نکاتی در طراحی شبکه توزیع آب

انواع شبکه‌های توزیع آب به دو دسته کلی  زیر قابل تقسیم می باشد:

الف- نحوه لوله گذاری 

ب- سیستم تأمین فشار 

الف) تقسیم بندی شبکه توزیع از نظر نحوه لوله گذاری:

در این تقسیم بندی شبکه توزیع به سه دسته شاخه‌ای، حلقوی و مختلط تفکیک می‌شود‌.

شبکه شاخه‌ای:

در این سیستم  همواره لوله‌هایی با اقطار کوچکتر از لوله‌های با اقطار بزرگتر منشعب می‌شود. جهت جریان غالباً از لوله اصلی به لوله‌های فرعی است. در این سیستم چنانچه لوله اصلی دچار شکستگی شود قطع آب در قسمت‌های پایین دستی خواهد بود که این موضوع از معایب این سیستم شمرده می‌شود. از دیگر معایب این سیستم راکد ماندن آب در زمان کاهش مصرف می باشد، که موجب رسوب گذاری در لوله و تغییر رنگ و مزه آب می‌شود. تغییرات فشار در این شبکه‌ها عمدتاً به صورت خطی با توجه به میزان افت‌های اصلی و جزئی است‌.

شبکه حلقوی:

در این سیستم شبکه از یک حلقه اصلی به صورت کمربندی و حلقه‌های درونی تشکیل یافته است و آب توسط حلقه اصلی به حلقه‌های درونی وارد گردیده و به مصرف کننده می‌رسد‌. در این نوع از شبکه‌ها بسته به نوسانات مصرف جهت جریان تغییر می‌یابد‌. هزینه اجرای شبکه‌های حلقوی به دلیل طولانی شدن لوله گذاری افزایش می‌یابد و همچنین به دلیل نامشخص بودن جهت جریان آب در لوله محاسبات آن پیچیده می‌باشد، البته ناگفته نماند که این نوع شبکه از مطلوب‌ترین نوع شبکه‌ها به حساب می‌آید‌. در رابطه با این شبکه‌ها خاطر نشان می‌سازد به دلیل تغذیه جریان از نقاط مختلف، توزیع فشاری در حالت توازن نسبی قرار داشته و با توجه به اینکه توزیع و مصارف از یک حالت متعادلی بر خوردار است لذا تغییرات شدید فشاری قابل ملاحظه نمی‌باشد.

شبکه مختلط :

این سیستم همان طوری که از نامش پیداست تلفیقی از دو سیستم شبکه توزیع شاخه‌ای وحلقوی است‌. با توجه به این موضوع که ایجاد شبکه‌های حلقوی علیرغم تمامی مزایای مرتبط با آن هزینه زیادی را در اجراء طلب می‌نماید، در اکثر شهرها بسته به وضعیت خیابان‌ها ومعابر شهری شبکه‌های مختلط طراحی واجرا گردیده است.

ب) تقسیم‌بندی شبکه توزیع از نظر سیستم تأمین فشار :

جهت ایجاد جریان در یک شبکه توزیع و تأمین فشار لازم همواره سعی بر این است که از نیروی ثقل استفاده شود‌.
شبکه‌های ثقلی با توجه به سادگی طرح آنها، در زمان بهره‌برداری از اطمینان بیشتری برخوردار می‌باشند. در صورتی که به دلایل گوناگون ایجاد شبکه ثقلی امکان پذیر نباشد، فشار لازم در شبکه توزیع آب توسط ایستگاه‌های پمپاژ تأمین می‌گردد.

در هر حال شبکه‌های توزیع از نظر تأمین فشار به انواع مختلف به شرح ذیل تقسیم‌بندی می‌شوند‌.

شبکه ثقلی نوع اول :

چنانچه منطقه مورد مطالعه از وسعت کمی برخوردار باشد و اختلاف ارتفاع به حد کافی وجودداشته باشد، فشار تمامی منطقه بوسیله یک یا چند مخزن با رقوم ارتفاعی یکسان تأمین می‌گردد‌.

شبکه ثقلی نوع دوم:

در صورتیکه وسعت و تغییرات ارتفاعی منطقه ناچیز نباشد، استفاده از یک یا چند مخزن با رقوم ارتفاعی یکسان امکان پذیر نبوده و در این حالت باید با نصب تأسیسات کاهش فشار از نوع مخزنی یا مکانیکی (شیر  فشار شکن) شهر را به مناطق مختلف فشاری تقسیم‌بندی نمود‌.

شبکه ثقلی مرکب:

در مناطقی که از چند طرف به ارتفاعات طبیعی محدود می‌گردند، می‌توان مخازن دیگری در ارتفاعات پایین‌تر از مخزن اصلی احداث نمود‌. با این روش در ساعات پیک مصرف همه مخازن به شبکه توزیع متصل بوده و در مدار بهره‌برداری قرار خواهند داشت، در ساعات کم مصرف برخی از مخازن در مدار قرار خواهند گرفت و به منظور جلوگیری از سر ریز آب مخزن پایین دست نیاز به تهیه و نصب تأسیسات کنترل جریان (شیرهای کنترل جریان در ورودی مخازن) است‌.
از محاسن این سیستم کاهش قطر لوله‌های اصلی شبکه توزیع نسبت به حالت ثقلی ساده است، که باعث کاهش هزینه‌های اجرایی می گردد‌.

پمپاژ ثقلی:

در صورتی که محل تأمین آب در پایین دست شهر باشد و شبکه توزیع در رقوم بالاتری از محل‌های تأمین قرار داشته باشد ناگزیر باید آب را به شبکه توزیع پمپاژ نمود‌. که در ساعات کم مصرف آب پمپاژ شده وارد مخازن ذخیره می‌شود و در ساعات پیک مصرف ایستگاه پمپاژ و مخزن تواماً شبکه توزیع را مشروب می‌سازند.

پمپاژ مستقیم :

چنانچه اختلاف ارتفاعی کافی در محدوده منطقه وجود نداشته باشد، توزیع و تأمین آب با پمپاژ مستقیم آب به شبکه توزیع صورت می‌گیرد. استفاده از این سیستم به دلیل نوسانات فشار در ساعات مختلف مصرف با اشکالات زیادی همراه خواهد بود و معمولاً در شرایط خاص و مناطق کوچک به کار برده می‌شود.

در این حالت ظرفیت و ارتفاع پمپاژ، به گونه‌ای تعیین می‌گردد که علاوه بر تأمین آب مورد نیاز در حالت حداکثر مصرف، جبران نوسانات ساعتی فشار مورد نیاز در شبکه نیز تأمین گردد‌. کنترل پمپ‌ها در این حالت توسط سوئیچ‌های فشاری و متناسب به مصرف در شبکه خواهد بود‌.

بدین نحو که در شرایط پیک مصرف کلیه پمپ‌ها روشن و متناسب با نیاز شبکه آب مورد نیاز و فشار لازم را ایجاد می‌نماید. به تدریج با کاهش مصرف در شبکه بالطبع فشار افزایش یافته و دبی پمپ‌ها تقلیل می‌یابد. ولی قبل از اینکه پمپـــها در شرایط نامطلوب از لحاظ راندمان کاری قرار گیرند‌. توسط سوئیچ‌های فشاری و تابلو‌های فرمان پمپ‌ها به ترتیب یکی پس از دیگری خاموش می‌گردد‌. به نحوی که سایر پمپ‌ها روشن در شرایط کاملاً مناسب و مطلوب کاری قرار گیرند‌. وبالعکس، با افزایش مصرف در شبکه و افزایش گذر حجمی هر پمپ فشار کاهش یافته و در مسیر کاهش فشار تا آنجایی ادامه خواهد یافت که فشار پمپ‌ها از یک مقدار حداقل کمتر نگردد.

در این حالت نیز توسط سوئیچ‌های فشاری پمپ‌ها به ترتیب و یکی  پس از دیگری شروع به کار می‌نماید به نحوی که کلیه پمپ‌ها در یک شرایط کاری مناسب از لحاظ راندمان قرار گیرند.

واضح است عملکرد پمپ‌ها با توجه به دامنه تغییرات دبی و ارتفاع آنهابه نحوی می‌باشد که در شرایط نامطلوب از لحاظ راندمان قرار نخواهند گرفت و از طرفی فشار ماکسیمم ایجاد شده توسط پمپ‌ها در شبکه از حد مجاز تجاوز نمی نماید و پمپ‌ها در حداقل فشار نیز تأمین کننده حداقل فشار  مورد نیاز در شبکه خواهند بود. ذکر این نکته ضروریست که استفاده از سیستم سوئیچ فشاری این امکان را به وجود می‌آورد که پمپ‌ها همواره در شرایط مطلوب کاری قرار گیرند و از عمر مفید بیشتری برخوردار باشند و همچنین در میزان برق مصرفی نیز صرفه‌جویی گردد‌. از آنجائی که گذر حجمی پمپ‌ها با استفاده از سوئیچ‌های فشاری و راندمان مناسب بین دو حد بالا و پایین مصرف تنظیم می‌گردد‌. بنابراین بر اثر خارج شدن یک پمپ از مدار پمپ‌های در حال کار از لحاظ راندمان دچار اختلال نمی‌گردد.

پمپاژ مستقیم با کنترل توسط مخزن هوایی :

استفاده از سیستم پمپاژ مستقیم با معایب زیادی همراه است‌. لذا در اغلب موارد جهت ایجاد یک سیستم مطمئن‌تر از مخازن مابین محل مصرف و ایستگاه پمپاژ استفاده می‌گردد، که مخزن تعبیه شده وظیفه کنترل فشار کار پمپ‌ها را عهده‌دار است‌. در این حالت پمپ‌ها برای حداکثر مصرف روزانه طراحی می‌شوند.

چنانچه مراکز مصرف مابین محل مخزن هوایی و ایستگاه پمپاژ واقع باشند و تأمین آب توسط مخزن هوایی و ایستگاه  پمپاژ صورت گیرد، تغییرات دبی و فشار آب در خطوط لوله کمتر خواهد شد.

به طور کلی انواع فشار در شبکه‌های  آب رسانی عبارتند از :

1.فشار استاتیکی شبکهکه با صفر فرض نمودن جریان در لوله‌ها و در نظر گرفتن بلندترین سطح آب در مخزن به دست می‌آید‌. حداکثر فشار استاتیکی، نبایستی از حداکثر فشار مجاز در شبکه، افزون‌تر گردد‌.

2.فشار دینامیکی شبکهکه در هر نقطه از شبکه، با کاستن افت فشارها از فشار کلی، به دست می‌آید‌. حداقل فشار دینامیکی بایستی از حداقل فشار مورد نیاز در شبکه بیشتر باشد.

تعاریف و اصطلاحات رایج در مدل‌سازی:

همانند سایر علوم، درعلم مدل سازی اصطلاحات تخصصی خاصی رایج بوده که در ادامه برخی از آنها تشریح گردیده است‌.

سیستم:

به شبکه‌ای از اجزای به هم پیوسته که قادر به پاسخ گویی به یک یا چند محرک می‌باشند، اصطلاحاً سیستم اطلاق می‌شود، مانند سیستم انتقال و توزیع، سیستم جمع آوری فاضلاب و امثالهم.

مدل:

مدل آن چیزی است که سیستم را با غیر از خود سیستم تشریح می‌کند، یا به عبارتی، هر روش یا روند سازمان یافته‌ای که به منظور آنالیز مسائل و پیش‌بینی ‌رفتار سیستم به کارگرفته می‌شود، مدل نام دارد.

شبیه سازی :

کاربرد مدل را شبیه‌سازی گویند‌.

متغییر:

کمیتی که در هر مرحله کار با مدل قابل تغییر است را متغیر گویند‌. مانند مصارف.

پارامتر:

کمیتی که در هر مرحله کار با مدل مقدار ثابتی داشته و غیر قابل تغییر است‌. مانند ضریب زبری.

الگوریتم:

به مراحل یا روش‌های محاسباتی، الگوریتم اطلاق می‌گردد.

هدف از مدل‌سازی و کاربردهای آن:

هدف اصلی در تهیه یک مدل هیدرولیکی سیستم توزیع آب، حصول شناخت کافی و جامع از حالات مختلف موجود در سیستم به منظور ارتقاء کمی وکیفی طراحی و بهره‌برداری است.

 به طور کلی، از مدل و نتایج شبیه سازی حاصل از آن، در یک سیستم توزیع می‌توان در مواردی به شرح ذیل استفاده نمود‌.

1.طراحی سیستم در ارتباط با اصلاح و توسعه: مدل وسیله مناسبی را در ارزیابی مهندسی شبکه توزیع آب پیشنهادی و موجود، تعریف نواقص، ارزیابی و برآورد آلترناتیوهای مطرح در اصلاح و توسعه سیستم در اختیار طراحان قرار می دهد.

2.آموزش بهره برداران: مدل وسیله آموزشی بسیار مناسبی را در آموزش و کمک به بهره‌برداران در ارتباط با شناخت سیستم و فهم اثرات اعمال سیاستها و روش‌های بهره‌برداری بر کارایی سیستم در اختیار قرار می‌دهد.

3.طراحی روش بهره‌برداری توسط مدل: کارشناسان قادر به تجزیه و تحلیل سیستم موجود بوده و از طریق آن می‌توانند استراتژی‌ها و روش‌های بهره‌برداری بهینه که در نهایت منجر به وضع قوانین و دستورالعمل‌های مفیدی می‌گردد را تدوین نمایند‌.

4.ارزیابی بهره‌برداری سیستم نتایج حاصل از مدل: اطلاعات مفیدی را در اعمال سیاست‌های مختلف بهره‌برداری بر کارآیی سیستم در اختیار قرار می‌دهد‌.

5.نگهداری سیستم: از طریق مدل امکان ارائه طرح سیستماتیک و بلند مدت در تأمین و نگهداری مبتنی بر پیش بینی و پیش‌گیری فراهم می‌گردد.

6.بهینه سازی سیستم در مواقع اضطراری: از طریق مدل می‌توان به حالاتی که در مواقع خارج شدن بخشی از شبکه از موارد و انتقال بار بخشی از آن به بخش دیگر حادث می‌شود، شناخت پیدا کرده و بدین ترتیب اقدامات مقتضی را جهت کاهش هر چه بیشتر زیانها به کار بست‌.

7.وضعیت موجود: از طریق مدل می‌توان تأسیسات مورد نیاز جهت تأمین آب را در مراحل مختلف توسعه شهر با توجه به منابع آبی موجود و مورد نیاز تعیین نمود.

8.حل مسائل و مشکلات مطرح در فصول گرم سال و مواقع کم آبی و بحران.

9.مطالعات مربوط به تلفات آب شهری

10.مطالعه، بررسی ارزیابی سیستم همزمان با بهره برداری

11.مطالعات مربوط به مدیریت انرژی

12.مطالعات و ارزیابی‌های اقتصادی سیستم توزیع

13.انجام  مطالعات کیفی و روند یابی کیفی

14.تعیین اندازه و نوع تأسیسات مورد نیاز از قبیل مخازن و ایستگاه‌های پمپاژ

15.تعیین محل احداث تأسیسات مختلف

16.تعیین اندازه،نوع و محل کارگذاری شیر آلات

17.تعیین اندازه مناسب لوله‌ها

18.تعیین مورد نیاز آتشفشانی

19.تعیین مناطق مختلف فشاری و تحلیل مسائل خاص هر منطقه

20.تعیین نیازهای آبی و ظرفیت شبکه در نقاط و زمانهای مختلف

21.تعیین میزان بار وارد به شبکه‌های مجاور و تعدیل بار 

محدودیت‌های مدلسازی :

به دلیل وجود برخی از محدودیت‌های ذاتی در هر مدل، استفاده از آن در حالات مختلف دارای محدودیت‌هایی است
از جمله محدودیت‌هایی که در استفاده و کاربرد مدل در شبیه سازی سیستم‌های انتقال و توزیع آب وجود دارد، موارد زیر قابل توجه است.

1.مدل کامپیوتری موجب بهبود کمیت و کیفیت اطلاعات پایه نمی‌گردد‌.

2.مدل تنها می‌تواند اطلاعات مورد نیاز موضوع را از اطلاعات پایه استخراج نماید و هرگز به غلبه بر کمبود‌ها و نواقص اطلاعاتی نیست‌.

3.هیچ مدلی قادر به تولید نتایج کاملاً دقیقی نبوده، چراکه هر مدل دارای کمبودها و نواقصی در نشان دادن کل سیستم است‌. به عبارت دیگر، با توجه به اینکه هر سیستمی از فرایندها و مکانیزم‌های پیچیده و متنوعی تأثیر می‌پذیرد و نمی‌توان تمام آنها را در یک مدل جای داد، لذا نتایج صددرصد به واقع نخواهد بود‌.

4.اعداد و نتایج به دست آمده توسط مدل کامپیوتری کاملتر از محاسبات دستی نبوده و تنها تفاوت آن در سرعت و دقت انجام عملیات و محاسبات است‌.

5.عموماً نتایج یک مدل به صورت اعداد، نمودارها و شکل‌ها بوده و تفسیر نهایی آنها با توجه به شرایط محلی و سایر شرایط موجود به عهده کارشناس مدل سازی است‌.

6.مدل تنها یک نرم افزار کاربردی نبوده که پس از نصب بر روی کامپیوتر تنها به یک اپراتور جهت ورود اطلاعات و اخذ نتایج از آن نیاز باشد، بلکه بایستی کار بر آشنایی کافی به اصول هیدرولیک، کیفیت آب و مدلسازی داشته باشد‌.

7.استفاده از مدل به منظور پیش‌بینی حالتها و پاسخ‌ها در شبکه توزیع به یک سری شرایط تعریف شده، مستلزم آنالیز و تفسیر دقیق اجزای مختلف مدل است‌.

8.شبیه سازی یک سیستم نسبت به حالت‌های مختلف، نیازمند به کاربردن فرضیاتی است که انتخاب آنها تأثیر مهمی بر نتایج دارد‌. علیرغم واقعیتهای فوق، یک مدل وسیله‌ای با ارزش در نشان دادن رفتار سیستم تحت شرایط مختلف بوده و توسط آن می‌توان به سؤالاتی پاسخ گفت که بدون مدل پاسخ به آنها بسیار دشوار و حتی غیر ممکن است. 

معمولاً مدلها تمامی اجزاء سیستم رامدل نمی‌کنند، چراکه:

1.بیشتر شبکه‌های توزیع بسیار وسیع و گسترده هستند.

2.در بیشتر شبکه‌های توزیع، تنها اسکلت سیستم برای راحتی کار مدل می‌شود.

3.اینکه چه لوله‌هایی برای راحتی کار، حذف شوند تأثیر مهمی در مدل خواهد داشت‌.

تهیه مدل هیدرولیکی سیستم توزیع آب 

در طی یکی دو دهه اخیر با رشد صنعت کامپیوتر و روش‌های جمع‌آوری، پردازش، ذخیره‌سازی آمار و اطلاعات و استفاده از آنها در نشان دادن و شبیه‌سازی وضعیت موجود، پیش‌بینی وضعیت آینده که در مدیریت سیستم‌های توزیع آب بسیار مفید و ضروری می‌باشد‌. مطابق با سایر علوم و فنون جهش فوق‌العاده‌ای پیدا نموده و چشم‌انداز جدیدی را در مقابل متخصصین امر گشوده است‌. امروزه روش‌های آنالیز سیستم‌های توزیع آب بصورت یک تکنیک مطرح و کارا در شناخت رفتار هیدرولیکی و کیفی، ارزیابی طرح‌های توسعه، بهره‌برداری و بطور کلی غلبه بر خلاف‌های اطلاعاتی مورد پذیرش قرار گرفته است‌. در این راستا، علیرغم این حقیقت که هنوز ابهامات بسیاری در توصیف روابط پایه که تاثیر پارامترهای فرایندی را در سیستم‌های آبی نشان می‌دهد  وجود دارد، از مدل‌ها می‌توان به عنوان ابزار مؤثر و مناسب در برآورد‌های کمی و کیفی متغییر‌های فرایندی استفاده نمود‌.

مراحل مدلسازی سیستمهای توزیع آب :

جهت تهیه مدل یک سیستم توزیع بایستی مراحل مختلفی به شرح زیر صورت پذیرد :

الف)تعریف موضوع:

اولین گام در تهیه یک مدل تعیین موضوع است‌. در این راستا، مدل‌سازی سیستم‌های توزیع آب نیز از این قاعده مستثنی نخواهد بود‌. برخی از موضوعات کلی که غالباً بر مبنای آنها اقدام به تهیه مدل می‌گردد، عبارت است از :

1.مطالعه  طرح‌های جامع  آب

2.مطالعه و بررسی کیفیت آب

3.برآورد کارآیی سیستم توزیع آب

4.مطالعات مربوط به مدیریت انرژی

5.طرحهای اصلاح و ترمیم

6.برقراری ارتباط با شبکه‌های مجاور

7.طراحی سیستم توزیع جدید

8.بهره برداری 

ب)انتخاب مدل:

موضوعات مطرح در انتخاب یک مدل بسیار زیاد بوده و توانایی مدل‌ها در برآوردن این نیازها بستگی خاص به آنها خواهد داشت‌. در انتخاب یک مدل سئوالات مختلفی مطرح بوده که در صورت پاسخ به آنها به راحتی با مرور قابلیت‌های نرم افزارموجود، نرم افزار مورد نظر را انتخاب و مورد استفاده قرار دارد‌. از جمله سئوالات مطرح عبارتند از:

1.میزان پرداختن به به جزئیات در مدل.

2.مدل کلیه لوله‌های موجود در سیستم توزیع آب را شبیه سازی کند‌.

3.مدل کلیه شیر‌آلات، پمپها، مخازن و سایر سیستم‌های کنترلی را شبیه سازی کند‌.

4.شیرهای مجزا سازی را در شبیه سازی در نظر بگیرد‌.

5.مصرف و الگوهای آن با چه جزئیاتی مورد استفاده قرار گیرد‌.

6.میزان پرداختن به جزئیات جغرافیایی بعنوان مثال موقعیت لوله‌ها و گره‌ها در مدل نشان دهنده موقعیت واقعی آنها در سیستم توزیع باشد‌. 

ج)کالیبراسیون مدل :

1.کالیبراسیون دینامیک

2.کالیبراسیون ساده

د)نوع شبیه سازی مورد نیاز :

1.دائمی یا استاتیکی

2.دوره گسترش یافته یا دینامیکی

3.کیفی

4.نحوه ربط مدل با سایر برنامه‌های کاربردی از جمله GISوCAD،بانکهای اطلاعاتی و …

5.نیازهای سخت افزاری

6.نیازهای نرم افزاری

7.نوع خروجی‌های مورد نیاز

8.میزان اطلاعات موجود، قابل دسترسی و تهیه

9.ملاحظات فنی و اقتصادی

10.پرسنل آموزش دیده

11.داده‌ها و اطلاعات مورد نیاز

12.راحتی استفاده و کاربرد 

علاوه بر موارد فوق، در انتخاب یک مدل برای یک هدف خاص بایستی نسبت به برخی از نیاز‌های عمومی شناخت کافی داشت.

ه)جمع آوری و سازماندهی اطلاعات:

اطلاعات مورد نیاز در مدلهای سیستم توزیع آب به دو دسته کمی و کیفی تقسیم می‌گردند.

اطلاعات کمی:

1.اطلاعات کمی مورد نیاز درمدل سازی سیستمهای توزیع آب ،شامل موارد زیر می باشند:

2.اطلاعات مربوط به شبکه (توپوگرافی، شرایط جغرافیایی، نقشه و موقیت مسیرهای لوله گذاری)

3.اطلاعات مربوطه به مصرف (مصارف خانگی، تجاری، صنعتی و ... به همراه آمارهای مصرف)

اطلاعات کیفی:

در صورتیکه تهیه مدل کیفی آب در یک سیستم توزیع مد نظر باشد، اطلاعات آنالیز کیفی آب و معیارها و اهداف کیفی شبکه مورد نیاز است.

برای دیدن ادامه مطلب به لینک زیر مراجعه فرمائید.