مدیریت بهینه منابع موجود مبتنی بر توسعه مدل هیدرولیکی درشبکه های گسترده (مطالعه موردی شهر شیراز(

خشکسالی چند سال اخیر وعدم دسترسی به منابع آب جدید لزوم بهینه سازی استفاده ازمنابع دراختیار را افزایش می دهد.پراکندگی منابع فعلی،توسعه بی رویه شهرها،تغییر الگوی مصرف،حاشیه نشینی،فرسوده شدن شبکه های توزیع ،عدم شناخت مناسب ازوضعیت شبکه،سنتی بودن مدیریت توزیع وعدم طراحی مناسب مهمترین چالشهای توزیع آب می باشد.ایجاد یک فشار مناسب درطول سال درتمامی نقاط شبکه یکی ازدغدغه های شرکتهای متولی این حوزه است.کمبود فشار وقطع شدن آب ،علاوه برتبعات اجتماعی ونارضایتی مشترکین باعث بالا رفتن ریسک آلودگی آب می گردد،همچنین فشار نامتعارف شبکه نیز باعث افزایش شکستگی ها،سرانه مصرف ونشت زمینه ودرنهایت افزایش شاخص آب بدون درآمد می گردد.شناخت وضعیت فعلی شبکه،منابع،مصارف ورفتارهای هیدرولیکی شبکه مهمترین اصول مدیریت توزیع می باشد.باتوسعه مدل هیدرولیکی وبررسی وضعیت موجود می توان الگوی مناسبی جهت توزیع بهتر منابع ایجاد کرد.مدل های هیدرولیکی می تواند کمک بزرگی به حل چالشهای مدیریت توزیع درشبکه های آب نماید،شناخت ظرفیتهای منابع موجود،زیرساختهای دردسترس،تواناییهای هیدرولیکی شبکه،نقاط ضعف شبکه توزیع وپراکندگی مصارف ازمهمترین تواناییهایی است که دربستر مدل هیدرولیکی دراختیار مدیران وکارشناسان بهره برداری قرار می گیرد.

1- مقدمه 
مسئله آب سالهاست که به عنوان یک چالش جهانی مطرح می گردد. تغییرات آب وهوایی وخشکسالی باعث دسترسی سخت وپرهزینه به منابع آب جدید شده است وهمین امر باعث شده، بهینه سازی واستفاده صحیح ازمنابع موجود بعنوان یک روش کم هزینه وامکان پذیر درکنار راهکارهایی مانندجایگزینی منابع مطرح گردد.پراکندگی منابع فعلی،توسعه بی رویه شهرها،تغییرالگوی مصرف،حاشیه نشینی،فرسوده شدن شبکه های توزیع ،عدم شناخت مناسب ازوضعیت شبکه، سنتی بودن مدیریت توزیع،کاهش کیفیت آب وعدم طراحی مناسب مهمترین چالشهای توزیع آب می باشد.
دردسترس بودن آب سالم و بهداشتی بعنوان دومین چالش پیش روی جهان مطرح است(شکل1).به طور متوسط سالیانه 3.3 میلیون نفر دراثر بیماریهای ناشی ازمصرف آب غیربهداشتی ازبین می روند،درسال 2008 حدود 46 درصد ازمردم دنیا درخانه های فاقد لوله کشی آب زندگی می کردند (Macedonio, Drioli et al.2012). دو سوم جمعیت جهان تاسال 2025 باکمبود شدید آب مواجه می گردند (Macedonio, Drioli et al.2012).براساس گزارش جهانی آب، سازمان ملل متحد (Water 2015) ،تقاضای آب رو به افزایش است وتا سال 2030 جهان با افزایش 40درصدی تقاضا نسبت به تولید فعلی مواجه خواهد شد. مجمع جهانی اقتصاد در سال 2015، بحران آب را به عنوان خطر جهانی بر اساس تاثیرات بر جامعه و هشتمین خطر احتمالی جنگ جهانی برجسته کرد .براساس همین گزارش وبراساس تقسیم بندی منطقه ای کشورایران درمعرض بیشترین چالش درخصوص بحران آب خواهدبود(شکل1).( Risks, G. 2015). آسیا 60 درصد جمعیت جهان را دارد، اما تنها  28 تا 30 درصد منابع آب شیرین دنیا رادراختیاردارد.یک مطالعه  هشدار می دهد که 

شکل 1- منطقه بندی مخاطرات جهانی(WEF1.2015) وچالشهای اساسی پیش روی جوامع بشری

میلیارد نفر دیگر در آسیا تا سال 2050 می توانند تحت فشار ازلحاظ تامین آب قرار بگیرند (Fant et al 2016). دردهه های گذشته روش های بهینه سازی توزیع منابع به طور گسترده ای در مسائل مربوط به منابع آب مورد استفاده قرار گرفته اند و بسیاری از مدل های بهینه سازی توسعه یافته اند. این مدل های مدرن از سوی چندین نویسنده بررسی شده اند (1985; Mays and Tung, 2002; Labadie ,2004; Dziedzic and Karney,  2015 Yeh,). اساس وهدف تمام این روشها دستیابی به بهترین حالت توزیع منابع موجود بین مصرف کنندگان باتوجه به نیازهای واقعی مصرف کنندگان ومسایل اجتماعی واولویت های موجود می باشد.باتوجه به تحقیقات گسترده درخصوص بهینه سازی به روشهای مختلف ،همواره دلایل زیادی مانند: پیچیدگی زیاد این روشها،طیف گسترده روشهای بهینه سازی،عدم ضمانت سودآور بودن،مبتنی بودن برمدل های فرضی،عدم اطمینان بهره برداران ازعملکرد آنها ونیاز به اطلاعات دقیق، استفاده ازاین روشها را دشوار می سازد.درکشورهای درحال توسعه اطلاعات وآمار مناسبی از وضعیت فعلی شبکه چه ازلحاظ فیزیکی(ساختار وسخت افزار) وچه ازلحاظ هیدرولیکی وجود ندارد ویا اینکه اطمینانی به اطلاعات موجود وجود ندارد به همین دلیل استفاده ازروشهای ریاضی بهینه سازی کمی مشکل به نظر می رسد وممکن است به مرحله اجرایی نرسد.اما بااستفاده ازاطلاعات موجود وتجزیه وتحلیل آنها وانطباق بامدل های هیدرولیکی امکان بهبود روشهای بهره برداری فعلی وجود دارد ودراین مسیر باتکمیل بانکهای اطلاعاتی می توان زمینه رابرای استفاده ازروشهای پیچیده بهینه سازی ایجاد کرد.

2- طرح موضوع
موضوعی که دراین مقاله درمورد آن بحث خواهد شد ارایه یک روش اجرایی مبتنی برتکمیل شناخت وضعیت موجود وروشهای بهتر تخصیص منابع جهت بهینه شدن توزیع آب درشبکه ها وکاهش تنش های آبی شبکه،توزیع متعادل فشارمیباشد.دراین روش وضعیت موجود براساس اطلاعات وآمارمشترکین،وضعیت منابع تامین،پراکندگی منابع،توپوگرافی منطقه وشناخت رفتارهای هیدرولیکی شبکه بامدل سازی بررسی ونحوه تخصیص منابع به هرمنطقه مشخص و برنامه‌ریزی می گردد.
3- روش شناسی 
درتمامی سیستمهای برنامه ریزی 3رکن اساسی ومهم وجود دارد که نقص درهرکدام باعث به سرانجام نرسیدن برنامه ها ومحقق نشدن اهداف می گردد.این 3 رکن اساسی عبارتست از شناخت وضعیت موجود،انتخاب مناسب ومتناسب اهداف وانتخاب مناسب مسیر حرکت از وضعیت فعلی به وضعیت هدف گذاری شده.بدیهی است تحلیل اشتباه درهریک ازاین سه بخش باعث عدم محقق شدن اهداف می گردد.دراین قسمت سعی شده براساس این 3 اصل اساسی مطالب دسته بندی وارایه گردد.جهت مقایسه تاثیرات عملکرد لازم است شاخصهای مناسب تعریف وبرای وضعیت فعلی،زمان اجرایی شدن برنامه ها وانتهای برنامه محاسبه ومقایسه گردد.

3-1- شناخت وضعیت موجود
مهمترین بخش برنامه ریزی وتصمیم گیری شناخت وضعیت موجود ومیزان اطلاعات ومشخصات موجود،جمع آوری، مستند سازی وتحلیل آنها می باشد.مهمترین اطلاعات اساسی مورد نیاز جهت اصلاح روش های بهره برداری دریک شبکه توزیع به شرح زیر می باشد:
شناخت فیزیکی شبکه توزیع: این بخش شامل نقشه به روز شده شبکه توزیع درقالب فایلهای Autocad به همراه اطلاعات توصیفی المانهای شبکه مانند قطر،جنس وعمرلوله ها،شیرآلات شبکه توزیع،تاسیسات کنترلی،ایستگاهای پمپاژ و... ویا نقشه های Gis تاسیسات به همراه جداول توصیفی.
شناخت منابع تولید ومخازن ذخیره: شامل منابع تامین آب منطقه اعم ازآبهای سطحی وزیرزمینی وروش ورود به شبکه،منابع ذخیره تاثیر گذار درسیستم توزیع،به همراه مشخصات فنی تاسیسات فعال دراین بخش مانند مشخصات چاهها،الکتروپمپها،عمقهای موثر(دینامیک واستاتیک)،ظرفیتهای مجاز برداشت و...
شناخت وضعیت هیدرولیکی شبکه: این بخش به مفهوم ایجاد مدل هیدرولیکی شبکه وتاسیسات موثر باتمامی الزامات تعریف شده می باشد.بعلت اهمیت این بخش به صورت اختصار روشهای مناسب ایجاد مدل ارایه می گردد.

الف.انتخاب نرم افزار تحلیل هیدرولیکی: درحال حاضر نرم افزارهای متعددی دراین حوزه تهیه وروانه بازار گردیده است،اما باتوجه به محیط گرافیکی مناسب،سهولت کار،امکانات وابزار مدل سازی موثر،تحلیل های تایید شده،ابزارهای متعدد بهینه سازی،ارتباط تعریف شده با نرم افزارهای کاربردی مانند Gis,Autocad,excel,Acces،امکان اتصال به ابزارهای Scada2 وارایه گزارش های گرافیکی ،نرم افزار waterGems3 پیشنهاد می گردد.

ب.مدل سازی لوله ها: بااستفاده ازنقشه های Autocad یا Gis4  وابزار Modelbuilder نقشه منطقه درمحیط  WaterGemsایجاد می گردد. البته معمولا بعلت اینکه اکثر نقشه های موجود براساس اصول مورد نیاز نرم افزار WaterGems تهیه نشده است بعد ازساخت مدل بایستی اصلاحات مورد نیاز مانند شبکه های روی هم،گره های نامتصل و... اصلاح گردند.دراین مرحله لازم است کلیه لوله های شبکه توزیع تا محل انشعاب وارد مدل گردد.جهت اعمال مشخصات فنی خاص لوله مانند ضرایب زبری دراین مرحله می توان ازمنابع موجود واستاندارد لوله ها بادرنظر گرفتن عمرآنها استفاده کرد.درمورد افت های موضعی ناشی ازشیرآلات موجود درشبکه که درمدل وارد نمی گردد پیشنهاد می گردد با اصلاح ضریب زبری انتخاب شده اثر آنها درمدل اعمال گردد بعنوان نمونه درصورت استفاده ازرابطه هیزن-ویلیامز پیشنهاد می گردد 5 واحد از ضریب زبری انتخاب شده جهت افت های موضعی کسرگردد.
پ.ایستگاههای پمپاژداخل شبکه توزیع و خطوط انتقال: ایجاد ساختارکامل ایستگاه شامل پمپها،شیرآلات کنترلی ونجوه کنترل ایستگاه
ت.ایجاد منابع تولید ومخازن: منابع تولید حسب نحوه ورود به شبکه درمدل اضافه می گردد.آبهای حاصل ازمنابع سطحی عموما ازچند نقطه مشخص وباحجم معین وارد شبکه یا مخازن می گردد ولی درشبکه های که تعدد چاهها زیاد می باشد،جانمایی وتعریف پمپها وقت گیر ومشکل می باشد ولی می توان با استفاده ازقابلیتهای نرم افزار WaterGems ونرم افزارهایی مانند Excel با زمان کمتری این تاسیسات را ایجاد کرد.دراین بخش پیشنهاد می گردد با توجه به اهمیت بالای مخازن ومنابع در وضعیت هیدرولیکی شبکه مشخصات فنی مورد نیاز این تاسیسات مانند ارتفاع،موقعیت جغرافیایی و... بادقت وبصورت بررسی میدانی برداشت و وارد گردد.
س.ارتفاع گره ها(Elevation): بااستفاده از ابزار Trex وفایلهای DEM ارتفاع گره ها اختصاص می یابد.نکته قابل ذکر استفاده ازفایلهای DEM معتبر باحداقل خطای ممکن ودرصورت امکان ساخت فایل DEM از اطلاعات سازمان نقشه برداری جهت دقت بهتر ارتفاع های تخصیصی.همانطورکه قبلا ذکر شده ارتفاع ایستگاههای پمپاژ،چاهها ومخازن بهتر است بصورت برداشت محلی وبصورت دستی وارد شود.
ش. تخصیص مصارف (Demand): چالش برانگیزترین بخش تهیه مدل های هیدرولیکی اختصاص مصرف به گره ها می باشد.ابزار قدرتمند loadBuilder این کار رادر نرم افزار WaterGems انجام می دهد اما نکته مهم اطلاعات ورودی به این ابزار می باشد.درصورت تکمیل بودن اطلاعات Gis بهترین روش استفاده ازمصارف واقعی مشترکین می باشد ولی درصورت عدم تکمیل بودن اطلاعات این برنامه می توان ازطریق نقشه های تراکم Autocad وبا استفاده ازروش تراکم خالص این کاررابا دقت نسبتا خوبی انجام داد ولی بایستی نهایت دقت درزمان تهیه نقشه های تراکم جمعیتی مورد نیاز نرم افزار را انجام وبراساس تراکم واقعی موجود درمناطق مختلف شهر نقشه ها راتهیه کرد،ابن کار نقش موثری درتوزیع واقعی مصارف درشبکه دارد. درصورتیکه اطلاعات مصرف ازنقشه های Autocad استخراج گردیده بهتر است،مشترکین بامصارف زیاد(بیش از 1500 مترمکعب درماه) به صورت جداگانه وبا ابزار Customer Meter به نرم افزار معرفی گردد(مسعودی و همکاران ،1397).
چ. ضرایب مصرف: برای بدست آوردن ضرایب مصرف اعم از ضرایب ساعتی،روزانه وماهیانه نیاز به زمان وتجهیزات اندازه گیری متعدد درشبکه می باشد البته حسب نیاز وانتظار ازمدل هیدرولیکی این بخش قابل فاز بندی بوده ومی توان به مرور زمان این ضرایب را بهبود بخشید.دراین مرحله ازمدل سازی وباتوجه به انتظار ازمدل می توان ازضرایب منابع تولید جهت مشترکین استفاده نمود(مسعودی وهمکاران،1397) به اینصورت که با مجهز شدن مخازن ورودی به شبکه وهمچنین ایستگاههای پمپاژ وچاهها به فلومترهای الکترومغناطیس واستفاده از الگوی خروجی این تاسیسات ضرایب مصرف مشترکین تحت پوشش آنها را تعیین ودرنرم افزار اعمال نمود.
ح. روشهای بهره برداری فعلی: دراین بخش الگوهای بهره برداری فعلی مانند خروجی کنترل شده مخازن،کنترل ایستگاههای پمپاژ،شیرهای کنترلی مانند شیرهای فشارشکن با اطلاعات تنظیمی،شیرهای مانورشده وبسته شده و... درمدل اعمال می گردد.
ه. کالیبراسیون مدل: جهت نزدیک شدن خروجی تحلیل مدل هیدرولیکی به شرایط واقعی لازم است یرخی مشخصات المانهای مدل مانند ضریب زبری لوله ها،مصارف مشترکین،وضعیت لوله ها و.... تغییر کند.ابزار Darwin Calibrator این کار را با استفاده ازالگوریتم ژنتیک انجام می دهد ولی قبل ازرسیدن به این مرحله با توجه به برخی مشخصات شاخص موجود درشبکه مانند فشارخروجی ایستگاههای پمپاژ،فشاردرسر چاهها وفشارسنجهای موجود درشبکه می توان مشخصات مدل را دقیق سازی کرد.یکی ازعوامل اصلی اختلاف زیاد درارقام تولیدی نرم افزار با واقعیت، عدم اعمال روشهای بهره برداری صحیح درمدل می باشد.عدم تطابق های شاخص دراین مرحله رفع می گردد.نکته  قابل ذکر دیگر سطح کالیبراسیون مدل می باشد.دراینجا نیز حسب انتظار واستفاده ازمدل این سطح تعیین می گردد، لازم به ذکر است باتوجه به سطوح مختلف برنامه هوشمند سازی شبکه توزیع (مسعودی وهمکاران،1396)ودرنظر گرفتن اهداف مورد انتظار موضوع مطروحه دراین مطلب درسطح اول هوشمند سازی مورد ارزیابی قرار می گیرد.دراین مرحله چون هدف اصلی شناخت وضعیت وایجاد ساختارهای اولیه شبکه می باشد با خطای تا 10 درصد می توان خواسته های فعلی ازمدل رامحقق کرد.
وضعیت مشترکین: بخش دیگر اطلاعات موردنیاز اطلاعات مشترکین منطقه می باشد.این بخش ازاطلاعات چون معمولا بصورت ثبت شده درسیستمهای امورمشترکین وجود دارد،معمولا بادقت خوب دردسترس قراردارد.دربخش مطالعه موردی نمونه این اطلاعات معرفی می گردد.
 اطلاعات عمومی: کلیه اطلاعات موجود دیگر ازمنطقه موردنظر مانند وضعیت توسعه ای منطقه،بافت فرهنگی و... بایستی جمع آوری ومستند گردد.

3-2- هدف گذاری
مهمترین اصل این بخش هدف گذاری متناسب با زیرساختهای موجود ومنابع دردسترس می باشد.تعریف اهداف کارشناسی نشده وغیرمنطبق برواقعیت باعث هدررفت منابع مالی وانسانی وازدادن زمان می گردد.دراین مطالعه هدف طراحی شده استفاده حداکثری ازمنابع موجود،متناسب شدن فشاردرشبکه،تقویت فشارمناطق دارای کمبود فشار درزمانهای مختلف بامنابع موجود،استفاده حداکثری ازآبهای ارزانتر،استفاده حداکثری ازمنابع باکیفیت مناسب وایجاد - برنامه بهره برداری ازچاهها برای زمانهای کم مصرفی وبه طور کلی مدیریت توزیع بهینه می باشد.

3-3- برنامه ریزی(مسیر حرکت به سمت هدف)
مهمترین اقدامات قابل انجام دراین بخش عبارتند از:
برنامه ریزی جهت مجهز شدن تاسیسات تامین آب به فلومترهای الکترومغناطیس باایجاد زیرساختهای ارسال اطلاعات
ایجاد وتوسعه سیستم اطلاعات جغرافیایی(Gis)
تهیه مدل هیدرولیکی شبکه تولید،انتقال وتوزیع با ایجاد برنامه به روز رسانی
تهیه وتدوین روشهای بهره برداری فعلی
تکمیل وتصحیح نرم افزار مشترکین واصلاح اطلاعات با روش صحت سنجی موردی یا پایش محلی
ایجاد زون بندی فیزیکی مناسب درشبکه حسب نیاز به این مفهوم که درشبکه های بزرگ معمولا حوزه های مختلف بهره برداری تعریف وتحت نظرمدیریتهای مختلف اداره می گردد،لذا دراین شبکه ها پیشنهاد می گردد جهت برنامه ریزی بهتر وایجاد مسئولیتهای مدیریتی درهرحوزه براساس مناطق تحت پوشش حوزه های مختلف، زون بندی انجام گیرد.درشبکه های کوچک می توان براساس نیاز ومشکلات موجود درشبکه وپراکندگی منابع ومخازن زون بندی انجام گیرد.هدف ازاین بخش بررسی مشکلات توزیع درزونهای مختلف  براساس منابع موجود،مشترکین وظرفیتهای منطقه می باشد.
تدوین استراتژیهای جدید بهره برداری ازمنابع فعلی

3-4- شاخص ها
یکی ازروشهای مناسب جهت مشخص شدن آثار اجرای یک برنامه تعریف شاخصهای مناسب جهت بررسی وضعیتهای مختلف می باشد.مهمترین ویژگی این شاخصها قابلیت اندازه گیری پارامترهای موثر،کوتاه وخلاصه بودن،غیرقابل تفسیر بودن وجامع بودن آنها میباشد.لازم است درزمان شروع برنامه ودرطول اجرا شاخصهای مورد نظر محاسبه وروند پیشرفت بررسی ومقایسه گردد.بخشی ازشاخصهای مرتبط وقابل تعریف درجدول شماره 1 ارایه شده است.

4- مطالعه موردی 
شیرازیکی از شهرهای بزرگ ایران و مرکز استان فارس است. جمعیت شیراز در سال ۱۳۹۵ خورشیدی بالغ بر ۱٬۵۶۵٬۵۷۲ نفر بوده که این رقم با احتساب جمعیت ساکن در حومه شهر به ۱٬۸۶۹٬۰۰۱ نفرمی‌رسد.  شیراز در بخش مرکزی استان فارس، در ارتفاع ۱۴۸۶ متر بالاتر از سطح دریا و در منطقه کوهستانی زاگرس واقع شده و آب و هوای معتدلی دارد. این شهر از سمت غرب به کوه دراک، از سمت شمال به کوه‌های بمو،  سبزپوشان،  چهل‌مقام و باباکوهی (از رشته کوه‌های زاگرس) محدود شده‌است. شهرداری شیراز به ۱۱ منطقه مستقل شهری تقسیم شده و جمعاً مساحتی بالغ بر ۲۴۰ کیلومتر مربع را شامل می‌شود. این شهر در 52 درجه و 32 دقیقه طول و 29 درجه و 26 دقیقه عرض جغرافیایی قرار گرفته و همسایگان آن را از شمال آباده، از شرق فسا، نی ریز و استهبان، از جنوب فیروز آباد و از غرب کازرون تشکیل می دهند. مقدمات لوله کشی آب آشامیدنی شیراز در سال ۱۳۲۴ توسط مرحوم محمد نمازی یکی از بزرگترین نیکوکاران شیراز فراهم گردید. این طرح مشتمل بر لوله کشی‌های اصلی و ساختمان حوض تصفیه خانه بود و از آب دو رشته قنات خیرآباد و رضاآباد در غرب شیراز جهت تأمین آب استفاده می‌گردید. در آن زمان ۶۰۰۰ مشترک آب وجود داشت.درحال حاضر تامین آب این شهر از طریق 185 حلقه چاه(حدود 85درصد) و آب سد درودزن(حدود 25درصد) صورت می گیرد.

جدول 1- شاخصهای قابل تعریف جهت مقایسه عملکرد درمدیریت توزیع

4-1- شناخت وضعیت موجود

جهت بدست آوردن ازاطلاعات موجود وتکمیل،تحلیل وتهیه مدل هیدرولیکی کلیه فایل ها واطلاعات مانند نقشه های Autocad ،Gis جمع آوری وباتوجه به نواقص موجود دراطلاعات Gis جهت ساخت مدل از نقشه های Autocad شهر که حدود 150 شیت نقشه بامقیاس 2000/1 بود پاکسازی واطلاعات پایه مورد نیاز ایجاد مدل استخراج (مسعودی وهمکاران،1397) ومدل اولیه تهیه گردید.سپس باتوجه به بررسیهای میدانی روشهای بهره برداری فعلی درمدل اعمال شد.جهت کالیراسیون مدل از حدود 100 فشار سنج موجود درشبکه استفاده گردید.درمدل ایجاد شده کلیه تاسیسات تاثیرگذار شبکه وارد گردید.خلاصه مشخصات مدل ایجاد شده درجدول 1 نشان داده شده است.

باتوجه به منطقه بندی شهرشیراز ازلحاظ بهره برداری ومشترکین به 5 بخش مجزای مدیریتی وجهت ایجاد زیرساختهای برنامه ریزی بهتر ،زون بندی براساس مناطق مذکور انجام شد.

با بررسی نتایج اولیه مدل واطلاعات موجود درسیستم مشترکین تراز تولید ومصرف مناطق 5گانه استخراج شد که خلاصه آن درجدول 3 آورده شده است.درجدول شماره 3، L_n  : طول شبکه(کیلومتر)، % : درصد ازکل، N_p : تعداد مشترکین، in_s : ظرفیت تولید چاههای منطقه(لیتربرثانیه)، out_s: ظرفیت تخصیصی به هرمنطقه ازآب سد،D_z : مصرف ثبت شده درسیستم مشترکین(لیتربرثانیه)،D_m : حداکثر ساعتی نیاز آبی منطقه،r : تفاوت توانایی تولید منطقه با حداکثر ساعتی، R/m^{3 :} قیمت انرژی مصرفی بازای هرمترمکعب تولید(چاه) می باشد،s% :درصد سطح هرمنطقه که قابلیت پوشش بامنابع داخلی منطقه رادارد.(ازلحاظ وضعیت توپوگرافی).درشکل شماره 2 گراف مقایسه ای پارامترهای مختلف بررسی شده درمناطق 5گانه ارایه شده است.

جدول 2- خلاصه اطلاعات مدل هیدرولیکی شهر شیراز

تعدادگره	تعداد لوله	طول لوله(km)	تعداد چاه	تعداد پمپ داخل شبکه	تعداد مخزن	تعداد شیر کنترلی	مشترکین خاص	متوسط مصرف(l/s)
32247	38126	3526	184	54	30	159	250	4500

 

 

جدول 3- خلاصه اطلاعات مناطق 5گانه

منطقه	وضعیت شبکه		وضعیت مشترکین		وضعیت تولید		outs	وضعیت مصرف		Dm		R/m3	%s
	LN	%	Np	%	ins	%		DZ	%
منطقه1	980	27.8	172992	25.2	1661	29	30	974	28	1770	79-	106	100
منطقه2	700	19.9	150874	21.9	1213	21.2	250	782	22.5	1595	142-	174	60
منطقه3	588	16.7	120542	17.5	1166	20.4	400	597	17.2	854	712	130	100
منطقه4	862	24.4	181333	26.4	1179	20.6	280	903	26	1516	57-	117	100
منطقه5	396	11.2	62057	9	510	8.9	0	218	6.3	382	128	190	100
مجموع (متوسط)	3526	100	687798	100	5729	100	1000	3474	100	6117	612	135

 

شکل 2- مقایسه پارامترهای مختلف درمناطق 5 گانه شهر شیراز

 

شکل شماره 3 زون بندی مناطق 5گانه شیراز ووضعیت توپوگرافی هرمنطقه وزون بندی شبکه درمدل هیدرولیکی تهیه شده رانشان می دهد(سمت چپ).درهمین شکل وضعیت توزیع مخازن وچاهها ووضعیت فشاری دراوج مصرف شبکه نشان داده شده است.باتوجه به بررسی میدانی وآمارتماسهای قطع آب مناطقی که دارای مشکل تامین آب درزمان حداکثر مصارف منطبق برمناطق باکمبود فشار(مناطق زرد رنگ درشکل 3-چپ) هستند.

شکل 3- زون بندی شهر،توپوگرافی هرزون وزون بندی شبکه(سمت راست)،ناحیه بندی فشاری تابستان وجانمایی مخازن(سمت چپ)

4-2- برنامه ریزی ها وشاخص ها
طبق الگوی ارایه شده دربخش 3-3 ،دراین مرحله از24  مخزن برنامه ریزی شده جهت نصب فلومتر،و باتوجه به اولویت بندی انجام شده براساس میزان تاثیردروضعیت هیدرولیکی شبکه(درصدمنطقه تحت پوشش) 12مخزن اصلی مجهز به فلومتر شدند،کلیه چاهها مجهز به فلومترالکترومغناطیس گردید.تهیه نقشه های Gis ازسالها قبل دردستورکار شرکت آب و فاضلاب قرارگرفته بود،دراین مرحله باتوجه به نواقص موجود درنقشه های موجود خصوصا دررابطه بااستاندارهای مورد نیاز برنامه تحلیل شبکه ،اصلاحات لازم توصیه وانجام شد. تهیه مدل هیدرولیکی شبکه وتاسیسات دردستورکار قرار گرفت و علی رغم وسعت و پیچیدگی شبکه و تعدد تاسیسات مدل تهیه گردید که مشخصات آن دربخش قبلی(جدول2) ارایه گردید. در این مدل 185حلقه چاه،30 مخزن اصلی و فرعی، 14 ایستگاه پمپاژ اصلی، 159شیر کنترلی (فشارشکن، نگهدارنده فشار، سوزنی باکنترل، شیرهای خروجی مخازن، شیرهای قطع و وصل معمولی کنترل شده در شبکه) و 250 مشترک خاص با مصرف بالای 1500 مترمکعب در ماه وارد گردید. برای ایجاد روشهای بهره برداری فعلی با استفاده از گراف های خروجی مخازن، فشارهای تنظیمی روی شیرآلات کنترلی،میزان بازشدگی شیرهای مانوری،استعلام شیرهای بسته شده،نحوه استفاده ازچاهها(تزریق مستقیم یا غیر مستقیم)،نحوه تنظیم ایستگاههای پمپاژ،وضعیت لوله های مرزی مناطق و... روشهای مذکور جمع آوری ودرمدل هیدرولیکی وارد گردید.دربخش مشترکین جهت پایش اطلاعات پایلوتهایی چندمنظوره (9پایلوت) باطول شبکه حدود520 کیلومتر تعریف و20درصد مشترکین هرپایلوت بررسی میدانی(حدود 13500 انشعاب) گردید واطلاعاتی مانند وضعیت عملکردی کنتورها،وضعیت فیزیکی کنتورها،نصب صحیح،نشت انشعاب ،مصرف غیرمجاز،کاربری و... برداشت وجهت صحت سنجی اطلاعات سیستم مشترکین استفاده گردید،گزارشات وخروجی های لازم ازسیستم مشترکین نیز طراحی واقدام شد.زون بندی شبکه براساس مناطق بامدیریت مجزا برنامه ریزی واقدام به شناسایی نقاط مرزی گردید.نتایج بررسی شرایط فعلی دربخش قبلی ارایه گردید.
بعد از بررسی های لازم و باتوجه به خروجی مدل هیدرولیکی استراتژی بهره برداری ازمنابع فعلی با اولویت استفاده حداکثری ازآب سد،تامین مناطق بامنابع داخلی،عدم استفاده ازچاههای پرهزینه(تعمیرات وانرژی)،اختلاط مناسب منابع باکیفیتهای متفاوت،کاهش حداکثری افت ناشی ازچرخش آب درشبکه(آبرسانی هربخش منطقه با مخزن بهینه جهت کاهش افت های ایجاد شده)،استفاده حداکثری ازمخازن به جای تزریق مستقیم وتوزیع عادلانه ،درچهارفصل وباتوجه به نیاز آبی هرفصل تنظیم گردید.بخشی از اقدامات تعریف شده درجدول4 آورده شده است.درجدول شماره5 الگوهای جدید بهره برداری ازمخازن باهدف مدیریت بهترتوزیع ارایه شده است.جهت کنترل پیشرفت برنامه ها ورصد آنها جدول شاخصهای هرمنطقه تهیه وباهدف گذاری نحوه ارتقاء به مناطق اعلام گردید.

جدول 4- جدول کلی وضعیت منابع شیرازو تغییرات وبرنامه مناطق

	نیاز حدکثر ساعتی	ظرفیت تولید	ورودی ازسد	مجموع دردسترس	کمبود منابع	راهکار طراحی شده
کل شیراز	6117	4582	950	5532	585-	افزایش ظرفیت چاههای موجود،پیگیری خط دوم سد،حفرچاه جدید،مدیریت مصرف
منطقه1	1770	1329	100	1429	341-	تامین ازمازاد منطقه2(l/s200)،تغییر الگوی 2مخزن،مدیریت مصرف
منطقه2	1595	970	250	1220	375-	تامین مناطق ناپوشان منابع ازمنطقه3(l/s450)،مدیریت فشار،تغییرالگوی1مخزن،مدیریت مصرف
منطقه3	851	932	150	1082	228	تغییر الگوی استفاده چاه(4چاه)،تغییرالگوی 3مخزن،اجرای خط انتقال400،کاهش تخصیص سد
منطقه4	1516	943	450	1393	123-	تغییر الگوی 3مخزن،تغییرالگوی استفاده چاه(4چاه)،افزایش تخصیص سد
منطقه5	382	408	0	408	26	مدیریت فشار،برخورد باانشعابات غیرمجاز

 

جدول 5- شرح برخی تغییرات دربهره برداری ازمخازن

نام مخزن	منطقه	شرح برنامه تعریف شده
مخزن گلها	1	افزایش محدوده تحت پوشش با اعمال محدودیت درمنطقه تحت پوشش مخزن بالادست(ماهی)،افزایش خروجی
مخزن ماهی	1	کاهش محدوده تحت پوشش بااعمال محدودیت درشبکه،کاهش خروجی
مخزن چمران	2	تامین آب ازطریق شبکه واستفاده ازآب منطقه3،افزایش خروجی ومحدوده تحت پوشش
مخزن دوکوهک	3	انتقال مستقیم 4چاه به مخزن،افزایش خروجی ومحدوده تحت پوشش،اجرای خط انتقال 400
مخزن معالی آباد1	3	کاهش خروجی ومحدوده نحت پوشش وتامین محدوده ازمنابع بالادستی باافزایش فشار شیرهای فشارشکن بالادست
مخزن معالی آباد2	3	افزایش ورودی وانتقال به منطقه4
مخزن محمدیه	4	افزایش ورودی ازمخزن معالی آباد2 وافزایش خروجی،افزایش محدوده تحت پوشش
مخزن میانرود10000	4	کاهش ورودی وخروجی وانتقال بخش ازورودی به مخزن 40000 میانرود
مخزن میانرود 40000	4	افزایش ورودی به مخزن از مخزن معالی آباد2،اتصال 4چاه به این مخزن،افزایش خروجی

 

باتوجه به هزینه انرژی صرف شده جهت تامین آب وتحلیل های انرژی موجود درنرم افزارwatergems  می توان نسبت به برنامه ریزی واولویت بندی خاموشی چاهها درفصول کم مصرف اقدام نمود.دراین مطالعه وباتوجه به تحلیل های صورت گرفته اولویت اول تا سوم خاموشی ،مجموعه چاههای چمران،مجموعه چاههای دراک ومجموعه چاههای سبزپوشان انتخاب گردید.

 

5- بحث و نتیجه گیری

ایجاد تغییر درروشهای بهره برداری باهدف استفاده حداکثری ازمنابع وامکانات دراختیار باروشهای ساده ،کم هزینه،قابل اجرا باکاربرد وسیع وقابل فهم امری پیچیده نیست،حرکت بسوی بهبود شرایط، بایستی گام به گام وسطح بندی شده باشد،استفاده ازروشهای ریاضی وپیچیده بهینه سازی گام های بعدی بهبود می باشدکه نیاز به ایجاد ساختارهای منطقی ومنظم دارد.درک وفهم شرایط کنونی مهمترین اصل دربرنامه ریزی موفق می باشد. با ایجاد درک لازم ازشرایط کنونی می توان هدف گذاری وانتخاب مسیر درست انجام داد.استفاده بهینه از چاه ها، انتقال حداکثری چاهها به مخازن،کاهش حداکثری پمپاژهای داخل شبکه، آبرسانی به مشترکین از نزدیک ترین مخزن(بالحاظ شرایط هیدرولیکی)،اصلاح خطوط تاثیرگذار،فشاربهینه، ایجاد برنامه بهره برداری برای فصول وشرایط مختلف، بالا بردن قابلیت اطمینان پذیری شبکه،کاهش هزینه های بهره برداری، کاهش آب بدون درآمد، ایجاد برنامه و تعهد مدیریتی، رصد و پیگیری مناسب تاثیر و... می تواند از مهمترین نتایج بهینه سازی روشهای بهره برداری منابع،خطوط انتقال، مخازن، ایستگاه های پمپاژ وشبکه توزیع باشد.

 

6- پی نوشت ها

1. World Economic Forum
2. Supervisory control and data acquisition
3. Water Geospatial Engineering and Modeling System
4. Geographic information system

7- مراجع‌

1. مسعودی، م. و جهانمرد، ف.، (1397)، " تحلیل هیدرولیکی شبکه های بزرگ پیکر،ضرورت،روشها وموانع"، هفدهمین کنفرانس ملی هیدرولیک ایران،دانشگاه شهرکرد،شهرکرد،ایران
2. مسعودی، م., جهانمرد، ف. و جمشیدی، م.، (1396)، " هوشمند سازی شبکه های توزیع آب ،اهداف،ملزومات"، اولین همایش ملی مدیریت مصرف وکاهش هدررفت،دانشگاه شهید بهشتی،تهران،ایران
3. FANT, C., SCHLOSSER, C. A., GAO, X., STRZEPEK, K. & REILLY, J. 2016. Projections of water stress based on an ensemble of socioeconomic growth and climate change scenarios: a case study in Asia. PloS one, 11, e0150633.
4. LOUCKS, D. P., STEDINGER, J. R. & HAITH, D. A. 1981. Water resource systems planning and analysis, Prentice-Hall.
5. YEH, W. W. G. 1985. Reservoir management and operations models: A state‐of‐the‐art review. Water resources research, 21, 1797-1818.
6. MACEDONIO, F., DRIOLI, E., GUSEV, A., BARDOW, A., SEMIAT, R. & KURIHARA, M. 2012. Efficient technologies for worldwide clean water supply. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 51, 2-17.
7. MAYS, L. W. & TUNG, Y.-K. 2002. Hydrosystems engineering and management, Water Resources Publication.
8. WURBS, R. A. 1993. Reservoir-system simulation and optimization models. Journal of water resources planning and management, 119, 455-472.
9. LABADIE, J. W. 2004. Optimal operation of multireservoir systems: state-of-the-art review. Journal of water resources planning and management, 130, 93-111.
10. RISKS, G. 2015. World economic forum. Insight Report. 10th Edition. Retrived from: http://www3. weforum. org/docs/WEF_Global_Risks_2015_Report15. pdf.
11. WWAP, U. 2015. The United Nations world water development report 2015: water for a sustainable world. United Nations World Water Assessment Programme.