بخشی از مقاله
چکیده:
کارآیی شبکه توزیع آب را میتوان به عنوان توانایی تأمین کافی نیاز مصرف کنندگان و فشار مطلوب در گرهها با وجود تغییر در برخی پارامترهای طراحی آن دانست. در این تحقیق میزان کارآیی شبکههای آبرسانی با در نظر گرفتن عدم قطعیت در ضریب زبری لولهها با استفاده از روش شبیه سازی مونتکارلو بررسی میشود. به این منظور شبکه توزیع آب شهر کشکوئیه از توابع شهرستان رفسنجان واقع در استان کرمان مورد مطالعه قرار گرفته است. میزان انعطاف پذیری شبکه در مقابل تغییرات ضریب زبری لولهها همراه با محاسبه شاخص شکست مورد ارزیابی قرار گرفته و نتایج نشان میدهد که تقرباًی در 90 درصد از مواقع شبکه توزیع آب مورد نظر جوابگوی تغییرات ضریب زبری میباشد.
مقدمه:
سیستمهای توزیع آب، ضروریترین سیستمهای شهری محسوب میشوند و برای اینکه آب را با اطمینان برای مصرف کنندهها تامین کنند لازم است که به طور مناسب طراحی، تعمیر و نگهداری شوند. قابلیت اطمینان سیستم به عنوان بخشی از طراحی مطرح میشود .[9] با وجود آنکه بر اساس پیش بینیهای صورت گرفته، شبکه طراحی شده توانایی لازم را در تأمین نیاز و فشار کافی در نقاط مصرف را دارا میباشد، ولی تغییرات غیر قطعی پارامترهای مؤثر در طراحی شبکهها در دوران بهره برداری میتواند باعث کاهش کارایی برآورد شده برای شبکه طراحی شده گردد. کارایی شبکه توزیع آب با استفاده از محاسبه یک شاخص قطعی به نام شاخص شکست تعیین می شود Jezowiecki .[1] و همکارانش - 1985 - روش مونتکارلو را به کار بردند تا تقاضای آب را در واحدهای خانگی چند خانوار ارزیابی کنند. هیچ یک از این مطالعات عدم قطعیت تقاضا در مدل سیستم توزیع یکی نیست Leroy George - 1988 - .[7] به مدل سازی عدم قطعیت سیستمهای توزیع آب پرداخت، که در این تحقیق زبری لوله، تقاضای کل و تقاضای گره را به عنوان متغیر تصادفی در سه مدل سیستم توزیع آب شهری در نظر گرفت، و از دو معادله هیزن ویلیامز و دارسی ویسباخ برای مدل سازی سیستمها استفاده نمود. Lansey و همکارانش - 1989 - یک مدل اجباری برای طراحی حداقل هزینه شبکههای توزیع آب ارائه دادند. آنها روشی را شروع کردند تا عدم قطعیت در تقاضاهای لازم، هد فشاری مورد نیاز و ضرایب زبری لوله را محاسبه کند. آنها یک مسئله بهینه سازی را به عنوان یک مدل برنامه ریزی غیرخطی تنظیم کردند که با استفاده از روش گرادیان کاهشی تعمیم یافته حل میشود. نتایج آنها نشان میدهد که عدم قطعیت در تقاضاهای آینده، هد فشاری مورد نیاز و زبری لوله میتواند اثر قابل توجهی بر روی طراحی بهینه و قیمت داشته باشد Bao - 1990 - .[11] و May نیز از روشهای شبیه سازی مانند مونتکارلو برای بررسی عدم قطعیت در تخمین اطمینان پذیری شبکه توزیع آب استفاده کردند. مدل ارائه شده توسط آنها با هدف تعیین اطمینان پذیری هیدرولیکی، دارای سه مرحله اصلی است:-1 تولید مقادیر احتمالاتی برای متغیرهای غیر قطعی، -2 شبیه سازی هیدرولیکی شبکه به کمک شبیه ساز KYPIPE و -3 محاسبه اطمینان پذیری شبکه .[6] برای قابلیت اطمینان سیستمهای توزیع آب چند روش پیشنهاد شده است که یکی از این روشها توسط Matias - 1995 - ارائه شده است، از الگوریتم ژنتیک1 برای تکنیکهای بهینه سازی استفاده کرده است و راهی است که قابلیت اطمینان را به طور افزاینده توسعه میدهد Aklog , Hosoi - 2003 - .[8] طراحی بهینه ای مبنی بر قابلیت اطمینان را نشان دادند و تأثیر تعیین حداقل سایز لوله قابل قبول را در طی طراحی حداقل هزینه بر قابلیت اطمینان سیستم را بررسی کردند. آنها قابلیت اطمینان سیستم را با استفاده از روش حداقل مجموعه برش ارزیابی کردند Kapelan .[5] و همکاران - 2005 - نیز طراحی شبکه توزیع آب را به صورت یک مسئله بهینه سازی چند هدفه با مدلسازی متغیرهای غیر قطعی - مقدار نیاز در گره ها به کمک تابع توزیع احتمال نرمال و ضریب زبری لولهها به کمک تابع توزیع احتمال یکنواخت - بررسی کردهاند هدف از انجام این تحقیق تعیین چگونگی اثرگذاری عدم قطعیت متغیرهای غیر قطعی موجود در شبکههای توزیع آب شهری، در میزان کارایی آن در دوران بهره برداری میباشد. با وجود آنکه بر اساس پیش بینیهای صورت گرفته، شبکه طراحی شده توانایی لازم را در تأمین نیاز و فشار کافی در نقاط مصرف دارا میباشد، ولی تغییرات غیر قطعی پارامترهای مؤثر در طراحی شبکهها در دوران بهره برداری میتواند باعث کاهش کارایی برآورد شده برای شبکه طراحی شده گردد. کارایی شبکه توزیع آب با استفاده از محاسبه یک شاخص قطعی به نام شاخص شکست تعیین میشود.
مواد و روش:
در اثر گذشت زمان و افزایش سن اجزای مختلف شبکه توزیع آب، ضریب زبری لولهها تغییر می کند. این مسئله میتواند باعث تغییر فرضیات و رفتارهای هیدرولیکی جریان در شبکه توزیع آب شده و در نتیجه اطمینان پذیری شبکه را کاهش دهد. چگونگی تغییرات ضریب زبری لولهها دارای عدم قطعیت بوده و با توجه به شرایط محیطی، جنس لولهها و نحوه عملکرد آنها میتواند متفاوت باشد و از این رو لحاظ کردن عدم قطعیت در مقادیر ضریب زبری لولهها در طراحی شبکه توزیع آب شهری میتواند باعث افزایش اطمینان پذیری و کارایی شبکه شود .[1]
در طراحی بهینه شبکههای توزیع آب در حالت قطعی برای دستیابی به کارایی بالا، با تعریف و بیشینه کردن پارامترهایی که نشان دهنده عملکرد شبکه هستند، طراحی انجام میشود. در اثر گذشت زمان و افزایش سن اجزای مختلف شبکه توزیع آب، زبری لولهها تغییر کرده و افزایش مییابد. این مسئله باعث تغییر فرضیات و رفتارهای هیدرولیکی جریان در شبکه توزیع آب شده و در نتیجه اطمینان پذیری و عملکرد مطلوب شبکه را کاهش دهد. بنابراین فرض یک مقدار ثابت برای ضریب زبری لولهها در طراحی شبکه با عمر مفید معین، معقول و منطقی نیست .[2] چگونگی تغییرات ضریب زبری لولهها دارای عدم قطعیت بوده و با توجه به شرایط محیطی، جنس لولهها و نحوه عملکرد آنها میتواند متفاوت باشد. از این رو لحاظ کردن عدم قطعیت در مقادیر ضریب زبری لولهها در طراحی شبکه توزیع آب شهری میتواند باعث افزایش اطمینان پذیری و کارایی شبکه شود. به طور کلی روشهای تجزیه و تحلیل عدم اطمینان پدیدهها را می توان به سه دسته کلی زیر تقسیم بندی نمود: روشهای تحلیلی - روشهای تقریبی - روشهای شبیه سازی. در این تحقیق از روش شبیه سازی استفاده شده است. در روش شبیه سازی مونت کارلو سعی بر آن است که از طریق تولید دادههای تصادفی، اثر تغییرات پارامترهای موثر بر یک شبکه در نحوه عملکرد آن ارزیابی گردد. تولید داده با توجه به توزیع احتمالاتی در نظر گرفته شده برای هر متغیر تصادفی موجود در شبکه انجام میشود .
شبکه توزیع آب مورد مطالعه:
کشکوئیه در شهرستان رفسنجان، استان کرمان، واقع شده است. محدوده مورد مطالعه طرح در گستره جغرافیایی 30 30 تا 31 عرض جغرافیایی و 55 30 تا 56 طول جغرافیایی قرار دارد. آب شرب مورد نیاز شهر کشکوئیه از مخزن ذخیره در ارتفاع 1495 متر از سطح دریا توسط یک خط لوله چدن داکتیل به طول 1471 متر و به قطر 350 میلی متر به شبکه توزیع آب شهر انتقال مییابد. دبی حداکثر منتقل شده به شهر - دبی حداکثر ساعتی در طول دوره طرح - برابر با 74/6 لیتر بر ثانیه است. مجموع طول لولههای شبکه توزیع در حدود 103 کیلومتر و مجموع طول لولههای خطوط انتقال - خط انتقال از شهر به روستاهایعلی آباد، نورآباد، احمدآباد، حسن آباد و خالق آباد - تقریباً برابر با 9/2 کیلومتر میباشد. سیمای شبکه توزیع در شکل 1 آورده شده است. حداکثر اختلاف ارتفاع موجود در این طرح بین دو نقطه مخزن ذخیره و روستای خالق آباد و به میزان 69 متر است و بیشترین فشار کاری مورد نیاز لولهها، bar 10 است. حداقل فشار دینامیک موجود در شبکه - در حداقل مصرف - در محل ورودی به شهر و برابر 16 متر آب و حداکثر آن در شمال شهر و به میزان 40 متر آب میباشد.[4]
شکل -1 لولههای خطوط انتقال و حلقههای اصلی شبکه توزیع شهر کشکوئیه
برای تحلیل و شبیه سازی شبکه توزیع آب، از رابطه هیزن ویلیامز به صورت زیر استفاده گردیده است که : افت فشار در لوله - بر حسب متر - ، : L طول خط لوله - بر حسب متر - ، : D قطر لوله - بر حسب متر - ، : Q شدت جریان عبوری از لوله - بر حسب متر مکعب در ثانیه - ، : C ضریب هیزن ویلیامز - بدون بعد - میباشد. شبیه سازی هیدرولیکی این شبکه با استفاده از نرم افزار EPANET انجام شده است. دادههای مربوط به شبکه توزیع آب شهر کشکوئیه برای 100 لوله مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق، برای متغیر تصادفی ضریب زبری مربوط به لولههای شبکه، با استفاده از روش شبیه سازی مونتکارلو تعدادی داده به صورت سریهای تصادفی تولید و عملیات شبیه سازی به ازای هر یک از سریها انجام شده است. بعد از اجرای شبیه سازی برای هر سری داده یک شاخص کارایی محاسبه شده و در نهایت با بررسی آماری شاخصهای به دست آمده از تمام سریها میتوان میزان انعطاف پذیری سیستم طراحی شده را ارزیابی کرد. شاخص کارایی مورد نظر در این تحقیق، شاخص شکست میباشد.
