نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه آب و فاضلاب و مهندسی محیط زیست، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 گروه مهندسی منابع آب، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

 سابقه و هدف:
یکی از چالش‌های شرکت‌های آب و فاضلاب در سرتاسر جهان، هدررفت آب از شبکه‌های آب‌رسانی به‌صورت شکستگی‌ و نشت است که هزینه‌های بالای اقتصادی، اجتماعی و زیست‌محیطی را بر این شرکت‌ها تحمیل می‌کنند. هر سال بخش زیادی از بودجه شرکت‌های آب و فاضلاب در بخش تعمیر و بازسازی لوله‌های شبکه ناشی از شکستگی‌ها هزینه می‌شود. از این رو آگاهی از میزان تواتر شکستگی‌ها به برآورد میزان نشت شبکه و انتخاب استراتژی‌های مناسب برای مدیریت نشت کمک شایانی خواهد کرد. عوامل مختلفی بر شکستگی لوله‌های شبکه آب‌رسانی تأثیر می‌گذارد که یکی از مهمترین این عوامل، فشار آب است. بنابراین توسعه مدل‌هایی که از عهده پیش‌بینی دقیق تواتر شکستگی لوله‌ها بر حسب عوامل تأثیرگذار برآیند، برای مدیریت بهینه نشت در شبکه‌های آب‌رسانی ضروری خواهد بود.
مواد و روش‌ها:
در این تحقیق با استفاده از یک مدل توسعه‌ داده‌ شده و تحلیل داده‌های میدانی فشار و شکستگی در شبکه توزیع آب شهری در ناحیه‌ای از شهر تهران، رابطه فشار و شکستگی برای این ناحیه تعیین شد. ناحیه مورد بررسی دارای 516 کیلومتر خط لوله اصلی از جنس‌های پلی‌اتیلن، چدن داکتیل، فولادی، پی‌وی‌سی و آزبست‌سیمان است که دو جنس پلی‌اتیلن و چدن‌ داکتیل با توجه به کاربرد تقریبا 93 درصدی‌شان در طول شبکه، برای بررسی انتخاب شدند. پس از جمع‌آوری و پایش آمار و اطلاعات مربوط به حوادث و فشارهای ثبت‌شده طی سالیان 1386تا 1395، محاسبه نقطه میانگین ناحیه و محاسبه شاخص‌های فشار در این نقطه و انتساب آن به کل ناحیه رابطه فشار-شکستگی برای هر جنس لوله به صورت مجزا استخراج شد. مدل پیش‌بینی حادثه از دو بخش مستقل از فشار و وابسته به فشار تشکیل شده که در آن فشار از طریق یک مؤلفه توانی به تواتر شکستگی‌ها مرتبط شده است. در این پژوهش از فشار حداکثر ِروزانه در نقطه میانگین ناحیه، به‌عنوان شاخص فشار در رابطه فشار-شکستگی استفاده شد.
نتایج و بحث:
روابط فشار–شکستگی برای هر یک از دو جنس پلی‌اتیلن و چدن داکتیل به تفکیک ارائه شد که بر حسب شاخص فشار حداکثر روزانه است. در روابط به‌دست‌آمده برای مقایسه، از دو شاخص متوسطِ فشار حداکثرِ روزانه و حداکثرِ فشار حداکثرِ روزانه استفاده شد و نتایج نشان داد که در بخش وابسته به فشار، شاخص متوسطِ فشار حداکثر روزانه نتایج دقیق‌تری در مقایسه با شاخص حداکثرِ فشار حداکثرِ روزانه ارائه داده و دارای ضریب همبستگی بالاتری است. علت نامناسب بودن شاخص حداکثرِ فشارِ حداکثرِ روزانه می­تواند به علت ایجاد نوسانات شدید فشاری به طور موقت و زودگذر در یک یا چند روز از سال باشد. به‌طوری‌که ممکن است واقعاً باعث رخداد حادثه نشده ولی در محاسبات دخیل شده است؛ بنابراین، این شاخص، پیش‌بینی صحیحی از حوادث ندارد. همچنین روابط برای دو حالتی که توان ترم فشار برابر با 3 و حالتی که مجهول است به دست آمد که حاکی از آن است که در حالت توان مجهول ضرایب همبستگی بزرگتری حاصل می‌شود به‌طوری‌که برای پلی‌اتیلن توان برابر با 3 و 97/0 ضریب همبستگی و برای چدن‌ داکتیل توان برابر با 7/2 و 99/0= ضریب همبستگی به دست آمد.
نتیجه‌گیری:
با توجه به روابط به‌دست‌آمده می‌توان نتیجه گرفت که مدل فشار-شکستگی دو بخشی به خوبی توانست تعداد شکستگی لوله‌های اصلی در شبکه‌های آب‌رسانی را پیش‌بینی کند. نتایج همچنین نشان داد که تغییرات فشار بر میزان حوادث در جنس پلی‌اتیلن تاثیرگذارتر از جنس چدن ‌داکتیل بوده و توان ترم فشار در پلی‌اتیلن بزرگتر از چدن ‌داکتیل است و نیز شاخص متوسطِ فشار حداکثرِ روزانه شاخص دقیق‌تری در پیش‌بینی حوادث است. با اگاهی از این امر می‌توان در برنامه‌های مدیریت فشار و در امور نوسازی و به‌سازی شبکه، گا‌م‌های مهمی برداشت تا به نتایج مطلوب‌تری در راستای کاهش حوادث دست یافت.  با مدیریت صحیح فشار و با توجه به جنس لوله به‌کار رفته و اینکه تا چه میزان مستعد حادثه هستند؛ می‌توان از وقوع حوادث و به تبع آن از هدررفت آب و خسارات دیگر جلوگیری کرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

A Field data- based method to determine the pressure-burst relationships in urban water distribution networks

نویسندگان [English]

  • Yasaman Taj Abadi 1
  • Mohamadreza Jalili Ghazizade 1
  • Iman Moslehi 2

1 Department of Water, Wastewater and Environmental Engineering, Faculty of civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

2 Department of Water Resources Engineering, Faculty of civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction:
One of the challenges facing water and wastewater companies around the world is water loss from water distribution networks following after burst and leakage, which imposes high economic, social and environmental costs on these companies. So every year, a large part of the budget of water and wastewater companies is allocated for repair and rehabilitation of the pipe network. Therefore, knowing the burst frequency will help to estimate network leakage and select appropriate management strategies for leakage. Various factors affect the failure of water distribution pipes, one of the most important factors of these is water pressure. Therefore, the development of models to predict precisely failure based on effective factors is necessary to achieve optimal leakage management in water distribution networks.
Materials and methods:
In the present study, using a developed model and Pressure and burst field data analysis in urban water distribution network, the relationship between pressure and burst rate for a district of Tehran has been determined. The study area has 516 km of main pipelines that include many types of material like polyethylene, ductile iron, steel, PVC and asbestos cement. Both polyethylene and ductile iron pipes were selected for the investigation because they consist 93 percent of the network length. After collecting and revising the statistics and information about the burst and pressures recorded during the years 1386 to 1395, we calculate the average zone point and the pressure index at this point and assigning it to the whole area. At last the pressure-burst relation for each material of the pipes were presented individually. The prediction model of the failure consists of two parts including independent and dependent parts which the pressure parameter is linked through a power component to the failure rates. In this study, the maximum daily pressure at the average zone point was used as a pressure index in the pressure-burst relationship.
Results and discussion:
Pressure-burst relationship for polyethylene and ductile iron based on maximum daily pressure index is presented separately. In the obtained relationships for comparison, both average of maximum daily pressure and maximum of maximum daily pressure values were used. The results of this study showed that in the dependent pressure part, average of maximum daily pressure index presents a more accurate result in comparison with the maximum of maximum daily pressure index and has a higher correlation coefficient. The cause of the inappropriateness of the maximum of maximum daily pressure can be temporary and impermanent overload in one or more days of the year. As it may not really have caused a failure but has been involved in the calculation; therefore, this index does not have an accurate prediction of burst.  Also, the relations are obtained for two condition with a power pressure of 3 and an unknown situation, which indicates that, in the case of unknown power, higher correlation coefficients are obtained such that for polyethylene the power is equal to 3 and Correlation coefficient = 0.97 and for ductile iron, the power was equal to 2.7 and  correlation coefficient =0.99.
Conclusion:
According to the obtained relationships, it can be concluded that the pressure-burst model could well predict the number of failure of main pipes in the water distribution networks. The results also showed that the pressure variations affect on burst frequency in the polyethylene more than the ductile iron and The exponent of pressure in the failure prediction model is also depends on the pipe material and is larger for polyethylene in comparison with ductile iron material, and the average of maximum daily pressure index was a more accurate indicator in the failure prediction model. According to the result of this paper we can improve pressure management and rehabilitation strategies for reduction burst frequency. By applying accurate pressure management and Awareness of material susceptibility to burst, it is possible to reduce failure rate and consequently, water loss.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Burst frequency
  • Field-data analysis
  • Pressure management
  • Water distribution system

Covelli, C., Cozzolino, L., Cimorelli, L., Della Morte, R. and Pianese, D., 2016. Optimal location and setting of PRVs in WDS for leakage minimization. Water Resources Management Journal. 30(5), 1803-1817.

Farley, M. and Trow, S., 2003. Losses in Water Distribution Networks, A Practitioner's Guide to Assessment, Monitoring and Control, IWA Publishing, London.

Gomes, R., Sa Marques, A. and Sousa, J., 2011. Estimation of the benefits yielded by pressure management in water distribution systems. Urban Water Journal. 8(2), 65-77.

Lambert, A., 2001. What do we know about pressure-leakage relationships in distribution systems? In Proceedings of IWA Conference ‘System approach to leakage control and water distribution systems management’, Brno, Czech Republic.

Lambert, A. and Fantozzi, M., 2010. Recent developments in pressure management. In Proceedings of IWA Conference ‘Water Loss 2010’, 6th-9th June, Sao Paolo, Brazil.

Lambert, A., Fantozzi, M. and Thornton, J., 2013. Practical approaches to modeling leakage and pressure management in distribution systems-progress since 2005, In Proceedings of the 12th International Conference on Computing and Control for the Water Industry, 2th-4th September, Perugia, Italy.

Lambert, A. and Thornton, J., 2011. The relationships between pressure and bursts -a 'state-of-the-art'update, IWA Water 21 Journal .

Lambert, A. and Thornton, J., 2012. Pressure: Bursts Relationships: Influence of Pipe Materials Validation of Scheme Results, and Implications of Extended Asset Life. In Proceedings of IWA Specialised Conference ‘Water Loss 2012’, 26th-29th February, Manila, Philippines.

Martinez-Codina, Á., Castillo, M., Gonzalez-Zeas, D. and Garrote,L., 2015. Pressure as a predictor of occurrence of pipe breaks in water distribution networks. Urban Water Journal. 13(7), 676-686.

Moslehi, I. and Jalili Ghazizade, M.R., 2017. A review of pressure- failure rate relationship in water distribution system. Iran water and wastewater science engineering congress, 14th-15th February, Tehran, Iran.

Pearson, D., Fantozzi, M., Soares, D. and Waldron,T., 2005. Searching for N2: How does pressure reduction reduce burst frequency?. In Proceedings of IWA Special Conference 'Leakage 2005', 12th-14th September Halifax, Canada.

Tabesh, M. and Karimi, K., 2006. Determine the time of leakage detection and rehabilitation of urban water distribution networks using failure Information Analysis. Journal of the College of Engineering. 40(5), 597-610.(In Persian with English abstract).

Tabesh, M. and Vaseti, M.M., 2006. Leakage Reduction in Water Distribution Networks By Minimizing the Excess Pressure. Journal of Iran-Water Resources Research. 2(2), 53-66. (In Persian with English abstract).

Taj Abadi, y., Jalili Ghazizade, M.R. and Moslehi, I., 2017. Calculation of average zone point in Water Distribution Systems. In Proceedings of the 4th International Conference on Environmental Planing and Management, 23th-24th May,Tehran, Iran. (In Persian with English abstract).

Thornton, J. and Lambert, A., 2005. Progress in practical prediction of pressure: leakage, pressure: Burst frequency and pressure: Consumption relationships. In Proceedings of IWA Special Conference 'Leakage 2005', 12th-14th September, Halifax, Canada.

Thornton, J. and Lambert, A., 2007. Pressure management extends infrastructure life and reduces unnecessary energy costs. In Proceedings of IWA Conference Water Loss 2007, 23th–26th September, Bucharest, Romania.