بخشی از مقاله
تحلیل عدم قطعیت فشار و نشت آب در شبکه آبرسانی
چکیده
یکی از راه های اساسی جهت کاهش نشت، کاهش فشار اضافی سیستم از طریق مدیریت فشار می باشد. در این پژوهش استفاده از شیرهای فشارشکن برای مدیریت فشار و کنترل نشت مورد بررسی قرار میگیرد و تاثیر استفاده از آن در شبکه تحلیل میشود. شبکه مورد مطالعه در سه حالت مختلف مورد بررسی و تحلیل هیدرولیکی قرار گرفت. با استفاده از فشار شکن در شبکه، میتوان علاوه بر تعدیل فشار حداکثر موجود در ساعات نیمه شب، فشار بحرانی ساعت اوج مصرف را نیز در حد قابل اطمینان تنظیم نمود. با استفاده از تحلیل عدم قطعیت رابطه نشت به روش گشتاور دوم مرتبه اول حول میانگین مشخص گردید مدیریت فشار تاثیر به سزایی در کاهش نشت و عدم قطعیت آن خواهد داشت.
واژههای کلیدی: مدیریت فشار، شیرهای فشارشکن، WaterGEMS، شبکه آبرسانی، نشت آب.
-1 مقدمه
مقدار آبی که به شبکه وارد شده و مورد مصرف قرار می گیرد به دو دسته تقسیم می شود: مصرف کنترل شده، که صرف احتیاجات انسانی می گردد . فرض اساسی در این نوع مصارف این است که اگر تحت فشار استاندارد آب مورد نیاز مصرف کننده تامین گردد، آبی مازاد بر نیاز مصرف کننده مصرف نخواهد شد. مصرف کنترل نشده، که بدون وجود حد بالایی برای توقف مصرف، با اضافه شدن فشار افزایش می یابد. به همان میزانی که سهم مصرف کنترل نشده از کل آب ورودی به شبکه بیشتر شود کارایی شبکه پایین می آید. از مهمترین مصارف کنترل نشده می توان به نشت اشاره کرد. نشت آب از طریق سوراخ ها و ترک های کوچک و بزرگ و یا شکستگی های لوله ها، انشعابات، شیرها و پیوندی های شبکه روی می دهد. عموما" نشت آب از محل پیوندی ها و شیرها با بده کم همراه می باشد ولی زمان و تعداد آنها در شبکه به گونه ایست که شناسایی این گونه نشت ها را اقتصادی و ضروری می سازد. نشت آب در شبکه آب به یکی از علت های زیر به وجود می آید: طراحی نامناسب و وجود فشار زیاد آب در شبکه، اعمال بار اضافی و پوشش ناکافی روی لوله، خوردگی لوله ها و پیوندی ها در اثر گذشت زمان، ضربه در اثر عوامل خارجی بر لوله، کیفیت نامناسب اجرا و بی دقتی در حمل، بسترسازی و نصب صحیح لوله ها و پیوندی ها، عمر زیاد شبکه، لغزش زمین و رانش خاک، وجود پدیده هیدرولیکی ضربه قوچ و ..
نشت از لوله ها
لوله ها نقش هدایت و توزیع آب را از محل منابع تولید تا مخازن ذخیره واز آنجا تا محل مصرف به عهده دارند. شکستگی های بزرگ در لوله ها به سرعت آشکار می گردد، زیرا تاثیرات ناگهانی در ظرفیت جریان عبوری داشته و بهره بردار متوجه می شود. اما از طرف دیگر به دلیل اینکه لوله ها در عمق نسبتا" زیاد کارگذاری می شوند، نشت های حادث شده در آنها براحتی آشکار نشده و چه بسا برخی از نشت ها بویژه در بستری با خاک سبک مدت زیادی ادامه یابد. به همین دلیل نشت در لوله ها به موارد زیر تفکیک می شود:
1
نشت اجتناب ناپذیر:
این مقدار نشت جزو خواص ذاتی سیستم بوده و در هر شرایطی، کم و بیش در همه شبکه ها وجود دارد. شناسایی و ترمیم قسمت بیشتر این گونه نشت بدلیل بده کم و پراکندگی زیاد، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبوده و صرفا" با تعویض لوله ها مقدار آن کاهش می یابد.
نشت زمینه یا نامریی:
در این نوع نشت، آب از سوراخ ها، ترک ها و پیوندی های موجود در شبکه خارج شده و به دلیل آنکه زیادتر از نشت های اجتناب ناپذیر است، لازم است طی عملیات نشت یابی شناسایی گردد. تکنیک های زیادی برای عملیات نشت یابی وجود دارد که می توان به تقسیم نواحی ایزوله به زیر نواحی کوچکتر به وسیله بستن موقتی شیرها یا نصب کنتور، استفاده از دستگاه های محدوده یاب نشت نویزلاگرها و صداسنج، استفاده از میکروفون زمینی به عنوان نقطه یاب نشت و ... اشاره کرد.
نشت مریی یا حوادث:
اینگونه نشتها بدلیل بروز حوادث و یا مریی شدن نشت های نامریی رخ می دهد. تعداد حوادث و میزان نشت از شبکه های توزیع آب ارتباط مستقیمی با فشار آب در شبکه دارد. گرچه رابطه دقیقی بین شکستگیها و فشار مشخص نشده است، ولی میزان فراوانی حوادث نسبت به تغییرات فشار بسیار حساس است. بر اساس شواهد مقدار این افزایش بیشتر از حالت خطی بوده و حتی توان 3 نیز برای آن پیشنهاد شده است .(Technical working group on water, 1980)
نشت از شیرها:
در شیرها بدلیل عواملی مانند خوردگی، پوسیدگی، عمر بالا، خرابی واشر و ... ممکن است نشت بوجود آید. اما با توجه به اینکه شیرها در حوضچهها نصب می شود، در صورت بروز نشت براحتی قابل رویت و رفع می باشد.
نشت از پمپ ها:
در پمپ ها نشت بدلیل عدم آب بندی یاتاقان ها، کاسه نمدها و سایر قطعات ممکن است بوجود آید. به همین دلیل باید بصورت مرتب مورد بازرسی قرار گرفته و در صورت وجود رطوبت یا نشت نسبت به تعویض قطعات یا نوارهای آب بندی اقدام شود.
نشت و تلفات از مخازن ذخیره:
مخازن ذخیره دارای تلفات مختلفی از جمله سرریز و نشت از دیوارها و کف می باشد. سرریز از مخازن بدلیل عدم توجه بهره بردار، عدم وجود سیستم اتوماتیک و عدم طراحی درست حجم مخزن با نوسانات مصرف بوجود می آید. همچنین نشت از مخازن بدلیل عدم کیفیت مناسب مصالح، عدم اجرا و نظارت صحیح و عدم پوشش مناسب دیواره ها و کف مخازن می باشد. نشت در مخزن، از اختلاف تراز سطح آب در یک دوره زمانی مشخص و محاسبه میزان افت سطح آب بدست می آید.
رابطه نشت و جذر فشار
از نظر تئوری جریان خروجی از درون یک سوراخ با ابعاد ثابت(روزنه) با جذر فشار آب درون آن متناسب است. به بیان دیگر ، که در آن Q دبی جریان خروجی از روزنه، P فشار آب درون لوله و K ضریب بازشدگی روزنه می باشد.
رابطه شاخص نشت و فشار
برخی آزمایش ها نشان داده است که در شبکه های توزیع آب شهری رابطه فشار با نشت یاد شده در بالا برقرار نبوده است. در محور عمودی این منحنی بجای نشت از جریان خالص شبانه به عنوان یک شاخص نسبت به نشت، که شامل مصرف
2
شبانه مشترکین بعلاوه نشت شبکه استفاده می شود. محور افقی آن فشار متوسط شبانه در منطقه (AZNP) بوده که فشار متوسطی است که در شب درون سیستم رخ می دهد.
(1)
در رابطه (1) که توسط مطالعات مرکز تحقیقات آب انگلستان((WRC بدست آمده، مشاهده می شود که منحنی تا فشار حدود 50 متر تقریبا" خطی است و در فشارهای بالاتر دارای شیب تندتری می باشد که در تضاد کامل با فرمول قانون جذر فشار یا همان رابطه روزنه است .(WRC-UK Water Industry, 1994) در این رابطه مشاهده می شود یک کاهش کوچک در فشار های بالا می تواند سبب کاهش زیادی در میزان نشت گردد.
رابطه نشت کل، اصلی و جزئی با فشار
تحقیق دیگری در شهر ریاض عربستان صورت پذیرفته که در این تحقیق شهر به 8 ناحیه و نشت ها به دو کلاس نشت اصلی(بزرگتر از 11 لیتر بر دقیقه) و نشت جزئی (کوچکتر از 11 لیتر بر دقیقه) تقسیم شدند. نتایج این پژوهش نشان داد که رابطه بین نشت و فشار برای نشت های اصلی و جزئی کاملا" متفاوت می باشد. نشت های اصلی معمولا" جایی اتفاق می افتد که ترک یا شکستگی در لوله وجود دارد و مقادیر توان n در فرمول بالا نسبت به نشت های جزئی کمتر خواهد بود.
محاسبه میزان نشت آب شبکه نشت ناشی از حوادث
برای تعیین میزان آب خروجی ناشی از هر حادثه با توجه به قوانین هیدرولیکی حاکم بر جریان، شناخت سطح مقطع منفذ و فشار شبکه در آن مقطع زمانی ضروری است. در صورتیکه سطح مقطع معادل شکستگی و یا ترک بطور مناسب و دقیق در هنگام رفع حادثه ثبت گردد، فقط با داشتن فشار شبکه می توان از طریق فرمول و جداول مربوطه به سوراخ و یا ترک، میزان نشت مریی را محاسبه نمود. برای محاسبه نشت ناشی از حوادث از فرمول روزنه (اریفیس) استفاده می شود. با توجه به اینکه فرمول اریفیس برای برآورد آب خروجی از یک سوراخ در هوای آزاد میباشد، برای لولههای مدفون که توسط خاک متراکم شده، اطراف لوله ها پوشانده شده است، این فرمول باید در ضریبی کمتر از یک ضرب شود. که طبق توصیه (AWWA and DWRWCO, 1992)، این ضریب برای منافذ نشت به شکل سوراخ برابر 0/8 و برای منافذ به صورت ترک برابر 0/6 در نظر گرفته می شود. بنابراین برای محاسبه نرخ جریان خروجی از شکستگی ها از فرمول زیر استفاده می
شود:
(2)
که در آن Q دبی نشت (لیتر بر دقیقه)، ضریب تخلیه ( سوراخ 0/8 و ترک (0/6، A سطح مقطع (سانتی متر مربع) و P
فشار (اتمسفر) می باشد.
روش های کاربردی کنترل میزان نشت
فشار آب در شبکه معمولا" به وسیله مخازن مرتفع یا وجود پستی و بلندی و اختلاف تراز ارتفاعی زیاد بین نقاط شبکه به وجود می آید. در شبکههای توزیع آب، میزان نشت و تعداد شکستگیها تابعی از فشار شبکه می باشد. روشهای مختلفی برای کاهش میزان نشت وجود دارد که به دو گروه عمده زیر قابل تفکیک می باشد.
کنترل غیر فعال: شامل برخورد روزمره با شکستگی های گزارش شده (سرعت و کیفیت تعمیرات) کنترل فعال: شامل کنترل فعال نشت و یافتن مستقیم محل نشت و ترمیم آن، مدیریت خطوط لوله آسیب دیده و تعویض آن و مدیریت فشار.
3
مدیریت فشار
معمولا" پدیده نشت در لوله های فرسوده دفن شده در زیر زمین بوجود میآید و به دلیل عدم رویت آن در سطح زمین، در فاصله زمانی آغاز نشت تا یافتن محل نشت مقدار زیادی آب تلف میشود. پس راهکار یافتن محل نشت، جز در مواردی محدود به عنوان اولین گزینه توصیه نمیشود. یکی از راه های اساسی جهت کاهش نشت، کاهش فشار اضافی سیستم از طریق مدیریت فشار می باشد. برای کنترل و کاهش میزان نشت، محدودیتهای فشار آب در شبکههای آب و ابزارهای مورد استفاده در روش مدیریت فشار در ادامه معرفی می گردند.
محدودیتهای فشار آب
فشار آب در خطوط انتقال و شبکه توزیع آب تابع وضعیت توپوگرافی منطقه و نیز بزرگی و کوچکی شبکه و نوع تاسیسات مورد استفاده می باشد. در زیر محدودیت های فشار در خطوط انتقال و شبکه توزیع آب بیان میشود. حداکثر فشار آب در خط لوله انتقال آب نباید از فشار کار لوله و متعلقات نصب شده تجاوز نماید. حداقل فشار آب نیز باید به حدی باشد که در هیچ حالتی خط شیب هیدرولیکی در مسیر انتقال آب با پروفیل لوله گذاری لوله تلاقی نکند تا از بروز فشار منفی جلوگیری گردد. حداکثر فشار آب در شبکه توزیع باید به اندازهای باشد که مشکلی برای بهرهبرداری و نکهداری از شبکه و انشعابات بوجود نیاید. با توجه به نقاط ضعف در شبکه و تاسیسات داخلی انشعابات، حداکثر فشار آب نباید از 5 اتمسفر تجاوز نماید. حداقل فشار باید به اندازهای باشد که در مصارف پیک ساعتی و در ابتدای هر انشعاب فشار لازم برای مشترکین تامین گردد. حداقل فشار مناسب در نقاط شهری با ساختمان های 3 الی 4 طبقه حدود 3 اتمسفر است. این مقدار برای شهرهای کوچک 2 اتمسفر میباشد.
-2 مواد و روش ها
در این پژوهش استفاده از شیرهای فشارشکن برای مدیریت فشار و کنترل نشت مورد بررسی قرار میگیرد و تاثیر استفاده از آن در شبکه تحلیل میشود. این شیرها عملا" به منظور از بین بردن اضافه فشار موجود در شبکه به وسیله تنظیم فشار خروجی در محل این شیرآلات استفاده میشوند. این شیرها زمانی اثر فشارشکن را دارند که فشار در محل آنها از پایین دست بیشتر و از بالادست کمتر باشد. در صورتی که فشار در محل شیر از فشار در دو سر لوله کمتر باشد شیر به صورت یک لوله عمل می کند و زمانی که فشار خروجی کمتر از فشار گره پایین دست باشد به عنوان شیر یک طرفه عمل می نماید. در صورتی که فشار در دو سر لوله از فشار تنظیمی شیر بیشتر باشد شیر هیچ تاثیری در آن دامنه از فشار ندارد. با تعیین فشار خروجی بهینه در این نوع از شیرآلات می توان فشار اضافی در شبکه را کمینه نمود.
محل نصب شیر فشارشکن
معمولا" اولین تراز نصب شیرهای فشارشکن حدود 50 تا 60 متر پایینتر از تراز محل احداث مخزن ذخیره میباشد. تراز و محل نصب شیر فشارشکن بعدی در صورت نیاز با توجه به فشار خروجی شیر اول که قابل تنظیم میباشد تعیین میشود. شیر فشارشکن د داخل حوضچه ای با ابعاد مناسب قرار میگیرد. در این حوضچه علاوه بر آن لازم است شیرهای قطع، صافی، قطعه قابل انفصال و اتصال و شیر هوا نصب شود.
