Режим работы системы водоснабжения и ее отдельных элементов

Размеры отдельных сооружений и установок, число и мощность насосов, вместимость резервуаров, высоту и вместимость водонапорных башен, диаметры труб находят путем расчета этих элементов в соответствии с количеством подаваемой воды и с намеченным для них режимом работы.

Обычно водозаборы и водопроводные очистные сооружения (головные сооружения) систем водоснабжения работают в течение суток равномерно. Часовая производительность их Q_ч, м³/ч, определяется из выражения

Q_{ч =} Q_полн/ 24,

где Q_полн – полная суточная производительность системы в сутки максимального водопотребления.

Режим работы системы подачи и распределения воды (СПРВ) зависит от режима расходования воды потребителями, которых эта система обслуживает. В системах водоснабжения населенных пунктов процесс отбора воды потребителями является случайным и неуправляемым процессом. Режим водопотребления зависит от многих факторов связанных с режимом жизни и трудовой деятельности населения. Обычно сводные графики водопотребления в населенном пункте строят с учетом режима потребления воды всеми водопотребителями. Пример таких графиков приведен ниже.

Рис. 6. Графики водопотребления и режима работы насосной станции 2-го подъема

Первый график относится к СПРВ без водонапорной башни, второй – к СПРВ с водонапорной башней. 1 – линия, характеризующая водопотребление; 2 – линия работы насосной станции 2-го подъема; 3 – линия, характеризующая поступление воды в РЧВ от очистных сооружений.

Системы подачи и распределения воды (СПРВ) городского водопровода в классическом варианте кроме водопроводных сетей включает в свой состав резервуары чистой воды (РЧВ), насосные станции 2-го и последующих подъемов, водоводы и напорные регулирующие емкости (водонапорные башни или резервуары). Все элементы СПРВ взаимосвязаны.

Резервуары чистой воды предназначены для регулирования несоответствия между равномерным в течение суток поступлением воды из очистных сооружений и неравномерным отбором воды насосной станцией 2-го подъема (регулирующий объем). Кроме этого в РЧВ должен храниться пожарный и аварийный объемы воды, а также объем воды на собственные нужды водопроводных сооружений. Регулирующий объем РЧВ тем больше, чем больше неравномерность работы насосной станции 2-го подъема, которая в свою очередь зависит от режима водопотребления и наличия и величины объема водонапорной башни.

В зависимости от топографических условий, производительности водопровода и других факторов СПРВ с подачей воды от одной насосной станции могут иметь следующие схемы:

- без напорной регулирующей емкости (водонапорной башни или напорного резервуара);

- с водонапорной башней или напорным резервуаром, расположенным в начале сети по ходу движения воды;

- с водонапорной башней или напорным резервуаром, расположенным в противоположной по отношению к месту подачи воды в сеть части города (схема с «контррезервуаром»).

При отсутствии в СПРВ водонапорной башни насосы 2-го подъема, водоводы и водопроводные сети работают в режиме водопотребления, что соответствует максимальным гидравлическим нагрузкам. При этом увеличивается стоимость этих элементов СПРВ и имеет максимальное значение регулирующий объем в РЧВ.

Безбашенные схемы СПРВ используются при относительно равномерном режиме потребления воды в городе, что имеет место в достаточно крупных городах. В условиях большой неравномерности водопотребления в безбашенных схемах режим работы насосов 2-го подъема, соответствующий режиму водопотребления, обеспечивается за счет ступенчатого включения и выключения насосов. Это приводит к значительным колебаниям свободных напоров и увеличению непроизводительных расходов энергии на транспортирование воды. В последнее время, с развитием частотного регулирования работы центробежных насосов, область эффективного использования безбашенных схем СПРВ существенно расширилась.

Водонапорная башня обеспечивает снижение максимальной часовой производительности насосов 2-го подъема за счет подачи воды из своей регулирующей емкости в водопроводную сеть в часы максимального водопотребления. При этом снижается гидравлическая нагрузка на водоводы, что позволяет уменьшить диаметры трубопроводов и их стоимость, но добавляется стоимость водонапорной башни.

СПРВ с водонапорными башнями достаточно широко применяются в водопроводах небольших городов с большим коэффициентом неравномерности водопотребления. Сложность создания больших объемов резервуаров водонапорных башен (более 800 м³) ограничивает область применения схем с водонапорными башнями производительностью системы в 10.0-15.0 тыс. м³/сутки.

Напоры (давления) в СПРВ

Напор в наружной водопроводной сети должен обеспечивать подачу воды с некоторым запасом в самую высокую и наиболее удаленную от наружной сети водоразборную точку внутри здания (рис. 5).

Рис. 5. Схема подачи воды из наружной сети в здание

Этот напор, м, называют свободным Н_св или необходимым

Н_св = Н_г + h_пот + h_ост,

где Н_г – геометрическая высота подачи воды от поверхности земли до самой высокой водоразборной точки, м; h_пот – потери напора во внутренней сети, вводе и водомерном узле, м; h_ост – потребный напор у диктующего прибора, м.

Геометрическую высоту подачи Н_г, м, определяют по формуле

Н_г = h_пл + (n – 1)· h_эт + h_пр,

где h_пл – превышение отметки пола 1-го этажа над поверхностью земли (планировочная высота); n - число этажей в здании;. h_эт – высота этажа здания; h_пр – высота расположения диктующего прибора над полом.

Свободный напор в наружной водопроводной сети населенных пунктов для предварительных расчетов при одноэтажной застройке принимают равным 10 м, а при большей этажности зданий прибавляют по 4 м на каждый дополнительный этаж

Н_св = 10 + (n – 1)· 4.

Свободный напор в наружной сети производственного водопровода назначают в соответствии с требованиями технологии производства.

Как правило, напор в наружной водопроводной сети создают насосы насосной станции 2-го подъема. Кроме этого в системе с водонапорной башней напор поддерживается за счет уровня воды в водонапорной башне.

В противопожарном водопроводе необходимый напор зависит от способа пожаротушения.

Наружная сеть, на которой установлены пожарные гидранты для непосредственной подачи воды на тушение пожара, называется противопожарным водопроводом высокого давления. Противопожарные водопроводы высокого давления устраивают только на промышленных предприятиях при соответствующем обосновании. Необходимый напор в сети создают противопожарные насосы, установленные на насосной станции. Эти же насосы должны обеспечивать работу пожарных кранов внутри здания. Противопожарные насосы, установленные на насосной станции, включаются в том случае, если хозяйственно-питьевые и производственные насосы не обеспечивают подачу пожарного расхода.

На наружной сети городских водопроводов пожарные гидранты обеспечивают подачу воды на тушение пожара с помощью передвижных пожарных насосов. Такой водопровод называется противопожарным водопроводом низкого давления. Для обеспечения бесперебойного действия пожарных насосов напор в сети во время пожара должен быть не менее 10 м.

Для оценки обеспеченности необходимого напора в наружной водопроводной сети строят график пьезометрических линий, характеризующий пьезометрический напор в различных точках сети (рис. 7, 8 и 9). Располагаемый напор в любой точке сети, представляющий собой разность отметок пьезометрической линии и поверхности земли, должен быть не меньше свободного напора. При этом условии обеспечивается подача воды в наивысшую точку внутри здания.

Рис. 7. Схема СПРВ без водонапорной башни.

Рис. 8. Схема СПРВ с водонапорной башней в конце сети (с контррезервуаром)

Рис. 9. Схема СПРВ с водонапорной башней в начале сети

Рекомендуемая литература

1. СНиП 2.04.02-84 *. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М., 1996.

2. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий. - М., 1996.

3. Николадзе Г.И., Сомов М.А. Водоснабжение. Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1995.

4. Калицун В.И., Кедров В.С., Ласков Ю.М. Гидравлика, водоснабжение и канализация: Учебник для вузов по специальности «Промышленное и гражданское строительство». - М.: Стройиздат, 2000.

Лекция 2 Водозаборные сооружения

Водозаборными сооружениями, или водозабором, называют комплекс сооружений, служащих для забора воды из источника водоснабжения, ее предварительной очистки и подачи под необходимым напором в водопроводную сеть или на очистные сооружения системы водоснабжения.

Конструкция водозабора зависит от характеристик источника водоснабжения. Поэтому целесообразно, сначала познакомиться с параметрами источников водоснабжения и требованиями, предъявляемыми к ним.

Источники водоснабжения

Основные требования к источникам водоснабжения

Для систем водоснабжения в основном используются поверхностные воды рек, озер, водохранилищ, морей и подземные воды. Выбор источника является одним из важных вопросов при обосновании системы водоснабжения. От источника в значительной степени зависят тип всей системы, способ водоподготовки, наличие тех или других сооружений и в конечном итоге стоимость ее строительства и эксплуатации. Надежность работы системы также во многом зависит от источника водоснабжения, обеспеченности его расходов и уровней, времени и частоты изменения показателей воды и т.п.

Любой источник должен обеспечивать:

- бесперебойное получение необходимых количеств воды с учетом перспективного развития объекта;

- качество воды, в наибольшей степени отвечающее нуждам потребителей или позволяющее достичь требуемого качества путем простой и дешевой очистки;

- подачу воды объекту с наименьшими затратами средств;

- достаточную мощность, чтобы отбор воды из источника не нарушал сложившуюся экологическую обстановку.

Выбор источника коммунального водоснабжения следует осуществлять в соответствии с ГОСТ 17.1.3.03-77, который предусматривает максимальное использование для этой цели всех имеющихся ресурсов подземных вод, удовлетворяющих санитарно-гигиеническим требованиям.

Практика показывает, что водоснабжение малых, а иногда и средних по размерам населенных мест экономически целесообразно устраивать с использованием подземных источников. Для водоснабжения крупных городов выгоднее использовать поверхностные воды (с соответствующей очисткой) или их сочетание с подземными водами.

Характеристика поверхностных источников водоснабжения

Поверхностными источниками водоснабжения являются реки, озера, каналы, водохранилища и моря. Наиболее часто в качестве источников водоснабжения используются реки.

В зависимости от условий питания поверхностными и подземными водами различают реки:

с весенним половодьем, характерным для рек с преобладающим снеговым питанием (равнинные реки России) (рис. 1, а);

с половодьем в теплое время года – для рек, питающихся за счет дождей и таяния снега и ледников в высокогорных районах (на Алтае, Кузнецком Алатау, Саянах, Северном Кавказе) (рис. 1, б);

с паводочным режимом в периоды дождей и ливней в течение большей части летнего периода (реки Дальнего Востока и Восточной Сибири) (рис. 1, в).

Гидрографы рек:

а - с весенним половодьем; б - с половодьем в теплую часть года (с ледниковым и дождевым питанием); в - преимущественно с дождевым питанием

Обычно в створе водозабора многолетними наблюдениями, рис. 2, устанавливают следующие уровни:

ВУВ – высший уровень воды 1 % обеспеченности (обычно в паводок);

ЛНУВ – летний низший уровень воды 95 – 97 % обеспеченности (межень);

ЗНУЛ – зимний низший уровень ледостава;

ВУЛ – высший уровень ледохода;

НУЛ – низший уровень ледохода.

Знание этих уровней необходимо для обоснованного расположения водоприемных и других сооружений водозаборов.

Характерные уровни в створе водозабора

В годовом цикле колебаний стока различают три основных периода:

- весеннее половодье (или талые воды);

- летне-осенний период;

- зимний период.

Летний период, в течение которого река питается исключительно грунтовыми водами, называется меженью.

Наносы рек, устойчивость русла

Всем рекам присуща эрозионная деятельность. Речные воды несут с собой твердые частицы грунта, называемые наносами. Наносы, находящиеся в речной воде во взвешенном состоянии, называют взвешенными, а влекомые по дну – донными.

Отложения наносов наблюдаются на выпуклых участках дна реки и на перекатах (рис. 3). Вогнутые участки рек размываются.

Характерные участки реки:

1 - выпуклый берег; 2 - вогнутый берег; 3 – плес (глубокая часть русла);

4 - мель; 5 – перекат.

Обычно водозаборы располагают на вогнутом берегу в нижней части плеса с устройством, при необходимости, берегоукрепления.

Количество донных наносов равнинных рек, как правило, не превышает 10% взвешенных. На горных реках это отношение намного больше. На некоторых горных реках наблюдаются грязекаменные потоки - сели, временно заполняющие все русло и обладающие большой разрушительной способностью.

В определенных условиях русла рек могут деформироваться – происходят изменения очертания берегов и русла.

В летний и осенний периоды практически, во всех поверхностных источниках наблюдается цветение воды, связанное с массовым развитием в поверхностных слоях планктонных организмов растительного (фитопланктон) и животного (зоопланктон) происхождения.

Зимний режим рек

Зимний режим рек существенно отличается от их режима в течение остального периода года. Различают предледоставный период, ледостав и ледоход, который захватывает весенний период.

Предледоставный период начинается при установлении отрицательных среднесуточных температур воздуха. Охлаждение потока приводит к переохлаждению тонкого поверхностного слоя воды. В этом слое при содействии затравки из атмосферного воздуха (снежинки, пыль) возникают первые кристаллы льда. На реках с малыми скоростями течения (< 0,4 – 0,5 м/с) эти кристаллы образуют плавающие ледяные пленки (сало) и забереги. Постепенно разрастаясь, сало создает своеобразный ледоход. Задерживаясь у препятствий или на участках замедленного течения, пленка сала смерзается в общий ковер, давая начало ледяному покрову.

На реках с большими скоростями под воздействием механизма турбулентного перемешивания переохлажденная пленка воды с кристаллами льда увлекается в толщу потока, достигая его дна. При этом кристаллы льда растут. У дна кристаллы примерзают к выступающим предметам, образуя донный лед. Отдельные льдообразования могут отрываться от дна и образовывать плавающую фазу внутриводного льда, называемую шугой. При наличии в потоке частиц мутности шуга образуется на них непосредственно в толще потока.

Подходя к затопленным водоприемникам, шуга обволакивает сооружения и у водоприемных отверстий под действием перепада давления резко уплотняется, закупоривая отверстия.

Предледоставный период наиболее опасен для водозаборов.

Период ледостава с устойчивым ледяным покровом обычно не вызывает осложнений в работе водозаборов.

Период ледохода. Реки, текущие с севера на юг, вскрываются с низовьев и ледоход обычно не вызывает проблем.

Реки, текущие с юга на север, вскрываются вначале в верховьях. Талые воды, поступающие с верховьев в низовья реки, текут поверх льда, который по мере повышения уровня воды взламывается, в результате чего происходит ледоход. Однако в этом случае появляется большая вероятность возникновения заторов, что может привести к существенному повышению уровня воды и созданию больших площадей наводнения. Для борьбы с этим явлением часто применяют искусственное разрушение льда.

Поэтому на реках, текущих с юга на север, в период ледохода могут возникать серьезные осложнения в работе водозаборов.

Кроме этого на выбор створа водозабора и его конструкцию могут оказать влияние следующие факторы:

судоходство;

рыбоводство;

сплав леса;

наличие мусора;

наличие обрастателей.

Условия забора воды из поверхностных источников

Условия забора воды из поверхностных источников определяются в зависимости от устойчивости берегов и ложа источника, русловых и шуголедовых режимов, засоренности по показателям, приведенным в табл. 12 СНиП 2.04.02-84.

В зависимости от сочетания этих показателей условия забора воды из поверхностных источников подразделяются на легкие, средние, тяжелые и очень тяжелые.

Характеристика источников подземных вод

Подземными называют воды, находящиеся в толще земной коры во всех физических состояниях. Для водоснабжения используется свободная вода, заполняющая поры фильтрующих грунтов и передвигающаяся под действием силы тяжести.

По условиям залегания подземные воды могут быть разделены на верховодку, грунтовые и артезианские.

Схема залегания подземных вод

1 – глины; 2 – пески; 3 – трещиноватые известняки; 4 – уровень безнапорных вод; 5 – уровень напорных вод; 6 – то же выше уровня земли; А – восходящий источник; Б – река; В – бассейн грунтовых вод; I – артезианский водоносный горизонт, II – грунтовые воды в аллювиальных отложениях

Верховодкой называют временное скопление подземных вод в зоне аэрации, обычно в виде отдельных разобщенных линз, образующихся от просачивания талых снеговых или дождевых вод. Запасы их обычно незначительны и зависят от количества и времени выпадения осадков, легко загрязняются сточными водами с поверхности земли. Для централизованного водоснабжения обычно не используются.

К грунтовым относятся все неглубоко залегающие безнапорные или с местным напором подземные воды, имеющие сток. Они характеризуются значительными запасами воды, мало зависят от поверхностных осадков, имеют в течение года почти постоянную температуру, защищены от попадания загрязнений с поверхности земли. Достаточно широко используются для централизованного водоснабжения населенных пунктов.

Артезианскими называются находящиеся под напором подземные воды, заключенные между водонепроницаемыми пластами и заполняющие расположенную между ними водопроницаемую породу или циркулирующие по трещинам. Они надежно защищены от поверхностных стоков водонепроницаемыми породами. Запасы артезианской воды значительны и устойчивы, вода имеет постоянную температуру, богата минеральными примесями без каких-либо признаков загрязнения. Пресные артезианские воды наиболее предпочтительны для целей централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных пунктов.

Сосредоточенный естественный выход подземных вод (артезианских или грунтовых) на дневную поверхность называется родником или ключом. Если родники питаются за счет безнапорных вод, то поступление воды к ним является нисходящим, а если за счет напорных вод – восходящим.

Запасы подземных вод подразделяются на естественные и эксплуатационные.

Естественные запасы – это количество воды, содержащееся в водоносных пластах в естественном состоянии, не нарушенном эксплуатацией водозаборных сооружений.

Эксплуатационные запасы – это то количество подземных вод, которое может быть получено из водоносного пласта рациональными в технико- экономическом отношении водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и качестве воды, удовлетворяющем требованиям потребителей в течение всего расчетного срока водопотребления. Именно эксплуатационные запасы подземных вод учитываются в балансе при разработке проектов водоснабжения из подземных источников.

Водозаборные сооружения из поверхностных источников