Ανάπτυξη ομοιώματος προσομείωσης για την ανάλυση της λειτουργίας αρδευτικών δικτύων υπό πίεση ελεύθερης ζήτησης

Abstract

In this thesis a model was developed for the operational analysis of under pressurecollective irrigation networks operating on- demand. The developed model implementsthis analysis at network level in order to give an overview of the operational condition ofthe network and at hydrant level in order to identify the specific parts of the network thatpresent problems in their operation. The model was developed as a standaloneapplication aiming to allow the user’s intervention at any part of the analysis as well asextending the model’s capacities with new features. Furthermore, the model wasdeveloped with regard to the specific features of several Greek pressurized collectiveirrigation networks (e.g. large number of users per abstraction, etc) and in order toimprove management of these projects.The functionality of the developed model was ensured by creating an easy to use andsimple graphical user interfaces (GUI). The user is familiar with windows environment ofthe graphical user interface.The developed model enables the user to choose between different head lossesformulas. The formulas which were incorporated were Darcy-Weisbach equation withColebrook-White formula for the calculation of the friction factor (DW-CW), DarcyWeisbachformula with Swamee and Jain (DW-SJ), Hazen-Williams formula, Darcy'sformula with the roughness parameter γ of Bazin, Calmon and Lechapt formula andValiantzas formula (2008).For the application of the developed model, two Greek representative networks werechosen, the network of Iria at Argolida and the network of Kalyvia-Socha in theprefecture of Laconia. The two networks are collective pressurized irrigation networksoperating on- demand. The model developed employed to implement three applicationsas described below.Initially, we examined the effect of the head losses formula on the operation analysis atnetwork level. The abovementioned formulas were used to calculate the head lossesand the results were compared to those obtained by using the equation of DarcyWeisbachequation with the Colebrook-White formula for the calculation of the roughness coefficient. Greater deviations were observed for network pipes with greaterroughness coefficient. Moreover, for upstream discharges up to the Clément discharge,all the examined formulas gave similar results, however for upstream discharges greaterthan the Clément discharge the observed deviations were increased. This means thatthe adopted formula for the calculation of the head losses will affect the accuracy of theindexed characteristic curves in the case of saturated networks or in the case ofnetworks for which the upstream discharge has changed significantly.The developed model was also used in order to investigate the effect of the adoptedformula for the head losses evaluation at hydrant level analysis. The same formulaswere examined and the presented results indicate that DW-SJ formula and Valiantzas(2008) formula present results closer to those given by the reference formula (DW-CW).A new reliability indicator was also suggested that aims to highlight not only theprobability of a hydrant to fail, but also the extent of this failure. Thus, the use of the newindicator accentuates the hydrants with high available pressure head, which have lowerprobability of failure during the peak season.Finally, a sensitivity analysis was implemented with the developed model, in order toinvestigate the effect of the value of the γ Bazin’s coefficient on the design of theindexed characteristic curves. The results of the analysis indicate that the coefficientvalue significantly affects the analysis when the upstream discharges are greater thanthe Clément discharge.In a nutshell, in this thesis a model was developed for the operation analysis of collectiveirrigation networks operating on-demand, at network and at hydrant level. The developedmodel provides information that contributes significantly to the management of theseprojects and the planning of the required interventions to modernize their operation. Inaddition, the developed model was created from scratch as a tool which allowsintervention at any point of the analysis and allows also its extension with newcapabilities to meet future needs.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε ένα μοντέλο για την ανάλυση της λειτουργίας υπόπίεση συλλογικών αρδευτικών δικτύων που λειτουργούν με ελεύθερη ζήτηση. Τομοντέλο που αναπτύχθηκε υλοποιεί την ανάλυση αυτή σε επίπεδο δικτύου προκειμένουνα δοθεί μια γενική εικόνα της λειτουργικής επάρκειας του δικτύου και σε επίπεδουδροστομίου ώστε να εντοπιστούν τα συγκεκριμένα σημεία του δικτύου πουπαρουσιάζουν προβλήματα. Το μοντέλο αναπτύχθηκε ως ανεξάρτητη εφαρμογή ώστενα υπάρχει η δυνατότητα παρέμβασης σε οποιοδήποτε σημείο της ανάλυσης καθώςεπίσης και επέκτασής του με νέες δυνατότητες. Επιπλέον, το μοντέλο αναπτύχθηκεέχοντας υπόψη τις ιδιαιτερότητες που παρουσιάζουν αρκετά από τα υπό πίεσησυλλογικά αρδευτικά δίκτυα ελεύθερης ζήτησης στην Ελλάδα (πχ. μεγάλος αριθμόςχρηστών ανά υδροληψία, κα) και με στόχο την αρτιότερη διαχείριση των έργων αυτών.Η λειτουργικότητα του μοντέλου που αναπτύχθηκε εξασφαλίστηκε με τη δημιουργία ενόςεύχρηστου και απλού γραφικού περιβάλλοντος διεπαφής με το χρήστη (GUI). Τογραφικό περιβάλλον διεπαφής ακολουθεί το πρότυπο του παραθυρικού περιβάλλοντοςώστε ο χρήστης να αντιμετωπίζει ένα γνώριμο περιβάλλον και εύχρηστο περιβάλλον.Στο μοντέλο που αναπτύχθηκε δίνεται η δυνατότητα στο χρήστη να επιλέξει μεταξύδιάφορων εξισώσεων για τον υπολογισμό των γραμμικών απωλειών. Οι εξισώσεις πουενσωματώθηκαν ήταν η εξίσωση των Darcy-Weisbach με την εξίσωση των ColebrookWhite(DW-CW) για τον υπολογισμό του συντελεστή τραχύτητας, η εξίσωση των DarcyWeisbachμε την σχέση των Swamee και Jain (DW-SJ), η σχέση των Hazen –Williams,η εξίσωση του Darcy με την παράμετρο γ του Bazin, η εξίσωση των Calmon και Lechaptκαι η εξίσωση του Valiantzas (2008).Για την εφαρμογή του μοντέλου που αναπτύχθηκε, χρησιμοποιήθηκαν δύοαντιπροσωπευτικά ελληνικά δίκτυα, το δίκτυο των Ιρίων στην Αργολίδα και το δίκτυο τωνΚαλυβίων-Σοχά στο νομό Λακωνίας. Τα δύο αυτά δίκτυα είναι υπό πίεση συλλογικάαρδευτικά δίκτυα που λειτουργούν με ελεύθερη ζήτηση. Το μοντέλο που αναπτύχθηκεχρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση τριών εφαρμογών όπως περιγράφονται στησυνέχεια. Αρχικά, έγινε διερεύνηση της επίδρασης που έχει στην ανάλυση σε επίπεδο δικτύου καιυδροστομίου η επιλογή της εξίσωσης για τον υπολογισμό των γραμμικών απωλειών.Χρησιμοποιήθηκαν οι προαναφερθήσες εξισώσεις για τον υπολογισμό των γραμμικώναπωλειών και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αυτά που προέκυψαν από τη χρήση τηςεξίσωσης των Darcy-Weisbach με την εξίσωση των Colebrook-White για τονυπολογισμό του συντελεστή τραχύτητας. Μεγαλύτερες αποκλίσεις παρουσιάστηκαν ότανοι αγωγοί του δικτύου είχαν μεγαλύτερο συντελεστή τραχύτητας. Επιπλέον, τααποτελέσματα έδειξαν ότι για παροχές στην κεφαλή χαμηλότερες της παροχής Clément,όλες οι εξισώσεις που εξετάστηκαν δίνουν παρόμοια αποτελέσματα, ωστόσο γιαπαροχές μεγαλύτερες από την παροχή Clément οι αποκλίσεις αυξάνονταν. Αυτόσημαίνει ότι η εξίσωση που υιοθετείται για τον υπολογισμό των γραμμικών απωλειών θαεπηρεάσει την ακρίβεια του μοντέλου των χαρακτηριστικών καμπυλών με δείκτες στηνπερίπτωση κορεσμένων δικτύων ή δικτύων για τα οποία η παροχή στην κεφαλή τουδικτύου έχει διαφοροποιηθεί.Με το μοντέλο που αναπτύχθηκε, διερευνήθηκε επίσης η επίδραση της εξίσωσης τωνγραμμικών απωλειών στην ανάλυση της λειτουργίας των δικτύων ελεύθερης ζήτησης σεεπίπεδο υδροστομίου. Χρησιμοποιήθηκαν και εδώ οι προαναφερθήσες εξισώσεις για τονυπολογισμό των γραμμικών απωλειών και προέκυψε ότι οι εξισώσεις DW-SJ καιValiantzas (2008) παρουσιάζουν αποτελέσματα κοντά σε αυτά που δίνει η εξίσωσηαναφοράς (DW-CW).Επιπλέον, προτείνεται ένας νέος δείκτης αξιοπιστίας που στοχεύει να αναδείξει όχι μόνοτην πιθανότητα ενός υδροστομίου να αποτύχει, αλλά και το εύρος της αποτυχίας αυτής.Έτσι, με τη χρήση του συγκεκριμένου δείκτη αναδεικνύονται τα υδροστόμια του δικτύουμε υψηλό διαθέσιμο φορτίο πίεσης, τα οποία έχουν μικρότρη πιθανότητα αποτυχίας κατάτην περίοδο αιχμής.Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια ανάλυση ευαισθησίας με το μοντέλο που υλοποιήθηκε,προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση της τιμής του συντελεστή γ του Bazin στηχάραξη των χαρακτηριστικών καμπυλών με δείκτες. Από τα αποτελέσματα της ανάλυσηςπροέκυψε ότι η τιμή του συντελεστή επηρεάζει σημαντικά την ανάλυση για παροχές στηνκεφαλή μεγαλύτερες από την παροχή Clément.Συγκεντρωτικά, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε ένα μοντέλο για τηνανάλυση της λειτουργίας συλλογικών αρδευτικών δικτύων ελεύθερης ζήτησης, το οποίο με τις πληροφορίες που παρέχει μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στη διαχείριση τωνέργων αυτών και στον προγραμματισμό των απαιτούμενων παρεμβάσεων για τονεκσυγχρονισμό της λειτουργίας τους. Επιπλέον, δημιουργήθηκε από μηδενική βάση έναεργαλείο το οποίο επιτρέπει την παρέμβαση σε οποιοδήποτε σημείο της ανάλυσης αλλάκαι την επέκτασή του με νέες δυνατότητες προκειμένου να καλύψει μελλοντικές ανάγκες.