مدل‌سازی هیدرولیکی و ارزیابی آب بدون درآمد در شبکه آب طبس گلشن

Abstract

سابقه و هدف: آب بدون درآمد (NRW)، شامل تلفات واقعی (نشت‌های فیزیکی از لوله‌ها و اتصالات) و تلفات ظاهری (مصارف ثبت‌نشده ناشی از خطاهای کنتور، انشعابات غیرمجاز یا خطاهای ثبت داده)، یکی از چالش‌های اصلی شبکه‌های توزیع آب شهری در مناطق خشک و نیمه‌خشک مانند ایران است. این پدیده کارایی اقتصادی و عملیاتی شبکه‌های آبرسانی را کاهش می‌دهد و هزینه‌های بهره‌برداری را افزایش می‌دهد. در شهر طبس، واقع در استان خراسان جنوبی، با اقلیم گرم و خشک، محدودیت منابع آبی و رشد جمعیت، مدیریت بهینه آب شرب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. زون یک شبکه توزیع آب طبس گلشن به دلیل وسعت و اهمیت آن به‌عنوان منطقه مورد مطالعه انتخاب شد. این پژوهش با هدف توسعه مدل هیدرولیکی شبکه توزیع آب زون یک، کالیبراسیون دقیق مدل با استفاده از داده‌های میدانی، برآورد دقیق میزان آب بدون درآمد و تفکیک مؤلفه‌های تلفات واقعی و ظاهری انجام شد. نوآوری این مطالعه در ترکیب روش‌های بیلان آبی، تحلیل حداقل جریان شبانه و رویکرد FAVAD برای برآورد دقیق نشت و ارائه راهکارهای عملی برای کاهش تلفات در مناطق کویری است. این پژوهش با اهداف نشریه پژوهش‌های حفاظت آب و خاک هم‌راستاست، زیرا به مدیریت پایدار منابع آبی، کاهش هدررفت آب و ارتقای بهره‌وری شبکه‌های آبرسانی در شرایط کم‌آبی کمک می‌کند. این مطالعه همچنین با استفاده از داده‌های میدانی و مدل‌سازی پیشرفته، رویکردی علمی برای تحلیل و مدیریت منابع آبی در مناطق با زیرساخت‌های فرسوده یا نظارت محدود ارائه می‌دهد، که می‌تواند به‌عنوان الگویی برای سایر مناطق مشابه در ایران و جهان مورد استفاده قرار گیرد.. مواد و روش‌ها: مطالعه در زون یک شبکه توزیع آب شهر طبس گلشن، واقع در استان خراسان جنوبی، انجام شد. این منطقه به دلیل اقلیم گرم و خشک و محدودیت منابع آبی، چالش‌های جدی در تأمین آب شرب دارد. مدل هیدرولیکی شبکه با استفاده از نرم‌افزار WaterGEMS و بر اساس نقشه‌های به‌روز AutoCAD و GIS توسعه یافت. این نقشه‌ها شامل اطلاعات دقیق لوله‌ها، شیرآلات، مخازن و گره‌های شبکه بود که با دقت بالا به مدل منتقل شدند. داده‌های مصرف 2640 مشترک در دوره‌های چهارم و پنجم سال 1400 (مهر و آبان) شامل متوسط مصرف ساعتی، نوع کاربری (مسکونی، تجاری، فضای سبز و غیره) و مختصات جغرافیایی جمع‌آوری شد. این داده‌ها برای تعیین الگوی مصرف و تخصیص تقاضا به گره‌های مدل استفاده شدند. داده‌های میدانی شامل دبی خروجی مخزن از سیستم تله‌متری، فشار ساعتی از دو لاگر فشار خودکار در مناطق امیرالمؤمنین و مسکن مهر، داده‌های فلومتر خط انتقال و اندازه‌گیری‌های دستی فشار و دبی در نقاط مختلف شبکه بود. کالیبراسیون مدل در دو سطح ماکرو (تطبیق دبی خروجی مخزن) و میکرو (تطبیق فشار در گره‌های خاص) انجام گرفت. برای کالیبراسیون ماکرو، دبی خروجی مخزن با داده‌های تله‌متری مقایسه شد و برای کالیبراسیون میکرو، فشارهای ثبت‌شده توسط لاگرها با فشارهای شبیه‌سازی‌شده تطبیق داده شد. تحلیل حداقل جریان شبانه (ساعات 1 تا 5 بامداد) برای تخمین دبی نشت و تفکیک تلفات واقعی از ظاهری به کار رفت. ضریب امیتر و توان فشار بر اساس روش FAVADمطابق نشریه 556 شرکت آب و فاضلاب) محاسبه شد، که در آن توان فشار برای ترک‌های طولی 5/1 فرض شد. ضرایب زبری لوله‌ها بر اساس جنس (PE، GRP، آزبست) و عمر لوله‌ها تعیین و در فرآیند کالیبراسیون اصلاح شد. آزمایش میدانی افزایش فشار در روزهای 15 و 16 آذر 1400 برای بررسی رابطه فشار و دبی انجام شد، که طی آن فشار تنظیمی شیر فشارشکن از 1/1 به 9/1 بار افزایش یافت و سپس به 0/1 بار کاهش یافت. این آزمایش به تحلیل تأثیر فشار بر نشت و مصرف کمک کرد.. یافته‌ها: نتایج مدل‌سازی نشان داد که میانگین آب بدون درآمد در زون یک طبس حدود 5/37 درصد از آب ورودی به شبکه است، که بیش از 90 درصد آن به نشت‌های فیزیکی (تلفات واقعی) و مابقی به تلفات ظاهری (خطاهای کنتور و مصارف ثبت‌نشده) اختصاص دارد. کالیبراسیون مدل هیدرولیکی با داده‌های مهر و آبان 1400 نشان داد که دبی خروجی شبیه‌سازی‌شده با داده‌های واقعی تطابق خوبی دارد. اختلاف فشار بین مدل و داده‌های لاگرها در ساعات 13 تا 19 حدود یک متر بود، که احتمالاً ناشی از فرض الگوی مصرف یکنواخت، توزیع همگن نشت یا خطاهای کالیبراسیون ضرایب زبری است. تحلیل حداقل جریان شبانه نشان داد که دبی نشت در ساعات کم‌مصرف بین 16 تا 22 لیتر بر ثانیه متغیر است. ضریب امیتر برای مناطق امیرالمؤمنین و مسکن مهر به ترتیب 002/0 و 000653/0 محاسبه شد، که نشان‌دهنده تفاوت در شدت نشت بین این مناطق است. آزمایش میدانی افزایش فشار از 1/1 به 9/1 بار نشان داد که دبی در ساعات اوج مصرف تا 2/1 لیتر بر ثانیه افزایش می‌یابد، در حالی که در ساعات کم‌مصرف این افزایش حدود 2/0 لیتر بر ثانیه بود. توان فشار شبکه بین 32/1 تا 5/1 برآورد شد، که با نوع شکستگی‌های غالب (ترک‌های طولی و جداشدگی‌ها) همخوانی دارد. داده‌های تله‌متری مخزن نشان داد که دبی خروجی در تیرماه به 62 لیتر بر ثانیه و در آبان به 42 لیتر بر ثانیه می‌رسد، که تحت تأثیر شرایط اقلیمی (گرمای تابستان و استفاده از کولرهای آبی) و تنظیمات شیر فشارشکن است. تحلیل داده‌های مصرف مشترکین نشان داد که میانگین مصرف در دوره چهارم 8/16 لیتر بر ثانیه و در دوره پنجم 07/13 لیتر بر ثانیه بود، که کاهش در دوره پنجم احتمالاً ناشی از تغییرات فصلی است. بررسی‌ها نشان داد که کاربری مسکونی بیش از 90 درصد مصرف را تشکیل می‌دهد. همچنین، افزایش سالانه مصرف با شیب 15/1 لیتر بر ثانیه و سرانه مصرف اضافی 9/24 لیتر به ازای هر مشترک، نشان‌دهنده رشد تقاضا در منطقه است. نتیجه گیری: این پژوهش با استفاده از مدل‌سازی هیدرولیکی در نرم‌افزار WaterGEMS و کالیبراسیون دقیق با داده‌های میدانی، ابزار مؤثری برای تحلیل آب بدون درآمد در شبکه توزیع آب زون یک طبس ارائه کرد. میزان 5/37 درصدی آب بدون درآمد، با غلبه نشت‌های فیزیکی (بیش از 90 درصد)، نیاز به اقدامات فوری برای مدیریت فشار و نشت‌یابی را برجسته می‌کند. نوآوری مطالعه در استفاده از روش FAVAD، تحلیل حداقل جریان شبانه و ارائه ضرایب امیتر منطقه‌ای است که برای مناطق مشابه با اقلیم خشک قابل‌تعمیم است. تنظیم دقیق شیر فشارشکن می‌تواند نشت را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد، به‌ویژه در ساعات اوج مصرف که افزایش فشار تأثیر بیشتری دارد. محدودیت‌هایی نظیر کمبود داده‌های به‌روز، تعداد محدود تجهیزات اندازه‌گیری (تنها دو لاگر فشار و یک فلومتر) و فرض‌های ساده‌ساز مدل (مانند الگوی مصرف یکنواخت) دقت نتایج را تحت تأثیر قرار داد. پیشنهاد می‌شود برای بهبود دقت، داده‌های فشار و دبی در فصول مختلف با تجهیزات دقیق‌تر (مانند حسگرهای هوشمند) جمع‌آوری شود، که می‌تواند منجر به کاهش ۱۵-۲۵ درصدی تلفات واقعی از طریق پایش مستمر و تشخیص زودهنگام نشت شود. عملکرد شیرهای فشارشکن به‌طور مستمر پایش گردد، که بر اساس مطالعات مشابه، می‌تواند نشت را تا ۲۰-۳۰ درصد کاهش دهد. الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای تخمین دقیق‌تر مصرف و نشت به کار گرفته شوند، که پتانسیل کاهش ۲۰ درصدی NRW را دارد. توسعه مناطق مدیریت‌شده و نصب تجهیزات پایش مستمر نیز می‌تواند به کاهش تلفات تا ۱۵-۲۰ درصد کمک کند. این یافته‌ها نه‌تنها برای بهبود بهره‌وری شبکه‌های آبرسانی در مناطق خشک مفید است، بلکه با اهداف نشریه پژوهش‌های حفاظت آب و خاک در حفاظت از منابع آبی و ارتقای مدیریت پایدار هم‌راستاست. نتایج این مطالعه می‌تواند به‌عنوان راهنمایی برای برنامه‌ریزی و اجرای اقدامات کاهش تلفات در سایر شهرهای کویری ایران و مناطق مشابه در سطح جهانی مورد استفاده قرار گیرد.