روش تحقیق آنالیز کمی آب

مقدمه

آب نشانه حیات است.این مایع حیات بخش که نمی توان آن را با هیچ ماده دیگری جایگزین نمود از منابع محدودی برخوردار بوده وکمبود آن به همراه رشد روز افزون جمعیت، زندگی بشری را در آستانه یک بحران حدی قرار داده است. این مسئله مهم باعث گردیده تا تلاشهای گسترده ای برای استفاده بهینه از منابع موجود آب صورت گیرد. یکی از این اقدامات، جلوگیری از تلفات آب در شبکه های توزیع آب شهری است تلفات آب در شبکه های توزیع آب شهری از دو دیدگاه مختلف حیاتی و اقتصادی قابل بررسی می باشد.

تامین، تصفیه، انتقال و توزیع آب آشامیدنی در شبکه های توزیع آب شهری، مستلزم صرف هزینه های مختلفی است که باعث می گردد آب در شبکه های توزیع آب شهری نه تنها به عنوان یک ماده حیاتی بلکه به عنوان یک کالای اقتصادی در نظر گرفته شود. به همین دلیل در چند دهه اخیر، مفهوم آب به حساب نیاممده که رد برگیرنده مفاهیم مربوط به تلفات آب از دو دیدگاه اقتصادی و حیاتی می باشد مورد توجه کارشناسان قرار گرفته است تا کنون تعاریف مختلفی برای آب به حساب نیامده ارائه گردیده است یکی از کاملترین تعریفها در این زمینه به صورت زیر می باشد:

آب به حساب نیامده در یک شبکه توزیع آب شهری عبارت است از اختلاف حجم آب ورودی به شبکه و آن بخش از حجم آب مصرف شده توسط مشترکین که به وسیله کنتورهای آنها اندازه گیری گردیده است. مطابق این تعریف، آب به حساب نیامده را می توان به دو بخش کلی تلفات فیزیکی و تلفات غیر فیزیکی تقسیم نمود. تلفات فیزیکی، شامل میزان آبی است که به دلیل نشت یا شکستگی از شبکه خارج شده و به هدر می رود. این مقدار آب هدر رفته نه تنها به دست مصرف کننده نرسیده بلکه هزینه آن نیز برای شرکتهای آب و فاضلاب حاصل نمی گردد. از طرف دیگر، تلفات غیر فیزیکی شامل مصارف اندازه گیری نشده و میزان خطا در مصارف اندازه گیری شده است که باعث می شود و به ازاء اقتصادی آی مصرف شده، توسط شرکتهای آب و فاضلاب حصول نگردد.

نتایج مطالعاتی که در چند ساله اخیر در نقاط مختلف جهان انجام گردیده است نشان دهنده حجم بالای آب به حساب نیامده در اکثر شبکه های توزیع آب شهری است به عنوان مثال نتایج بررسی های انجام شده در 17 کشور مختلف جهان نشان می دهد که درصد آب به حساب نیامده نسبت به ورودی کل شبکه از حدود 9% در آلمان تا حدود 43% در مالزی متغیر بوده و در اکثر این کشورها درصد آب به حساب نیامده در حدود 20 تا 30 درصد می باشد. (Hoogsteem 1992)

همچنین نتایج بررسی های اولیه در چند پایلوت مطالعاتی در نقاط مختلف کشورمان درصد تلفات ناشی از آب به حساب نیامده در شکبه های توزیع آب شهری را به طور متوسط حدود 35% آب ورودی به شکبه نشان می دهد.

درصد قابل توجه آب به حساب نیامده به همراه کمبود منابع و هزینه های سنگین تامین مجدد آب از دست رفته، نشان دهنده لزوم بکارگیر روشهای مناسب جهت کنترل و کاهش آب به حساب نیامده در شبکه های توزیع آب شهری است. در این زمینه در برخی از کشورها فعالیتهای مناسبی انجام گرفته و توانسته اند میزان تلفات ناشی از آب به حساب نیامده را تا حدود 10% کاهش دهند. بانک جهانی نیز برای کشورهای در حال توسعه نظیر حیاتی حائز اهمیت است بلکه از نظر اقتصادی نیز تاثیر قابل توجهی در کاهش هزینه ها و افزایش در آمدها به دنبال خواهد داشت. به عنوان مثال، میزان سود خالص حاصل از یک برنامه کنترل نشت در انگلستان حدود 30 میلیون دلار برآورد گردیده است. (Wind and Elary 1983)

دستیابی به راهکار مناسب جهت کاهش آب به حساب نیامده تنها از طریق شناخت و تجزیه و تحلیل دقیق مولفه های تشکل دهنده آن امکان پذیر است. به عبارتی دیگر، میزان موفقیت در رسیدن به اهداف مورد نظر در طرحهای کاهش آب به حساب نیامده، تحت تاثیر میزان دقت و صحت نتایج به دست آمده از آنالیز آب به حساب نیامده می باشد.

شناخت و تجزیه و تحلیل آب به حساب نیامده از سه بخش جداگانه به شرح زیر تشکیل یافته است:

آنالیز کمی مولفه های آب به حساب نیامده

بررسی عوامل موثر در نوع و میزان تلفات

آنالیز اقتصادی تلفات در ارتباط با روش در نظر گرفته شده جهت کاهش آن

هر یک از این بررسیها و تجزیه و تحلیلها بخشهایی از اطلاعات مورد نیاز، به منظور انتخاب روش مناسب جهت کاهش آب به حساب نیامده در شبکه های توزیع آب شهری را فراهم می سازد. در این تحقیق، بخش نخست تجزیه وتحلیل آب به حساب نیامده که شامل آنالیز کمی مولفه های آب می باشد، مورد نظر بوده است. نیامده ارائه گردیده و با توجه به اینکه از مفاهیم حداقل جریان شبانه و نیز تخمین تلفات زمینه و شکستگیها در روش ارائه شده در این تحقیق استفاده می گردد، این مفاهیم به طول مختصر معرفی گردیده اند. در پاپان این فصل روابط فشار- نشت در شبکه های توزیع آب شهری مورد بررسی قرار گرفته اند.

در فصل سوم،روش ارائه شده دراین تحقیق جهت آنالیز آب به حساب نیامده به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفته است که در آن مراحل مختلف آنالیز در سه بخش کلی شامل آنالیز تلفات فیزیکی، آنالیز تلفات غیر فیزیکی ودرصد سالانه تلفات بین گردیده اند. در بخش آنالیز تلفات فیزیکی، ابتدا تلفات در دو بخش جداگانه، شامل ارزیابی تلفات زمینه و برآورد تلفات ناشیاز شکستها مورد تجزیه وتحلیل قرار گرفته و در پایان با استفاده از نتایج این آنالیز ها، چگونگی روش برآورد کلی از تلفات فیزیکی سالانه در شبکه مورد بررسی قرار گرفته است.

در بخش آنالیز تلفات غیر فیزیکی نیز، ابتدا مولفه های آن به صورت جداگانه ارزیابی گردیده و سپس برآورد کلی از تلفات غیر فیزیکی بر اساس نتایج آنالیز های مولفه ایی ارائه می گردد.

در پایان این فصل روش محاسبه درصد سالانه تلفات فیزیکی، غیر فیزیکی و آب به حساب نیامده مورد بررسی قرار گرفته است.

در فصل چهارم، جهت ارزیابی روش ارائه شده در این تحقیق، آب به حساب نیامده در یک شبکه محدود شده (ایزوله) نمونه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است این ایزوله نمونه، بخشی از شبکه توزیع آب شهری تبریز است. در این ایزوله و در قالب طرح کاهش آب به حساب نیامده تبریز روش دیگری جهت آنالیز آب به حساب نیامده ارائه گردیده است که در ایان این فصل نتایج روش ارائه شده در این تحقیق و روش ارائه شده در طرح کاهش آب به حاسب نیامده تبریز مورد مقایسه قرار گرفته اند.

فصل پنجم، شامل جمع بندی مطالب و ارائه پیشنهادات جمع تحقیقاتی بعدی می باشد.

1-2هدف از انجام این تحقیق

تا کنون روشهای مختلفی جهت آنالیز کمی آب به حساب نیامده ارائه گردیده است که اکثر آنها بر اثر مشکلات مختلفی از قبیل تعدد عوامل موثر بر نوع و میزان مولفه ها و متغیر بودن این عوامل در شبکه های مختلف و نیز عدم دسترسی مستقیم به اجزا شبکه، از قابلیتهای مورد نظر از جلمه دقت مناسب، ارائه آنالیز مولفه ایی و یا کاربرد فراگیر برای شرایط مختلف برخوردار نمی باشند. به همین دلیل در این تحقیق، تلاش گردیده است که با استفاده از امکانات، نرم افزارها و تجهیزات موجود، یک روش آنالیز مولفه ایی با دقت قابل قبول و متناسب با شرایط موجود در شبکه های توزیع آب شهری کشورمان ارائه گردد. این روش می تواند بخشی از مشکلات موجود در عدم دستیابی به کلیه اهداف مورد نظر در طرحهای کاهش آب به حاسب نیامده که ناشی از عدم دقت آنالیز به حساب نیامده می باشد  را بر طرف نماید.

1-3مروری بر مطالب فصلهای بعدی

مطالب این تحقیق در 5فصل تدوین شده است. فصل اول (فصل حاضر) به ارائه کلیاتی در زمینه آب به حاسب نیامده و آنالیز آن اختصاص دارد.

در فصل دوم با عنوان مروری بر ادبیات فنی، پس از تعریف آب به حساب نیامده ومولفه های تشکل دهنده آن، فعالیتها و تحقیقاتی که تا کنون در زمینه آنالیز آب به حساب نیامده انجام گردیده است به صورت اجمالی مورد بررسی قرار گرفته است. سپس روشهای مختلف آنالیز آب به حساب نیامده ارائه گردیده و با توجه به اینکه از مفاهیم حداقل جریان شبانه و نیز تخمین تلفات زمینه و شکستگیها در روش ارائه شده در این تحقیق استفاده می گردد، این مفاهیم به طور مختصر معرفی گردیده اند. در پایان این فصل روابط فشار- نشت در شبکه های توزیع آب شهری مورد بررسی قرار گرفته اند.

در فصل سوم، روش ارائه شده در این تحقیق جهت آنالیز آب به حساب نیامده به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفته است که در آن مراحل مختلف آنالیز در سه بخش کلی شامل آنالیز تلفات فیزیکی، آنالیز تلفات غیر فیزیکی و درصد سالانه تلفات بیان گردیده اند. در بخش آنالیز تلفات فیزیکی، ابتدا تلفات در دو بخش جداگانه، شامل ارزیابی تلفات زمینه و برآورد تلفات ناشی از شکستگیها مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و در پایان با استفاده از نتایج این آنالیزها، چگونگی روش برآورد کلی از تلفات فیزیکی سالانه در شبکه مورد بررسی قرار گرفته است.

در بخش آنالیز تلفات غیر فیزیکی نیز، ابتدا مولفه های آن به صورت جداگانه ارزیابی گردیده و سپس برآورد کلی ازتلفات غیر فیزیکی بر اساس نتایج آنالیز های مولفه ایی ارائه می گردد.

 در پایان این فصل روش محاسبه درسد سالانه تلفات فیزیکی، غیر فیزیکی و آب به حاسب نیامده مورد بررسی قرار گرفته است.

در فصل چهارم، جهت ارزیابی روش ارائه شده در این  تحقیق، آب به حساب نیامده در ی شبکه محدود شده (ایزوله) نمونه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. این ایزوله نمونه، بخشی از شبکه توزیع آب شهری تبریز است. در این ایزوله و در قالب طرح کاهش آب به حاسب نیامده تبریز روش دیگری جهت آنالیز به حساب نیامده ارائه گردیده است که در ایان این فصل نتایج روش ارائه شده در این تحقیق و روش ارائه شده در طرح کاهش آب به حساب نیامده تبریز روش دیگری جهت آنالیز آب به حساب نیامده ارائهخ گردیده است که در ایان این فصل نتایج روش ارائه شده در این تحقیق و روش ارائه شده در طرح کاهش آب به حساب نیامده تبریز مورد مقایسه قرار گرفته اند.

فصل پنجم، شامل جمع بندی مطالب و ارائه پیشنهادات جمع تحقیقات بعدی می باشد.

فصل دوم

مروری بر ادبیات فنی  

2-1مقدمه

در سالهای اخیر به علت رشد روز افزون جمعیت و محدودیت منابع آب، استفاده بهینه از این منابع مورد توجه قرار گرفته است. یکی از روشهای بهره وری بهینه از منابع موجود آب کاهش آب به حساب نیامده در شکبه های توزیع آب شهری است.

نخستین گام در طرحهای کاهش آب به حساب نیامده در شبکه های توزیع آب شهری، تجزیه و تحلیل دقیق آن در شبکه می باشد. روشهای مختلف آنالیز آب به حساب نیامده مبتنی بر قوانین هیدرولیکی، روشهای آماری و شبیه سازی هیدرولیکی می باشد که بخشی از آن به صورت عملیات صحرایی با استفاده از تجهیزاتی ویژه انجام می گردد.

آشنایی با روشها، قوانین، تجهیزات و اصطلاحاتی که در آنالیز آب به حساب نیامده به کار می رود پیش از ارائه روش مورد نظر برای آنالیز، ضروری به نظر می رسد لذا در این فص با بررسی و بیان موارد فوق، مقدمات لازم برای ارائه روشی مناسب جهت آنالیز آب به حساب نیامده در شبکه های توزیع آب شهری در فصل بعدفراهم می گردد.

2-2- آنالیز آب به حساب نیامده در شبکه های توزیع آب شهری

آنالیز به حساب نیامده، یکی ارزیابی کمی از مولفه های آب به حساب نیامده، محل وقوع و عوامل موثر بر آنها ارائه می نماید. لازم به توضیح است که آب به حساب نیامده دارای مفهومی فراگیر تر از مفهوم سنتی تلفات در شبکه های توزیع آب شهری می باشد. این مفهوم در بخش (2-3) به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفته است. آنالیز آب به حساب نیامده، عامل تعیین کننده ایی در انتخاب روش مناسب جهت طرحهای کاهش آب به حساب نیامده ارائه نگردد، دست یابی به اهداف مورد نظر با مشکل مواجه خواهد شد.

از چند دهه پیش تا کنون که کاهش تلفات در شبکه های توزیع آب شهری مورد توجه قرار گرفته، روش های مختلفی جهت آنالیز آب به حساب نیامده ارائه گردیده است که اکثر آنها دارای کاربردی محلی و منطقه ایی می باشند.

مدفون بودن اجزاء شبکه در درون زمین و تاثیر عوامل مختلف در میزان تلفات، دسترسی به اطلاعات دقیق و کامل از وضعیت اجزاء شبکه را غیر ممکن می سازد. لذا در هنگام برآورد اولیه از آب به حساب نیامده یک جعبه سیاهی مواجهیم که اطالعات محدودی از اجراء درون آن داشته و هدف ما بررسی برخی از رفتارها وخصوصیات این مجمو.عه می باشد همچنین وضعیت تلفات در هر شبکه تحت تاثیر شرایط محلی وخصوصیات آن شبکه قرار داشته و در بسیاری از موارد با شبکه های دیگر متفاوت است. لذا ارائه روشی واحد جهت آنالیز آب به حساب نیامده با قابلیت کاربرد فراگیر و هزینه های کم و دقتی قابل قبول از پیچیدگی های خاصی برخوردار است.

2-3 آب به حساب نیامده در شبکه های توزیع آب شهری (U.F.W)

آب به حساب نیامده که معادل فارسی عبارت Unaccounted For Water می باشد و به اختصار U.F.W نامیده می شود، به صورتهای مختلفی تعریف گردیده است. از جمله Hanson در سال 1983 آب به حساب نیامده را به عنوان تفاوت بین حجم کل آب ورودی به شکبه و حجم کل آب اندازه یگری شده از طریق کنتورهای مشترکین می داند. تعریف بعضی از سازمانها و مراجع دیگر از آب به حساب نیامده، فقط به مقدار آبی محدود می شود که نمی توان آن را به حساب آورد، خواه اندازه گیری شده وهزینه های آب دریافت شده باشد و یا هزینه ایی بابت آن دریافت نشده باشد.

جامع ترین و کامل ترین تعریفی که می توان از آب به حساب نیامده ارائه داد به صورت زیر می باشد:

آب به حساب نیامده میزان آبی است که به صورتهای مختلف از شبکه توزیع خارج گردیده ولی هزینه ایی بابت آن دریافت نگردیده است مطابق این تعریف آب به حاسب نیامده به دو قسمت کلی تقسیم می گردد:

تلفات فیزیکی

تلفات غیر فیزیکی

به منظور آشنایی بیشتر با این روش، نحوه تعریف این تلفات و عوامل موثر بر آنها در ادامه آورده می شود.

الف) تلفات فیزیکی

تلفات فیزیکی به میزان آبی گفته می شود که به صورتهای مختلفی از قبیل نشت، شکستگی ها و سر ریز مخازن از شبکه  خارج گردیده و علاوه بر اینکه به مصارف مورد نظر از قبیل نشت، شکستگی ها و سر ریز مخازن از شبکه خارج گردیده و علاوه بر اینکه به مصافر مورد نظر نرسیده هزینه ایی نیز بابت آن دریافت نگردیده است تلفات فیزیکی بر اثر عوامل مختلفی در شبکه های توزیع آب شهری به وجود می آید . از مهمترین عوامل ایجاد تلفات فیزیکی، می توان به حرکت زمین یاخاک، خوردگی و پوسیدگی لوله ها، بار ترافیک روی معابر، فشار زیاد شبکه، حفاری معابر، تغییرات شدید دمای هوا، خرابی تجهیزات و اجزاء شبکه و مشکلات اجرایی و بهره برداری اشاره نمود. این عوامل باعث پیدایش نواحی مختلف اتلاف آب در شبکه می گردد. میزان دبی تلفات به نوع تلفات بستگی داشته و دارای دامنه تغییر بسیار گسترده ایی است به طوریکه از نشت جزئی اتصالات تا دبی های چند هزار لیتر در ساعتی ناشی از وقوع شکستگی در لوله های اصلی را شامل می شود. تلفات فیزیکی با روشهای مختلفی به مولفه های کوچکتری تقسیم بندی می گردد. یکی از این روشهاف تقسیم بندی تلفات فیزیکی بر اساس شدت جریان خروجی تلفات می باشد. بر اساس این روش، تلفات فیزیکی به دو مولفه زیر تقسیم می گردد:

1-تلفات زمینه (Background Losses)

هر گاه شدت جریان خروجی از محل وقوع نشت درفشار 50 متر از 500 لیتر در ساعت کوچکتر باشد، تلفات به وجود آمده به عنوان تلفات زمینه محسوب می گردد.

2-شکستگی ها (Bursts)

تلفات با دبی بیش از 500 لیتر در ساعت در فشار 50 متر به عنوان شکستگی محسوب می گردند. شکستگیها بر اساس مدت زمان آگاهی از وقوع آنها، در هر دو گروه طبقه بندی و بررسی می گردند

شکستگی های گزارش شده '(Reported Bursts)

شکستگی های گزارش نشده (Unreporter Bursts)

در این بخش (3-2-2) تفاوتها و خصوصیات این دو نوع شکستگی مورد بررسی قرار گرفته است. در روش دیگری تلفات فیزیکی بر اساس محل وقوع آنها در شبکه تقسیم بندی می گردند و شامل تلفات بر روی لوله های اصلی توزیع، لوه های درون اشتراک، لوله های فرعی اتصال به مشترکین، لوله های اصلی انتقال و مخازن سرویس می باشد، که تلفات در هر یک از این بخشها به دونوع تلفات زمینه و شکتگی تقسیم می شود (Uk/WI Report E)

ب- تلفات غیر فیزیکی

تلفات غیر فیزیکی به حجم آبی گفته می شود که بر خلاف تلفات فیزیکی به مصرف مشترکین رسیده ولی هزینه ایی بابت آن دریافت نگردیده است. تلفات غیر فیزیکی بر اثر عوامل مختلف انسانی، ابزاری و یا مدیریتی در شبکه به وجود می آید. یکی از مهمترین مولفه های تلفات غیر فیزیکی تلفات ناشی از خطای ابزار اندازه گیری می باشد. منظور از ابزار اندازه گیری، کنتورها می باشند. معمولا بخشی از مصرف مشترکین به علت خطای کنتورها ثبت نمی گردد. به این حجم آب ثبت نشده، تلفات غیر فیزیکی ناشی از خطای ابزار اندازه گیری می گویند.

همچنین بخش دیگری از تلفات غیر فیزیکی مربوط به انشعابات غیرمجاز می باشد که مصرف آنها اندازه گیری و محاسبه نمی گردد. مولفه های دیگر تلفات غیر فیزیک ناشی از خطاهای مختلف مدیریتی وانسانی شرکتهای آن می باشد. این مولفه ها در بخش (3-3) به طور کامل مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند.

2-4 تاریخچه فعالیتهای انجام شده جهت آنالیز آب به حساب نیامده

از حدود سه دهه پیش با احساس کمبود منابع آب ونیز عدم تطبیق هزینه ها و در آمدهای شرکتهای آب، نخستین گامها جهت آنالیز آب به حساب نیامده در شبکه های توزیع آب شهری برداشته شد در ابتدا آب به حاسب نیامده به مفهوم فراگیر فعلی مورد توجه قرار نگرفته بود و مطالعات و تحقیقات در این زمینه، تنها به مسئله نشت و عوامل موثر بر آن محدود می گشت.

کشور انگلستان از پیشگامان در این زمینه می باشد. گزارش معروف به Repot 26 که در سال 1980 توسط WRC منشتر گردید. نتایج چندین سال بررسی همه جانبه در زمینه نشت و تلفات ناشی از آن را در بر می گرفت.

نتایج بررسیهای اولیه در شبکه های مختلف نشان دهنده تاثیر قابل توجه فشار در میزان نشت در شبکه های توزیع آب شهری بود. با این حال در هیچ یک از بررسیها یک رابطه واحد و فراگیر بین فشار و نشست به دست آورده نشد و روابط بدست آمده تنها قابلیت کاربرد در همان شبکه را دارا بودند. مهمترین رابطه تجربی که در این زمینه نشت با فشار در شبکه های توزیع شهری با نتایج به دست آمده از روابط تئوری متفاوت است. با توجه به اهمیت روابط فشار – نشت در آنالیز آب به حساب نیامد، کلیه روابطی که تا کنون در این زمینه به دست آمده در بخش (2-8) به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفته اند.

در حالیکه نخستین تحقیقات در زمینه نشت در انگلستان با توصیه به توقف تحقیقات در این زمینه به علت عدم دستیابی به یک رابطه کلی و ثابت بین فشار و نشت درشبکه های توزیع آب شهری پایان یافت (Lambert 1994) تحقیقات جدیدی در این زمینه در کشورهای ژاپن و آمریکا در حال انجام بود به عنوان مثال می توان به تحقیقات آزمایشگاهی جهت شبیه سازی نشت در شبکه های توزیع از طریق لوله های مستغرق در آب در سال 1984 در کشور ژاپن اشاره نمود.