار المسطح(Flat Slope  )

 إذا كان عمق   المياه  يتغير مع الوقت

 إذا كانت هناك  تغييرات سريعة في مستوي المناسيب (Stages)،حيث يصبح  مصطلح التسارع (ِِAcceleration Term ) في معادلة الزخم  (Momentum Equation) من المهم كما في حالة:

§ . تحليل انهيار سد (Dam Break Analysis)

§ الفتح والأغلاق السريع لبوابات السد

§ عندما يكون انحدار النهر هو أقل من 2 قدم  لكل  ميل (أو  38 سنتيمتر لكل كيلومتر)

§ وفي كل لمنحدرات الأكثر من 95 سم / كم، يتم التعامل مع   تدفق المياه "كانسياب مضطرد أي ثابت(3)

 ما هي أحكام التحسب الأستشرافي (Anticipatory Provisions ) لمتطلبات سلامة  السد التي  روعيت في مرحلة التصميم ؟

 هناك أربعة عناصر أساسية للدفع نحوتأمين سلامة السد، وهي:

 التفتيش

 إعادة التقييم ( Re-evaluation)

 المعالجات للنقائص  (Remedial Action)

 البحوث

هذه العناصر الأربع تتخلل جميع مراحل تصميم و بناء وتشغيل السد:

 فمثلا فيما يختص بتدابير السلامة التي ينبغي مراعاتها  في أثناء التصميم ، والتي يسعي التساؤل  عالية للحصول علي اجابة فيها من بناة السد ، هو ما يتعلق ب:

 التقنيات الهيدرولوجية للتنبؤ بالتصريف (الجريان) المائي(PMP,PMF etc.)

 استقرار السد وتحميله ( (Dam Stability & Loading

 ميكانيكا التربة

 تحليل الاستجابة الزلزالية

  فشل سدود الدول الأخري

 تفسير "معايير التصميم"، (Design Criteria)

 التوثيق -- الضروري للتشغيل والإدارة، مثل تقرير التوثيق للملء الأول للخزان ، وتقارير الرصد السنوية وتقارير التفتيش والصيانة  

 ما هي أحكام التحسب الأستشرافي (Anticipatory Provisions ) لمتطلبات سلامة  السد التي  روعيت في مرحلة التشييد ؟

   وفيما يختص بتدابير السلامة التي ينبغي مراعاتها  في مرحلة التشييد ، والتي يسعي التساؤل عالية للحصول علي اجابة فيها من بناة السد ، هو ما يتعلق ب:

 معايير "ايسوISO"لضبط الجودة خلال البناء

 ضبط الأسمنت والخرسانة

 هندسة الجيولوجيا -- حالة الأساس(القاع النهري)

 التصريف وضبط التسريب

 التوثيق

 ما هي أحكام التحسب الأستشرافي (Anticipatory Provisions ) لمتطلبات سلامة  السد التي ينوي القائمون علي السد مراعاتها في مرحلة التشغيل ؟    وفيما يختص بتدابير السلامة التي ينبغي مراعاتها  في مرحلة التشغيل ، والتي يسعي التساؤل عالية للحصول علي اجابة فيها من بناة السد ، هو ما يتعلق ب:

 القياس الألي (Instrumentation)

 السلوك الزلزالي

 التفتيش والصيانة

 إعادة تقييم كفاءة المفيض،

 إعادة تقييم استقرار السد

  بحوث السلامة، فيما يتعلق بكفاية المفيض وعيوب الأساس وتردي  الخرسانة وظاهرة "الأنبوبية" (Piping)الخ

 والتوثيق

ما هي أحكام التحسب الأستشرافي (Anticipatory Provisions ) لمجابهة الخطأ البشري التي  ينوي القائمون علي السد مراعاتها ؟

 كالخطأ البشري الإجرائي (Procedural ) وغير المقصود، كادخال بيانات خاطئة في الحاسوب

 والخطأ البشري الإتصالي، كالخطأ في تفسير قراءات الأجهزة بشكل صحيح

 والخطأ البشري المتصل باتخاذ القرار غير الصائب (Decision Error ) مثلاً:

  تجاوز الحدود التصميمية ،  كتجاوز الحمل التصميمي(Design Load )

 الفشل في تشغيل السد وملحقاته  على النحو المنصوص عليه

 والخطأ المقصود (Non-Compliance Error ) ، مثلا:

 عدم احترام متطلبات المواصفات الحرجة أثناء  البناء أو

 عدم تنفيذ عمليات التفتيش المفصلة

 عدم إجراء الصيانة الحرجة أو التدابير التصحيحية

 الخرق المعتمد لإجراءات التشغيل

 وخطأ غياب الكفاءة (Proficiency ) مثلاً:

 الأخفاق في ادراك أن ظروف الساس (Foundation) لاتتفق مع افتراضات التصميم

 عدم معرفة كيفية استخدام بعض جوانب الأتممة والبرمجيات

موضوع الحلقة القادمة ان شاء الله:

جدلية  الغايات والأهداف والأغراض

لسد النهضة

مفتاح التقيم الفني لفوائد ومخاطر

سد النهضة المفترضة

"يثَبِّتُ اللَّهُ الَّذِينَ آمَنُوا بِالْقَوْلِ الثَّابِتِ فِي الْحَيَاةِ الدُّنْيَا وَفِي الْآخِرَةِ"(ابراهيم 27)   بروفسير قريش مهندس مستشار و خبير اقتصادي دولي في مجالات المياه والنقل والطاقة والتصنيع، بجانب خبرته في مفاوضات نقل التكنولوجيا وتوطينها و في مفاوضات نزاعات المياه الدولية واقتسامها وقوانين المياه  الدولية

        بروفسير قريش حائزعلي الدكتوراه الأولي له  (Summa Cum Laude) من جامعة كولمبيا الأمريكية في هندسة النظم الصناعية والنقل  والتي أتم أبحاثها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا M.I.T.))  حيث عمل زميلا في "مركز الدراسات الهندسية المتقدمة" بالمعهد، وحيث قام بوضع مواصفات تصميمية أولية لطائرتين تفيان بمتطلبات الدول النامية مع الأختبار الناجح للطائرين علي شبكات طيران الدول النامية من خلال أساليب المحاكاة الحاسوبية الرياضية وتفوقهما علي الطائرات المعروضة في الأسواق ،  وهو أيضا حائز علي ماجستير الفلسفة (M.Phil) بتخصص في التخطيط الاقتصادي والاقتصاد الصناعي من نفس الجامعة و حيث انتخب عضوا في" الجمعية الشرفية للمهندسين الأمريكيين"       (Tau Beta Pi ) ورشح في نفس السنة للقائمة العالمية للمهندسين الأشهر (Who's Who)

         بروفسير قريش حائز أيضا علي دكتوراة ثانية من جامعة مينيسوتا الأمريكية في موارد المياة بتخصص في الهيدرولوجيا وعلم السوائل المتحركة (الهيدروليكا)، وعلي ماجستير إدارة الأعمال من جامعة يوتاه الأمريكية بتخصص اقتصاد وبحوث العمليات،  بجانب حصوله علي شهادة في النقل الجوي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (M.I.T.)و علي شهادة في "العلوم والتكنولوجيا والتنمية" من جامعة كورنيل الأمريكية

وفي جانب السيرة العلمية العملية، فقد عمل بروفسير قريش كمساعد باحث بجامعة ولاية يوتاه الأمريكية ، ثم باحث أول بالمجلس القومي للبحوث ومحاضر غير متفرغ بجامعة الخرطوم وعمل بعدها كبروفيسور مشارك في جامعتي ولاية مينيسوتا الأمريكية وجامعة الملك عبد العزيزبجدة ، ومستشارا لليونسكو بباريس و مستشارا للأمم المتحدة (الأسكوا) ، وخبيرا بمنظمة الخليج للأستشارات الصناعية

        في الجانب المهني، بروفسير قريش هو مهندس بدرجة مستشار" في" المجلس الهندسي السوداني" وزميل في "الجمعية الهندسية السودانية" وعضو مجاز في" أكاديمية نيويورك للعلوم" ومجاز "كعضو بارز في جمعية هندسة التصنيع الأمريكية كما هو مجاز "كعضو بارز" أيضا من قبل "معهد المهندسين الصناعيين" الأمريكي وعضو مجاز من قبل "معهد الطيران والملاحة الفضائية"  الأمريكي وعضو مجاز من قبل "الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين" والمعهد الأمريكي للعلوم الإدارية و الجمعية الأمريكية لضبط الجودة والمعهد البريطاني للنقل     

E-mail: blacknims2000@hotmail.co.uk