دانلود مقاله فاضلاب شهری

محاسبه ی شبکه های جمع آوری فاضلاب

پس از تعیین مقدار فاضلاب در حالت های گوناگون بهره برداری از شبکه و انتخاب نوع لوله ها، باید برای شروع محاسبه ی شبکه جمع آوری فاضلاب گام های زیر برداشته شود:

گام اول- تهیه ی نقشه ی توپوگرافی از شهر مورد نظر- برای انجام بررسی ها و محاسبات شبکه ی جمع آوری فاضلاب حداقل دونوع نقشه توپوگرافی لازم است:

الف) نقشه ی توپوگرافی به مقیاس  تا  از شهر و حومه آن برای آگاهی بر وضعیت کلی عوارض طبیعی اطراف شهر و امکان ورود سیلاب های ناشی از بارندگی ها به درون شهر، در مواردی که شهر در مسیل سیلاب کوه های اطراف قرار دارد مطالعه روی نقشه ای به مقیاس  که دارای خطوط همتراز باشد نیز لازم است. این گونه نقشه ها را در ایران می توان از سازمان جغرافیایی ارتش دریافت نمود.

ب) نقشه ی توپوگرافی به مقیاس  تا  برای انجام محاسبات دقیق شبکه. در این نقشه ها باید ترازیابی دقیق تمام خیابان ها، کوچه ها و گذرهای شهر منعکس باشد. سازمان نقشه برداری کل کشور با کمک عکس های هوایی، چنین نقشه هائی را از تمام شهرهای ایران تهیه کرده است. ترازها و بلندی های داده شده در این نقشه ها برای طرح های مقدماتی (مرحله اول) کافی هستند. ولی برای طرح های اجرائی (مرحله دوم) غالباً دارای دقت کافی نبوده و باید ترازیابی زمینی و با دقت بیشتری انجام گرفته، روی نقشه های نامبرده منعکس گردد.

گام دوم- انتخاب مسیر لوله ها- با استفاده از نقشه های نامبرده و با توجه به شیب طبیعی زمین باید جهت حرکت فاضلاب در تمام خیابان ها، کوچه ها و گذرها روی نقشه های دقیق با مقیاس  تا  منعکس گردد. سپس با توجه به نوع شبکه ی جمع آوری فاضلاب لوله های اصلی و فرعی مشخص می گردند.

گام سوم- نامگذاری مسیرها- تمام مسیرها و تقاطع ها باید با کمک حروف و اعداد و نظمی مناسب نامگذاری شوند. هرچه این کار با نظمی بهتر انجام شود، محاسبه و کنترل آن آسانتر و احتمال اشتباه کمتر می گردد. این نامگذاری باید به گونه ای انجام گیرد که بتوان علاوه بر مشخص کردن مسیرها هریک از دهانه های بازدید را نیز با شماره ای نامگذاری نمود.

گام چهارم- تعیین حوزه ی آبریز لوله ها- برای این کار باید نخست محدوده ی خدمات شهری با توجه به نقشه های جامع و یا هادی شهر تعیین شود و سپس تراکم جمعیت در نقاط مختلف شهر معین و بالاخره حوزه ی آبریز هر قطعه لوله انتخاب و سطح آن برحسب هکتار محاسبه گردد.

گام پنجم- تهیه ی پروفیل های طولی- با استفاده از نقشه های توپوگرافی دقیق به مقیاس   تا  و یا با استفاده از نتایج نقشه برداری و ترازیابی دقیق در محل و به ترتیب نامگذاری های انجام شده برای مسیرهای گوناگون پروفیل های طولی تمام خیابان ها، کوچه ها و گذرها با مقیاس های زیر کشیده می شوند:

- مقیاس در طول   تا

- مقیاس در ارتفاع   

گام ششم- تهیه ی جدولی مانند جدول های ********* و نوشتن نتایج محاسبه ی لوله ها در آن.

برای برداشتن گام های نامبرده و انجام محاسبه ی شبکه لازم است که مهندس طراح به موارد زیر توجه نموده و خط مشی طرح را انتخاب نماید.

انتخاب روش جمع آوری در شهرهای ایران- با توجه به ویژگی های نامبرده برای دو روش ملاحظه می شود که روش مجزا معمولاً دارای هزینه ی ساختمانی بیشتری است و وقتی باید به طرح آن مبادرت ورزید که طرح شبکه ی درهم از نظر فنی ایمنی نداشته باشد. در حالت های زیر طرح شبکه ی درهم برای شهرهای ایران نامناسب و شبکه ی مجزا پیشنهاد می شود:

الف) در شهرهای ساحلی که بتوان آب باران را در قسمت های گوناگون شهر مستقیماً وارد رودخانه یا دریا نمود. یعنی هزینه های ساختمان شبکه جمع آوری فاضلاب آب باران نسبتاً کم باشد.

ب) در شهرهائی که یک یا چند رودخانه خشک و یا مسیل از آن می گذرد و می توان از آنها به عنوان کانال های اصلی جمع آوری آب باران استفاده نمود. در این صورت بهتر است حتی الامکان روی این مسیل ها را پوشانید و در صورت نیاز به صرفه جوئی در هزینه ی طرح برای کانال های فرعی جمع آوری آب باران از جوی های روباز سنتی استفاده نمود.

ج) در شهرهای جنوبی ایران (کرانه های خلیج فارس و دریای عمان) به علت زیاد بودن شدت های لحظه ای بارندگی و جریان بادهای سطحی که گاهی همراه با حرکت ماسه بادی هستند و نیز زیادی نسبی روزهای خشک و بی بارندگی انتخاب شبکه ی مجزا پیشنهاد می شود. در برخی از شهرهای اطراف کویرها، با وجود کمتر بودن شدت های لحظه ای بارندگی و به علت زیادی روزهای بدون بارندگی و وجود بادهای همراه با ماسه بادی انتخاب روش درهم صحیح به نظر نمی رسد.

د) در شهرهایی که شیب خیلی زیادی دارند و می توان برای آب باران از شبکه ی روباز یا روبسته استفاده کرده و به سادگی آب باران را به بیرون شهر هدایت نمود انتخاب روش مجزا باید مورد توجه باشد.

در مقابل تنها برای شهرهای شمالی ایران به ویژه در استان های مازندران و گیلان که روزهای بارندگی زیادی در سال دارند ممکن است روش درهم مورد توجه قرار گیرد. در این مورد نیز باید مطالعات کافی به عمل آید تا از نظر ایمنی مشکلاتی به وجود نیاید.

قوانین هیدرولیکی

جریان در فاضلاب ها معمولاً به صورت آزاد و تحت تأثیر نیروی ثقل انجام می گیرد. لذا در این قسمت تنها به آن دسته از قوانین و اصول هیدرولیکی اشاره می شود که در محاسبه ی چنین لوله هائی دخالت دارند. تنها در حالت بارندگی های شدید که لوله ها در مدت زمانی کوتاه قدرت کشش تمام آب باران را نداشته باشند سطح آب در دهانه های بازدید بالا آمده ولی به علت ارتباط آنها در کف خیابان با هوای آزاد فشار وارد شده حداکثر از چند متر بیشتر نمی گردد که آن هم قابل چشم پوشی است. بنابراین از گفتگو در مورد قوانین مربوط به لوله های فاضلاب زیر فشار که نظیر لوله های آب رسانی است خودداری شده و کافی است برای آگاهی بیشتر در این زمینه به کتاب آبرسانی شهری این نویسنده مراجعه شود.

فرضیاتی که در محاسبه به کار می روند.

همان گونه که اشاره شد جریان در لوله های فاضلاب غالباً به صورت آزاد و تحت تأثیر نیروی ثقل انجام می گیرد. برای به دست آورند فرمول هایی که بتوان به راحتی با آنها محاسبه ی شبکه را انجام داد فرض هائی انجام می گیرد که کاربرد آنها تقریب هایی به همراه دارد. این فرض ها عبارتند از:

الف) جریان فاضلاب دائمی (ماندگار) است یعنی:  

ب) جریان فاضلاب یکنواخت است یعنی:

ج) جریان فاضلاب باد بی ثابتی است یعنی:

ملاحظه می شود این سه شرط تنها در صورتی کاملاً برقرارند که در یک قطعه لوله مقدار سرعت در زمان های مختلف یکسان مسطح مقطع جریان در طول لوله ثابت و انشعابی به لوله وارد نگردد. در جریان های آزاد و بدون فشار این سه شرط سبب می شوند که شیب کف کانال برابر شیب خط انرژی و برابر شیب سطح آزاد فاضلاب گردد. با استفاده از همین شرط ها است که در محاسبه ی لوله های فاضلاب به جای شیب خط انرژی یا خط شیب فشار (آنچه در لوله های آبرسانی و زیرفشار، مورد توجه قرار می گیرد) از شیب کف کانال گفتگو به عمل می آید.

د) پخش سرعت در سطح مقطع جریان ثابت و سرعت را برابر سرعت متوسط فرض می کنند.

ه ) فاضلاب ماده ای غیرقابل تراکم در نظر گرفته شده یعنی وجود گازها در آن نادیده گرفته می شود.

رابطه ی پیوستگی:

رابطه ی اصلی برای محاسبه ی لوله های فاضلاب همان رابطه ی پیوستگی یعنی رابطه زیر می باشد.

A2 * V2 = A1 * V1 = Q

در رابطه ی فوق Q دبی فاضلاب، V سرعت متوسط آن از رابطه ی قسمت د و A سطح مقطع جریان است.

رابطه ی جریان:

رابطه ی جریان رابطه ای است بین سرعت و افت فشار از یکسو و ابعاد و خواص هندسی لوله از سوی دیگر، رابطه های جریان به دو دسته تقسیم می شوند:

دسته ی اول- رابطه هایی که پایه ی تئوریک داشته و با عمل مطابقت داده شده اند مانند رابطه ی دارسی- وایسباخ.

دسته ی دوم- رابطه هائی که تنها از راه تجربه به دست آمده اند، مانند رابطه های هیزن- ویلیامز، مانینگ- استریکلر، شزی- کاتر، بازن، و ستون و دهها رابطه ی دیگر.

رابطه ی دارسی- وایسباخ: این رابطه که نخست برای لوله های زیرفشار به کار رفته است بر تئوری اختلاط پراندل پایه گذاری شده و سپس توسط دانشمندان دیگری مانند نیکورادزه، شلیشتینگ، کولبروک، ومودی، بررسی و با نتایج آزمایشی تطبیق داده شده است. این رابطه عبارت است از:

 (رابطه ی 3)

 (رابطه ی 4)

در این رابطه ها مقدار J در لوله های زیر فشار برابر شیب خط فشار و در لوله های بدون فشار ولی با جریان پ و با توجه به شرایط نامبرده برابر شیب کف لوله است. مقدار v سرعت متوسط جریان بر حسب متر در ثانیه از رابطه ی سرعت، d قطر درونی لوله بر حسب متر، g شتاب ثقل زمین بر حسب متر بر ثانیه به قوه دو و f ضریب مقاومت لوله در برابر جریان فاضلاب است که از رابطه ی کلی کولبروک یعنی 5 و یا ازآباک شکل به دست می آید.

 (رابطه ی 5)

با قراردادن قطر موثر هیدرولیکی D از رابطه ی 7 به جای قطر دایره یعنی d می توان با تقریبی کافی ار رابطه ی دارسی- وایسباخ برای محاسبه ی مقطع های غیر دایره ای شکل ولی نزدیک به آن مانند مقطع های تخم مرغی استفاده نمود. ولی برای مقطع های دیگری مانند چهار گوش، ذوزنقه و یا مثلثی باید ضریب دیگری به نام ضریب شکل در معادله دخالت داد که چون کاربرد رابطه را مشکل می سازد از رابطه های دیگری مانند رابطه ی مانینگ- استریکلر برای اینگونه مقطع ها استفاده می کنند.

 (رابطه ی 6)

D=4R (رابطه ی 7)

در رابطه های 6 و 7 مقدار A نشان دهنده ی سطح مقطع جریان برحسب متر مربع، U محیط تر شده و R شعاع هیدرولیکی بر حسب متر است. با توجه به رابطه های 6 و 7 و 4 مقدار سرعت از رابطه ی 8 به دست می آید.

 (رابطه ی 8)

طبق آباک شکل زیر، کولبروک از ترکیب دو رابطه ی مربوط به حالت های A و B رابطه ی 5 را برای حالت کلی جریان پیشنهاد کرده است که برای جریان های فاضلاب مناسب است. در این رابطه f ضریب مقاومت لوله است که پیش از این ضریب مالش نامیده می شد، d قطر لوله، K مقدار زبری جدار لوله Re عدد رینلدز است که از رابطه ی 9 به دست می آید.

   (رابطه ی 9)

در رابطه ی 9، v سرعت فاضلاب، d قطر لوله و v لزجت سینماتیکی فاضلاب است. در عمل لزجت سینماتیکی فاضلاب را  تا    متر مربع بر ثانیه فرض می کنند که جدول های زیر براین مبنا محاسبه شده اند. عدد زبری مطلق جدار لوله یعنی Ka معمولاً توسط کارخانه ی سازنده به خریدار اعلام می گردد. اما نوع کاربرد لوله نیز در انتخاب عدد K، برای رابطه ی 5 بسیار مؤثر است لذا در عمل مقدار K را به صورت زیر انتخاب می کنند که در آن اثر ناصافی های موضعی از قبیل محل اتصال لوله ها به همدیگر، محل انشعاب ها و یا دهانه های بازدید و نیز کهنه شدن لوله ها منظور شده است و به نام عدد زبری کار نامیده می شود:

الف- برای شاه لوله های فاضلاب که انشعاب خانه ها به آنها متصل نمی گردد و تعداد آدم روها در آنها کم است K را برابر یک میلیمتر فرض می کنند.

ب- برای لوله های فاضلاب معمولی که دارای انشعاب و دهانه های آدم رو هستند مقدار K را 5/1 میلیمتر می گیرند.

ج- برای مقطع های تخم مرغی شکل به علت کوتاه بودن طول قطعات آنها و در نتیجه زیادی اتصالات، مقدار زبری را 5/1 میلیمتر فرض می کنند.

د) در حالت های استثنائی و برای لوله های فرعی و بسیار کهنه که جدار آنها خورده شده باشد مقدار K را تا 3 میلیمتر نیز انتخاب می کنند.

طبق استاندارد آلمان غربی اگر کارگذاری لوله ها با دقت فراوان انجام گیرد، جنس لوله ها کاملاً صاف انتخاب گردند و در ساختمان آدم روها دقت به عمل آید تا افت انرژی در آنها به حداقل رسد می توان مقادیر زبری کار یعنی K را به 3/1 تا 4/1 اعداد نامبرده کاهش داد.

جدول های شماره ی ***** و ***** به ترتیب برای مقطع دایره ای و مقطع تخم مرغی شکل با زبری 5/1 میلیمتر می باشند. چنانکه جدول های نامبرده نشان می دهند. مقدار زبری جدار لوله از قدرت هدایت فاضلاب در آن می کاهد. درصد کاهش قدرت هدایت فاضلاب بر حسب درصد افزایش زبری جدار لوله در شکل 2 منعکس شده است. اثر کاهش نامبرده در نتیجه ی افزایش قطر لوله کم می شود.

در دفاتر فنی و مهندسین مشاور معمولاً نیاز به جدول های مفصل تری برای محاسبه و طرح لوله های فاضلاب هست و لذا اینگونه جدول ها به صورت کتاب هائی جداگانه چاپ شده که در این جا به عنوان مثال دو نمونه از آنها با شماره های 7 و 10 در کتابنامه ی این بخش معرفی شده اند.

رابطه ی مانینگ- استریکلر: این رابطه ی تجربی که به صورت رابطه ی 10 است به علت سادگی کاربرد و دقت نسبتاً خوب آن به ویژه برای مقطع های غیر دایره ای شکل و کانال های روباز هنوز در بسیاری از دفاتر مهندسی مصرف می شود.

Q = A . v = A . KM . R2/3.J1/2   (رابطه ی 10)

در این رابطه A سطح مقطع جریان، R شعاع هیدرولیکی مقطع جریان که از رابطه ی شماره ی 6 به دست می آید، J برابر شیب کف کانال و بالاخره KM ضریب ناصافی جدار کانال است که از جدول 3 به دست می آید.

رابطه ی شماره ی 10 به صورت آباک شکل 6 نشان داده شده است.

در آباک شکل شماره ی 6 شیب لوله با علامت s و ضریب ناصافی با n نشان داده شده است.

رابطه ی کاتر- شزی: رابطه ی شماره ی 11 با کمک آزمایش هایی که در سال 1861 روی رودخانه می سی سی پی به عمل آمد توسط کاتروشزی پیشنهاد گردید و معمولاً برای کانال های روباز به کار می رود و امروزه کاربرد آن رو به کاهش است و به ویژه برای جریان در لوله ها کم دقت و نامناسب است.

 (رابطه ی 11)

در رابطه ی 11، A سطح مقطع جریان، R شعاع هیدرولیکی از رابطه ی 6، J شیب کف کانال و m ضریب ناصافی جدار کانال می باشد. مقدار ضریب m برای کانال ها و لوله های فاضلاب خانگی برابر 35/0 و برای کانال های آب باران 40/0 می باشد. برای لوله های بسیار صاف مانند سفالی لعابدار و پلاستیکی می توان مقدار m را 25/0 نیز انتخاب نمود. رابطه ی 6 تنها برای لوله ها است و برای کانال های غیر دایره ای رابطه مفصل تر می شود که در این جا از آوردن آن خودداری می شود.

رابطه ی هیزن- ویلیامز: این رابطه به صورت رابطه ی شماره 12 می باشد و بیشتر برای لوله های زیرفشار به کار می رود لذا از گفتگوی بیشتر درباره آن خودداری شده و برای آگاهی بیشتر خواننده می تواند به کتاب آبرسانی شهری مراجعه نماید.

 (رابطه ی شماره 12)

در رابطه ی 12 ، پارامترهای A، R ، J مانند رابطه های پیشین و C ضریب زبری لوله است.

تعیین ابعاد کانال های فاضلاب

برای تعیین ابعاد کانال های فاضلاب باید نخست نوع کانال و سپس شیب آن انتخاب گردد. چنانکه پیش از این اشاره شد جنس لوله بسته به نوع فاضلاب و جنبه های اقتصادی و امکان های تهیه لوله انتخاب می گردد.

در ازای لوله و اختلاف ارتفاع زمین در ابتدا و انتهای آن از روی نقشه اندازه گیری می شود. با توجه به محدودیت شیب لوله ها که در جدول شماره ی 5 داده شده است، خطای حاصل از این روش اندازه گیری طول لوله قابل چشم پوشی است.

در مورد مقطع های دایره ای و تخم مرغی شکل پس از انتخاب شیب و بسته به جنس و مقدار زبری جدار لوله از یکی از جدول های شماره 1 و 2 و یا آباک های شماره ی 3 تا 5 می توان قطر لوله ی دایره ای و یا تخم مرغی شکل و نیز قدرت هدایت QO  و سرعت جریان VO آن را در حالتی که با جریان پرکار کند خواند. در مورد مقطع های غیر دایره ای یعنی شکل های شماره ی 1 از اعداد جدول 4 که در آن نسبت بین دبی و سرعت در مقطع مورد نظر به دبی و سرعت جریا در مقطع دایره ای با قطری برابر پهنای مقطع مورد نظر (B=2r) داده شده است استفاده نمود. نسبت های نامبرده برای دو فرمول دارسی- وایسباخ و مانینگ- استریکلر داده شده اند. البته لازم به تذکر است که به جای روش اخیر می توان با محاسبه ی شعاع هیدرولیکی و کاربرد رابطه های جریان نیز مستقیماً Q و v حالت پراین مقطع ها را محاسبه نمود.

بررسی حالت نیمه پر در کانال های فاضلاب

در کانال های فاضلاب بیشتر وقت ها فاضلاب به صورت ناپر جریان می یابد و لذا مقدار دبی و سرعت بسته به ارتفاع فاضلاب در فاضلاب رو تغییر می نماید. چون کاهش سرعت در مواقع کمی فاضلاب ممکن است سبب ته نشین شدن مواد معلق در آن گردد، بررسی و تعیین سرعت واقعی فاضلاب در حالت های گوناگون یکی از مهم ترین قسمت های طرح شبکه ی فاضلاب می باشد. به عبارت دیگر پس از تعیین ابعاد هندسی کانال باید مقدار سرعت در حالت های مختلف به ویژه در موقع شروع بهره برداری کنترل شود. برای انجام این کار از منحنی های شکل 7 برای مقطع دایره و شکل 8 برای مقطع تخم مرغی معمولی و شکل 9 برای مقطع نعل اسبی معمولی به صورت زیر استفاده می شود:

اگر Q دبی واقعی و یا دبی لحظه ای جریان فاضلاب در لوله ای باشد، با در دست داشتن نسبت  و با کمک منحنی Q در شکل شماره ی 7 مقدار  و با کمک منحنی v د همان شکل مقدار  خوانده می شود. مقادیر Q0 و v0 مربوط به حالت پر در لوله هستند که از جدول های شماره 1 و یا آباکهای شماره ی 3 و 4 به دست می آیند. سپس با معلوم بودن d مقدار h یعنی ارتفاع واقعی فاضلاب در فاضلابرو و v سرعت لحظه ای جریان برای دبی Q محاسبه می گردد.

در اینجا لازم به تذکر است که در شکل های 7 تا 9 اثر مقاومت هوای موجود در لوله ی نیمه پر نیز دخالت داده شده است.

برای به دست آوردن مقادیر A یعنی سطح مقطع جریان در لوله و R شعاع هیدرولیکی آن در حالت نیمه پر کافی است نسبت های  در محور افقی خوانده شود و مقادیر A و R محاسبه شود.