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

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی گروه عمران دانشگاه بیرجند

2 گروه مهندسی عمران ، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

چکیده

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.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Hydraulic Modeling and Non-Revenue Water Assessment in the Tabas Golshan Water Distribution Network

نویسندگان [English]

  • Ali Nasirian 1
  • mahsa mardani 2
1 Assistant Professor, engineering collage, Civil Department, University of Birjand.
2 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Non-revenue water (NRW), comprising real losses (physical leakages from pipes and fittings) and apparent losses (unrecorded consumption due to meter errors, unauthorized connections, or data recording inaccuracies), represents a major challenge for urban water distribution networks in arid and semi-arid regions like Iran. This phenomenon reduces the economic and operational efficiency of water supply systems and increases operational costs. In Tabas, a city in South Khorasan Province characterized by a hot, dry climate and limited water resources, effective water management is critical. Zone 1 of the Tabas Golshan water distribution network was selected for study due to its size and significance. This research aims to develop a hydraulic model of the Zone 1 network, perform precise calibration using field data, accurately estimate NRW, and differentiate between real and apparent losses. The study's innovation lies in integrating water balance methods, minimum night flow analysis, and the FAVAD approach to precisely estimate leakages and propose practical solutions for loss reduction in arid regions. This research aligns with the objectives of the Journal of Water and Soil Conservation Research by contributing to sustainable water resource management, reducing water wastage, and enhancing the efficiency of water distribution networks in water-scarce environments. Additionally, it provides a scientific approach to water management in regions with aging infrastructure or limited monitoring, serving as a model for similar areas in Iran and globally.
Materials and methods: The study was conducted in Zone 1 of the Tabas Golshan water distribution network, located in South Khorasan Province, Iran, a region facing significant challenges in potable water supply due to its hot, arid climate. A hydraulic model was developed using WaterGEMS software, based on updated AutoCAD and GIS maps containing detailed information on pipes, valves, reservoirs, and network nodes. Consumption data from 2,640 subscribers during the fourth and fifth periods of 2021 (October and November) were collected, including hourly consumption rates, usage types (residential, commercial, green spaces, etc.), and geographic coordinates. These data were used to determine consumption patterns and allocate demand to model nodes. Field data included tank outflow rates from a telemetry system, hourly pressure measurements from two automatic loggers in the Amiralmomenin and Maskan-e-Mehr areas, flowmeter data from a transmission line, and manual pressure and flow measurements at various network points. Model calibration was performed at two levels: macro (matching tank outflow) and micro (matching node pressures). Macro-calibration involved comparing tank outflow with telemetry data, while micro-calibration aligned simulated pressures with logger measurements. Minimum night flow analysis (1–5 a.m.) was employed to estimate leakage rates and distinguish real from apparent losses. Emitter coefficients and pressure exponents (assumed as 1.5 for longitudinal cracks) were calculated using the FAVAD method, as outlined in Publication 556 of the Iran Water and Wastewater Company. Pipe roughness coefficients were determined based on material (PE, GRP, asbestos) and pipe age, and adjusted during calibration. A field experiment on December 6–7, 2021, increased the pressure-regulating valve setting from 1.1 to 1.9 bar and then reduced it to 1.0 bar to assess the pressure-flow relationship, aiding in the analysis of pressure impacts on leakage and consumption.
Results: The modeling results indicated that NRW in Zone 1 of Tabas accounts for approximately 37.5% of the input water, with over 90% attributed to physical leakages (real losses) and the remainder to apparent losses (meter errors and unregistered consumption). The calibrated hydraulic model showed good agreement with field data from October and November 2021. The pressure difference between the model and logger data from 1 p.m. to 7 p.m. was approximately 1 meter, likely due to assumptions of uniform consumption patterns, homogeneous leakage distribution, or calibration errors in pipe roughness coefficients. Minimum night flow analysis revealed that leakage flow during low-consumption hours ranged from 0.016 to 0.022 m³/s (16–22 L/s). Emitter coefficients for the Amiralmomenin and Maskan-e-Mehr areas were calculated as 0.002 and 0.000653, respectively, indicating variations in leakage intensity across these regions. The field experiment increasing pressure from 1.1 to 1.9 bar showed that flow rates increased by up to 0.0012 m³/s (1.2 L/s) during peak consumption hours, while the increase was approximately 0.0002 m³/s (0.2 L/s) during low-consumption hours. The pressure exponent ranged from 1.32 to 1.5, consistent with the predominant types of pipe failures (longitudinal cracks and joint separations). Telemetry data indicated tank outflow rates of 0.062 m³/s (62 L/s) in July and 0.042 m³/s (42 L/s) in November, influenced by climatic conditions (summer heat and water cooler usage) and pressure-regulating valve settings. Subscriber consumption analysis showed average consumption rates of 0.0168 m³/s (16.8 L/s) in the fourth period and 0.01307 m³/s (13.07 L/s) in the fifth period, with the reduction likely due to seasonal variations. Residential usage accounted for over 90% of total consumption. Additionally, an annual consumption increase of 0.00115 m³/s (1.15 L/s) and an additional per-subscriber consumption of 24.9 liters per year highlighted growing water demand in the region.
Conclusion: This study, utilizing hydraulic modeling in WaterGEMS and precise calibration with field data, provided an effective tool for analyzing NRW in the Zone 1 Tabas water distribution network. The 37.5% NRW rate, predominantly from physical leakages (over 90%), underscores the urgent need for active pressure management and leakage detection strategies. The study’s innovation lies in employing the FAVAD method, minimum night flow analysis, and region-specific emitter coefficients, which are applicable to similar arid regions. Precise adjustment of pressure-regulating valves can significantly reduce leakage, particularly during peak consumption hours when pressure increases have a greater impact. Limitations, such as outdated data, limited measurement equipment (only two pressure loggers and one flowmeter), and simplifying assumptions (e.g., uniform consumption patterns), affected result accuracy. Recommendations include collecting pressure and flow data across seasons using more precise tools (e.g., smart sensors), which can lead to a 15-25% reduction in real losses through continuous monitoring and early leak detection. Continuously monitoring pressure-regulating valves, which, based on similar studies, can reduce leakage by 20-30%. Applying machine learning algorithms for more accurate consumption and leakage estimation, with potential for 20% NRW reduction. Developing District Metered Areas (DMAs) and installing continuous monitoring equipment could further reduce losses by 15-20%. These findings are valuable for improving the efficiency of water distribution networks in arid regions and align with the Journal of Water and Soil Conservation Research goals of promoting water conservation and sustainable management. The results can guide long-term planning and implementation of loss reduction measures in other arid cities in Iran and similar regions worldwide.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydraulic modeling
  • calibration
  • emitter coefficient
  • pressure exponent
  • leakage detection