دانلود رایگان ترجمه مقاله پایش کیفیت آب در مخازن و سیستم آبرسانی و شبکه توزیع آب

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی:

چکیده
استفاده از فناوری پیشرفته امکان پایش پیوسته، خودکار و از راه دور پارامتر های فیزیکی و شیمیایی مختلف موثر بر کیفیت خاک در سیستم های آبرسانی( مخازن و سیستم های آبرسانی) همراه با پایش هم زمان جریان های آبی ناشی از نیروهای خارجی موثر بر گردش آبی مخازن از جمله باد، انتقال حرارتی ناشی از تابش جوی و خورشیدی، دبی های ورودی رودخانه، برداشت و استحصال آب و غیره در اختیار می گذارد. این کار با ترکیب و تلفیق حسگر های اتومات میدانی نصب شده در مخازن، ورودی رودخانه ها و در نقاط انتخابی در امتداد سیستم های آبرسانی و آبراه ها از مخزن به یک ایستگاه تصفیه که در زمان واقعی شبیه سازی می شود، هیدرودینامیک های مخزن، هیدرولیک های سیستم های آبرسانی و کیفیت آب مخازن کل و سیستم سیستم های آبرسانی با استفاده از سری های زمانی پارامتر های پایش شده از طریق طرح ترکیب و ادغام داده ها امکان پذیر است. این مقاله به توصیف توانمندی های احتمالی فناوری های موجود برای پایش تلفیقی کیفیت آب در مخازن، سیستم های آبرسانی باز و شبکه های توزیعی سیستم های آبرسانی بزرگ می پردازد.
کلمات کلیدی: سیستم پایش کیفیت آب، مخازن، سیستم های آبرسانی، سیستم آبرسانی
۱-مقدمه
اتحادیه اروپا بر لزوم توسعه برنامه های پایش آب سطحی در هر یک از حوزه های آبخیز( بند ۸ مصوب اتحادیه اروپا ۲۰۰۰/۶۰، ۲۳ اکتبر ۲۰۰۰) و استفاده از روش های پیش گیری از آلودگی برای حفاظت از منابع سطحی به خصوص در مناطقی که آلاینده های مختلف سلامتی انسان را به خطر انداخته است تاکید دارد. روش های پیش گیری از آلودگی ناشی از این آلاینده ها باید با هدف کاهش تدریجی و ریشه کن سازی نهایی خطرناک ترین آن ها به کار گرفته شوند.
از سال ها پیش پی برده شده است که پایش منظم پارامتر های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی کیفیت آب در دریاچه ها، رودخانه ها و مخازن مورد استفاده برای عرضه آب برای حفاظت از سلامتی عمومی و اطمینان از پایداری بلند مدت این منابع ضروری است. داده های جمع آوری شده از چنین پایش هایی ۱- امکان شناسایی زود هنگام تغییرات و روند های کیفیت آب را داده، ۲- اساس واسنجی و کالیبراسیون مدل های پیش بینی کیفیت آب و مدل های اکولوژیکی بوده ۳- امکان ارزیابی راهبرد های احیایی جایگزین را داده و ۴- در بهبود درک اساسی از رفتار این ذخایر آبی اهمیت دارد.به علاوه، یک فشار افزایشی در جهت افرایش قابلیت سیستم های هشدار در هنگام آلودگی تصادفی و هدفمند در هر یک از اجزای اصلی سیستم آبرسانی یعنی مخزن، سیستم های آبرسانی و شبکه توزیعی وجود دارد. مثالی از تلاش برای توسعه چنین سیستمی توسط کلارک و همکاران (۱) ارایه شده است. سیستم های شناسایی چنین احتمال پایینی با اثرات زیاد می توانند هشدار اولیه مناسب برای پیش گیری از حساسیت و در معرض قرار گیری افراد در برابر آلاینده ها در اختیار گذاشته و قادر به شناسایی محل منبع آلودگی می باشند. آن ها باید صحیح، قابل اطمینان و قابل استطاعت، با نمونه برداری منطقی بالا می باشد که همه تهدیدات آلودگی بالقوه را پوشش داده و دارای عملیات از راه دور می باشد(۲).پایش پیوسته کیفیت آب در سیستم های آبرسانی، به دلایل دیگر نیز برای تنظیم کاربری ارضی حول مخازن و برای انتخاب عملیات تصفیه مناسب آب خام بسته به کیفیت آب انتقال یافته از مخزن از طریق لوله های آبرسانی به کارخانه های تصفیه ضروری است.
فناوری های پایشی جدید که از دستگاه های روبات و حسگر ها و سنجنده های پیشرفته بهره می برند افق های روشن و جدیدی را در حفاظت از کیفیت آب باز کرده اند. هم چنین، دو دهه اخیر افزایش قابل توجهی را در استفاده از مدل های شبیه سازی رقومی در طیف وسیعی از مخازن آبی بزرگ تجربه کرده است. این مدل ها اغلب بر پیش بینی حفاظت، انتقال، تبدیلات شیمیایی و بیولوژیکی آلاینده های مختلف علاوه بر اثرات خود بر محیط آبی تاکید دارند. مدل های هیدرودینامیکی و اکولوژیکی و کیفیت آب به طور مستقل برای پیش بینی اثرات حضور و استفاده از مواد مغذی و دیگر آلاینده ها به یک سیستم آبی استفاده می شوند. نقطه ضعف اصلی بیشتر مدل های شبیه سازی، نبود ارزیابی های کافی از داده های میدانی به خصوص طی دوره های زمانی کوتاه مدت است که موجب شده است تا بسیاری از شبیه سازی های رقومی صرفا به شکل عملیات آکادمیک در بیایند.
معایب روش های پایش سنتی مورد استفاده در دریاچه و رودخانه ها شامل موارد ذیل هستند الف: تعداد کم نمونه های جمع آوری شده، پوشش محدودی از توزیع مکانی( افقی و عمودی) را از پارامتر های اندازه گیری شده در اختیار می گذارد، ب: فرکانس پایین و گاهی اوقات ماهیت غیره دوره ای اندازه گیری ها ج- در بسیاری از موارد، نبود پایش هم زمان پارامتر های تاثیر گذار خارجی ( باد، تابش خورشیدی، جریان های ورودی و خروجی) و غیره و میدان جریانی که آن ها ایجاد می کنند که بر کیفیت آب تاثیر می گذارد و د- هزینه بالا.
ماهیت پویای مخازن آبی بزرگ یکی از دلایل اصلی تغییرات در فرایند های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی ( و پارامتر ها می باشد) که معرف کیفیت آب درون آن هاست. با استفاده از روش ها و مفاهیم پایشی جدید اخیرا ایجاد شده نظیر مفاهیم و روش هایی که در مطالعات هواشناسی و اقیانوس شناشی استفاده شده و بسیاری از مفاهیم پایش زمان واقعی را تلفیق کرده و آن را با مدل سازی ترکیب می کنند، می توان بر این محدودیت ها غلبه کرد. سیستم های تلفیقی پایش کیفیت آب امروزه از نظر تجاری قابل دسترس بوده و امروزه در اقیانوس، دریاچه ها و رودخانه ها مورد استفاده قرار گرفته است( ۳-۴-۵-۷-۸-۹). سیستم پایش مشابه توسط نخستین محقق برای استفاده کاربردی در شبکه های توزیع آب برای براورده سازی نیاز های شهر های کوچک و بزرگ پیشنهاد شده است(۱۰). پیشنهاد مشابه برای توسعه و استفاده از یک سیستم پایش کیفیت آب آنلاین و میدانی از راه دور برای شبکه آب آشامیدنی شهر دریاچه نمک ارایه شده توسط باهپور و همکاران(۱۱ و ۱۲) دیده می شود. هم چنین، سازمان حفاظت از محیط زیست ایالات متحده مدلی را ارایه کرده است که انتشار آلاینده ها را در شبکه پیش بینی کرده و در تحقیقات بر روی سیستم های حسگر و پایش برای اندازه گیری آلاینده ها در سیستم های توزیع (۱۳) مشارکت کرده اند.
این مقاله به توصیف سیستم پایشی پیشنهادی برای سیستم آبرسانی بزرگ نظیر سیستمی که بتواند به کلان شهر آتن در یونان آبرسانی کند پرداخته شده است.چنین سیستمی می تواند متشکل از یک یا چند مخزن بوده و دارای شبکه های انتقال آب طولانی می باشد. برای مثال سیستم آبرسانی آتن شامل چهار مخزن، اوینو با حجم مخزن ۱۱۳ میلیون متر مکعب، مونوس با ۶۷۰ میلییون متر مکعب، یلکی با ۵۸۰ میلییون متر مکعب، و ماراتون با ۳۴ میلییون متر مکعب می باشد. این مخازن و سد ها با حدود ۱۷۷ کیلومتر کانال و ۱۱۰ کیلومتر تونل به هم ارتباط دارند. سیستم انتقال آب مورنوس که مخزن مورنوس را به کارخانه تصفیه آب آهارنون اتصال می دهد، بزرگ ترین سیستم انتقال آب با طول تونل ۶۷٫۵ کیلومتر ، با طول کانال ۱۱۳٫۵ کیلومتر و ۷٫۵ کیلومتر سیفون معکوس می باشد.کل سیستم دارای چهار کارخانه تصفیه آب با ظرفیت تصفیه کل حدود ۱٫۸ ملیون متر مکعب به چهار میلیون نفر آب رسانی می کند.. این شبکه تقریبا دارای طول ۷۵۰۰ کیلومتر بوده و دارای طول ۱۸۰۰ کیلومتر بوده و قطر آن ۴۰۰ تا ۱۸۰۰ میلی متر بوده و لوله های توزیع آب به طول ۵۷۰۰ کیلومتر با قطر بیش از ۳۰۰ میلی متر می باشد.
۲- مروری بر سیستم
یک سیستم پایش جامع برای سیستم کل آبرسانی باید همه اجزای ذیل را پوشش دهد:
• منبع عرضه( سد ها و رود خانه ها)
• سیستم های انتقال آب( مجاری باز و تونل ها)
• سیستم های توزیع داخلی
سیستم تلفیقی ایده ال برای مدیریت کیفیت آب در سیستم های آبرسانی از سه مولفه اساسی ایجاد شده است:
• یک سیستم پایش پیوسته اتومات، دور سنجی از کیفیت آب و دیگر پارامتر های موثر بر کیفیت آب نظیر داده های هیدرولوژیکی و هواشناسی
• مدل های رایانه ای برای شبیه سازی کیفیت ثبت شده آب و سایر پارامتر هایی که به طور غیر مستقیم اندازه گیری می شوند.
• یک سیستم پشتیبان تصمیم گیری از جمله دیتابیس و نرم افزار های دیکری برای ذخیره، پردازش و تجزیه تحلیل داده های جمع آوری شده
چندین پارامتر شیمیایی و بیولوژیکی پایه در همه سه بخش سیستم اندازه گیری می شوند شامل اسیدیته، گل آلودگی، اکسیژن محلول، نیترات ها و نیتریت ها، فسفات ها، فسفر کل، ارتوفسفات ها، فلزات سنگین، باکتری ها و کولیفرم ها هستند. پارامتر های کیفی دیگر آب که خاص برخی اجزای سیستم می باشند در بخش های ذیل مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
مدل های خاص ایجاد شده برای هر یک از بخش ها و اجزای سیسام باید در زمان مناسب اجرا شوند واسنجی آن ها را می توان به طور پیوسته با کمک روش های ترکیب آپدیت کرد.مسائل پایه مربوط به ترکیب داده ها به مدل های ریاضی که فرایند های فیزیکی و بیوشمیایی را شبیه سازی می کنند امروزه به خوبی شناخته شده اند. روش های رایج موسوم به روش های درون یابی بهینه و یا طرح هایی که از خطای آماری بسته به زمان استفاده می کنند و پیوستگی دینامیکی را نشان می دهند می توانند برای بیشینه سازی دقت پیش بینی های شبیه سازی کیفیت آب استفاده شوند. ترکیب نرم افزار شبیه سازی و مدول ترکیب می تواند برای بهینه سازی اطمینان پذیری شبیه سازی های مدل استفاده شوند.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract :

The use of state-of-the-art technol ogy allows the continuous, automated a nd telemetric monitoring of different physical and chemical parameters that characterize water quality in water supply system s (reservoirs and aqueducts), with simultaneous monitoring of water flows driven by the ex ternal forces affecting rese rvoir circulation, including wind, heat transfer due to solar and at mospheric radiation, incoming river discharges, water withdrawal, etc. This can be achieved by combining in situ automated sensors installe d in the reservoir, the incoming river(s), and at selected locations along the aqueduct from the reservoir to the respective treatment facility, with softwa re that simulates in real time, the reservoir hydrodynamics, aque duct hydraulics and water quality of the entire reservoir and aqueduct system, utilizing time series of the monitored parameters through a data assimilation scheme . This paper describes the possibilities offered by currently available technology fo r integrated water quality monitoring in reservoirs, open aqueducts and the distribution networ k of large water supply systems. Key words : Water quality monitoring system, rese rvoirs, aqueducts, water supply system. 1. INTRODUCTION The European Union (EU) has recognized the need for both the development of surface water monitoring programs in every watershed (article 8 of the EU Directive 2000/60, issued on October 23, 2000) and the adoption of special pollution pr evention measures to protect surface water resources, especially in places where various pollu tants pose a risk to human health (article 16 of the same directive). Measures to prevent contamination from these pollutants should aim at their gradual reduction, and the eventual elim ination of the most hazardous of them. It has long been recognized th at regular monitoring of the phys ical, chemical and biological parameters characterizing water quality in rivers, lakes and reservoirs used for water supply is essential for protecting public health and assuring the long term reli ability of these resources. The data collected from such monitoring: a) allow th e early detection of cha nges and trends in water quality, b) provide the basis for th e calibration of predictive water qua lity and ecological models, c) allow evaluation of alternative remediation strategi es, and d) contribute to the advancement of the fundamental understanding of the behavior of th ese water bodies. In add ition there is increasing pressure to develop the capability to provide early warning in the event of accidental or purposeful water contamination in any of the major components of a water supply system, i.e. the reservoir, the aqueducts, and the distribution network. An example of an effort to develop such a system is described by Clark et al. [1]. Systems for the detection of such low probability but high impact incidents must provide sufficiently early warning to allow the prev ention of public exposure to the contaminants, and be able to identify the loca tion of the contamination source. They must be accurate, reliable and affo rdable, sample at a reasonably high ra te, cover all potential contamination threats and have remote operation [2]. Con tinuous water quality mon itoring, in water supply systems, is necessary for other reasons too, such as, for example, for regulating land use around 28 Y. Papadimitrakis & A. Findikakis reservoirs, and for selecting proper treatment pract ices of raw water, depending on the quality of water conveyed from the reservoir trough the aq ueduct to the respectiv e treatment plant. New monitoring technologies employing robotics, and advanced probes and sensors open new horizons in water quality protection. Also, the last two decades have seen a dramatic increase in the use of numerical simulation models in a variety of large water bodies. These models often focus on the prediction of production, transport, chemical and biological transformations of various pollutants, as well as and thei r impact on the aquatic environment. Hydrodynamic, water quality and ecological models are used interdependently to predict the impact of the presence and/or further introduction of nutrients, or othe r pollutants on an aquatic ecosystem. The major weakness of most simulation models is the lack of sufficient validation with field data, especially during critical short duration events, making thus many numerical simulations mere academic exercises. Disadvantages of the conventional monitoring methods often used in lakes and rivers are: a) the small number of samples collected, giving rather limited coverage of the spatial (horizontal and vertical) distribution of the measured parameters, b) the low frequency and sometimes the aperiodic nature of such measurements, c) the absence, in many cases, of simultaneous monitoring of external forcing parameters (wind, solar radi ation, inflows and outflows, etc) and flow field they generate, which, not only affects, but possibly, dete rmines water quality, and d) their high cost. The dynamic nature of large water bodies is the main cause of the variability of the physical, chemical, and biological processes (and parameters), which define water quality in them. Water samples from a small number of specific locations at a particular time may not necessarily be representative of water quality in the entire reser voir before, or after that time. These limitations can be overcome by going beyond the conventional approach and adopting some of the more recently developed monitoring concepts, such as those us ed successfully in meteorological and oceano- graphic studies that integrate ma ny aspects of real-time monitoring and combine it with modeling. Integrated water quality monitori ng systems are today commercially available and have been used in the ocean, lakes and rivers [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. A similar monitoring system has also been propo- sed by the first author for operational use in water distribution networks cove ring the needs of small and/or large cities [10]. A similar propos al for developing and deploying a remote in-situ and on- line water quality monitoring system for the drinki ng water network of Salt Lake City has been put forward by Bahabur et al. [11, 12]. Also, the U.S. Environmental Protection Agency has developed a model that predicts the propagatio n of contaminants in networks, and is engaged in research on sensors and monitoring systems for measuring c ontaminants in distribution systems [13]. This paper describes the monitoring system envi sioned for a large water supply system, such as, for example, the system that serves the metropolit an area of Athens (in Greece). Such a system may consist of one or more reservoirs and long co nveyance works. For example, the Athens water supply system includes four rese rvoirs, Evinos with an opera tional reservoir volume of 113 Mm 3 , Mornos (670 Mm 3 ), Yliki (580 Mm 3 ), and Marathon (34 Mm 3 ). These reservoirs are connected by about 177 km of canals and about 110 km of t unnels. The Mornos aqueduct, which connects the Mornos reservoir with the Aharnon water treatment plant, is the longest aqueduct of the system having 67.5 km of tunnels, 113.5 km of canals and 7.5 km of inverted si phons. The whole system has four water treatment plants with a total treatment capacity over 1.7 Mm 3 /day. The distribution network (covering the Athens metropolitan area) has about 1.8 million metered connected customers serving about four million people. Th e network is approximately 7,500 km long, having about 1,800 km of primary water supply mains 400 mm to 1.800 mm in di ameter, and 5,700 km of water distribution pipes w ith diameter up to 300 mm.