بخشی از مقاله
محاسبه ي شبكه هاي جمع آوري فاضلاب
پس از تعيين مقدار فاضلاب در حالت هاي گوناگون بهره برداري از شبكه و انتخاب نوع لوله ها، بايد براي شروع محاسبه ي شبكه جمع آوري فاضلاب گام هاي زير برداشته شود:
گام اول- تهيه ي نقشه ي توپوگرافي از شهر مورد نظر- براي انجام بررسي ها و محاسبات شبكه ي جمع آوري فاضلاب حداقل دونوع نقشه توپوگرافي لازم است:
الف) نقشه ي توپوگرافي به مقياس تا از شهر و حومه آن براي آگاهي بر وضعيت كلي عوارض طبيعي اطراف شهر و امكان ورود سيلاب هاي ناشي از بارندگي ها به درون شهر، در مواردي كه شهر در مسيل سيلاب كوه هاي اطراف قرار دارد مطالعه روي نقشه اي به مقياس كه داراي خطوط همتراز باشد نيز لازم است. اين گونه نقشه ها را در ايران مي توان از سازمان جغرافيايي ارتش دريافت نمود.
ب) نقشه ي توپوگرافي به مقياس تا براي انجام محاسبات دقيق شبكه. در اين نقشه ها بايد ترازيابي دقيق تمام خيابان ها، كوچه ها و گذرهاي شهر منعكس باشد. سازمان نقشه برداري كل كشور با كمك عكس هاي هوايي، چنين نقشه هائي را از تمام شهرهاي ايران تهيه كرده است. ترازها و بلندي هاي داده شده در اين نقشه ها براي طرح هاي مقدماتي (مرحله اول) كافي هستند. ولي براي طرح هاي اجرائي (مرحله دوم) غالباً داراي دقت كافي نبوده و بايد ترازيابي زميني و با دقت بيشتري انجام گرفته، روي نقشه هاي نامبرده منعكس گردد.
گام دوم- انتخاب مسير لوله ها- با استفاده از نقشه هاي نامبرده و با توجه به شيب طبيعي زمين بايد جهت حركت فاضلاب در تمام خيابان ها، كوچه ها و گذرها روي نقشه هاي دقيق با مقياس تا منعكس گردد. سپس با توجه به نوع شبكه ي جمع آوري فاضلاب لوله هاي اصلي و فرعي مشخص مي گردند.
گام سوم- نامگذاري مسيرها- تمام مسيرها و تقاطع ها بايد با كمك حروف و اعداد و نظم
ي مناسب نامگذاري شوند. هرچه اين كار با نظمي بهتر انجام شود، محاسبه و كنترل آن آسانتر و احتمال اشتباه كمتر مي گردد. اين نامگذاري بايد به گونه اي انجام گيرد كه بتوان علاوه بر مشخص كردن مسيرها هريك از دهانه هاي بازديد را نيز با شماره اي نامگذاري نمود.
گام چهارم- تعيين حوزه ي آبريز لوله ها- براي اين كار بايد نخست محدوده ي خدمات شهري با توجه به نقشه هاي جامع و يا هادي شهر تعيين شود و سپس تراكم جمعيت در نقاط مختلف شهر معين و بالاخره حوزه ي آبريز هر قطعه لوله انتخاب و سطح آن برحسب هكتار محاسبه گردد.
گام پنجم- تهيه ي پروفيل هاي طولي- با استفاده از نقشه هاي توپوگرافي دقيق به مقياس تا و يا با استفاده از نتايج نقشه برداري و ترازيابي دقيق در محل و به ترتيب نامگذاري هاي انجام شده براي مسيرهاي گوناگون پروفيل هاي طولي تمام خيابان ها، كوچه ها و گذرها با مقياس هاي زير كشيده مي شوند:
- مقياس در طول تا
- مقياس در ارتفاع
گام ششم- تهيه ي جدولي مانند جدول هاي ********* و نوشتن نتايج محاسبه ي لوله ها در آن.
براي برداشتن گام هاي نامبرده و انجام محاسبه ي شبكه لازم است كه مهندس طراح به موارد زير توجه نموده و خط مشي طرح را انتخاب نمايد.
انتخاب روش جمع آوري در شهرهاي ايران- با توجه به ويژگي هاي نامبرده براي دو روش ملاحظه مي شود كه روش مجزا معمولاً داراي هزينه ي ساختماني بيشتري است و وقتي بايد به طرح آن
مبادرت ورزيد كه طرح شبكه ي درهم از نظر فني ايمني نداشته باشد. در حالت هاي زير طرح شبكه ي درهم براي شهرهاي ايران نامناسب و شبكه ي مجزا پيشنهاد مي شود:
الف) در شهرهاي ساحلي كه بتوان آب باران را در قسمت هاي گوناگون شهر مستقيماً وارد رودخانه يا دريا نمود. يعني هزينه هاي ساختمان شبكه جمع آوري فاضلاب آب باران نسبتاً كم
باشد.
ب) در شهرهائي كه يك يا چند رودخانه خشك و يا مسيل از آن مي گذرد و مي توان از آنها به عنوان كانال هاي اصلي جمع آوري آب باران استفاده نمود. در اين صورت بهتر است حتي الامكان روي اين مسيل ها را پوشانيد و در صورت نياز به صرفه جوئي در هزينه ي طرح براي كانال هاي فرعي جمع آوري آب باران از جوي هاي روباز سنتي استفاده نمود.
ج) در شهرهاي جنوبي ايران (كرانه هاي خليج فارس و درياي عمان) به علت زياد بودن شدت هاي لحظه اي بارندگي و جريان بادهاي سطحي كه گاهي همراه با حركت ماسه بادي هستند و نيز زيادي نسبي روزهاي خشك و بي بارندگي انتخاب شبكه ي مجزا پيشنهاد مي شود. در برخي از شهرهاي اطراف كويرها، با وجود كمتر بودن شدت هاي لحظه اي بارندگي و به علت زيادي روزهاي بدون بارندگي و وجود بادهاي همراه با ماسه بادي انتخاب روش درهم صحيح به نظر نمي رسد.
د) در شهرهايي كه شيب خيلي زيادي دارند و مي توان براي آب باران از شبكه ي روباز يا روبسته استفاده كرده و به سادگي آب باران را به بيرون شهر هدايت نمود انتخاب روش مجزا بايد مورد توجه باشد.
در مقابل تنها براي شهرهاي شمالي ايران به ويژه در استان هاي مازندران و گيلان كه روزهاي بارندگي زيادي در سال دارند ممكن است روش درهم مورد توجه قرار گيرد. در اين مورد نيز بايد مطالعات كافي به عمل آيد تا از نظر ايمني مشكلاتي به وجود نيايد.
قوانين هيدروليكي
جريان در فاضلاب ها معمولاً به صورت آزاد و تحت تأثير نيروي ثقل انجام مي گيرد. لذا در اين قسمت تنها به آن دسته از قوانين و اصول هيدروليكي اشاره مي شود كه در محاسبه ي چنين لوله هائي دخالت دارند. تنها در حالت بارندگي هاي شديد كه لوله ها در مدت زماني كوتاه قدرت كشش تمام آب باران را نداشته باشند سطح آب در دهانه هاي بازديد بالا آمده ولي به علت ارتباط آنها در كف خيابان با هواي آزاد فشار وارد شده حداكثر از چند متر بيشتر نمي گردد كه آن هم قابل چشم پوشي است. بنابراين از گفتگو در مورد قوانين مربوط به لوله هاي فاضلاب زير فشار كه نظير لوله
هاي آب رساني است خودداري شده و كافي است براي آگاهي بيشتر در اين زمينه به كتاب آبرساني شهري اين نويسنده مراجعه شود.
فرضياتي كه در محاسبه به كار مي روند.
همان گونه كه اشاره شد جريان در لوله هاي فاضلاب غالباً به صورت آزاد و تحت تأثير نيروي ثقل انجام مي گيرد. براي به دست آورند فرمول هايي كه بتوان به راحتي با آنها محاسبه ي شبكه را انجام داد فرض هائي انجام مي گيرد كه كاربرد آنها تقريب هايي به همراه دارد. اين فرض ها
عبارتند از:
الف) جريان فاضلاب دائمي (ماندگار) است يعني:
ب) جريان فاضلاب يكنواخت است يعني:
ج) جريان فاضلاب باد بي ثابتي است يعني:
ملاحظه مي شود اين سه شرط تنها در صورتي كاملاً برقرارند كه در يك قطعه لوله مقدار سرعت در زمان هاي مختلف يكسان مسطح مقطع جريان در طول لوله ثابت و انشعابي به لوله وارد نگردد. در جريان هاي آزاد و بدون فشار اين سه شرط سبب مي شوند كه شيب كف كانال برابر شيب خط انرژي و برابر شيب سطح آزاد فاضلاب گردد. با استفاده از همين شرط ها است كه در محاسبه ي لوله هاي فاضلاب به جاي شيب خط انرژي يا خط شيب فشار (آنچه در لوله هاي آبرساني و زيرفشار، مورد توجه قرار مي گيرد) از شيب كف كانال گفتگو به عمل مي آيد.
د) پخش سرعت در سطح مقطع جريان ثابت و سرعت را برابر سرعت متوسط فرض مي كنند.
هـ ) فاضلاب ماده اي غيرقابل تراكم در نظر گرفته شده يعني وجود گازها در آن ناديده گرفته مي شود.
رابطه ي پيوستگي:
رابطه ي اصلي براي محاسبه ي لوله هاي فاضلاب همان رابطه ي پيوستگي يعني رابطة زير مي باشد.
A2 * V2 = A1 * V1 = Q
در رابطه ي فوق Q دبي فاضلاب، V سرعت متوسط آن از رابطه ي قسمت د و A سطح مقطع جريان است.
رابطه ي جريان:
رابطه ي جريان رابطه اي است بين سرعت و افت فشار از يكسو و ابعاد و خواص هندسي لوله از سوي ديگر، رابطه هاي جريان به دو دسته تقسيم مي شوند:
دسته ي اول- رابطه هايي كه پايه ي تئوريك داشته و با عمل مطابقت داده شده اند مانند رابطه ي دارسي- وايسباخ.
دسته ي دوم- رابطه هائي كه تنها از راه تجربه به دست آمده اند، مانند رابطه هاي هيزن- ويليامز، مانينگ- استريكلر، شزي- كاتر، بازن، و ستون و دهها رابطه ي ديگر.
رابطه ي دارسي- وايسباخ: اين رابطه كه نخست براي لوله هاي زيرفشار به كار رفته است بر تئوري اختلاط پراندل پايه گذاري شده و سپس توسط دانشمندان ديگري مانند نيكورادزه، شليشتينگ، كولبروك، ومودي، بررسي و با نتايج آزمايشي تطبيق داده شده است. اين رابطه عبارت است از:
(رابطه ي 3)
(رابطه ي 4)
در اين رابطه ها مقدار J در لوله هاي زير فشار برابر شيب خط فشار و در لوله هاي بدون فشار ولي با جريان پ و با توجه به شرايط نامبرده برابر شيب كف لوله است. مقدار v سرعت متوسط جريان بر حسب متر در ثانيه از رابطه ي سرعت، d قطر دروني لوله بر حسب متر، g شتاب ثقل زمين بر حسب متر بر ثانيه به قوه دو و f ضريب مقاومت لوله در برابر جريان فاضلاب است كه از رابطه ي كلي كولبروك يعني 5 و يا ازآباك شكل به دست مي آيد.
(رابطه ي 5)
با قراردادن قطر موثر هيدروليكي D از رابطه ي 7 به جاي قطر دايره يعني d مي توان با تقريبي كافي ار رابطه ي دارسي- وايسباخ براي محاسبه ي مقطع هاي غير دايره اي شكل ولي نزديك به آن
مانند مقطع هاي تخم مرغي استفاده نمود. ولي براي مقطع هاي ديگري مانند چهار گوش، ذوزنقه و يا مثلثي بايد ضريب ديگري به نام ضريب شكل در معادله دخالت داد كه چون كاربرد رابطه را مشكل مي سازد از رابطه هاي ديگري مانند رابطه ي مانينگ- استريكلر براي اينگونه مقطع ها استفاده مي كنند.
(رابطه ي 6)
D=4R (رابطه ي 7)
در رابطه هاي 6 و 7 مقدار A نشان دهنده ي سطح مقطع جريان برحسب متر مربع، U محيط تر شده و R شعاع هيدروليكي بر حسب متر است. با توجه به رابطه هاي 6 و 7 و 4 مقدار سرعت از رابطه ي 8 به دست مي آيد.
(رابطه ي 8)
طبق آباك شكل زير، كولبروك از تركيب دو رابطه ي مربوط به حالت هاي A و B رابطه ي 5 را براي حالت كلي جريان پيشنهاد كرده است كه براي جريان هاي فاضلاب مناسب است. در اين رابطه f ضريب مقاومت لوله است كه پيش از اين ضريب مالش ناميده مي شد، d قطر لوله، K مقدار زبري جدار لوله Re عدد رينلدز است كه از رابطه ي 9 به دست مي آيد.
(رابطه ي 9)
در رابطه ي 9، v سرعت فاضلاب، d قطر لوله و v لزجت سينماتيكي فاضلاب است. در عمل لزجت سينماتيكي فاضلاب را تا متر مربع بر ثانيه فرض مي كنند كه جدول هاي زير براين مبنا محاسبه شده اند. عدد زبري مطلق جدار لوله يعني Ka معمولاً توسط كارخانه ي سازنده به خريدار اعلام مي گردد. اما نوع كاربرد لوله نيز در انتخاب عدد K، براي رابطه ي 5 بسيار مؤثر است لذا در عمل مقدار K را به صورت زير انتخاب مي كنند كه در آن اثر ناصافي هاي موضعي از قبيل محل اتصال لوله ها به همديگر، محل انشعاب ها و يا دهانه هاي بازديد و نيز كهنه شدن لوله ها منظور شده است و به نام عدد زبري كار ناميده مي شود:
الف- براي شاه لوله هاي فاضلاب كه انشعاب خانه ها به آنها متصل نمي گردد و تعداد آدم روها در آنها كم است K را برابر يك ميليمتر فرض مي كنند.
ب- براي لوله هاي فاضلاب معمولي كه داراي انشعاب و دهانه هاي آدم رو هستند مقدار K را 5/1 ميليمتر مي گيرند.
ج- براي مقطع هاي تخم مرغي شكل به علت كوتاه بودن طول قطعات آنها و در نتيجه زيادي اتصالات، مقدار زبري را 5/1 ميليمتر فرض مي كنند.
د) در حالت هاي استثنائي و براي لوله هاي فرعي و بسيار كهنه كه جدار آنها خورده شده باشد مقدار K را تا 3 ميليمتر نيز انتخاب مي كنند.
طبق استاندارد آلمان غربي اگر كارگذاري لوله ها با دقت فراوان انجام گيرد، جنس لوله ها كاملاً صاف انتخاب گردند و در ساختمان آدم روها دقت به عمل آيد تا افت انرژي در آنها به حداقل رسد مي توان مقادير زبري كار يعني K را به 3/1 تا 4/1 اعداد نامبرده كاهش داد.
جدول هاي شماره ي ***** و ***** به ترتيب براي مقطع دايره اي و مقطع تخم مرغي شكل
با زبري 5/1 ميليمتر مي باشند. چنانكه جدول هاي نامبرده نشان مي دهند. مقدار زبري جدار لوله از قدرت هدايت فاضلاب در آن مي كاهد. درصد كاهش قدرت هدايت فاضلاب بر حسب درصد افزايش زبري جدار لوله در شكل 2 منعكس شده است. اثر كاهش نامبرده در نتيجه ي افزايش قطر لوله كم مي شود. هاي فاضلاب هست و لذا اينگونه جدول ها به صورت كتاب هائي جداگانه چاپ شده كه در اين جا به عنوان مثال دو نمونه از آنها با شماره هاي 7 و 10 در كتابنامه ي اين بخش معرفي شده اند.
رابطه ي مانينگ- استريكلر: اين رابطه ي تجربي كه به صورت رابطه ي 10 است به علت سادگي كاربرد و دقت نسبتاً خوب آن به ويژه براي مقطع هاي غير دايره اي شكل و كانال هاي روباز هنوز در بسياري از دفاتر مهندسي مصرف مي شود.
Q = A . v = A . KM . R2/3.J1/2 (رابطه ي 10)
در اين رابطه A سطح مقطع جريان، R شعاع هيدروليكي مقطع جريان كه از رابطه ي شماره ي 6 به دست مي آيد، J برابر شيب كف كانال و بالاخره KM ضريب ناصافي جدار كانال است كه از جدول 3 به دست مي آيد.
رابطه ي شماره ي 10 به صورت آباك شكل 6 نشان داده شده است.
در آباك شكل شماره ي 6 شيب لوله با علامت s و ضريب ناصافي با n نشان داده شده است.
رابطه ي كاتر- شزي: رابطه ي شماره ي 11 با كمك آزمايش هايي كه در سال 1861 روي رودخانه مي سي سي پي به عمل آمد توسط كاتروشزي پيشنهاد گرديد و معمولاً براي كانال هاي روباز به كار مي رود و امروزه كاربرد آن رو به كاهش است و به ويژه براي جريان در لوله ها كم دقت و نامناسب است.
(رابطه ي 11)
در رابطه ي 11، A سطح مقطع جريان، R شعاع هيدروليكي از رابطه ي 6، J شيب كف كانال و m ضريب ناصافي جدار كانال مي باشد. مقدار ضريب m براي كانال ها و لوله هاي فاضلاب خانگي برابر 35/0 و براي كانال هاي آب باران 40/0 مي باشد. براي لوله هاي بسيار صاف مانند سفالي لعابدار و پلاستيكي مي توان مقدار m را 25/0 نيز انتخاب نمود. رابطه ي 6 تنها براي لوله ها است و براي كانال هاي غير دايره اي رابطه مفصل تر مي شود كه در اين جا از آوردن آن خودداري مي شود.
رابطه ي هيزن- ويليامز: اين رابطه به صورت رابطه ي شماره 12 مي باشد و بيشتر براي لوله هاي
زيرفشار به كار مي رود لذا از گفتگوي بيشتر درباره آن خودداري شده و براي آگاهي بيشتر خواننده مي تواند به كتاب آبرساني شهري مراجعه نمايد.
(رابطه ي شماره 12)
در رابطه ي 12 ، پارامترهاي A، R ، J مانند رابطه هاي پيشين و C ضريب زبري لوله است.
تعيين ابعاد كانال هاي فاضلاب
براي تعيين ابعاد كانال هاي فاضلاب بايد نخست نوع كانال و سپس شيب آن انتخاب گردد. چن
انكه پيش از اين اشاره شد جنس لوله بسته به نوع فاضلاب و جنبه هاي اقتصادي و امكان هاي تهيه لوله انتخاب مي گردد.
در ازاي لوله و اختلاف ارتفاع زمين در ابتدا و انتهاي آن از روي نقشه اندازه گيري مي شود. با توجه به محدوديت شيب لوله ها كه در جدول شماره ي 5 داده شده است، خطاي حاصل از اين روش اندازه گيري طول لوله قابل چشم پوشي است.
