Türkye İnşaat Mühendslğ, XVII. Teknk Kongre, İstanbul, 2004 İÇME SUYU ŞEBEKELERİNİN GÜVENİLİRLİĞİ Nur MERZİ 1, Metn NOHUTCU, Evren YILDIZ 1 Orta Doğu Teknk Ünverstes, İnşaat Mühendslğ Bölümü, 06531 Ankara Tel.: (312) 210 5443-210 5446 e-posta: merz@metu.edu.tr GİRİŞ Br çme suyu şebekes, ekonomk ömrü boyunca, gerekl kaltede ve mktarda suyu gerekl basınçta kullanıcılara leteblmeldr. Sstemn, boru patlamaları, pompa ve vanaların bozulması, elektrk keslmes, yangın durumu, su kullanımının beklenmedk şeklde artması gb durumlarda dah kullanıcılara kesntsz su letmes beklenmektedr. Bu tür şartların sağlanmasının ekonomk olmayacağı açıktır; dolayısıyla, su şebekesnn bell br güvenlrlk ölçütü çerçevesnde hzmet vermes uygun olacaktır. Bu güvenlrlk ölçütünün tahkk, en genelde, sstemn hdrolk ve mekank güvenlrlklernn hesaplanması ve/veya ayarlanması le mümkün olablmektedr; hdrolk güvenlrlk, düğüm noktalarından kullanıcılar tarafından su çekleblme şartlarını hdrolk açıdan konu ednrken, mekank güvenlrlk sstem elemanlarının sağlıklı olarak servste bulunablme şartlarını nceler. Bu çalışmanın temel amacı, çme suyu şebekelernn gerek tüm şebeke bazında gerek tekl düğüm noktaları bazında güvenlrlklern saptamaktır; bu blgler, güvenlrlğn artırılması gerektğnde, ne tür değşklkler gerektğ konusunda yardımcı olablecektr. Bu çalışmada, gerçek br şebekede uygulamalı olarak açıklanan metodoloj, hem var olan şebekelere hem de yen tasarlanmakta olan şebekelere uygulanablr. İçme suyu şebekelernn güvenlrlk hesapları söz konusu olduğunda, lteratürde, üzernde anlaşılmış belrl br tarf yoktur. Bu çalışmada, temelde, Gupta ve Bhave (1994) n, düğüm noktalarından verleblen debnn gerekl debye oranını esas alan güvenlrlk tarf esas alınmıştır. Güvenlrlk söz konusu olduğunda, talep edlen değl de ancak verleblen debnn hesaplanması, lteratürde başlıbaşına br alandır; bu çalışmada, Germanopoulos (1985) n, lgl düğüm noktasının basıncının, verleblen deby belrledğ varsayımına dayanılmıştır.
ÇALIŞMA YÖNTEMİ Genel İçme suyu şebekelernn güvenlrlk hesaplarında k öneml husus vardır. Bunlardan brncs, hdrolk ve mekank sınırlamalardan dolayı, gerektğ gb değl de, kısmen beslenmekte olan şebekelern, düğüm noktası bazında, hang mktarlarda su çeklmesne zn verdklerdr. Bu çalışmada, bazı değşklkler çerçevesnde, Germanopoulos (1985) kullanılmıştır. Basınçlara bağlı olarak fade edlen, düğüm noktalarındak harcamalar, su şebekeler eştlklernde yerlerne konmuş ve eştlkler Lneer Teor ye göre çözülmüştür. Bu uygulamanın özgünlüğü, su şebekeler eştlklernn sabt ve/veya değşken harcamaları dkkate alarak gerçekleştrlyor olmasıdır; lgl blgsayar programı MATLAB çalışma ortamında yazılmıştır. Güvenlrlk hesapları (Gupta ve Bhave, 1994) esas alınarak gerçekleştrlmştr. Şebekedek zolasyon vanalarının topolojs (Walsk, 1993) dkkate alınarak boru patlamalarının etks daha gerçekç olarak olarak ncelenmştr; çalışma Coğraf Blg Sstemler (CBS) platformları üzernde yürütülmüştür; var olan, Ankara, N8.1 basınç bölgesnde çalışılmıştır. Kısm olarak beslenen şebekeler Basınç yeterszlğnden dolayı kısm olarak beslenen şebekelerdek düğüm noktalarından çekleblen debler Germanopoulos (1985) n yaklaşımına gore hesaplanmıştır: c = q (1 a. e. P / P* ) (1) c : düğüm noktasından çekleblen deb, q : düğüm noktasından çeklmes gereken deb, a, b : düğüm noktası le kullanıcılar arasındak enerj kayıplarını temsl eden sabtler, P * : q debsnn bell br oranı çeklrken düğüm noktasındak gerekl basınç. * Bu çalışmada, P basıncı se İller Bankası Şartnames ndek, gerekl basınç, P, olarak kabul edlmştr. Bu durumda, (1) numaralı eştlk aşağıdak hale dönüşür,
c = q (1 a. e. P / P ) (2) Bu eştlk logartmk olduğu çn, c asla q e eşt olamaz. Bu durumda, q debsnn söz konusu oranı olarak 99.5% alındığında (c /q = 0.995), (2) numaralı eştlk aşağıdak hale gelr, a. e = 0.005 (3) Öte yandan P değerler, P mn n altına düşerse, lgl düğüm noktasındak çekleblr debnn sıfır olacağı açıktır; bu çalışmada P mn değer 0 m olarak kabul edlmştr. (2) numaralı eştlktek, c ve p değerler sıfır alındığında, söz konusu eştlk aşağıdak hale dönüşür, a. e.0 = 1 (4) (3) ve (4) numaralı eştlklerden a=1 ve b=5.3 bulunur. Nhayet Germanopoulos model aşağıdak şekl alır, c = q (1 e 5.3 P P / ), 0 < P < P c = q, P > P (6) (5) (5) ve (6) numaralı eştlklere Düzeltlmş Germanopoulos Model (DGM) adı verlmştr; Germanopoulos (1985) çalışmasında (GM) se a ve b değerler 5 ve 10 olarak kabul edlmştr. Şekl 1 de bu k modeln grafksel sunuşları yapılmıştır. 1.400 1.200 1.000 0.800 0.600 Germanopoulos Düz. Germanopoulos 0.400 0.200 0.000 0 10 20 30 40 50 60 70 Şekl 1. Germanopoulos ve Düzeltlmş Germanopoulos modeller
BULGULAR Brçok güvenlrlk çalışması hayal şebekeler üzernde yapılırken bu çalışma gerçek br şebeke (Ankara, N8.1) üzernde ve zolasyon vanalarının konumları dkkate alınarak gerçekleştrlmştr. Söz konusu bölge 25000 nüfuslu, altgelr grubundan kullanıcıların homojen olarak dağıldığı bölgedr; şebeke üç parallel bağlanmış pompaya sahp br pompa stasyonu tarafından beslenmekte olup ayrıca br su deposu vardır. İlgl su daresnn (ASKİ), SCADA ( Supervsory Control and Data Acquston System ) sstem sayesnde basınç bölgesnn günlük su harcama eğrler elde edlmştr (Şekl 2). Temel br skeletleştrme uygulaması sonucunda şebeke, 125 boru ve 95 düğüm noktası le fade edlmştr. 250 200 Harcama (m3/saat) 150 3 100 50 0 5.31.01 22:48 6.1.01 3:36 6.1.01 8:24 6.1.01 13:12 6.1.01 18:00 6.1.01 22:48 Zaman (saat) Şekl 2. Günlük Harcama Eğrs (1.06.2001) Seçlen gün (Şekl 2) esas alınarak lgl harcama eğrs dört eşt parçaya bölünmüştür; ortalama harcama değerler Tablo 1 de verlmştr. Tablo 1. İlgl zaman aralıklarındak ortalama harcamalar. Zaman Aralığı Ortalama Harcama (m 3 /saat) 0 6 65.47 6 12 135.85 12 18 166.58 18 24 136.54
Tablo 2 değşk modlardak durum sayılarını ve toplam süreler göstermektedr; güvenlrlk hesapları buradak blgler çerçevesnde yapılmıştır. Normal moddak ve yangın modundak durumlar hdrolk güvenlrlğe lşkn olup dğer modu patlayan boru durumlarını kapsadığı çn mekank güvenlrlğe yönelktr; hesaplanan güvenlrlk değerler k tür güvenlrlk değerlern ağırlıklı ortalama olarak yansıtmaktadır. Temelde, k genel topolojk şık ncelenmştr; brncsnde, sstemn deal olarak vanalandığı (her borunun k ucunda vana vardır, sstem boru patlaması durumunda hemen zole edleblmektedr) kabul edlmştr. Bu durumda, her türlü güvenlrlk değerler 1 değerne çok yakındır. İknc durumda, gerçek vanalama sstem le çalışılmıştır; bu durumda, hacm güvenlrlk değer 0.99623, şebeke güvenlrlk değer 0.93373 olarak hesaplanmıştır; şebeke güvenlrlk değer, genelde, daha değerl blg sunmaktadır, çünkü bu değer tüm düğüm noktalarının güvenlrlk değerlern belrl krterler çerçevesnde yenden değerlendrmektedr. Öte yandan, tüm düğüm noktalarının güvenlrlklerne bakıldığında, bu değerlern, 0.95615 le 1.0 arasında değştğ görülmüştür. Boru çaplarının artması le vanalamanın gelştrlmes, güvenlrlğ artıracaktır. Tablo 2. Güvenlrlk hesaplarında kullanılan lgl durumların sayıları ve süreler İlgl Mod Tarf Durum Sayısı Toplam zaman (gün) Kümülatf Zaman (gün) Kapalı boru yok, Normal Değşk Senaryolar Yangın normal akım, yangın yok Normal akım, Yangın yok Kapalı boru yok, normal akım, Yangın debs 4 328.217 328.217 200 34.283 362.5 10 2.5 365
KAYNAKLAR Germanopoulos G., A Techncal Note on the Incluson of Pressure Dependent Demand and Leakage Terms n Water Supply Network Models, Cvl Engneerng Systems, 2, September, 1985. Gupta R., ve Bhave, P.R., Relablty Analyss of Water Dstrbuton Systems, J. of Env. Eng., ASCE, 120 (2), 447-460, 1994. Walsk, T. M., Water Dstrbuton Valve Topology for Relablty Analyss, Relablty Engneerng and System Safety, 42, 21-27, 1993.