بخشی از مقاله
چکیده
با افزایش جمعیت و گسترش تنوع فعالیتهای صنعتی و کشاورزی، تأمین آب از لحاظ کیفی و کمی روز به روز با دشواری بیشتری همراه میشود. گندزدایی و کشتن باکتریهای موجود در آب که ممکن است به صورت شیمیایی و یا فیزیکی انجام گیرد، کمترین تصفیهای است که در هر شبکه آبرسانی شهری باید به اجرا درآید. آب آشامیدنی به روشهای مختلفی گندزدایی میشود که متداولترین و ارزانترین روش آن، کلرزنی است.
یکی از مهمترین مسائل در زمینه کلرزنی، میزان تزریق کلر است که باید به گونهای انتخاب شود که میزان کلر باقیمانده در کلیه نقاط یک شبکه توزیع آب شهری در محدوده استاندارد قرار گیرد. مقدار حداقل کلر باقیمانده به منظور کنترل کیفیت میکروبی آب و مقدار حداکثر آن به منظور کنترل مشکلات مربوط به مزه و بوی آب و همچنین جلوگیری از تولید فراوردههای جانبی سمی باید رعایت شود.
در این مقاله میزان تزریق کلر در محلهای تزریق با تلفیق یک مدل تحلیل هیدرولیکی و مدل سازی کیفی EPANET و یک مدل بهینهسازی چندهدفه الگوریتم جامعه مورچگان به گونهای بهینه میشود که در یک تابع هدف میزان کلر مصرفی کمینه شده و در تابع هدف دیگر قابلیت اطمینان کیفی بیشینه شود. برای این منظور لازم است تا رابطهای برای قابلیت اطمینان کیفی تعریف شود.
توابع بهینهسازی یک منحنی تعامل برحسب میزان کلر مصرفی و قابلیت اطمینان کیفی ارائه خواهند داد که به تصمیمگیرندگان در انتخاب میزان تزریق کلر کمک خواهد کرد. در این مقاله با حل مثال کاربردی از شبکههای آبرسانی نمونه، کارایی مدل در جهت تعیین میزان بهینه تزریق کلر با در نظر گرفتن قابلیت اطمینان کیفی، نشان داده شده است.
-1 مقدمه
زیرساختها در هر کشوری هم از نظر خدماتی که ارائه می دهند و هم از نظر هزینههای طراحی، اجرا و بهرهبرداری، از اهمیت بالایی برخوردار هستند. از جمله این زیرساختها، شبکههای توزیع آب شهری میباشند که وظیفه توزیع آب را با کمیت و کیفیت مناسب در طول دوران بهرهبرداری و شرایط مختلف برعهده دارند. از آنجا که آب مادهای حیاتی برای زندگی روزمره انسانها است و کیفیت آب با سلامت عده زیادی از مصرف کنندگان ارتباط دارد، وقفهای هرچند کوتاهمدت در سرویسدهی یک شبکه آبرسانی، میتواند نارضایتیهای زیادی را ایجاد نماید و کوچکترین بی توجهی در این زمینه، مشکلات غیرقابل جبرانی را پیش آورد.
کمترین تصفیه ای که برای منابع آب شرب در نظر گرفته می شود، گندزدایی آب با گندزداهای مختلف از جمله کلر و مشتقات آن است که به علت سهولت کاربرد و قابلیت مناسب در از بین بردن میکروارگانیسم های بیماری زا و دارا بودن هزینه های نسبی کم، به طور گسترده در شبکه های توزیع آب بکار می روند. در حین حرکت آب حاوی کلر داخل لوله های شبکه، کلر با عناصر موجود در جریان حجمی آب و رسوبات موجود روی جداره لوله ها واکنش می دهد و مقدار آن در شبکه کاهش می یابد.
میزان کلر آزاد باقیمانده، مقدار کلر موثری است که باید در هرنقطه از شبکه وجود داشته باشد و کنترل آن در یک بازه استاندارد، در کلیه نقاط شبکه آبرسانی، از مسائل مهم در مدیریت کیفی می باشد. حداقل کلر آزاد باقیمانده طبق استاندارد شماره 1053 پس از زمان تماس کافی برای PH بین 6 تا 8 برابر 0/2 میلیگرم در لیتر در نظر گرفته میشود.[1] همچنین مقدار حداقل و حداکثر مجاز کلر آزاد در آب آشامیدنی طبق نشریه شماره 117-3 بر حسب میلی گرم در لیتر به ترتیب برابر 0/2 تا 0/5 توصیه شده است.
سازمان بهداشت جهانی - WHO, 2004 - نیز در آخرین ویرایش مربوط به استانداردهای آب آشامیدنی، مقدار حداقل و حداکثر کلر آزاد باقیمانده در آب را به ترتیب 0/2 و 0/5 میلی گرم در لیتر توصیه کرده است. در امر مدیریت کیفی، تعیین مکان و میزان تزریق کلر در شبکه بنحوی که غلظت در تمام نقاط شبکه، در بازه استاندارد قرار گیرد، ضروریست که برای صرفه جویی در هزینه و زمان، برای این منظور از الگوریتم های بهینه سازی استفاده می شود.
در این مقاله سعی بر آنست که علاوه بر بهینه نمودن میزان کلر مصرفی بنحوی که مقدار کلر باقیمانده در محدوده استاندارد خود قرار بگیرد، تابع هدف دومی برای افزایش شاخص قابلیت اطمینان کیفی شبکه تعریف و ارضا گردد.
تعریف کلی قابلیت اطمینان عبارتست از احتمال اینکه یک سامانه در یک دوره زمانی معین و در محیطی مشخص، وظیفه اش را در محدوده ای خاص به خوبی انجام دهد .[2] - Bazovski, 1961 - اگر میزان این شاخص در یک شبکه توزیع آب در شرایط بحرانی زیاد باشد، نشان دهنده عملکرد مناسب شبکه خواهد بود. یعنی در این صورت با وقوع شرایط بحرانی تعداد کمتری از مصرف کنندگان تحت تأثیر قرار می گیرند. قابلیت اطمینان در شبکه های توزیع آب به صورت قابلیت اطمینان مکانیکی، قابلیت اطمینان هیدرولیکی و قابلیت اطمینان کیفی تعریف می شود.
قابلیت اطمینان مکانیکی در شبکههای توزیع آب بیان کننده احتمال عملکرد کامل یک جزء از شبکه در یک دوره زمانی مشخص میباشد و بطور معمول از طریق شاخص قابلیت دسترسی، قابل محاسبه میباشد. قابلیت اطمینان هیدرولیکی از قابلیت اطمینان مکانیکی بدست میآید و به صورت احتمال برآورده شدن دبیهای مورد نیاز در گره های شبکه در محدوده فشار مناسب تعریف میشود. قابلیت اطمینان کیفی از روی قابلیت اطمینان مکانیکی و هیدرولیکی به دست میآید و به صورت میزان احتمال برآورده شدن دبی های درخواستی شبکه با کیفیت مناسب تعریف میشود.
این تعریف شاخصی برای تعیین شکست و یا عدم شکست شبکه توزیع آب در شرایط مختلف بهره برداری از نظر کیفی میباشد. بر این اساس شکست کیفی به صورت عدم توانایی شبکه در تامین آب با کیفیت مناسب تعریف می شود. باید توجه داشت که قابلیت اطمینان کیفی بر اساس تغییرات میزان کلر باقیمانده یا سن آب قابل تعریف است و در اکثر موارد وابسته به قابلیت اطمینان هیدرولیکی می باشد.
شکل-1 منحنی جریمه برای کلر آزاد باقیمانده
شاخص کارائی کیفی شبکه به کار رفته توسط Tabesh and Dolatkhahi - 2006 - مشکل صفر و یک بودن فاکتور کیفی را برطرف میکند، اما هیدرولیک شبکه یعنی اینکه چه بخشی از جریان مورد نیاز تامین میشود، به آن توجه نشده است . به عبارت دیگر فرض بر آن است که تمامی جریان مورد نیاز در گرههای شبکه تامین شوند که در شرایط واقعی امکان پذیر نیست.
Boccelli et al. - 1998 - توانستند در یک شبکه نمونه، با استفاده از بهینهسازی خطی بهوسیله کمینه کردن میزان تزریق در بوسترپمپهای تزریق کلر در زمانهای مختلف، میزان کلر باقیمانده در نقاط مختلف شبکه آ ب را در محدوده مجاز مورد نظر قرار دهند.
Munavalli and Mohan Kumar - 2003 - با استفاده از شبکه مشابه نمونه استفاده شده توسط Boccelli - 1998 -
میزان دز تزریق در بوستر پمپها را توسط الگوریتم ژنتیک بهینه کردند.
Prasad et al. - 2004 - الگوریتم ژنتیک چندهدفه را برای تعیین مکان بهینه ایستگاههای تقویتی و تنظیم کلر باقیمانده در شبکه شرقی ایالات متحده به کار بردند. اهداف شامل مینیمم کردن کل دز کلر و ماکزیمم کردن حجم آب تأمین شده میباشند بهطوری که غلظت کلر باقیمانده در بین محدوده های مشخص شده باشند.
Salomons and Ostfeld - 2006 - اظهار می دارند که اکثریت سیستمهای بررسی شده ثقلی یا تحت فشار بودند و در آنها برنامهریزی پمپاژ قبل از فرآیند بهینهسازی ثابت بوده و همراه با برنامهریزی تزریق دز کلر در ایستگاههای تقویتی درنظر گرفته نشدهاند.
این نویسندگان مسئله برنامهریزی پمپ و گندزدایی را در درنظر گرفتند و مشاهده کردند که تعامل مشخصی بین هزینه انرژی و کل دز کلر تزریق شده وجود دارد. بنابراین آنها نتیجه گرفتند که مینیمم کردن هزینه انرژی و مینیمم کردن کل دز کلر تزریق شده باهم در ارتباط می باشند و باید باهم درنظر گرفته شوند.
Dandy and Gibbs - 2003 - هم مسئله بهرهبرداری پمپ و تزریق کلر در ایستگاههای تقویتی را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که وقتی که قید کیفی را وارد فرآیند بهینهسازی میکنند، برنامهریزی بهینه پمپ تغییر پیدا میکند
Tabesh et al. - 2011 - میزان دز کلر در محلهای تزریق را با تلفیق مدل تحلیل هیدرولیکی و کیفی EPANET و نیز مدل بهینهسازی غیرخطی الگوریتم ژنتیک، بهینه کردند.
Tabesh et al. - 2011 - بعدها با تلفیق مدل هیدرولیکی و کیفی EPANET و نیز مدل بهینهسازی الگوریتم ژنتیک، بهترین مکان ایستگاههای تزریق کلر و دز آنها را در شبکههای توزیع آب بهینه کردند.
Munavalli and Kumar - 2003 - با استفاده از الگوریتم ژنتیک به برنامهریزی بهینه مقدار کلر در مخازن تزریق کلر در شبکههای توزیع آب پرداختهاند.
