بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدل مفهومی اصلاح و نوسازي شبکههاي آب شهري با استفاده از GIS
چکیده
توسعه زیربنایی بدون برنامه ریزي شهري زمینه ایجاد یک ساختار مدیریت کارآمد بر زیرساختهاي شهري را فراهم نموده است. پیشبینی توسعه و نوسازي شبکههاي آبرسانی با توجه به حجم قابل ملاحظه اطلاعات شامل گستردگی جغرافیایی شبکه، تعدد الگوهاي مصرف، تنوع کاربريها، قدمت شبکه و عرضه عملکرد هیدرولیکی مناسب، نیاز به ابزاري قوي جهت بررسی و مدیریت حجم عظیم اطلاعات تولید شده در کنار یک سیستم بانک اطلاعات قوي را بوجود آورده است. توانمندي سازماندهی اطلاعات و پیشرفتهاي حاصل بوسیله توسعه سیستمهاي اطلاعات مکانی (GIS)، باعث ایجاد زمینه مناسب جهت استفاده از سیستمهاي تلفیقی GIS و موتورهاي محاسبات هیدرولیکی شبکه گردیده است. بهره گیري از این نوع سیستم، پایش و مدیریت پویاي آب شهري را به دنبال خواهد داشت. با توجه به حجم عظیم اطلاعات موجود پیرامون سیستمهاي حوادث و اتفاقات شبکه آبرسانی، استفاده از مدلهاي مفهومی با ساختار مشخص جهت دستیابی به برنامه و الگوهاي اصلاح و نوسازي منطبق بر ضوابط فنی با استفاده از مدلهاي تلفیقی GIS ضروري میباشد. در این مقاله با استخراج شاخصهاي عمده تصمیمگیري به ساخت مدل مفهومی تعیین اولویت اصلاح و نوسازي پرداخته و در انتها با بررسی سناریوهاي مطرح در زمینه اولویت بندي نوسازي لولهها و با استفاده از مدل تلفیقی تحلیل هیدرولیکی و GIS، روشهاي 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 شاخصهاي فوق، توانایی مدل در امکان سنجی و اولویتبندي طرحهاي توسعه و نوسازي مورد بررسی قرار میگیرند.
واژه هاي کلیدي: مدل مفهومی، توسعه و نوسازي، شبکه هاي آبرسانی شهري، سیستم اطلاعات جغرافیایی
-1 مقدمه
دستیابی به یک سیستم توزیع آبرسانی با قابلیت عملکرد مناسب نیازمند وجود یک ساختار مناسـب و طراحـی و بهرهبرداري شبکه میباشد. از جمله پارامترهاي تاثیر گذار بر ساختار طراحـی و بهـرهبـرداري کـه لـزوم مطالعـه نقـش شاخصهاي نوسازي شبکه را آشکار میسازد، میتوان به مواردي از قبیل قدمت و فرسودگی سیستم توزیع آب شهري، گستردگی شبکهها و توسعه مکانی و زمانی، محدودیت منابع آب، وجود تغییرات در الگوهاي مصـرف و آمـار حـوادث و اتفاقات شبکه اشاره نمود. نوسازي شبکه موجب ایجاد تغییرات عمده در ساختار هیدرولیکی و مکانیکی سیستم توزیـع میگردد این تغییرات در برگیرنده حجم بالاي اطلاعات جدید شبکه میباشد، از اینرو جهت بهرهبرداري بهینه و مستمر از شبکه ناگزیر به ترك روشهاي بهرهبرداري سنتی بوده و بایستی سیستم مکانیزه بهرهبرداري جایگزین آن گردد. ایجاد سیستم مکانیزه در بهرهبرداري از شبکه ها نیازمند ایجاد سیستم مدیریت اطلاعات شـبکه مـی باشـد. در شـبکه هـاي توزیع آب شهري، GIS میتواند یک ابزار سودمندي هم بعنوان منبعی براي مدل کردن دادهها و هم بعنوان یـک ابـزار پشتیبانی تصمیم گیري بکارگرفته شود .[1] بکارگیري سیستمهاي اطلاعات مکانی GIS در اجراي طرحهـاي نوسـازي شبکههاي آبرسانی شهري بعنوان یکـی از قـویترین ابزارهـاي سیسـتم پشـتیبانی در تصـمیم گیـري (DSS)، مطـرح میباشد. سابقه سیستمهاي پشتیبانی درتصمیم گیري به دهه 70 میلادي، همزمان با توسـعه سیسـتمهـاي اطلاعـات مدیریتی((MIS برمیگردد .[2] تمرکز سیسـتمهاي اطلاعـات مـدیریتی بـر پایگاههـاي دادههـا و مـدیریت اطلاعـات میباشد درحالیکه سیستمهاي پشتیبانی درتصمیمگیري، ترکیبی از امکانات نرم افزاري و سخت افزاري جهت کمک به تصمیمگیري بهتر هستند. با توجه به اینکه حجم انبوهی از خدمات و فعالیتهاي شرکت آب و فاضلاب کشور مربوط بـه اصلاح، توسعه و نوسازي شبکههاي تحت بهرهبرداري مـیباشـد لـذا بـه منظـور بررسـی طرحهـاي توسـعه و نوسـازي شبکههاي آبرسانی لزوم برقراري و ایجاد یک سامانه اطلاعاتی بروز و پویا محسوس بوده و جهت پویایی این سامانه نیاز به یک سیستم پایگاه اطلاعاتی با زیرسیستمهاي مختلف میباشد. فراهم نمودن بستر لازم جهت مطالعات جامع امکـان سنجی و نیاز سنجی طرحهاي نوسازي شبکههاي آبرسانی از عمده اهداف مـورد انتظـار سیسـتمهاي تلفیقـی مـدلهاي هیدرولیکی با GIS میباشد. بر اساس آمار ارائه شده توسط دفتر طرح و توسعه شرکت آب و فاضـلاب تهـران در سـال 1385، این شهر با مساحت تقریبی 44000 هکتار، شبکه آبرسـانی دربرگیرنـدة تعـداد مشـترکین تقریبـی 000،900 مشترك، تعداد 000،100 دستگاه انواع شیرآلات و حدود 8000 کیلومتر طول شبکه در اقطار مختلـف مـیباشـد .[3] این آمار لزوم استفاده از طرحهاي نوسازي سازگار با ساختار شبکههاي مشابه و تحت برنامههاي زمانبندي مشـخص را آشکار میسازد. در رابطه با موضوع شیوههاي نوسازي شبکههاي آبرسانی روشهاي گوناگونی مطرح شده است. در ادامـه این مقاله به عنوان بررسی سوابق موضوع توضیحات مختصري راجع به مدلهاي نوسـازي شـبکههـاي آبرسـانی تحـت بهرهبرداري آمده است.
[4] Kleiner، در یک تحقیق در زمینه نوسازي شبکه توزیع آب به ارائه یک چاچوب جهت انتخـاب گزینـههـاي زمان بندي نوسازي لولهها پرداخته است. در این مطالعه اسـتهلاك تاسیسـات آبرسـانی زیربنـایی بـه دلیـل فشـارهاي مستمر که به صورت پیوسته و در طول زمان بر این تاسیسات وارد میشود و باعث افزایش هزینـههـاي بهـرهبـرداري و نگهداري، 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 براي انتخاب هـر لولـه در یـک شـبکه جهـت نوسـازي پیشنهاد شده است. هدف این تحقیق انتخاب گزینه نوسازي و زمان اجراي عملیـات نوسـازي بـر روي لولـه مـیباشـد بطوریکه حداقل هزینه سرمایهگذاري نوسازي لوله و تمام هزینههاي نگهداري روي یک افق زمانی از پیش تعریف شـده را در پی داشته باشد. با انتخاب حداقل هزینه سرمایهگذاري نوسازي لوله به عنوان تابع هدف و محدودیتهـاي معـین مربوط به آن به محاسبات حل عددي مساله پرداخته شده است. روش پیشنهادي در متـدولوژي ایـن تحقیـق، فرآینـد تحلیل نوسازي چند مرحلهاي شـبکه (MNRAP) نامیـده شـده اسـت. پایـه و اسـاس ایـن تحلیـل بـر مبنـاي روش برنامهریزي پویا (غیر خطی) استوار گردیده است. جهت دستیابی به این هـدف یـک برنامـه کـامپیوتري تحـت عنـوان MNRAP نوشته شده است. این برنامه یک سیستم پشتیبانی در تصمیم گیري با ارزش را براي مهندسـان و تصـمیم گیرندگان در برنامهریزيهاي بلند مدت نوسازي شبکه آبرسانی فراهم میکند که به عنوان مهمترین نتیجه این تحقیق ارائه شده است.
Hadzilacos و همکاران [5]، تحقیقی را پیرامون برنامه UtilNets تحت عنوان سیستم پشتیبانی تصمیم گیري نوسازي شبکه انجام دادهاند. در این تحقیق برنامه UtilNets به عنوان یک سیستم پشتیبانی در تصمیم گیري (DDS) به منظور کمک به برنامهریزي نوسازي و بهینه سازي سیستم نگهـداري خطـوط لولـه شـبکه آب زیـر زمینـی معرفـی گردیده است. در این تحقیق شکل گیري سیستم پشتیبانی تصمیم گیري نوسازي بر پایه پیش بینیهاي انجـام برنامـه بر روي قابلیت اطمینان شاخصهاي اصلی شبکه توزیع آب استوار گردیده است. انتخاب تدابیر بهینـه نوسـازي، هـدف اصلی این تحقیق محسوب میگردد. بطوریکه بکار بردن روشهاي نوسازي بهینه موجب نگهـداري ظرفیـت هیـدرولیکی شبکه، جلوگیري از مشکلات آتی کیفیت آب و پیشگیري از نشت و ترکیدگی میگردد. براي دسـتیابی بـه ایـن هـدف تحلیلهاي صورت گرفته توسط برنامه UtilNets در سه بلوك اصلی تنظیم گردیده است.
تابش و همکاران [6]، تحقیقی را پیرامون عوامل موثر در شکست لولههاي شبکه آبرسانی و روشهاي پیشبینـی آن انجام دادهاند. در این تحقیق فاکتورهاي اساسی در شکست لولهها شناسایی و مورد بررسی قـرار گرفتـه و روشـهاي پیشبینی شکست از قبیل انواع روشهاي ریاضی و آماري مورد تحلیل قرار گرفته است. همچنین با در نظر گرفتن یـک رویکرد جدید تحت عنوان رگرسیون چند جملهاي تکاملی، جهت پیشبینی شکست در یک مطالعه موردي به سـنجش و ارزیابی نتایج پرداخته شده است.
[7] Moreno، تحقیقی را پیرامون ارزیابی نشت و شکسـت لولـههـا در سیسـتمهـاي توزیـع آب بـا اسـتفاده از تکنولوژي GIS انجام داده است. دستیابی به یک برنامه راهبردي جهت کاهش تلفات آب انگیزه اصلی این تحقیق بیان گردیده است. در این تحقیق دلایل متعدد و اثرات نشتها و شکستهاي شبکه، استفاده از GIS جهت تشخیص نواحی با پتانسیل ریسک بالاي شکست و چارچوبهایی به منظور تعیین، تشخیص و جلوگیري از شکست شبکه ارائه گردیـده است. در این ارتباط از جمله دلایل عمده نشت در سیستمهاي توزیع آب لولههاي فرسوده، اتصـالات و آب بنـديهـاي ناقص و انشعابات معیوب هستند. همچنین دلایل عمده شکست لولهها، خوردگی، سایش بستر تکیهگاهی لوله، بارهـاي بیش از اندازه و فشارهاي حرارتی میباشند. بدین جهت اثرات نشت و شکست لولههـا، اتـلاف آب، افـزایش قیمـت آب، قطع بهرهبرداري، ایجاد خسارت به تاسیسات، راهروها و پیادهروها و افزایش هزینـه تعمیـر و تعـویض در سیسـتمهـاي تامین و توزیع آب شهري میباشد. در این تحقیق تکنولوژي GIS به منظور تحلیل بخشی از سیستم توزیـع آب مـورد استفاده قرار گرفته است و در این رابطه از فاکتورهاي ریسک متعددي از قبیل تاریخچه اطلاعات تعمیـر، نـوع خـاك 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 نگهداري ویژه تشخیص داده شدهاند.
بررسی تحقیقات صورت گرفته در زمینههاي یاد شده نشان میدهد که با توجه به حجم عظیم اطلاعـات موجـود پیرامون سیستمهاي حوادث و اتفاقات شبکه آبرسانی، ناگزیر به استفاده از مدلهاي مفهومی با ساختار مشـخص جهـت دستیابی به برنامه و الگوهاي اصلاح و نوسازي با استفاده از مدلهاي تلفیقی GIS میباشد. علاوه بر آن، عدم بکـارگیري مدلهاي تجربی بر پایه وقایع شکست شبکه جهت تطبیق و مقایسه با مدلهاي مورد استفاده در روشهاي جـاري بـه عنوان یک نقطه ضعف کلی پیرامون اسلوبهاي نوسازي مطرح میباشد. در این مقاله جهت بررسـی شـاخص شکسـت تجربی از مدل رگرسیون چند جملهاي تکاملی (EPR) جهت مدلسازي مکانیکی و حوادث شـبکه اسـتفاده مـیگـردد. همچنین با درنظر گرفتن مدلهاي فیزیکی و تجربی شکست بر روي 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 شاخصهاي فوق، اولویتهاي الگوهاي نوسازي مورد بررسی قرار میگیرند.
-2 شاخص تجربی شکست
جهت دستیابی به یک شاخص تصمیمگیري در مدیریت اصلاح و نوسازي شبکههاي آبرسانی، تشکیل یـک مـدل تجربی بر مبناي آمار حوادث شکست در شبکه توزیع آب مدنظر قرار میگیرد. با توجه به محدودیت گسترده در زمینـه جمعآوري اطلاعات و آمار حوادث موجود در شبکههاي توزیع آب، در نظر گرفتن ساختار مناسب جهـت تنظـیم مـدل تجربی حوادث اهمیت مییابد. بررسی و تجزیه و تحلیل بر روي حوادث لولههـا بـر اسـاس آمـار و اطلاعـات موجـود از حوادث شبکههاي آبرسانی نشان میدهد که شاخص نرخ شکست (BR)، به عنوان یکی از مناسبترین شاخصها جهت ارزیابی مدل تجربی حوادث مطرح میباشد .[8] شاخص نرخ شکست (BR)، با تقسیم تعداد شکسـتهـاي سـالانه بـر طول لولهها بدست میآید. به عبارت دیگر نرخ شکست برابر است با تعداد شکسـتهـاي سـالانه بـه ازاي واحـد طـول لوله .[8] این تعریف لزوم طبقهبندي توصیفی لولههاي 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 بازسازي لولهها از جایگاه ویژهاي برخوردار میباشد. در ادامه این قسمت نحوه آماده سازي، طبقهبندي و پردازش آمار و اطلاعات شکست لولههاي 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، مبناي پردازش اطلاعات اولیه براي مدل تجربی شکست میباشد. فیلـدهاي 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 طبقهبندي در کلاسـهاي 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 قطرهاي حداکثر 300 میلیمتر که بیشترین تعداد حادثه در کل شبکه را شامل می شـود مـورد استفاده قرار گرفته است. لذا ناگزیر به اعمال محدودیت در قطرهاي مورد بررسـی در مـدل تجربـی حـوادث بـوده و از طرفی مطابق تحقیقات صورت گرفته در شبکههاي آبرسانی روشهاي آماري براي لولههایی که قطر کمتري دارند مورد تصدیق بودهاند .[9] بنابراین لولههاي با قطر اسمی 300 میلیمتر و کوچکتر مورد تجزیه و تحلیل مدل تجربی شکست
قرار میگیرند. در همین راستا اطلاعات کلی براي لولهاي اصلی آبرسانی به پنج کلاس قطري 100 میلیمتـر تـا 300 میلیمتر 100)،150،200،250 و 300 میلیمتر) تقسیمبندي میشوند. معیار مکمل گروهبندي لولهها به جـنس آنهـا مرتبط میشود [9]، بدین صورت که لولهها در هر یک از این گروهبنديهاي پنج گانه، داراي جنس مشخصی میباشند. در ادامه گروهبندي لولهها بر حسب قطر-جنس، مبناي تکمیل اطلاعات حوادث میباشد. بـدین منظـور جهـت تکمیـل بستههاي ورودي اطلاعات، از پارامترهاي 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 لولههاي داراي جنس یکسان براي هـر کـلاس اسـتفاده شده و همچنین مجموع طول لولههاي هر کلاس از نقشههاي CAD محاسبه و استخراج میگردد. با توجه به اینکه در مدلسازي شکست از اطلاعات لولههایی که در طی یکسال دچار اتفاق شدهاند استفاده گردیده است، بنابراین مدل ارائـه شده در هر کلاس قطر-جنس براي لولههاي با مشخصههاي ساختاري یکسان، نرخ شکست یکسـانی را پـیشبینـی میکند.
تکنیک مورد استفاده در این تحقیق، مدلسازي تلفیقی رگرسیون عددي و سیمبلیک میباشد که نتیجـه آن یـک رگرسیون چند جملهاي تکاملی بوده و براي نخستین بار در سال 2004 توسـط Giustolosi & Savic ارائـه گردیـده است .[10] با توجه به ساختار و پروسه رگرسیون چند جملهاي تکاملی (EPR)، براي تابعهاي زیرساخت مدل از جعبه ابزار GA موجود در نرمافزار Matlab بهره گرفته شده و پروسه بصورت رابط گرافیکی در محیط نرمافزار اجرا میشـود .[10] با توجه به پارامترهاي موثر انتخاب شده و آمار موجود از حوادث در دسترس، ساختار کلـی چنـد جملـهاي زیـر جهت مطالعه شکست لوله ها در سیستمهاي توزیع آب با الگوي تکاملی EPR ارائه شده است :[9]
که در آن، Br تعداد حوادث در سال آینده را نشان میدهد و ترمهاي سیمبلیک Ae، De، Lt و Hm به ترتیب متغیرهاي 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.
براي پذیرش مدلهاي پیشبینی شکست تولید شده توسـط الگـوریتم EPR، از شـاخص آمـاري ضـریب تعیـین COD بعنوان عمدهترین شاخص کارایی مدل استفاده شده و در عبارتهاي چند جملهاي پیشبینی شده، فرمولهـایی
که پارامترهایی با تاثیر شناخته شده دارند و از ضریبمناسبCOD از (بالاتر (0/85 برخوردارند، برگزیده میشود .[9]
ضریب تعیین COD بصورت رابطه زیر محاسبه میشود :[9]
که در آن N تعداد پـردازش دادههـا، Br تعـداد شکسـتهـاي پیشبینی شده توسط مدل، Brexp تعداد شکستهاي ثبت شده براي هر کلاس لوله و Br*exp میانگین تعداد شکستهاي ثبت شده براي هر کلاس لوله میباشد.
اطلاعات حوادث شکست لولهها در شبکه آبرسانی منطقه مورد مطالعه مبنـاي پـردازش و تحلیـل مـدل تجربـی EPR قرار گرفته است. جدول (1) اطلاعات ورودي 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 اجراي مدل تجربی شکست (EPR) فرمول پیشبینی شکست و شاخص کارائی مـدل (ضـریب تعیـین (COD مطـابق جدول (2) حاصل شده است.
-3 شاخصهاي فیزیکی
خصوصیات فیزیکی عوارض هندسی شبکههاي آبرسانی بیانگر سطح کیفیت بهرهبرداري در سیستمهاي توزیع آب میباشند. شاخصهاي فیزیکی علاوه بر تشخیص وضعیت بهرهبرداري، به عنوان مکمـل شـاخص تجربـی شکسـت نیـز محسوب میشوند. بر اساس طیف اطلاعات در دسترس شاخصهاي فیزیکی به سـه شـاخص عمر،جمعیـت و زیربنـائی تقسیمبندي میشوند. شاخص عمر (Age) بر اساس سن لولهها و قدمت شـبکه و از پایگـاه داده شـبکه نمونـه بدسـت میآید، شاخص جمعیت (Population) بیانگر میزان تقاضـاي آب در گـرههـاي مصـرف و همچنـین سـطح جمعیـت بهرهبردار میباشد و شاخص زیربنائی (Infrastructure) شاخصی است که با توجه به وضعیت اجراي لولههـا در اقطـار مختلف، بر اساس نوع اتصالات و آببنديهاي مصرفی هر قطر، نوسانات سرعت در قطرهاي مختلـف و همچنـین عمـق کارگذاري هر کلاس قطري لوله که تخمینی از میزان بارگذاري (ثقلی و ترافیکی) میباشد، سنجیده مـیشـود. بـر ایـن اساس که مبناي ارزیابی این شاخص پارامتر قطر میباشد، لذا شاخص فیزیکی محسوب میگردد.
