كيف تحسين نظام توزيع المياه إلى الأرض

مقدمة: تزايد الحاجة إلى نظم المياه المقاوم للنزعات السيزمية

وتشكل هذه المزلاجات أحد أكثر التهديدات تدميراً لنظم توزيع المياه الحضرية، القادرة على تفكك الهياكل الأساسية الحرجة في ثوان، وعندما تحدث هزات أرضية قوية، يمكن أن تنهار محطات الضخ، ويمكن لمستودعات التخزين أن تتراجع، وتترك مجتمعات بأكملها دون مياه لأسابيع أو أشهر، وقد أدى الزلزال الذي وقع في شمالريدج في كاليفورنيا في عام 1994 إلى تجاوز 400 1 كسر في خط الأنابيب؛ وقد ألحق الضرر بزل أرضي في عام 2011 أكثر من 000 2 كيلومتر من الزلازل في عام 1995.

ويتطلب تحسين قدرة نظم توزيع المياه على التكيف نهجا متعدد المستويات: عناصر هندسية أقوى، وتصميم شبكات زائدة، ونشر الرصد الذكي، وبناء الاستعداد المجتمعي، وتوفر هذه المادة دليلا شاملا وعمليا لمديري مرافق المياه، والمهندسين، والمخططين، وصانعي السياسات للحد من المخاطر الزلزالية وضمان استمرارية خدمات المياه قبل وقوع الزلزال وأثناءه وبعده.

نظام توزيع المياه

وقبل تنفيذ تدابير التخفيف، من الضروري فهم أين وكيف تكون شبكات المياه أكثر عرضة للضرر بالزلازل، حيث تمتد أوجه الضعف التي تُدمَر خطوط الأنابيب، والمرافق فوق الأرض، ونظم الرقابة الداعمة.

الخصومات: المواد والشركات

فالأنابيب القديمة التي تُستخدم في الحديد والرأس الأسبست هي من الرشوة والقابلة للكسر في زلزال، كما أن الأنابيب الحديدية المسلوقة والمخنقة تؤدي بشكل أفضل، ولكن ضعفها يعتمد إلى حد كبير على نوع البالونات المستخدمة، أما المفاصل المتحركة (مثلاً، تُمدد الفول المُتَوَجَة بالركَب) فلا تنطوي على مرونة، في حين أن تُزُدَزُدَدَزُدُّدَة المطاطية المُ المُ بعض المُ المُ المُ المُ المُ المُكَزُزُ المُ المُزُزُ المُوَزُوَةُوَزُوَزُوِّةُوَعَعَةُوَزُوَةُوَةُوَةُوَةُوَةُوَةُوَةُوَةُوَةُوَةُوَةُوَّةُوَّةُوَةُوَةُوَةُوَة

ويفاقم الكوروسيون أوجه الضعف، بل إن الحديد الحديث يمكن أن يصبح هشاً إذا لم يكن محمياً، فترك التربة في الأماكن التي تفقد فيها التربة الرملية المشبعة قوة وتصرفات مثل السائل تسبب الأنابيب في العائم أو الغزال، مما يؤدي إلى الانتكاس، وبالمثل، فإن الانتشار الأفقي على المنحدرات يمكن أن يفرق الأنابيب.

ألف - المسؤوليات المتعلقة بالهياكل الأساسية الأرضية

كما أن محطات التعبئة، ومصانع المعالجة، وخزانات التخزين، والمستودعات معرضة للخطر، كما أن الحوائط غير المقوى أو غير المصفّحة يمكن أن تنهار، وقد تُلغى الدبابات المثبتة على منابر مرفوعة أو تعاني من الفشل في المرساة، وكثيرا ما تفتقر الروابط القائمة مع المعدات (خطوط الإمداد/الشحن) إلى المرونة، مما يؤدي إلى تمزقات عندما يهتزت المباني بشكل مختلف عن الأنابيب المرفقة.

ويجب تأمين المعدات الكهربائية والتحكمية الحرجة (المحركات، والمفاتيح، وخزانات الوكالة الكندية للتنمية الزراعية) من الركود؛ وإلا فإن فقدان الطاقة أو القياس عن بعد يمكن أن يزيل المضخات حتى لو كان الرزم سليما.

أوجه الضعف المنهجية: الافتقار إلى التعافي والعزل

وكثير من شبكات المياه مصممة على أنها شبكات مشعية - يغذي الأنابيب الواحدة فرعاً، بحيث يمكن لكسر واحد أن يعزل الأحياء بأكملها، وبالإضافة إلى ذلك، فإن بعض النظم لديها قدرة تلقائية على تقسيم الصمامات لعزل الأجزاء المتضررة مع الحفاظ على الضغط في الفترة المتبقية.

الهياكل الأساسية المقاومة للنزعات السيزمية: إعادة التدفئة والإنشاءات الجديدة

اختيار المواد والشركات الصحيحة

وبالنسبة للمنشآت الجديدة، يفضل أنبوب الحديد الخندقي بمفاصل مقيدة أو أنبوب ثنائي إيثيلين عالي الكثافة، وهو مرن ويمكن أن يستوعب حركة أرضية كبيرة دون كسر، وبالنسبة للنظم القائمة، فإن استبدال أجزاء الرشوة بـ HDPE أو الحديد المخصوم باستخدام المفاصل المرنة هو أكثر الأنابيب مباشرة.

الروابط المرنة في الهياكل

حيث تدخل خطوط الأنابيب المباني أو محطات المضخات أو الدبابات، وتضع قوارب مرنة أو مفاصل التوسع، وتستوعب هذه المركبات حركة مختلفة بين الهيكل والأنابيب المدفونة، ويحول التفاخر السيزمي عن المعدات (مراكز مراقبة السيارات، والمولدات الكهربائية، ونظم التغذية الكيميائية) دون التراجع والكسر في القنوات.

عزل قاعدة السيزميات للدبابات والمستودعات

ويمكن أن تكون خزانات المياه الكبيرة المتطورة معزولة من القاعدة باستخدام المطاط الملغوم أو الخنادق المهتزلة لفك الصهريج من الحركة الأرضية، أما بالنسبة للفولاذ الأرضي أو الخزانات الخرسانية، فيجب تصميم محركات المرساة للقوات السيزمية، أو ينبغي وضع الصهريج على أساس مرن، وتحتفظ الصهاريج المزورة أو المجهزة بمستودعات الأخرى بنسخة.

Automatic Seismic Shut-Off Valves

تركيب صمامات مقفلة في كل خزان ومستودع منفذ للدبابات، وتغلق هذه الصمامات عندما يتجاوز سرعة الأرض عتبة، مما يحول دون فقدان المياه المخزنة بسرعة من خلال الأنابيب المكسورة في المجرى، ويمكن أن تكون آلية (تمزقها الخماسي) أو إلكترونية (تتصل بنظام للإنذار المبكر بالزلازل).

External resources:] The American Society of Civil Engineers (ASCE) publishes ASCE 7 and ASCE/SE 24

إعادة التوحيد وتصميم الشبكات

مهما كانت المكونات الفردية القوية، فإن الفشل لا يزال يحدث، ويجب أن يوفر نظام مرنة مسارات متعددة للوصول إلى الزبائن.

Looped vs. Radial Network Topology

فالشبكات الراقصة )النهاية( ضعيفة للغاية: فقطعة واحدة يمكن أن تقطع الإمدادات إلى كل شيء في المجرى، وتتحول الفروع الإشعاعية إلى حلقات - حيث يمكن أن يتدفق الماء من اتجاهين - يحسن الموثوقية، وحتى إذا أصيب أحد الجانبين بأضرار، فإن الحلقة تحافظ على تدفقها، وينبغي تصميم جميع خطوط التوزيع الجديدة كجزء من شبكة متطورة.

مناطق التخزين والضغط الموزعة

وتخلق خزانات متعددة موجودة استراتيجيا تحت الأرض أو صهاريج مرتفعة مناطق ضغط مستقلة، وإذا فشلت محطة ضخ في منطقة واحدة، يمكن أن تُحمَّل المياه من خزان في منطقة مجاورة عن طريق وصلات طارئية، كما يوفر التخزين الموزع إمدادات من المياه في حالات الطوارئ من أجل مكافحة الحرائق والشرب أثناء عمليات الإصلاح.

وينبغي أن تُركِّز المرافق على خطوط عريضة النطاق حول قلب المدينة، بحيث تربط جميع مصادر المياه الرئيسية (مصانع المعالجة، الآبار، الخزانات) بحيث يمكن تحويل المياه حول المناطق المتضررة.

حالات الطوارئ

وفي الحالات التي تخدم فيها مرافق المياه المتعددة مناطق ملتوية )المدن والمقاطعات(، تقام فيها وصلات بين الولاءات في حالات الطوارئ مع أجهزة كبيرة لمنع التدفق، وإذا ما تم تعطيل نظام واحد من المرافق، يمكن للآخر أن يوفر إمدادات طارئة، وينبغي اختبار هذه التفاعلات سنويا.

وبالنسبة للتخييم الصناعي أو المستشفى، فإن الوجبات المزدوجة من رئيسيين مختلفين أو خزانات التخزين تكفل عدم حدوث إخفاق واحد في الأنابيب لا يسبب خروجا على المستعملين الحرمين.

إدارة الضغط ومراقبة تدفق المياه

وخلال الزلزال، يمكن أن تؤدي انخفاضات الضغط المفاجئة من فترات التوقف الرئيسية إلى تعطل المياه وإلى انهيار مناطق الضغط بأكملها، مما يؤدي إلى استمرار الضغط على الصمامات للحفاظ على الحد الأدنى من الضغط في المناطق الواقعية، بالإضافة إلى صمامات التحكم الآلي (تخفيض الضغط، الارتفاع، الحجم) ومنع تسرب خزانات التخزين عند حدوث انقطاعات في المجرى.

نظم الرصد والإنذار المبكر

ويتيح الرصد في الوقت الحقيقي للمرافق الكشف الفوري عن الأضرار وعزل الأقسام المتضررة قبل أن تصبح خسارة المياه كارثية.

SCADA Enhancements for Seismic Response

وينبغي أن تتضمن نظم مراقبة المراقبة الحديثة واقتناء البيانات (SCADA) أجهزة التكتل السيزمي في النوافذ الرئيسية (محطات الضخ، الدبابات، حدود مناطق الضغط) وعندما تتجاوز عتبات التسارع، يمكن للهيئة الفرعية للمشورة العلمية والتكنولوجية أن تعزل تلقائيا أجزاء المياه المباشرة عن طريق طرق بديلة، ويتلقى العاملون إنذارات بوجود إحداثيات من النظام العالمي لتحديد المواقع للاختراقات المشتبه فيها استنادا إلى أوجه القصور في الضغط.

شبكة كشف النفايات السمية وشبكة المياه الذكية

Deploying acoustic sensors (listening devices) and correlators on existing pipelines can detect leaks in real-etime-especially useful after a quake. Smart water network analytics can identify the location of a break by comparing flow and pressure at multiple points. Some advanced systems (e.g. TaKaFlowTu

Earthquake Early Warning (EEW) Integration

وفي المناطق التي توجد فيها نظم للإنذار المبكر (مثلا، شاكي ألار في غرب الولايات المتحدة، وجيش تحرير اليابان)، يمكن لمرافق المياه أن تستقبل تنبيهات قبل وصول الركود القوي، وهذه النافذة تكفي لإغلاق الصمامات السيزمية تلقائيا، وتباطؤ المضخات، وبدء المولدات الاحتياطية، وعزل المعدات الحساسة، وقد استخدمت شركة " شاكيلارت " بالفعل بروتوكولات مماثلة للمرافق المائية.

External link:] ]ShakeAlert Earthquake Early Warning System]] provides technical guidance for utility integration.

الشحنات المحمولة والثابتة/اللواح الضائع

ويمكن تركيب سجلات البيانات المنخفضة التكلفة التي توضع على هيدرات الحريق (أو في صناديق المتر) مؤقتاً قبل الزلزال لتسجيل ملامح الضغط بعد وقوع الحادثة، مما يساعد على تحديد نقاط العزل الشبكية دون إرسال طاقم إلى المناطق المتضررة.

التدابير المجتمعية والسياساتية

فالتحديثات التقنية وحدها غير كافية؛ فالمشاركة المؤسسية والمجتمعية تكفل تمويل الخطط واختبارها وتنفيذها.

خطط الاستجابة لحالات الطوارئ واتفاقات المعونة المتبادلة

وينبغي أن تكون لكل مرفق للمياه خطة مفصلة للاستجابة لحالات الطوارئ المتعلقة بالهزات تشمل: الأدوار، والتسلسل الهرمي للقيادة، والتجهيز المسبق لمواد الإصلاح (العمليات، والقوارب، والصمامات، والخلفيات)، وإجراءات إغلاق المناطق وإعادة استخدامها، والمشاركة في شبكات المساعدة المتبادلة (مثلاً، ) في شبكة الاستجابة الخاصة بالموارد المائية/الطاقة المائية المحلية

التمرينات والتدريل

وينبغي إجراء تدريبات على الطاولات (تحفيز زلزال كبير) سنوياً من أجل الإدارة والعمليات، كما ينبغي إجراء عمليات حفر مادية تنشر الأطقم والصمامات القريبة، واختبار أوجه الترابط بين العضلات، وتحديد الثغرات في الخطة.

التعليم العام والتأهب للمزمن

وينبغي أن تعلم المرافق الزبائن عن تخزين مياه الطوارئ )غالون لكل شخص في اليوم لمدة ٣-٧ أيام( وأن تقدم تعليمات بشأن كيفية إغلاق المياه في متر المنزل لمنع تسرب التلوث بعد حدوث زلة، ويمكن الاتصال عن طريق وسائط الإعلام الاجتماعية، وادراج فواتير المرافق، وحلقات العمل المجتمعية.

التمويل والدعوة في مجال السياسات

تحسين قدرة نظام المياه مكلف، يجب أن تدعو المرافق إلى منح حكومية واتحادية (مثلاً، مساعدة التخفيف من المخاطر التي تقدمها القوات المسلحة لوكالة الطاقة الذرية، قروض وكالة إدارة الموارد الطبيعية، مركز إدارة الموارد البشرية، العديد من المدن قد اعتمدت تدابير للسندات: إعادة هيكلة شبكة المياه الرئيسية في سان فرانسيسكو التي تبلغ 4.6 بلايين دولار.

وينبغي أن تُسند رموز البناء تصميما زلزاميا لجميع الهياكل الأساسية الجديدة للمياه العامة، ويمكن أن يتجنب تخطيط استخدام الأراضي بناء مرافق للمياه في المناطق ذات السمات العالية ما لم تستخدم مؤسسات خاصة.

دراسات الحالة: القدرة على العمل

سان فرانسيسكو، كاليفورنيا

وبعد زلزال لوما بريتا في عام 1989، بدأت لجنة المرافق العامة في سان فرانسيسكو برنامج تحسين نظام المياه، وهو استثمار قدره 4.6 بلايين دولار، واستبدلت شبكة رئيسية من المواسير الحديدية الهشة بمسدس الحديد، وأضيفت صمامات مطفأة من الزلازل في جميع المستودعات الرئيسية، وبنى نظاما جديدا للإمداد بالمياه في حالات الطوارئ يسمى " Auxiliary Waters " .

لوس أنجلوس، كاليفورنيا

وقد قام برنامج تعزيز الزلازل التابع للرابطة بتركيب مئات الصمامات السيزمية واستبدل حوالي 200 ميل من الأنابيب القديمة سنويا، وأعيدت تعبئة محطات استصلاح المياه في لوس أنجلوس بوصلات أنبوبية مرنة، كما شراك المعهد مع وكالة الأمن العام لدمج نظام شاك ألار لغلق الصمامات الآلية في خزانات حرجة.

كريستشورش، نيوزيلندا

وبعد الزلزال المدمر الذي ضرب عام 2011 (M6.3)، أعادت كريستشورش بناء شبكة المياه التابعة لها مع التركيز على المواد القوية (أنابيب الهرمونات، والمفاصل المرنة) وفصل المياه الصالحة للشرب عن المياه المستعملة للحد من مخاطر التلوث، وتستخدم المدينة الآن أغطية ثقب الإنسان المهتزلة، والحديد الخلوي بالمفاصل المقننة، ونظاما متقدما من أجهزة الإنذار بالزلازل.

طوكيو، اليابان

إن نظام المياه في طوكيو هو أحد أكثر النظم التي تتسم بالنزعة السيزمية في العالم، وهو يميز شبكة من الخزانات العميقة تحت الأرض، والأنابيب المنعزلة من الزلازل، ويخضع الصمامات التي تخضع للتقسيم الآلي والتي تخضع لبيانات سيزمية في الوقت الحقيقي، وقد استثمر مكتب الألعاب المائية في طوكيو الكثير من الأنابيب الحديدية التي تحتوي على مفاصل مقاومة للزلازل، كما أنه يوجد نظام شامل للإنذار المبكر بالزل.

موجز أفضل الممارسات والإجراءات ذات الأولوية

إن تحسين قدرة نظام توزيع المياه على مواجهة الزلازل عملية طويلة الأجل وكثيفة رأس المال، غير أن اتباع نهج تدريجي يمكن أن يحقق فوائد فورية.

• Conduct a seismic vulnerability assessment] of your system using guidelines from organizations like the American Lifelines Alliance or FEMA P-811.
• Prioritize replacement of brittle pipe (cast iron, asbestos-cement) in areas of highest seismicity and soil liquefaction potential.
• Install seismic off valves] at all reservoirs and major tank outlets.
• Convert radial dead ends to ringed networks] and add emergency interties with neighboursing facilities.
• Integrateزل الإنذار المبكر with SCADA for automated response.
• Develop and drill an emergency response plan] in coordination with mutual aid networks.
• ضمان التمويل ] من خلال المنح الحكومية/الإيراداتية، أو السندات، أو زيادات الأسعار للتعجيل برفع مستوى الخدمات.
• ] Engage the community] to ensure clientss are prepared and understand the utility’s resilience program.

وتزيد تكلفة عدم العمل كثيرا عن الاستثمار اللازم، إذ يمكن لزلزال رئيسي واحد أن يوقف نظام المياه لأسابيع، ويكلف الملايين من النشاط الاقتصادي المفقود، ويحتمل أن يتسبب في أزمات في الصحة العامة، ومن خلال تحسين الهياكل الأساسية، والتكرار، والرصد، والاستعداد المجتمعي، يمكن لمرافق المياه أن تقلل بشكل كبير من أثر الزلازل وأن تبقي تدفق المياه عند الحاجة إليها.