تأثير المنطقة ذات الكثافة السكانية العالية على عمل نظام الصرف الصحي المشترك: دراسة حالة، مدينة النجف

رسالة ماجستير

اسم الباحث : عمار رشيد مجيد

اسم المشرف : أ.د. باسم خليل نايل + أ.د. جبار حمود البيضاني

الكلمات المفتاحية :

الكلية : كلية الهندسة

الاختصاص : الهندسة المدنية

سنة نشر البحث : 2021

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

قد تكون الفيضانات في أنظمة الصرف الصحي ناتجة عن التحضر عند زيادة المناطق غير المنفذة وتقليل معدل التسلل أو تغيرات استخدام الأراضي أو تغير المناخ الذي يتسبب في زيادة كثافة هطول الأمطار أو سوء استخدام السكان، كل ذلك يؤثر على أداء هذه الأنظمة.
تهدف الدراسة الحالية إلى البحث في تأثير منطقة مكتظة بالسكان على تشغيل نظام الصرف الصحي المشترك في ظل كثافة هطول الأمطار العالية باستخدام نموذج إدارة مياه العواصف (SWMM) من خلال محاكاة الزيادة المستقبلية في شدة هطول الأمطار للحد من فائض نظام الصرف الصحي المشترك في الدراسة منطقة. اختارت الدراسة الحالية حي الرشادية الواقع في مدينة النجف كدراسة حالة.
كانت الخطوة الأولى في هذه الدراسة هي إنشاء منحنيات الكثافة – المدة – التردد (IDF) من خلال إيجاد المعادلات التجريبية لهذه المنحنيات بناءً على بيانات هطول الأمطار التاريخية للفترة من 1989 إلى 2018، تم استخدام ثلاث توزيعات إحصائية للتنبؤ بأعلى هطول للأمطار شدة فترات العودة 2 و5 و10 و25 سنة. تشمل هذه التوزيعات توزيع Gumbel وLog Pearson وLognormal، حيث تم الحصول على شدة هطول الأمطار العالية باستخدام توزيع Gumbel، حيث تم استخدام كثافة هطول الأمطار هذه في نمذجة SWMM لتقدير أحجام الفيضانات القصوى في أنظمة الصرف الصحي في منطقة الدراسة.
البيانات المتوفرة تمثل حدثا واحدا فقط لهطول الأمطار بتاريخ 28/11/2020 والذي تم استخدامه لأغراض معايرة النموذج الكمي حيث بلغ عمق هطول الامطار 55 ملم في مدينة النجف الاشرف.
كما أجريت مقارنات بين معدلات تدفق التصميم ومعدلات تدفق نموذج الحدث ومعدلات تدفق النماذج باستخدام شدة هطول الأمطار المختلفة، باستخدام مؤشرات متوسط الخطأ التربيعي الطبيعي، ومعامل التحديد، ومتوسط الخطأ التربيعي الجذر. تساعد هذه المؤشرات في تقدير أداء النمذجة والحصول على أقرب شدة لهطول الأمطار لحدث هطول الأمطار، وهو كثافة هطول الأمطار لفترة العودة البالغة 5 سنوات. تم استخدام كثافة هطول الأمطار هذه في نمذجة SWMM لجودة مياه الأمطار في منطقة الدراسة لتقدير أحجام الملوثات.
تبلغ أحجام الفيضانات المقدرة في نمذجة نظام الصرف الصحي المشترك 3817 م3 و6912 م3 و8929 م3 و13434 م3 باستخدام شدة هطول الأمطار لفترات العودة 2 و5 و10 و25 سنة على التوالي. تم استخدام كميات الغمر التي تم الحصول عليها كمعدل تدفق خارجي من عقد نظام الصرف الصحي المجمعة إلى أقرب العقد في نظام تصريف مياه الأمطار.
كانت نتيجة الغمر باستخدام نمذجة نظام تصريف مياه الأمطار 526 م3، و2669 م3، و3316 م3، و5568 م3 وذلك باستخدام شدة هطول الأمطار لفترات العودة 2 و5 و10 و25 سنة على التوالي، حيث كانت أحجام الفيضانات هي الفيضان النهائي. مجلدات في منطقة الدراسة.
كما أجريت اختبارات معملية على مياه الأمطار عند نقطة التخلص في نهاية نظام تصريف مياه الأمطار في الطقس الجاف والرطب. تم استخدام نتائج الاختبارات التي تم الحصول عليها أثناء هطول الأمطار في عملية معايرة نموذج جودة مياه الأمطار لتقدير عوامل تراكم الملوثات والغسيل في منطقة الدراسة.
كانت كميات الملوثات الناتجة عند نقطة تصريف مياه الأمطار 1589.34 كغم من المواد الصلبة الذائبة و250.302 كغم من BOD5 و0.514 كغم من النحاس و0.227 كغم من الرصاص و0.165 كغم من الكروم و0.309 كغم من المنجنيز باستخدام محاكاة نموذج جودة SWMM لمدة ساعتين.
تشمل السيناريوهات المقترحة زيادة أقطار بعض الأنابيب في نظام الصرف الصحي المشترك، حيث أظهرت النتائج المتحصل عليها انخفاض نسبة الفيضان في نظام الصرف الصحي المجمع بنسبة 53.52٪، 39.65٪، 33.3٪، 24.41٪ من إجمالي الفيضانات، حيث جاء هذا السيناريو. القدرة على تقليل كمية الملوثات التي تأتي من فيضان نظام الصرف الصحي المشترك أثناء أحداث هطول الأمطار عندما يدخل هذا الفائض في مداخل نظام مياه الأمطار.
يتضمن السيناريو الآخر استخدام وحدة مدمجة في نهاية نظام مياه العواصف لمعالجة مياه العواصف الملوثة، والتي تعتبر مشكلة لا يمكن السيطرة عليها، بسعة معالجة تبلغ 500 متر مكعب / ساعة.

Rp_The Effect of Densely Populated Area on the Operation of the Combined Sewage System: Case Study, Al-Najaf City.pdf

Flooding in the sewer systems may be caused by urbanization when increasing the impervious areas and decreasing infiltration rate, land-use changes, or climate change that cause increasing the rainfall intensity or the misuse of the inhabitants, all that affect the performance of these systems.
The present study aims to search the effect of a densely populated area on operating the combined sewage system under higher rainfall intensities using the Storm Water Management Model (SWMM) by simulating a future increase in rainfall intensities for reducing the combined sewage system overflow in the study area. The present study selected AL-Rashadiya quarter that locates in Najaf city, as a case study.
The first step in the present study was generating the Intensity-Duration-Frequency (IDF) curves by finding the empirical equations of these curves based on historical precipitation data of the interval from 1989 – 2018, three statistical distributions were used to predict the highest rainfall intensities for the return periods of 2, 5, 10, and 25 years. These distributions include Gumbel, Log Pearson, and Lognormal distribution, where the higher rainfall intensities obtained were by using Gumbel distribution, where these rainfall intensities have been used in the SWMM modelling to estimate the maximum flooding volumes in the sewer systems of the study area.
The available data represents only one event of precipitation, on 28/11/2020, which was used for calibration purposes of the quantity model, where the rainfall depth was 55 mm in Al-Najaf city.
Also, comparisons were conducted between the design flow rates, the event model flow rates and models flow rates using the different rainfall intensities, using the indicators of the Normalized Mean Square Error, coefficient of determination, and Root Mean Square Error. These indicators help to estimate the modelling performance and obtain the nearest rainfall intensity to the rainfall event, which was the rainfall intensity for the return period of 5-years. This rainfall intensity was used in the SWMM modelling of stormwater quality in the study area to estimate the pollutants volumes.
The estimated flooding volumes in the modelling of the combined sewage system are 3817 m3, 6912 m3, 8929 m3, and 13434 m3, using the rainfall intensities for the return periods of 2, 5, 10 and 25 years, respectively. Obtained flooding quantities were utilized as an external flow rate from the combined sewage system nodes to the nearest nodes in the stormwater system.
The flooding result using the stormwater system modelling was 526 m3, 2669 m3, 3316 m3, and 5568 m3, using the rainfall intensities for the return periods of 2, 5, 10 and 25 years, respectively, where these flooding volumes were the final flooding volumes in the study area.
Also, laboratory tests were conducted on the stormwater at the disposal point at the end of the stormwater system in dry and wet weather. The obtained tests result during the rainfall event were used in the calibration process of the stormwater quality model to estimate the pollutants Buildup and Washoff factors in the study area.
The quantities of pollutants produced at the outfall point of the stormwater system were 1589.34 kg of TSS, 250.302 kg of BOD5, 0.514 kg of Cu, 0.227 kg of Pb, 0.165 kg of Cr and 0.309 kg of Mn, by using simulation of the SWMM quality model for 2 hours.
The suggested scenarios include increasing diameters of some pipes in the combined sewage system, where the obtained results showed a flooding reduction percentage in the combined sewage system of 53.52 %, 39.65 %, 33.3 %, and 24.41 % from the total flooding, where this scenario an ability to reduce the pollutant quantity that comes from the combined sewage system overflow during the rainfall events when this overflow enters the stormwater system inlets.
The other scenario includes using a compact unit at the end of the stormwater system to treat pollutant stormwater, which considers an un-controlling problem, with a treatment capacity of 500 m3/h.