مقاله مدل مفهومی اصلاح و نوسازی شبکههای آب شهری با استفاده از GIS

word قابل ویرایش
13 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

مدل مفهومی اصلاح و نوسازی شبکههای آب شهری با استفاده از GIS
چکیده
توسعه زیربنایی بدون برنامه ریزی شهری زمینه ایجاد یک ساختار مدیریت کارآمد بر زیرساختهای شهری را فراهم نموده است. پیشبینی توسعه و نوسازی شبکههای آبرسانی با توجه به حجم قابل ملاحظه اطلاعات شامل گستردگی جغرافیایی شبکه، تعدد الگوهای مصرف، تنوع کاربریها، قدمت شبکه و عرضه عملکرد هیدرولیکی مناسب، نیاز به ابزاری قوی جهت بررسی و مدیریت حجم عظیم اطلاعات تولید شده در کنار یک سیستم بانک اطلاعات قوی را بوجود آورده است. توانمندی سازماندهی اطلاعات و پیشرفتهای حاصل بوسیله توسعه سیستمهای اطلاعات مکانی (GIS)، باعث ایجاد زمینه مناسب جهت استفاده از سیستمهای تلفیقی GIS و موتورهای محاسبات هیدرولیکی شبکه گردیده است. بهره گیری از این نوع سیستم، پایش و مدیریت پویای آب شهری را به دنبال خواهد داشت. با توجه به حجم عظیم اطلاعات موجود پیرامون سیستمهای حوادث و اتفاقات شبکه آبرسانی، استفاده از مدلهای مفهومی با ساختار مشخص جهت دستیابی به برنامه و الگوهای اصلاح و نوسازی منطبق بر ضوابط فنی با استفاده از مدلهای تلفیقی GIS ضروری میباشد. در این مقاله با استخراج شاخصهای عمده تصمیمگیری به ساخت مدل مفهومی تعیین اولویت اصلاح و نوسازی پرداخته و در انتها با بررسی سناریوهای مطرح در زمینه اولویت بندی نوسازی لولهها و با استفاده از مدل تلفیقی تحلیل هیدرولیکی و GIS، روشهای تحلیل و ارزیابی مدل مفهومی جهت مدیریت شبکه مورد بررسی قرار میگیرند. در ادامه با در نظر گرفتن یک شبکه نمونه به عنوان پایلوت، و با ساخت یک پایگاه اطلاعاتی مرجع و ایجاد یک GIS-base ضمن بررسی شاخصهای فوق، توانایی مدل در امکان سنجی و اولویتبندی طرحهای توسعه و نوسازی مورد بررسی قرار میگیرند.

واژه های کلیدی: مدل مفهومی، توسعه و نوسازی، شبکه های آبرسانی شهری، سیستم اطلاعات جغرافیایی

-۱ مقدمه
دستیابی به یک سیستم توزیع آبرسانی با قابلیت عملکرد مناسب نیازمند وجود یک ساختار مناسـب و طراحـی و بهرهبرداری شبکه میباشد. از جمله پارامترهای تاثیر گذار بر ساختار طراحـی و بهـرهبـرداری کـه لـزوم مطالعـه نقـش شاخصهای نوسازی شبکه را آشکار میسازد، میتوان به مواردی از قبیل قدمت و فرسودگی سیستم توزیع آب شهری، گستردگی شبکهها و توسعه مکانی و زمانی، محدودیت منابع آب، وجود تغییرات در الگوهای مصـرف و آمـار حـوادث و اتفاقات شبکه اشاره نمود. نوسازی شبکه موجب ایجاد تغییرات عمده در ساختار هیدرولیکی و مکانیکی سیستم توزیـع میگردد این تغییرات در برگیرنده حجم بالای اطلاعات جدید شبکه میباشد، از اینرو جهت بهرهبرداری بهینه و مستمر از شبکه ناگزیر به ترک روشهای بهرهبرداری سنتی بوده و بایستی سیستم مکانیزه بهرهبرداری جایگزین آن گردد. ایجاد سیستم مکانیزه در بهرهبرداری از شبکه ها نیازمند ایجاد سیستم مدیریت اطلاعات شـبکه مـی باشـد. در شـبکه هـای توزیع آب شهری، GIS میتواند یک ابزار سودمندی هم بعنوان منبعی برای مدل کردن دادهها و هم بعنوان یـک ابـزار پشتیبانی تصمیم گیری بکارگرفته شود .[۱] بکارگیری سیستمهای اطلاعات مکانی GIS در اجرای طرحهـای نوسـازی شبکههای آبرسانی شهری بعنوان یکـی از قـویترین ابزارهـای سیسـتم پشـتیبانی در تصـمیم گیـری (DSS)، مطـرح میباشد. سابقه سیستمهای پشتیبانی درتصمیم گیری به دهه ۷۰ میلادی، همزمان با توسـعه سیسـتمهـای اطلاعـات مدیریتی((MIS برمیگردد .[۲] تمرکز سیسـتمهای اطلاعـات مـدیریتی بـر پایگاههـای دادههـا و مـدیریت اطلاعـات میباشد درحالیکه سیستمهای پشتیبانی درتصمیمگیری، ترکیبی از امکانات نرم افزاری و سخت افزاری جهت کمک به تصمیمگیری بهتر هستند. با توجه به اینکه حجم انبوهی از خدمات و فعالیتهای شرکت آب و فاضلاب کشور مربوط بـه اصلاح، توسعه و نوسازی شبکههای تحت بهرهبرداری مـیباشـد لـذا بـه منظـور بررسـی طرحهـای توسـعه و نوسـازی شبکههای آبرسانی لزوم برقراری و ایجاد یک سامانه اطلاعاتی بروز و پویا محسوس بوده و جهت پویایی این سامانه نیاز به یک سیستم پایگاه اطلاعاتی با زیرسیستمهای مختلف میباشد. فراهم نمودن بستر لازم جهت مطالعات جامع امکـان سنجی و نیاز سنجی طرحهای نوسازی شبکههای آبرسانی از عمده اهداف مـورد انتظـار سیسـتمهای تلفیقـی مـدلهای هیدرولیکی با GIS میباشد. بر اساس آمار ارائه شده توسط دفتر طرح و توسعه شرکت آب و فاضـلاب تهـران در سـال ۱۳۸۵، این شهر با مساحت تقریبی ۴۴۰۰۰ هکتار، شبکه آبرسـانی دربرگیرنـده تعـداد مشـترکین تقریبـی ۰۰۰،۹۰۰ مشترک، تعداد ۰۰۰،۱۰۰ دستگاه انواع شیرآلات و حدود ۸۰۰۰ کیلومتر طول شبکه در اقطار مختلـف مـیباشـد .[۳] این آمار لزوم استفاده از طرحهای نوسازی سازگار با ساختار شبکههای مشابه و تحت برنامههای زمانبندی مشـخص را آشکار میسازد. در رابطه با موضوع شیوههای نوسازی شبکههای آبرسانی روشهای گوناگونی مطرح شده است. در ادامـه این مقاله به عنوان بررسی سوابق موضوع توضیحات مختصری راجع به مدلهای نوسـازی شـبکههـای آبرسـانی تحـت بهرهبرداری آمده است.
[۴] Kleiner، در یک تحقیق در زمینه نوسازی شبکه توزیع آب به ارائه یک چاچوب جهت انتخـاب گزینـههـای زمان بندی نوسازی لولهها پرداخته است. در این مطالعه اسـتهلاک تاسیسـات آبرسـانی زیربنـایی بـه دلیـل فشـارهای مستمر که به صورت پیوسته و در طول زمان بر این تاسیسات وارد میشود و باعث افزایش هزینـههـای بهـرهبـرداری و نگهداری، افزایش تلفات آب، کاهش کیفیت سرویس دهی و کاهش کیفیت تامین آب میشود به عنوان زمینـه و لـزوم تحقیق معرفی شده است. در این تحقیق یک روش و چارچوب برای انتخاب هـر لولـه در یـک شـبکه جهـت نوسـازی پیشنهاد شده است. هدف این تحقیق انتخاب گزینه نوسازی و زمان اجرای عملیـات نوسـازی بـر روی لولـه مـیباشـد بطوریکه حداقل هزینه سرمایهگذاری نوسازی لوله و تمام هزینههای نگهداری روی یک افق زمانی از پیش تعریف شـده را در پی داشته باشد. با انتخاب حداقل هزینه سرمایهگذاری نوسازی لوله به عنوان تابع هدف و محدودیتهـای معـین مربوط به آن به محاسبات حل عددی مساله پرداخته شده است. روش پیشنهادی در متـدولوژی ایـن تحقیـق، فرآینـد تحلیل نوسازی چند مرحلهای شـبکه (MNRAP) نامیـده شـده اسـت. پایـه و اسـاس ایـن تحلیـل بـر مبنـای روش برنامهریزی پویا (غیر خطی) استوار گردیده است. جهت دستیابی به این هـدف یـک برنامـه کـامپیوتری تحـت عنـوان MNRAP نوشته شده است. این برنامه یک سیستم پشتیبانی در تصمیم گیری با ارزش را برای مهندسـان و تصـمیم گیرندگان در برنامهریزیهای بلند مدت نوسازی شبکه آبرسانی فراهم میکند که به عنوان مهمترین نتیجه این تحقیق ارائه شده است.

Hadzilacos و همکاران [۵]، تحقیقی را پیرامون برنامه UtilNets تحت عنوان سیستم پشتیبانی تصمیم گیری نوسازی شبکه انجام دادهاند. در این تحقیق برنامه UtilNets به عنوان یک سیستم پشتیبانی در تصمیم گیری (DDS) به منظور کمک به برنامهریزی نوسازی و بهینه سازی سیستم نگهـداری خطـوط لولـه شـبکه آب زیـر زمینـی معرفـی گردیده است. در این تحقیق شکل گیری سیستم پشتیبانی تصمیم گیری نوسازی بر پایه پیش بینیهای انجـام برنامـه بر روی قابلیت اطمینان شاخصهای اصلی شبکه توزیع آب استوار گردیده است. انتخاب تدابیر بهینـه نوسـازی، هـدف اصلی این تحقیق محسوب میگردد. بطوریکه بکار بردن روشهای نوسازی بهینه موجب نگهـداری ظرفیـت هیـدرولیکی شبکه، جلوگیری از مشکلات آتی کیفیت آب و پیشگیری از نشت و ترکیدگی میگردد. برای دسـتیابی بـه ایـن هـدف تحلیلهای صورت گرفته توسط برنامه UtilNets در سه بلوک اصلی تنظیم گردیده است.

تابش و همکاران [۶]، تحقیقی را پیرامون عوامل موثر در شکست لولههای شبکه آبرسانی و روشهای پیشبینـی آن انجام دادهاند. در این تحقیق فاکتورهای اساسی در شکست لولهها شناسایی و مورد بررسی قـرار گرفتـه و روشـهای پیشبینی شکست از قبیل انواع روشهای ریاضی و آماری مورد تحلیل قرار گرفته است. همچنین با در نظر گرفتن یـک رویکرد جدید تحت عنوان رگرسیون چند جملهای تکاملی، جهت پیشبینی شکست در یک مطالعه موردی به سـنجش و ارزیابی نتایج پرداخته شده است.

[۷] Moreno، تحقیقی را پیرامون ارزیابی نشت و شکسـت لولـههـا در سیسـتمهـای توزیـع آب بـا اسـتفاده از تکنولوژی GIS انجام داده است. دستیابی به یک برنامه راهبردی جهت کاهش تلفات آب انگیزه اصلی این تحقیق بیان گردیده است. در این تحقیق دلایل متعدد و اثرات نشتها و شکستهای شبکه، استفاده از GIS جهت تشخیص نواحی با پتانسیل ریسک بالای شکست و چارچوبهایی به منظور تعیین، تشخیص و جلوگیری از شکست شبکه ارائه گردیـده است. در این ارتباط از جمله دلایل عمده نشت در سیستمهای توزیع آب لولههای فرسوده، اتصـالات و آب بنـدیهـای ناقص و انشعابات معیوب هستند. همچنین دلایل عمده شکست لولهها، خوردگی، سایش بستر تکیهگاهی لوله، بارهـای بیش از اندازه و فشارهای حرارتی میباشند. بدین جهت اثرات نشت و شکست لولههـا، اتـلاف آب، افـزایش قیمـت آب، قطع بهرهبرداری، ایجاد خسارت به تاسیسات، راهروها و پیادهروها و افزایش هزینـه تعمیـر و تعـویض در سیسـتمهـای تامین و توزیع آب شهری میباشد. در این تحقیق تکنولوژی GIS به منظور تحلیل بخشی از سیستم توزیـع آب مـورد استفاده قرار گرفته است و در این رابطه از فاکتورهای ریسک متعددی از قبیل تاریخچه اطلاعات تعمیـر، نـوع خـاک و دما به منظور تشخیص و شناسایی نواحی مستعد شکست استفاده شده است. بر پایه ارزیابی مدل GIS در این تحقیـق خطوط لوله در ناحیه مورد مطالعه که از ریسک شکست بالایی برخوردار هستند نیازمند برنامه نگهداری ویژه تشخیص داده شدهاند.
بررسی تحقیقات صورت گرفته در زمینههای یاد شده نشان میدهد که با توجه به حجم عظیم اطلاعـات موجـود پیرامون سیستمهای حوادث و اتفاقات شبکه آبرسانی، ناگزیر به استفاده از مدلهای مفهومی با ساختار مشـخص جهـت دستیابی به برنامه و الگوهای اصلاح و نوسازی با استفاده از مدلهای تلفیقی GIS میباشد. علاوه بر آن، عدم بکـارگیری مدلهای تجربی بر پایه وقایع شکست شبکه جهت تطبیق و مقایسه با مدلهای مورد استفاده در روشهای جـاری بـه عنوان یک نقطه ضعف کلی پیرامون اسلوبهای نوسازی مطرح میباشد. در این مقاله جهت بررسـی شـاخص شکسـت تجربی از مدل رگرسیون چند جملهای تکاملی (EPR) جهت مدلسازی مکانیکی و حوادث شـبکه اسـتفاده مـیگـردد. همچنین با درنظر گرفتن مدلهای فیزیکی و تجربی شکست بر روی بخشی از شبکه آبرسانی شـهر مشـهد بـه عنـوان مدل پایلوت و با ساخت یک پایگاه اطلاعاتی مرجع و اتصال مـدل EPR بـه سیسـتم اطلاعـات مکـانی ArcGISدر و نهایت ایجاد یک GIS-base، ضمن بررسی شاخصهای فوق، اولویتهای الگوهای نوسازی مورد بررسی قرار میگیرند.

-۲ شاخص تجربی شکست
جهت دستیابی به یک شاخص تصمیمگیری در مدیریت اصلاح و نوسازی شبکههای آبرسانی، تشکیل یـک مـدل تجربی بر مبنای آمار حوادث شکست در شبکه توزیع آب مدنظر قرار میگیرد. با توجه به محدودیت گسترده در زمینـه جمعآوری اطلاعات و آمار حوادث موجود در شبکههای توزیع آب، در نظر گرفتن ساختار مناسب جهـت تنظـیم مـدل تجربی حوادث اهمیت مییابد. بررسی و تجزیه و تحلیل بر روی حوادث لولههـا بـر اسـاس آمـار و اطلاعـات موجـود از حوادث شبکههای آبرسانی نشان میدهد که شاخص نرخ شکست (BR)، به عنوان یکی از مناسبترین شاخصها جهت ارزیابی مدل تجربی حوادث مطرح میباشد .[۸] شاخص نرخ شکست (BR)، با تقسیم تعداد شکسـتهـای سـالانه بـر طول لولهها بدست میآید. به عبارت دیگر نرخ شکست برابر است با تعداد شکسـتهـای سـالانه بـه ازای واحـد طـول لوله .[۸] این تعریف لزوم طبقهبندی توصیفی لولههای حادثه دیده را جهت مطابقت بـا سـاختار مـدل تجربـی آشـکار میسازد. جهت محاسبه شاخص نرخ شکست رابطه زیر ارائه میشود:

که در آن NB تعداد شکست در یککلسال وحسبLطول (بر (km هستند.
در این تحقیق شاخص نرخ شکست (BR)، جهت ساخت مدل پیشبینی شکست و تعیین مدل اولویـت اصـلاح و بازسازی لولهها از جایگاه ویژهای برخوردار میباشد. در ادامه این قسمت نحوه آماده سازی، طبقهبندی و پردازش آمار و اطلاعات شکست لولههای شبکه آبرسانی و همچنین مدل مورد استفاده جهت تحلیل این اطلاعات تشریح میگردد.
جداول ثبت وقایع حوادث شکست لولهها در شبکه آبرسانی که توسط اداره آب و فاضلاب شهر مورد مطالعه ارائـه گردیده است، مبنای پردازش اطلاعات اولیه برای مدل تجربی شکست میباشد. فیلـدهای ثبـت شـده در ایـن جـداول شامل پیشینه اطلاعات (Record) از قبیل تاریخ وقوع حادثه، نوع اتفاق (اساسی و انشعاب)، جـنس لولـه، قطـر لولـه و آدرس محل حادثه میباشد. در این میان پارامتر قطر به دلیل غیر پیوسته بودن قابل طبقهبندی در کلاسـهای مختلـف میباشد. همچنین این پارامتر بیانگر طیف مقدار توزیع آب در شبکه مصرف از خطوط اصلی توزیع تا خطوط انشـعابات میباشد.
در این تحقیق با توجه به تاریخچه اطلاعات در دسترس در مورد حوادث شکست لولهها در شبکه آبرسـانی مـورد مطالعه، آمار حوادث تا قطرهای حداکثر ۳۰۰ میلیمتر که بیشترین تعداد حادثه در کل شبکه را شامل می شـود مـورد استفاده قرار گرفته است. لذا ناگزیر به اعمال محدودیت در قطرهای مورد بررسـی در مـدل تجربـی حـوادث بـوده و از طرفی مطابق تحقیقات صورت گرفته در شبکههای آبرسانی روشهای آماری برای لولههایی که قطر کمتری دارند مورد تصدیق بودهاند .[۹] بنابراین لولههای با قطر اسمی ۳۰۰ میلیمتر و کوچکتر مورد تجزیه و تحلیل مدل تجربی شکست
قرار میگیرند. در همین راستا اطلاعات کلی برای لولهای اصلی آبرسانی به پنج کلاس قطری ۱۰۰ میلیمتـر تـا ۳۰۰ میلیمتر ۱۰۰)،۱۵۰،۲۰۰،۲۵۰ و ۳۰۰ میلیمتر) تقسیمبندی میشوند. معیار مکمل گروهبندی لولهها به جـنس آنهـا مرتبط میشود [۹]، بدین صورت که لولهها در هر یک از این گروهبندیهای پنج گانه، دارای جنس مشخصی میباشند. در ادامه گروهبندی لولهها بر حسب قطر-جنس، مبنای تکمیل اطلاعات حوادث میباشد. بـدین منظـور جهـت تکمیـل بستههای ورودی اطلاعات، از پارامترهای سن، طول، فشار و تعداد شکست مربوط به هر کلاس استفاده میشود. در این راستا به دلیل ناقص بودن اطلاعات سن لولهها، از متوسط سن لولههای دارای جنس یکسان برای هـر کـلاس اسـتفاده شده و همچنین مجموع طول لولههای هر کلاس از نقشههای CAD محاسبه و استخراج میگردد. با توجه به اینکه در مدلسازی شکست از اطلاعات لولههایی که در طی یکسال دچار اتفاق شدهاند استفاده گردیده است، بنابراین مدل ارائـه شده در هر کلاس قطر-جنس برای لولههای با مشخصههای ساختاری یکسان، نرخ شکست یکسـانی را پـیشبینـی میکند.
تکنیک مورد استفاده در این تحقیق، مدلسازی تلفیقی رگرسیون عددی و سیمبلیک میباشد که نتیجـه آن یـک رگرسیون چند جملهای تکاملی بوده و برای نخستین بار در سال ۲۰۰۴ توسـط Giustolosi & Savic ارائـه گردیـده است .[۱۰] با توجه به ساختار و پروسه رگرسیون چند جملهای تکاملی (EPR)، برای تابعهای زیرساخت مدل از جعبه ابزار GA موجود در نرمافزار Matlab بهره گرفته شده و پروسه بصورت رابط گرافیکی در محیط نرمافزار اجرا میشـود .[۱۰] با توجه به پارامترهای موثر انتخاب شده و آمار موجود از حوادث در دسترس، ساختار کلـی چنـد جملـهای زیـر جهت مطالعه شکست لوله ها در سیستمهای توزیع آب با الگوی تکاملی EPR ارائه شده است :[۹]

که در آن، Br تعداد حوادث در سال آینده را نشان میدهد و ترمهای سیمبلیک Ae، De، Lt و Hm به ترتیب متغیرهای سن، قطر، طول کل و فشار متوسط هر کلاس لوله میباشـند. مقـدار ثابـت a0 (بایاس) نیز جهت رسیدن به عدد نهایی شکست استفاده شده است.
برای پذیرش مدلهای پیشبینی شکست تولید شده توسـط الگـوریتم EPR، از شـاخص آمـاری ضـریب تعیـین COD بعنوان عمدهترین شاخص کارایی مدل استفاده شده و در عبارتهای چند جملهای پیشبینی شده، فرمولهـایی
که پارامترهایی با تاثیر شناخته شده دارند و از ضریبمناسبCOD از (بالاتر (۰/۸۵ برخوردارند، برگزیده میشود .[۹]
ضریب تعیین COD بصورت رابطه زیر محاسبه میشود :[۹]

که در آن N تعداد پـردازش دادههـا، Br تعـداد شکسـتهـای پیشبینی شده توسط مدل، Brexp تعداد شکستهای ثبت شده برای هر کلاس لوله و Br*exp میانگین تعداد شکستهای ثبت شده برای هر کلاس لوله میباشد.
اطلاعات حوادث شکست لولهها در شبکه آبرسانی منطقه مورد مطالعه مبنـای پـردازش و تحلیـل مـدل تجربـی EPR قرار گرفته است. جدول (۱) اطلاعات ورودی سازماندهی شده توسط مدل را نشان میدهـد کـه در آن طـولهـا (Lt)، از لایه هندسی شبکه (CAD) و متوسط فشار (Hm) از نرم افزار WaterGEMS بدست آمـدهانـد. همچنـین بـا اجرای مدل تجربی شکست (EPR) فرمول پیشبینی شکست و شاخص کارائی مـدل (ضـریب تعیـین (COD مطـابق جدول (۲) حاصل شده است.

-۳ شاخصهای فیزیکی
خصوصیات فیزیکی عوارض هندسی شبکههای آبرسانی بیانگر سطح کیفیت بهرهبرداری در سیستمهای توزیع آب میباشند. شاخصهای فیزیکی علاوه بر تشخیص وضعیت بهرهبرداری، به عنوان مکمـل شـاخص تجربـی شکسـت نیـز محسوب میشوند. بر اساس طیف اطلاعات در دسترس شاخصهای فیزیکی به سـه شـاخص عمر،جمعیـت و زیربنـائی تقسیمبندی میشوند. شاخص عمر (Age) بر اساس سن لولهها و قدمت شـبکه و از پایگـاه داده شـبکه نمونـه بدسـت میآید، شاخص جمعیت (Population) بیانگر میزان تقاضـای آب در گـرههـای مصـرف و همچنـین سـطح جمعیـت بهرهبردار میباشد و شاخص زیربنائی (Infrastructure) شاخصی است که با توجه به وضعیت اجرای لولههـا در اقطـار مختلف، بر اساس نوع اتصالات و آببندیهای مصرفی هر قطر، نوسانات سرعت در قطرهای مختلـف و همچنـین عمـق کارگذاری هر کلاس قطری لوله که تخمینی از میزان بارگذاری (ثقلی و ترافیکی) میباشد، سنجیده مـیشـود. بـر ایـن اساس که مبنای ارزیابی این شاخص پارامتر قطر میباشد، لذا شاخص فیزیکی محسوب میگردد.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 13 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد