كيفية تحليل شبكات المياه

في مجال ديناميكا الموائع، يعتبر تحليل شبكات المياه تحليلا لتدفق السوائل عبر شبكة هيدروليكية تضم العديد من الفروع المترابطة.

ويكون الهدف تحديد معدلات التدفق وقطرات الضغط في الأقسام الفردية للشبكة، حيث أن هذه مشكلة شائعة في التصميم الهيدروليكي، تابعوا موقع مقال للتعرف على كيفية تحليل شبكات المياه.

نظام توزيع المياه

نظام توزيع المياه هو هيكل هيدروليكي أساسي يتألف من مكونات مثل الأنابيب وخزانات التخزين والمضخات والصمامات وما إلى ذلك.

من الأهمية القصوى توفير مياه الشرب للمستخدمين النهائيين، وبالتالي فإن تأمين إمدادات المياه بشكل فعال يعتبر أمرا حاسما في تصميم شبكة جديدة لتوزيع المياه أو توسيع الشبكة الحالية.

كان حساب التدفقات والضغوط في شبكة معقدة تحديا كبيرا واهتماما للمشاركين في تصميم وبناء وصيانة أنظمة توزيع المياه العامة.

بالإضافة إلى ذلك، تحليل وتصميم شبكات المياه (الأنابيب) يشكل مشكلة معقدة نسبيا، خاصة إذا تكون الشبكة مكونة من مجموعة من الأنابيب.

كما يحدث بشكل متكرر في أنظمة توزيع المياه في المناطق الحضرية الكبيرة، عندما لا يكون هناك تسارع كاف للسوائل.

يمكن أيضا تحديد سلوك الشبكة من خلال سلسلة من الظروف الثابتة، والتي تشكل جزءا صغيرا ولكن حيويا لتقييم كفاءة الشبكة.

يتطلب هذا التحليل في كل مرة يكون فيها نمط الاستهلاك أو التسليم متغيرا بغض النظر عن مدى أهميته أو إضافة الميزات.

مثل توفير المياه، واستخدام مضخات معززة، وصمامات تنظيم الضغط أو صهاريج التخزين، أو إجراء تغييرات في النظام.

شاهد أيضًا: كيفية الاستعلام عن فاتورة المياه

الأنواع المختلفة لشبكات توزيع المياه

تتكون جميع شبكات توزيع المياه في المدن بشكل أساسي من ثلاثة أنواع من الأنابيب.

وهذه الأنابيب يتم تصنيفها تبعًا لما تقوم به، وهي كالتالي:

خطوط نقل الكهرباء

•  هذه الأنابيب هي المخصصة لنقل المياه من مصدرها الرئيسي وخزانات التجميع، وتوصيلها وتوجيهها إلى نظام التوزيع.؟

أنابيب التوزيع الرئيسية – خطوط التوزيع الرئيسية

•  أما هذا النوع، فهو مخصص لنقل المياه وتوصيلها إلى جميع المناطق الموجودة في المدينة.
• أنابيب الخدمة – Service Pipes: وهي عبارة عن أنابيب منبعثة ومتشعبة من أنابيب التوزيع، وهي التي تعمل على نقل المياه منها مواقع الاستهلاك المختلفة.

تحليل أنابيب المياه

يمكن وصف تحليل أنابيب المياه على أنه إجراء لقياس قوة تدفق السوائل عبر شبكة هيدروليكية باستخدام التحليل.

وبشكل خاص، الشبكة التي تحتوي على العديد من الفروع المترابطة والمتشابكة.

يعود سبب هذا التحليل إلى رصد نسب التدفق وتحديد درجات انخفاض الضغط داخل أجزاء الشبكة الفردية.

ومن أجل توجيه المياه إلى مجموعة من المشتركين في نظام إمداد المياه في المدن.

يجب التأكيد على توجيه المياه من خلال شبكة مائية نقية، تتألف من مجموعة من الأنابيب المتصلة.

تواجه هذا النوع من الشباكات بعض التحديات المتعلقة بالتصميم الهيدروليكي، والتي تعرف باسم `تحليل شبكات الأنابيب`.

لحل هذه المشكلة، عادة ما يتم استخدام برنامج حاسوبي، يقوم بحل المشكلة تلقائيا بعد حدوثها.

يمكن حل هذه المشكلة أيضا باستخدام جدول ممتد مزود ببرنامج لحل المشكلات، بالإضافة إلى استخدام آلة حديثة تحسب الرسوم البيانية.

كيفية تحليل شبكات المياه

لقد تم استخدام العديد من الأساليب في الماضي لحساب تدفقات المياه في الشبكة، وتشمل هذه الأساليب الأساليب الرسومية.

تستخدم المقارنات الفيزيائية وفي النهاية تستخدم النماذج الرياضية، كما تم تطوير وتنفيذ هذه الأساليب لتحليل الشبكات، على جهاز الكمبيوتر، على مدى الخمسين السنة الماضية.

وهناك العديد من الطرق المتاحة للتحليل، وتشمل:

طريقة هاردي كروس

هذه هي الطريقة الأكثر استخداما للتحليل، حيث تصحح القيمة المفترضة الأولية.

باستخدام التوسع من الدرجة الأولى لمعادلة الطاقة، بتحديد معدل التدفق في كل دورة.

وفي بعض الحالات، تبين أن طريقة هاردي كروس تقترب ببطء شديد أو لا تقترب على الإطلاق.

وهذا يؤدي إلى اقتراح إجراءات خاصة لتحسين الاقتراب واستخدام نموذج محدود لتصميم شبكات توزيع المياه بأقل تكلفة.

تم محاولة اتباع هذه المنهجية لمراعاة عدم اليقين في الطلبات المطلوبة وضغوطات العمل المطلوبة وتعاملات الأنابيب الخشنة.

تم صياغة مشكلة تحسين نموذج البرمجة غير الخطية للحل، باستخدام طريقة التدرج المخفض المعمم.

يبدو أن عدم التأكيد في الطلبات المستقبلية ومتطلبات رأس الضغط وخشونة الأنبوب يمكن أن يؤثر بشكل كبير على التصميم والتكلفة المثلى.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن حساب موثوقية نظام توزيع المياه من خلال معالجة الطلب، ورأس الضغط، وخشونة الأنبوب كمتغيرات عشوائية.

يمكن أيضا أن نفترض أن الطلب على الماء ومعامل خشونة الأنبوب يتبعان التوزيع الاحتمالي، ثم يتم استخدام مولد رقم عشوائي لتوليد قيم المتغيرات العشوائية لكل عقدة وأنبوب.

يؤدي إلى محاكاة ضغط هيدروليكي ويحسب رؤوس الضغط في عقد الطلب، بشرط تلبية الطلبات.

وفي النهاية، يمكن حساب الاعتمادات الهيدروليكية للنظام والعقدة باستخدام EPANET.

قد يهمك: طرق كشف تسريب المياه

طريق تطبيق إيبانت

إيبانت هو تطبيق برمجي يستخدم عالميا لنمذجة أنظمة توزيع المياه، وتم تطويره كأداة لفهم حركة ومصير مكونات مياه الشرب داخل أنظمة التوزيع.

يمكن استخدامه في العديد من أنواع التطبيقات المختلفة، في تحليل أنظمة التوزيع.

واليوم، يستخدم المهندسون والاستشاريون إيبانت لتصميم وتحديد حجم البنية التحتية الجديدة للمياه، وتعديل البنية التحتية الحالية؟

من خلال تحسين عمليات الخزانات والمضخات، وتقليل استخدام الطاقة، والتحقيق في مشاكل جودة المياه، والاستعداد لحالات الطوارئ.

يمكن أيضا استخدامه لنمذجة تهديدات التلوث وتقييم المقاومة أمام التهديدات الأمنية أو الكوارث الطبيعية.

الطريقة الخطية

وتسمى هذه الطريقة أيضا بطريقة وورد-جارلس، وتلعب هذه الطريقة دورا هاما في إيجاد حل مثالي.

في نظام معادلات شبكات الأنابيب، يتم الاعتماد بشكل رئيسي على المعادلات غير الخطية الموثوقة أو المعتمدة على فقدان الاحتكاك، ويتم تحويلها في النهاية إلى معادلات خطية صرفة.

طريقة نيوتن رافسون

تركز هذه النظرية على المعادلات غير الخطية، بالإضافة إلى أنها تعتبر الطريقة الأنسب لحل هذه المعادلات.

التشابه الطوبولوجي

تستخدم منهجية قائمة على التشابه الطوبولوجي للعثور على نقطة انطلاق لحل مشاكل الخزانات وشبكات الأنابيب.

ابتداء من الآن، يتم الاعتماد على نقطة بداية تكرار تخمينية تعتمد على الخبرة، ويأتي مفهوم التشابه الطوبولوجي من مبدأ شبه العمل (PQW).

في هذا المبدأ (PQW)، يتم استخدام حل مشكلة واحدة في الفئة لحل المشاكل المعقدة الأخرى في نفس الفئة.

يمهد هذا الطريق لتحقيق فهم فريد للنظام المرجعي، الذي يتم استخدامه كنقطة انطلاق لبدء عملية التكرار، في مشاكل الخزان وشبكة الأنابيب.

منظومات المعادلات لشبكات المياه

توفر هذه الأنظمة معادلتين تتعلقان بالأنابيب البسيطة، وتقوم هاتان المعادلتان بحساب كل من: حاصل التصريف وفقد الاحتكاك في الأنابيب، وهما كما يلي:

• معادلة الاتصال: والتي بدورها تفرض وجود تصريف داخلي نحو أي نقطة، لكنها تكون متقاطعة بالتساوي مع التصريف الخارجي منها.
• معادلة الطاقة: والتي تتطلب إيجاد مجموع الطاقة المفقودة نتيجة الاحتكاك التي تكون تركز حول نقطة ما وتساوي الصفر.

اخترنا لك: طرق معالجة المياه المستعملة في الصناعة

بعد أن قمنا بفهم كيفية تحليل شبكات المياه، نأمل أن تكون المعلومات التي قدمناها قد ساعدتكم، ونأمل أن يكون المقال قد نال إعجابكم، وللمزيد من المواضيع الأخرى، يرجى زيارة موقع مقال!