Ус хангамжийн системийг уртасгасан цагаар судалсан үр дүн /Long time analysis of water supply system/

Ус хангамжийн системийг уртасгасан цагаар судалсан үр дүн

Northwest master planning study - Indiana American Water - 2010
Ус хангамжийн систем дахь усны насны шинжилгээ

Бадарчийн Аюурзана¹

Эрдэнэбаярын Тунгалагтамир²

¹ БИАС, Гидравлик, Усны барилга байгууламжийн баг

E-mail: ayur_426@yahoo.com

² Престиж инженеринг ХХК

E-mail: tamirerdene401@yahoo.com

Хураангуй— Ойрын жилүүдэд манай улсад уул уурхай, барилга хот байгуулалтын салбар эрчимтэй хөгжиж улмаар хүн ам, уул уурхай, усалгаатай газар тариаланг усаар хангах ус хангамжийн систем олноор баригдаж, хотуудын хуучирсан системийг шинэчлэх ажлууд цөөнгүй хийгдэж байна.

Өнөө үед зураг төслийн байгууллагад ус дамжуулах шугам болон түгээх системийн тооцоог гараар, цөөн хэсэг нь программаар тооцдог боловч тэр бүр бодит байдалтай нийцэхүйц үр дүнг гарган түүн дээр техникийн шийдлийг хийж чадахгүй байгаа нь нууц биш билээ. Тэр дундаа ус хангамжийн системийн гидравликийн тооцоог уртасгасан цагаар хийж хоолой доторхи усны чанарын өөрчлөлтийг загварчилж туршсан ажлууд тун ховор байгаа ба энэ чиглэлийн ажлуудыг эрчимжүүлэх нь ундны усны эрүүл ахуйн болоод хөрөнгө оруулалт, ашиглалтын асуудалд чухал нөлөөтэй юм.

Түлхүүр үг— EpaNet, Загварчлал, Усны нас, Усан сан, Автомат удирдлагын систем

Танилцуулга

EpaNet програмыг АНУ-ын Хүрээлэн байгаа орчныг хамгаалах агентлаг (EPA) болон Усны нөөц, ус хангамжийн хэлтэсээс  хамтран гаргасан бөгөөд дэлхийн олон улсад нээлттэй ашиглагдаж байгаа төсөл, судалгааны чухал хэрэгсэл юм.

Энэ програм нь ус дамжуулах болон түгээх сүлжээнд байх уулзвар зангилаа, насос станц, усан сан (даралтат цамхаг), хаалт болон арматурууд, усны эх үүсвэрийг загварчлахаас гадна шугам сүлжээний усны чанарын үзүүлэлтийг судалж судалдаг.

Судалгааны ажлын обьект нь Сүхбаатар аймгийн Уулбаян сумын нутагт баригдах төмрийн хүдрийн баяжуулах үйлдвэрийн ус хангамжийн систем юм. Энэ ус хангамжийн системийн зураг төслийг EcoWater ХХК - д 2013 оны намар хийж гүйцэтгэж, 2014 оны зун барилга угсралтын ажлыг гүйцэтгэж дуусгасан юм. Ус хангамжийн системийн гидравлик тооцоог Тойромын нуурын газрын доорхи усны нөөцийн тайлан болон баяжуулах үйлдвэрийн усны хэрэглээг үндэслэн оновчлох зарчмаар техникийн шийдлийг гаргасан болно.

Судалгааны арга

A.    EpaNet дахь гидравлик загварчлал

Ус хангамжийн систем, ус дамжуулах шугамын гидравлик тооцооны зорилго нь хоолойн ашигтай диаметрийг тодорхойлж улмаар хоолойд алдагдах түрэлтийн алдагдлыг тооцдог. Түрэлтийн алдагдал дээр тулгуурлан ус шахах насос станцыг төлөвлөдөг. EpaNet програмд хоолойд алдагдах уртын түрэлтийн алдагдлыг Хазен-Виллиамс, Дарси-Вейсбах, Шези-Маннингийн томьёогоор аль нэгнээр нь тодорхойлох боломжтой. Дээрх нэр бүхий томьёог ижил хэлбэрээр илэрхийлбэл:

Үүнд: hL - түрэлтийн алдагдал (уртын хэмжээс), Q - зарцуулга (эзлэхүүн/хугацаа), A - эсэргүүцлийн коэфициент, B - зарцуулгын зэрэг

Томьёо бүрийн эсэргүүцлийн коэффициентыг туршилтаар тодорхойлсон байх ба энэ нь хоолойн материал, ханын барзгараас хамаарна. Хүснэгт 1 - ээр эсэргүүцлийн коэффициент болон зарцуулгын зэргийг, Хүснэгт 2 - оор зарим материалын барзгаршилтын коэффициентын холбогдлыг өгөв.

Хүснэгт 1. Түрэлттэй хоолойн түрэлтийн алдагдал тодорхойлох томьёоны коэффициентүүд

Гэхдээ Дарси-Вейсбахын томьёонд байх lamda коэффициентыг урсгалын горимоос хамааруулан дараах аргуудыг ашиглан EpaNet программд тооцдог. Үүнд:

·  Ламинар горимд Хаген-Поисеуиллегийн томьёо (Re<2000)

·  Бүрэн турбулент горимд Колебрүк-Уайтийн тэгшитгэлээс тодорхойлсон Свамий болон Жайн нарын арга (Re>4000)

·  Шилжилтийн болон гөлгөр эсэргүүцлийн бүсэд Мүүдигийн диаграмм (2000<Re<4000)

Хүснэгт 2. Шинэ хоолойн барзгаршилтын коэффициент

Шугам хоолойн эргэлт, хэвгийн өөрчлөлт, уулзвар зангилаа, холбох, хянах хоолойн арматур, бороожуулах хошуу зэрэгт алдагдах байрын түрэлтийн алдагдлыг дараах томьёогоор тодорхойлно.

Энд: k - байрын алдагдлын коэффициент, v - усны урсгалын хурд (урт/хугацаа), g - гравитацын хурдатгал (урт/хугацаа²)

Хүснэгт 3. Зарим хоолойн арматурын байрын алдагдлын коэффициентүүд

Epanet нь байрын түрэлтийн алдагдлыг оруулсан коэффициент болон шугам сүлжээний геометрийн өгөгдлөөр тодорхойлж уртын түрэлтийн алдагдал дээр нэмж тооцдог.

B.    EpaNet дахь усны чанарын загварчлал

Усны чанарын загварчлал нь гидравлик загварчлалын үр дүнд суурилах ба сүлжээнд байх идэвхит ба идэвхит бус нэгдэлийн бууралт, өсөлт, тэдгээрийн тээвэрлэлтийг хугацаанаас хамааруулан тооцох боломж EpaNet программд байдаг. Үүнээс гадна шугам сүлжээнд байх усны насыг тооцож болно. Усны нас нь ус хангамжийн системийн усны чанарын чухал параметр байх ба усанд байх бусад химийн нэгдэл, усны физик, биологийн шинж чанаруудын өөрчлөлтөнд онцгой нөлөөтэй байдаг. Энд тооцогдох усны нас нь усны гарал үүслийн наснаас ялгаатай ба усны эх үүсвэрээс сүлжээнд орж ирэх ус 0 настай байна гэж үзнэ. Өөрөөр хэлбэл усны нас нь усны эх үүсвэрээс хэрэглэгчдэд очих хүртэлх шугам хоолойд оршин байх хугацаа юм.

Хүснэгт 4. Усны насны үнэлгээ

Дээрх хүснэгтэнд хүн амын тооноос хамаарч ус хангамжийн системд байх усны насны зөвшөөрөгдөх хүрээг АНУ -ын ХБХА (EPA) - аас гаргасан байна.

EpaNet нь өөр өөр эх үүсвэртэй үед холигдсон усан дахь хлорын /химийн өөр нэгдэл байж болно/ хэмжээг нарийн тодорхойлох ба ус ба хоолойн ханын харилцан үйлчлэлийг тэг болон нэгдүгээр эрэмбийн кинетик загварчлалаар тодорхойлдог.

Судалгааны ажил

EpaNet программ нь загварчлал хийхдээ инженер геодезийн хайгуул, нарийвчилсан барилга байгууламж, хотын ерөнхий төлөвлөгөөний зураг, түүн дээрхи шугам сүлжээний байрлал, ус хэрэглээний хэмжээ, ус хэрэглээний хоногын хэлбэлзэл, шугам сүлжээн дээрхи барилга байгууламжийн мэдээллийг оролт болгон авдаг. Тооцоонд ашиглаж байгаа системийг координаттай (масштабт) болон координатгүй (схем) байдлаар дүрсэлж болно.

Зураг 1. Уурхайн ус хангамжийн систем EpaNet программ-д

EpaNet программд судалгааны обьектын шугам сүлжээний дэвсгэр зургийг UTM, WGS84, Zone 49N системтэйгээр, шугамын эргэлт, хэвгий өөрчлөгдөх цэгийн өндөрүүдийг хоолой булж байрлуулах өндөрөөр авч оруулсан нь загварчлалыг илүү бодит болоход дөхөм болно.

Зураг 2. Уулзвар ба усан сангийн мэдээлэл оруулах цонх

Шугам сүлжээний трасс, түүний өндөр, координатыг оруулсаны дараа ус хэрэглээний хоногын хэлбэлзлийг ус авах хэсгүүдэд ачаалж өгнө. Үйлдвэрийн ус хэрэглээ нь 34л/с, ажилчдын байрны ус хэрэглээ 4л/с тус тус байх ба хоногын ус хэрэглээний хэлбэлзлийг дараах зургуудад харуулав.

Зураг 3. Ажилчдын байрны ус хэрэглээний хоногын хэлбэлзэл

Зураг 4. Үйлдвэрийн ус хэрэглээний хоногын хэлбэлзэл

Баяжуулах үйлдвэр нь ашигласан усаа эргүүлэн ашиглах ба хоногт сэргээлтээр ашиглах усны хэмжээ нь нийт хэрэглээний 28% - тай тэнцүү байхаар үйлдвэрийн ТЭЗҮ-д тусгагдсан байна.

Гидравлик загварчлал хийх аргачлалыг Хазен-Виллиамсын тэгшитгэлээр, нэгжний системийг CИ, усны чанарын загварчлалыг тэг эрэмбийн кинетик загвараар тооцохоор бүх өгөгдөлийг оруулж загварын цагын алхамыг 1мин, загварын үргэлжлэх хугацааг 48цаг, 72 цаг гэсэн 2 хувилбараар гүйцэтгэж дараах үр дүнг гарган авав.

Үр дүн

A.    Гидравлик загварчлал

EpaNet программ нь загварчлал тооцооны үр дүнг хүснэгт, график болон анимейшн хэлбэрээр үзүүлэх ба хоолойн хувьд зарцуулга, хурд, түрэлтийн алдагдал, үрэлтийн коэффициент, усны чанарын үзүүлэлт, зангилаа уулзварын хувьд хэрэглээ, даралт, түрэлт, усны чанарын параметрүүдийг гаргана.

Гидравлик загварчлалын үр дүнд гүний худагт тавигдах насосны түрэлт ба зарцуулгыг загварын үргэлжлэх хугацаагаар тооцож гаргасан үр дүнг дараах зургуудад үзүүлэв.

Зураг 5. Насосны шаардлагат түрэлт /автомат системгүй/

Зураг 6. Насосны шаардлагат түрэлт /автомат системгүй/

Зураг 7. Усан сангийн усны түвшний хэлбэлзэл /автомат системгүй/

Ус хангамжийн системийн ашиглалтын чухал хэсэг нь автоматжуулалтын систем байдаг. Автомат системийн алгоритм нь ихэвчлэн усан сангийн түвшингөөр зохицуулагдаж байдаг учир судалгаанд усан сангийн усны түвшин 3м-ээс дээш гарахад усан сангийн өмнөх цахилгаан хаалт хаагдаж улмаар гүний худгуудын ажиллагаа зогсох, усны түвшин 1.5м - ээс доош орох тохиолдолд гүний худгууд ажиллан усан санд ус шахаж дүүргэлт хийх автомат системтэй байхаар тооцов. Энэ энгийн алгоритмыг программд оруулж өгсөнөөр загварчлал улам бодитой болох ба зураг 7-д үзүүлсэн усан сангын усны түвшний хэлбэлзэлийн өөрчлөлтийг зураг 8-д үзүүлэв. Усан сангийн усны түвшний хэлбэлзлийн давтамжыг тодорхойлохын тулд 48 цагийн анализийг өөрчлөн 72 цаг болгон загварыг ажиллуулав.

Зураг 8. Усан сангийн усны түвшний хэлбэлзэл /72 цаг/

Зураг 9. Автомат системтэй үеийн насосны түрэлт /48 цаг/

Зураг 9 – д шулуун зураас нь насосны ажиллагаа зогссоныг илтгэнэ. Энэ үед дүүрсэн усан сангаас хэрэглэгчид ус авч усан сан хоосорч бага түвшиндээ хүрмэгц насос эргэж ажиллана.

Хүснэгт 5. Насос ажиллаж эхлэх үеийн насосны зарцуулга ба түрэлт

Дээрх хүснэгтэнд гүний худгийн ундарга буюу насосны зарцуулгыг харуулсан ба энэ нь үргэлж тогтмол байна. Харин насосны түрэлт хэрэглээ болон усан сангийн усны түвшингөөс хамаарч цаг үргэлж өөрчлөгдөж байгааг зураг 9-д харуулсан болно.

B.    Усны чанарын загварчлал

Энэхүү судалгааны ажилд усны чанарын загварчлалыг зөвхөн усны насыг тодорхойлоход ашигласан. Усны эх үүсвэрийн химийн шинжилгээний дүн хараахан гараагүй байгаа учир усан дахь хлор, фторын загварчлалыг хийгээгүй болно.

Зураг 10. Ус хангамжийн системийн төгсгөл хэсэг дахь усны нас /48 цаг/

Дээрх зурганд усан санд байх усны нас болон усан сангаас үйлдвэр болон ахуйн хэрэглээнд очиж байгаа усны насны хэлбэлзлийг харуулав. Хэлбэлзлийн давтамж 48 цагын загварчлалын шинжилгээнд тодорхойгүй байгаа учир уртасган 72 цагаар шинжилж дараах графикийг гаргав.

Зураг 11. Ус хангамжийн системийн төгсгөл хэсэг дахь усны нас /72 цаг/

Ус хангамжийн систем ажиллаж эхэлсэнээс 31:32 цагын дараа усны нас 12.29 цагт тохирох ба эргэж буурч улмаар хэлбэлзлийн давтамж нь 24 орчим цаг байна.

Зураг 12. 31:32 цагын үе дахь системийн зарцуулга ба усны нас

Дүгнэлт

Уртасгасан цагаар загварчлалыг явуулах нь ус хэрэглээ, системийн автомат удирдлагын ажиллагаанаас хамаарч насос сонголтыг зөв хийх, насосны ажиллагааг оновчлох, улмаар системийн эдийн засгийн болоод ашиглалтын өртгийг бууруулахад чухал нөлөөтэй.

Одоогийн ус хангамжийн системийн тооцоонд дутагдаж байгаа усны чанарын зайлшгүй авч үзэх шаардлагатай элементүүдийг загварчлан судалж, шугам сүлжээний өөрчлөлтийг зөв төлөвлөх боломжтой байна.

Хамгийн их хэрэглээтэй үед тооцож төлөвлөсөн насос станцтай 48 цаг, 72 цагын уртасгасан хугацаагаар хийсэн загварчлалаар төлөвлөсөн насос станц хоорондын насосны хүчин чадлын зөрүү нилээд их байгаа учир ус хангамжийн системийг үндэслэлтэй судалж төлөвлөх шаардалгатайг харуулж байна.

Санал ба зөвлөмж

Epanet болон түүнтэй ижил төстэй уртасгасан цагаар ажилладаг судалгаанд зориулсан загварчлалын программыг хуучин хотуудын ус хангамжийн системийн гидравликийн болон усны чанарын үзүүлэлтийг судалж бодит судалгааны мэдээтэй харьцуулан анализ хийн улмаар сайжруулах, шугам сүлжээний шинэчлэлийн ажлыг төлөвлөхөд чухал үүрэгтэй байна.

Шинээр байгуулж байгаа хот суурингийн ус хангамж, газар тариалангийн услалтын систем, уул уурхайн ус хангамж, ус дамжуулах хоолойн техникийн шийдэлд ашиглахад нэн тохиромжтой байна.

Ус хэрэглээ хоногт өөр өөр байхаас гадна 7 хоног, тэр байтугай улирлаас хамаарч өөр өөр байдаг учир уртасгасан цагаар ус хангамжийн системийг цаашид судалж төлөвлөдөг байх шаардлагатай байна.

Унд ахуйн системийн хувьд усны наснаас хамаарч усанд гарч болох хими, физик, биологийн өөрчлөлтийг дамжуулах хоолойн төрлөөс хамааруулж судалж монголын нөхцөлд тохирсон стандарт зөвлөмж боловсруулах шаардлагатай.

Өгүүллийг PDF хэлбэрээр татаж авах бол ЭНД дарна уу.
EpaNet програмыг ашиглаж сурахаар бол анхны мэдэгдэхүүн өгөх ppt-г мөн ЭНД дарж татна уу.

Ашигласан хэвлэл

[1]     Epanet 2 user manual. 2000. EPA. USA

[2]     Цахиурт-Овоо төмрийн хүдрийн баяжуулах үйлдвэрийн ТЭЗҮ. 2013 он, Монгол улс

[3]     Цахиурт-Овоо төмрийн хүдрийн баяжуулах үйлдвэрийн ус хангамжийн системийн ТЭЗҮ. 2013 он, Монгол улс

[4]     Б.Жамбалдорж, П.Болд, Ш.Даваажамц нар. Гидравлик Аэродинамик. 2013 он. ШУТИС. Монгол улс

[5]     Effects of Water Age on Distribution System Water Quality. 2002. EPA.USA

[6]     Santiago Arnalich. Epanet and Development. 2011. Indonesia

[7]     www.epanet.org

[8]     www.epa.gov