پمپاژ آب و سنجش کمیتهای جریان عبوری

سیستم های انتقال آب ، کانال های لازم برای انتقال آب از نقطه ای به نقطه ی دیگر را شامل می شوند. در بیشتر موارد، انتقال آب از منبع آن به تاسیسات تصفیه آب و از آن جا به مصرف کننده ها ضروری است. پمپاژ به منظور تامین انرژی لازم برای به حرکت در آوردن آب، از ابتدا تا انتهای سیستم انتقال به کار می رود. ایستگاه های پمپاژ معمولا در آب گیر آب خام، تصفیه خانه و شبکه ی توزیع قرار داده می شوند. سنجش میزان جریان، اطلاعاتی را درباره ی کمیت آب عبوری از یک نقطه ی سیستم انتقال ارائه می دهد. دستگاه های سنجش میزان جریان معمولا در آب گیر آب خام، ابتدای تصفیه خانه آب، صافی ها، ایستگاه های پمپاژ آب تصفیه شده و نقاط مختلف سیستم های تصفیه و توزیع آب در نظر گرفته می شوند.

سیستم های انتقال آب

هدف سیستم انتقال آب، فراهم کردن یک آب راه برای حرکت آب از آب گیر آب خام به تصفیه خانه و از آن جا به نقطه ی مصرف است.

انواع سیستم های انتقال

انواع مختلفی از مجراها برای انتقال آب استفاده می شوند. توپوگرافی، ارتفاع موجود، جنس سازه، روش های اجرایی، عوامل اقتصادی و کیفیت آب، ملاحظات اصلی انتخاب مجراهای مناسب سیستم انتقال آب هستند. مجراهای آب به دو دسته ی کانال های روباز و مجاری تحت فشار طبقه بندی می شوند. کانال های روباز دارای سطح آزاد در تماس با اتمسفر و مجاری تحت فشار دارای سطح محصور هستند. در هر یک از این دو گروه کلی، چندین نوع سیستم انتقال متداول قرار می گیرد.

کانال های روباز انتقال آب

کانال های انتقال آب: کانال ها، مجراهای خاکی هستند که درون زمین حفر می شوند. سطح داخلی این مجراها بسته به نوع خاک، شیب کف و بهای آب ممکن است پوشش داده شده یا بدون پوشش باشد. معمولا این کانال ها مقطع ذوزنقه ای شکل دارند که گاهی نیز به شکل های مستطیلی، سهمی یا اشکال هندسی دیگر ساخته می شوند.

فلوم ها و آبراه های انتقال آب: فلوم ها و آبراه ها مجراهایی هستند که به منظور انتقال آب از میان دره ها و گودال ها طراحی شده و دارای مقطع مستطیلی، دایره ای یا نعل اسبی هستند.

تونل های شیب دار انتقال آب: تونل های شیب دار در کوه ها یا سایر ارتفاعات بسیار بلند، به دلیل کوتاه تر کردن مسیر و یا حفظ فشار آب ساخته می شوند. اغلب دارای مقطع دایره ای بوده ولی به اشکال هندسی دیگر نیز ممکن است ساخته شوند. این تونل ها معمولا با ماشین های حفاری مخصوص حفر می شوند. سطح داخلی تونل ممکن است پوشش داده شده یا بدون پوشش باشد. در خاک های ناپایدار، پوشش دهی سطح داخلی تونل ضروری است. مواد پوشش دهنده معمولا بتن ساخته شده در محل، قطعات بتنی پیش ساخته یا قطعات لوله ی فولادی هستند. گاهی در صورت وجود جریان ثقلی، لوله ی دارای مقطع دایره ای نیز ممکن است یک کانال روباز در نظر گرفته شود.

مجاری تحت فشار انتقال آب

مجرای تحت فشار: مجراهای تحت فشار معمولا دارای سطح مقطع دایره ای شکل بوده و از جنس بتن مسطح، چدن، فولاد یا پلاستیک ساخته می شوند. آب به واسطه فشار هیدرواستاتیک، یا پمپاژ تحت فشار جریان دارد. اغلب، مجراهای تحت فشار (آبراه های تحت فشار یا خطوط لوله ی تحت فشار نیز نامیده می شوند) از پروفیل زمین تبعیت کرده و در عمق 6/0 تا 5/1 متری زیر سطح زمین کار گذاشته می شوند. این ارتفاع خاک پوشی، به دلیل جلوگیری از یخ زدگی و صدمات سطحی مجرا در نظر گرفته می شود.

وقتی که خط لوله زیر دره، رودخانه و سایر فرورفتگی ها قرار می گیرد، آن را انحنا، لوله ی خمیده یا سیفون معکوس می نامند. هم چنین خطوط لوله ی تحت فشار می توانند از زیر تپه ها و سایر ارتفاعات بلند به صورت تونل تحت فشار عبور داده شوند و یا می توانند به صورت فلوم تحت فشار یا گذرگاه هوایی بالای سطح زمین کار گذاشته شوند.

ملاحظات طراحی سیستم های کانال روباز

ملاحظات مهم طراحی سیستم های کانال روباز، شامل کنترل تلاطم در ناپایداری های هیدرولیکی، حفظ کیفیت آب، کنترل خوردگی و کمینه سازی تلفات ناشی از نشت و تبخیر است.

ناپایداری های هیدرولیکی:  وضعیت جریان در یک کانال روباز، بسته به سرعت نسبی و میزان تلاطم به صورت فوق بحرانی یا زیر بحرانی طبقه بندی می شود. سرعت به وسیله ی شیب کانال و سطح مقطع آن کنترل می شود. شیب ملایم، منجر به سرعت های پایین تر و تلاطم کمتر شده و جریان زیر بحرانی نامیده می شود. شیب تندتر، سرعت های بالاتر و تلاطم بیشتر به همراه داشته و به عنوان جریان فوق بحرانی شناخته می شود. تغییرات شیب یا سطح مقطع، می تواند سبب تغییر جریان از نوعی به نوع دیگر شود. در هنگام این رویداد، تلاطم خیلی زیاد می تواند به پوشش کانال صدمه بزند.

کیفیت آب: سیستم های کانال روباز اغلب با اتمسفر در تماس هستند. این مساله، آلودگی اتفاقی، عمدی یا طبیعی آب را باعث می شود. آلودگی اتفاقی ممکن است در جایی ایجاد شود که وسایل نقلیه از بالای یک کانال یا سایر مجراهای رو باز عبود می کنند. در این گونه موارد، تصادف وسایل نقلیه می تواند منجر به نشت مواد شیمیایی خطرناک به داخل منبع شود. آلودگی اتفاقی هنگامی که رواناب های سطحی آلوده به مجرا تخلیه می شوند نیز می تواند رخ دهد. برای پیشگیری از آلودگی، مجراهای ثقلی باید در برابر تمامی منابع آلوده ساز محافظت شوند. آلودگی عمدی یک اتفاق نادر است اما احتمال رخداد آن باید در نظر گرفته شود. محدود کردن دسترسی به مجراهای روباز احتمال آلودگی عمدی را کاهش می دهد.

آلودگی طبیعی هنگامی است که کیفیت آب طی فرایندهای طبیعی کاهش می یابد. معمول ترین مثال، رشد بی رویه ی جلبک ها (شکوفایی جلبکی) و گیاهان ریشه دار در کانال ها است. جلبک ها به آب طعم و بو می دهند که حذف آن مشکل است. آلودگی طبیعی را می توان با کنترل نوترینت ها (از طریق روش های مدیریتی حوزه آبریز) و جلوگیری از ورود آب های سطحی به کانال و کنترل رشد گیاهان ریشه دار کاهش داد.

کنترل فرسایش: کانال های خاکی باید از طریق کنترل سرعت و تلاطم آب در برابر فرسایش حفاظت شوند.

کاهش تبخیر و نشت: اغلب، کانال ها در مناطق خشک و یا مناطق با خاک دارای نفوذپذیری بالا کار گذاشته می شوند. در صورت وجود هر یک از این شرایط، ممکن است تلفات بالایی به دلیل تبخیر و نشت رخ دهد. طراحان باید برای کنترل تبخیر، سطح تماس آب با اتمسفر را در مناطق خشک محدود کنند. در صورت احتمال وجود نشت، به منظور کاهش آن پوشش دهی سطح داخلی کانال با خاک رس، بتن یا سایر مواد غیر قابل نفوذ ضروری است.

ملاحظات طراحی سیستم مجراهای تحت فشار

ملاحظات مهم طراحی سیستم های تحت فشار، کنترل هوا و موج های فشاری ناپایدار هستند.

کنترل هوا: معمولا لوله های تحت فشار از ناهمواری های زمین تبعیت می کنند. در نتیجه، پستی و بلندی های بسیاری در خط لوله به وجود می آید. هوای محبوس در لوله تمایل به تجمع در نقاط مرتفع را داشته و اگر حذف نشود، افت فشار ناشی از اصطکاک در آن نقطه از خط لوله افزایش خواهد یافت. ورود حباب های هوا به آب، می تواند جریان عبوری را کاهش داده و یا در نقطه ی خروج حالت انفجار ایجاد کند. بهترین راه برای کنترل هوا نصب شیرهای اتوماتیک هوا در نقاط مرتفع برای خروج هوا از خط لوله است. این شیرها شیرهای رهاسازی هوا نامیده می شوند.

موج فشاری ناپایدار: هنگام تغییر سرعت در یک کانال محصور، انرژی جنبشی آب به موج فشاری تبدیل می شود که به سرعت در داخل لوله حرکت می کند. این موج ها اغلب ضربه ی آب، امواج فشاری، یا فشارهای ناپایدار نامیده می شوند. این موج ها می توانند فشارهای بسیار بالایی را که بین فشارهای مثبت (فشار بالا) و فشارهای منفی (فشار پایین) در نوسان هستند، ایجاد کنند. این موج ها معمولا با تغییر ناگهانی سرعت و جهت جریان آب از طریق بستن یا باز کردن سریع شیرها یا متوقف کردن ناگهانی پمپ ها ایجاد می شوند. اگر این امواج کنترل نشوند، خسارات زیادی مانند خراب شدن، شکستگی یا جا به جایی سیستم لوله کشی به همراه خواهند داشت.

این موج های ناپایدار را می توان با کاهش میزان تغییر سرعت به اندازه ای که از مقدار موج ها کاسته شود، کنترل کرد. این کار با نصب لوله های ایستاده ای به نام مخازن موج گیر در امتداد خط لوله به منظور فراهم آوردن منبع آب تحت فشار برای کند کردن میزان تغییر سرعت، صورت می گیرد. شیرهای ویژه ی کنترل موج نیز می توانند در نقاط بحرانی به منظور کاهش فشارهای بالا یا امکان ورود هوا به خط لوله برای پیشگیری از شرایط خلاء در طی موج های فشار پایین، نصب شوند.

آنالیز ناپایداری خط لوله

مهندسین، از فن آوری آنالیز ناپایداری برای انجام ارزیابی های مهندسی شرایط ناپایداری خط لوله استفاده می کنند. این آنالیز، معمولا با استفاده از نرم افزار رایانه ای مناسب انجام می شود. نرم افزار می تواند شرایط ناپایداری خط لوله را برای حالت های کاری مختلف شبیه سازی کند. این روش پروفیل خط لوله را به صورت گرافیکی نشان می دهد که اطلاعات مهندسی مهمی از قبیل مقادیر حداکثر و حداقل فشار و موقعیت و زمان وقوع ناپایداری را به دست می دهد. پس از آن، مهندسین این اطلاعات را برای بهینه سازی انواع و محل های نصب وسایل حفاظت در برابر موج در امتداد خط لوله، به کار می برند.