3.2.4 Місто у цілому

3.2.4.1 Загальна витрата води

Загальна витрата води містом за добу найбільшого водоспоживання визначається як сума витрат води у сельбищній, промисловій і сільськогосподарській зонах на вказані потреби

, (3.9)

де – витрата води на сільськогосподарські потреби (за наявності тварин в індивідуальному секторі).

3.2.4.2 Витрата води на пожежогасіння

Система водопостачання розраховується на економічну роботу в годину максимального водорозбору, у добі максимального водоспоживання.

Передбачається, що пожежа буде локалізована протягом трьох годин найбільшого водоспоживання. У цей період допускається неекономічна робота системи водопостачання, але водопровідна мережа перевіряється на пропуск розрахункової витрати води на пожежогасіння у годину максимального водорозбору. При цьому витрата води на пожежогасіння не включається в загальну витрату води містом, а враховується як додаткове навантаження при розрахунку водопровідної мережі.

Розрахункова витрата води на пожежогасіння та кількість одночасних пожеж визначається згідно з [6] залежно від кількості жителів і поверховості забудови (табл. 3.5).

Таблиця 3.5 – Розрахункова витрата води на пожежогасіння

Кількість мешканців у населеному місці, тис. чол..	Розрахункова кількість одночасних пожеж	Витрати води на зовнішнє пожежогасіння на одну пожежу, л/с, при забудові будинками висотою
		до двох поверхів уключно	три поверхи й вище
До 1 1…5 5…10 10…25 25…50 50…100 100…200 200…300 300…400 400…500 500…600 600…700 700…800 800…1000	1 1 1 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3	5 10 10 10 20 25 - - - - - - - -	10 10 15 15 25 35 40 55 70 80 85 90 95 100

Витрати води на зовнішнє пожежогасіння виробничих і допоміжних будівель приймають [6] залежно від ступеня вогнетривкості конструк­цій, категорії виробництва за пожежною безпекою, об’єму найбільшого будинку. Розрахункова кількість одночасних пожеж на промисловому під­приємстві приймається залежно від площі території підприємства: одна пожежа при площі до 150 га, дві пожежі – більше ніж 150 га. Якщо підпри­ємство знаходиться у межах населеного місця, то у розрахункову кіль­кість одночасних пожеж населеного місця включають і пожежі на промис­ловому підприємстві, а розрахункову витрату води на одну пожежу приймають за більшою з витрат води – у населеному місці чи на підприєм­стві.

3.3 Визначення добового режиму водоспоживання

3.3.1 Сельбищна зона

3.3.1.1 Господарсько-питне водоспоживання

Водоспоживання у населених місцях не є постійною величиною – воно змінюється з плином часу і, зазвичай, поступово збільшується. Чому? Причин багато. Назвемо головні з них.

По - перше, у населених місцях, там де є централізоване водопостачання, йде приріст населення. Значення його різне, але зі збільшенням населення збільшується, безумовно, і водоспоживання міста. Хоча, як показав останній 2001 року перепис, населення України не збільшилось, а, навпаки, зменшилось за останні 10 років. Однак у деяких містах останнім часом ситуація вирівнялась, тому при розрахунках водоспоживання потрібно враховувати демографічну ситуацію.

По-друге, поступово поліпшуються житлово- комунальні умови життя населення у містах тому, що на зміну старій забудові приходить нова забудова будинками, які мають високий ступінь сантехнічного устатку­вання квартир, коли вже є централізоване гаряче водопостачання. А це також веде до зростання водоспоживання населенням.

Крім того, водоспоживання у містах змінюється і за сезонами. Здебільшого влітку воно перевищує зимове. Але це не можна стверджу­вати однозначно. Наприклад, у Москві, навпаки, споживання води влітку зменшується, тому що багато мешканців улітку від’їжджають із міста.

Треба зазначити, що коливання водоспоживання відбувається та­кож і за днями тижня. Так, у сельбищній зоні найбільше водоспоживання зафіксоване у передвихідні та вихідні дні, коли значно зростають витрати води на побутові потреби. Але найбільші відносні коливання водоспоживання відбуваються протягом доби, тобто за годи­нами доби.

Ось тут і виникає запитання "На яку ж витрату води потрібно вести розрахунок системи водопостачання?" Прийнято [6] розрахунок системи водопостачання виконувати на максимальне годинне споживання води для доби максимального водоспоживання на кінець розрахункового періоду (“максимальна година для максимальної доби”).

Як його визначити? Розрахунковий період (друга черга) для сис­теми водопостачання приймається 20...25 років (перша черга розвитку 5...10 років). Тому треба визначити витрату води за добу найбільшого водоспоживання на кінець розрахункового періоду, потім у цій добі знай­ти годину найбільшого водоспоживання і на витрату води у цю годину вести розрахунок системи. Хоча й не завжди найбільша годинна витрата води може належати до доби найбільшого водоспоживання, але точність прогнозу

дозволяє вести розрахунок таким чином. Крім того, аналогіч­ні міркування приводять до висновку, що можна визначити добу і годину найменшого споживання води. Для обчислення цих величин використовують коефіцієнти нерівномірності водоспоживання [6].

Витрати води за годину максимального водоспоживання:

м³/год. (3.10)

Витрата води за годину мінімального водоспоживання:

м³/год, (3.11)

де – відповідно максимальний і мінімальний коефіцієнти годинної нерівномірності водоспоживання.

Згідно з [6] їх визначають як

(3.12)

(3.13)

де – коефіцієнти, що враховують ступінь сантехнічного благоустрою житла, режим роботи підприємств та інші місцеві умови; рекомендується приймати =1,2...1,4; =0,4...0,6;

, – коефіцієнти, що враховують кількість жителів у населеному місці (табл. 3.6); характер залежності коефіцієнта від кількості населення наведений на рисунку 3.1.

Ураховуючи формули (3.2) і (3.10), отримаємо

. (3.14)

Добуток інколи називають розрахунковим коефіцієнтом нерівномірності водоспоживання.

Рисунок 3.1 – Залежність коефіцієнта β від кількості населення в місті

Таблиця 3.6 – Значення коефіцієнтів ,

Кількість населення, тис. чол.			Кількість населення, тис. чол.
До 0,1 0,15 0,2 0,3 0,5 0,75 1 1,5 2,5 4 6 10 20 30	4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,2 2 1,8 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,18	0,01 0,01 0,02 0,03 0,05 0,07 0,1 0,1 0,1 0,2 0,25 0,4 0,5 0,54	40 50 60 70 80 90 100 140 180 220 260 300 1000 і більше	1,16 1,15 1,14 1,13 1,12 1,11 1,1 1,09 1,08 1,07 1,06 1,05 1,0	0,57 0,6 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,73 0,76 0,79 0,82 0,85 1,0

Витрату води протягом години вважають сталою. Тоді секундна витрата, м³,

. (3.15)

Якщо обчислена в метрах кубічних за годину, то за формулою (3.15) секундна витрата води буде в метрах кубічних за секунду. Часто використовують одиницю „літр” за секунду. Тоді формула (3.15) набуває вигляду:

, л/с. (3.16)

3.3.1.2 Поливання зелених насаджень

Поливання зелених насаджень приймаємо у години малого водоспоживання на господарсько-питні потреби у кращі для поливання години:

три години зранку – з 4.00 до 7.00;

три години ввечері – з 19.00 до 22.00.

Тоді годинна витрата води на поливання становить:

м³/год . (3.17)

3.3.2 Промислова зона

3.3.2.1 Режим господарсько-питного водоспоживання

Режим господарсько-питного водоспоживання працюючих протягом зміни приймається згідно з даними технічної літератури [2, табл. 2.5].

3.3.2.2 Режим витрачання води на душ

Прийняття душу працюючими на виробництві здійснюється у годину, наступну після закінчення зміни. При 7-годинній робочій зміні (7 годин роботи плюс 1 година – перерва) витрата води на прийняття душу відбувається:

– у годину з 16.00 до 17.00;

– у годину з 0.00 до 1.00;

– у годину з 8.00 до 9.00.

3.3.2.3 Режим витрачання води на технологічні потреби

Режим водоспоживання на технологічні потреби виробництва залежить від циклічності роботи технологічного процесу, кількості одночасно працюючих технологічних установок і т.ін. Цей режим протягом зміни або протягом доби задається технологами основного виробництва.

Тема № 4

4 РЕЖИМ РОБОТИ СИСТЕМИ ВОДОПОСТАЧАННЯ

4.1 Режим водоспоживання населеного місця

Режим водоспоживання – це процес витрачання води споживачами, що розглядається у розрізі часу. Для промислових підприємств режим водоспоживання на технологічні потреби встановлюється технологами основного виробництва залежно від виду технологічного процесу. Для сельбищної зони встановити заздалегідь абсолютно точне значення вит­рати води для будь - якого моменту часу неможливо. Не існує на сьогод­ні строгої аналітичної формули, яка б давала можливість обчислити точне значення витрати води як функцію часу, ступеня сантехнічного благоустрою, поверховості забудови, місцевих факторів, зв’язаних із життям і трудовою діяльністю мешканців, та інших факторів. Їх стільки багато, що витрати води у населеному місці можна оцінювати тільки статистичними методами. Ось чому водоспоживання населеного місця треба розглядати як випадковий процес. Тобто у математичному відно­шенні витрати води – це випадкова величина, яка має свій закон роз­поділу. Якщо скористатись математичною статистикою та теорією випад­кових процесів, можна зробити математичне представлення режиму водо­споживання на основі статистичних даних. Але таке представлення досить складне і не використовується в інженерних розрахунках. Можливе використання такого представлення для прогнозування водоспоживання на достатньо короткі строки. Для інженерних розрахунків використовують так звані типові графіки водоспоживання. Розглянемо, як їх одержують.

Відомо, що процес водоспоживання населеного місця має цикли:

річний, сезонний, тижневий, добовий. Найхарактерніший – добовий цикл. Нескладно графічно зобразити режим водоспоживання населеного місця протягом доби. Для цього на осі ординат фіксують витрати води, на осі абсцис – час. Такий графік можна одержати, наприклад, на реєстру­ючому приладі водоміра на водогоні, по якому вода надходить у населе­не місце. Це й є дійсний графік водоспоживання – безперервний випад­ковий процес (рис. 4.1). Для зручності інженерних розрахунків витра­ту води протягом години умовно вважають сталою і після спрощення цього графіка одержують ступінчастий графік водоспоживання як модель дійсного графіка водоспоживання.

Графік водоспоживання – це сума (суперпози­ція) окремих графіків водоспоживання кожного мешканця населеного місця. Очевидно, чим більше мешканців у населеному місці, тим рівно­мірніше водоспоживання протягом доби, і, навпаки, чим їх менше, тим більша нерівномірність водоспоживання. Пояснюється це тим, що кожний мешканець споживав воду в своєму режимі:

чим більше мешканців, тим і менше одночасність споживання води. І навпаки, чим менше жителів, тим більша одночасність споживання води та більша нерівномірність водоспоживання й тим виразніші “піки” на графіку. Як правило, є два піки водоспоживання у населеному місці – вранці і ввечері. Якщо го­динні витрати води брати у процентах від добової витрати, то чітко видно залежність величини цих піків від кількості мешканців у насе­леному місці. Таким чином, для різних за величиною населених місць можна одержати різні за формою добові графіки водоспоживання, які називають типовими, або розрахунковими. Для характеристики цих гра­фіків використовують коефіцієнти годинної нерівномірності.

Для доби максимального водоспоживання максимальний коефіцієнт годинної нерівномірності водоспоживання становить:

(4.1)

де – відповідно максимальна та середня годинні витрати води.

Теоретично , і згідно з цим значенням коефіцієнта вибирають належний типовий графік водоспоживання на господарсько- питні потреби у сельбищній зоні. Очевидно, чим менше населене місце, тим більша нерівномірність водоспоживання й тим більше , і, навпаки, із збільшенням числа жителів у населеному місці зменшується нерівномірність водоспоживання та .

Типові графіки водоспоживання - не офіційний документ, а результат наукових досліджень, результат узагаль­нення. А звідси вся умовність, точність і правомірність використання цих графіків для конкретних населених місць. Усе це розуміють спеці­алісти в галузі водопостачання. Тому професор М.М. Абрамов наполягав [3] на тому, що уявлення про дійсний режим водоспоживання для майбутньої системи водопостачання можна зробити лише за результатами аналізу фактичного режиму водоспоживання на діючій системі водопоста­чання у населеному місці, де умови життя населення подібні. Отже, необхідно обережно використовувати типові графіки водоспожи­вання. Не слід значно піднімати точність подальших розрахунків тому, що точність вихідних величин завідомо значно нижча.

Рисунок 4.2 – Схема взаємодії водопровідних споруд за витратами води

Рисунок 4.1 – Схема спрощення графіку водоспоживання

4.2 Зв’язок водопровідних споруд за витратами води

Режим водоспоживання диктує режим роботи (функціонування) окре­мих споруд системи водопостачання. Звернемось до схеми, зображеної на рисунку 4.2. Водопровідна мережа 6 працює у режимі водоспоживання. Як уже зазначалось, це випадковий процес. Подавати воду насосною станцією другого підйому 2б точно за випадковим графіком водоспоживання, маю­чи детермінований набір відцентрових насосів, практично неможливо. Це можливо лише тоді, коли відцентрові насоси мають регульований електричний привід. Але такі насоси ще не набули на сьогодні широкого застосування у системах водопостачання. Отже, фактично немає можливо­сті подати воду у водопровідну мережу точно за графіком водоспоживання. А звідси між режимом водоподачі НС другого підйому і режимом водоспоживання є невідповідність, тобто ці режими не збігаються. Через те що НС другого підйому через напірні водогони 5 зв'язана з водопровідною мережею 6, потрібно досягти відповідності цих режимів. Інакше цей комплекс працювати не буде. І ось для того, щоб компенсувати невідповідність режимів водоподачі й водоспоживан­ня, на стику цих споруд уводять гідравлічний акумулятор (компенса­тор). Таким гідравлічним акумулятором є водонапірна башта 7, яка протягом деякого часу нагромаджує воду, а іншим часом віддає її спожи­вачам через водопровідну мережу.

Працює водонапірна башта 7 так (рис. 4.3). Перший випадок – подача води насосною станцією другого підйому більша, ніж во­доспоживання. Створюється лишок води , який надходить у бак водонапірної башти. У другому випадку пода­ча води насосною станцією друго­го підйому менша, ніж водоспожи­вання у водопровідній мережі. Створюється нестача води, яка компенсується запасом води з водонапірної башти. Тому у водо­провідну мережу надходить уже потрібна кількість води . По суті, водонапірна башта – це гідравлічний акумулятор, гідрав­лічний автомат, який працює без втручання людини.

Оскільки 1 м³ води, на­громадженої у водонапірній баш­ті, відповідають більші капітало­вкладення, ніж 1 м³ води, нагро­мадженої у резервуарах чистої води 4, то економічно вигідно прийняти такий режим водоподачі насосної станції другого під­йому, щоб об’єм бака водонапір­ної башти був якомога меншим. Найменше значення цього об’єму дорівнює нулю в тому випадку, коли режими водоподачі і водоспоживання повністю збігаються. Оскільки практично не­можливо реалізувати такий режим водоподачі НС другого підйому, бажано наблизити цей режим до режиму водоспоживання. Ось чому режим роботи НС другого підйому приймають ступінчастим (рис. 4.2). Як правило, приймають два або три ступеня. Якщо взяти більше ступенів, то насосною станцією вже важко буде керувати в експлуатації.

Рисунок 4.3 – Схема роботи водонапірної башти

Рисунок 4.4 – Суміщення графіків водоспоживання і подачі води насосними станціями: НС – 1 і НС - 2

Рисунок 4.5 – Суміщення графіків водоспоживання і подачі води насосною станцією першого підйому

Напірні водогони 5 працюють у режимі водоподачі НС другого під­йому. Діаметри труб цих водогонів приймають за витратою води більшого ступеня. При роботі НС другого підйому на меншому ступені напірні во­догони працюють не на повну потужність, тобто вони недовантажені в окремі години доби. І якщо довжина напірних водогонів значна (десят­ки кілометрів), то може здатись, що економічно вигідніше прийняти рівномірну подачу води НС другого підйому. При цьому збільшиться об’єм бака водонапірної башти і капітальні вкладення в її будівництво, але зменшиться діаметр труб напірних водогонів, тому що вони будуть розра­ховані на пропуск середньогодинної витрати води. Ось чому рівномірну водоподачу приймають у групових водопроводах, де довжина напірних во­догонів сягає сотень, а інколи й тисяч кілометрів.

Очисні споруди 3 працюють рівномірно протягом доби. Причин для цього дві. По - перше, всі хімічні й технологічні процеси очищення води йдуть краще тоді, коли вода проходить через очисні споруди рівномірно. По - друге, економічно вигідно розрахунок очисних споруд виконувати на середньогодинні витрати води. У цьому разі розміри споруд будуть міні­мально можливі й капітальні вкладення у будівництво цих споруд будуть також мінімальні.

Водозабірні споруди 1 і насосна станція першого підйому 2а пра­цюють у рівномірному режимі (рис. 4.2). Викликано це тим, що НС першого підйому забезпечує подачу води на очисні споруди, які працюють рівномірно протягом доби. Через те що режими роботи очисних споруд і НС другого підйому відрізняються, потрібно зістикувати ці режими. Роблять це за допомогою другого гідравлічного акумулятора у системі водопостачання - резервуарів чистої води (РЧВ) 4. Останні компенсу­ють невідповідність режимів роботи очисних споруд (НС першого під­йому) і НС другого підйому. Виконують вони це аналогічно водонапірній башті. Тобто в окремі години нагромаджують лишок води, а в інші видають недостаючу кількість води на насоси НС другого підйому.

Таким чином, система водопостачання – це комплекс взаємно зв’я­заних (водою) і взаємно діючих споруд: зміна режиму водоспоживання викликає зміни у роботі всього ланцюга споруд водопровідного комп­лексу.

4.3 Об’єм бака водонапірної башти і резервуарів чистої води

Яким чином визначити необхідні об’єми бака водонапірної башти і резервуарів чистої води? Для цього потрібно зіставити режими тих водопровідних споруд, які стикують ці акумулятори. Щоб визначити акумулюючий об’єм бака водонапірної башти, необхідно зіставити режим водоспоживання і режим роботи насосної станції другого підйому. Гра­фічним способом можна зробити це суміщенням графіків водоспоживання й НС другого підйому (рис. 4.4). На суміщеному графіку видно, що в деякі

години (наприклад, ніч­ні) вода надходить до водонапірної башти, а в інші (наприклад, ран­ковий максимум) – вода витікає з башти і надходить до водопровідної мережі. Графічно акумулюючий об’єм бака водонапірної башти визначиться найбільшою площею одної із заштрихованих площадок (рис.4.4). Цифрові розрахунки просто виконати у табличній формі, дані про які наведені в [9].

Слід указати, що задача вибору режиму водоподачі НС другого під­йому на заданий режим водоспоживання не має на сьогодні строгого аналітичного розв’язку. Тому при цьому користуються варіантним проекту­ванням. Конкретна реалізація є в [9].

Повний об’єм бака водонапірної башти обчислюється за формулою

, (4.2)

де – акумулюючий об’єм бака водонапірної башти; – протипожежний запас води на гасіння одної зовнішньої та одної внутріш­ньої пожежі протягом 10 хв.

Зображений на рисунку 4.4 суміщений графік – це, так би мовити, кла­сична схема. Але з урахуванням саморегулюючої здатності відцентрових насосів справжній режим водоподачі НС другого підйому дещо “згладжується”, а тому необхідний акумулюючий об’єм бака водонапірної башти зменшується.

Для обчислення акумулюючого об’єму РЧВ потрібно сумістити режи­ми роботи НС другого підйому й очисних споруд ОС тому, що РЧВ стику­ють режими роботи цих водопровідних споруд. На рисунку 4.4 наведені ре­жими роботи НС другого підйому і НС першого підйому (режими роботи ОС). Зіставлення цих режимів дозволяє графічно знайти необхідний регулю­ючий об’єм РЧВ як площу прямокутника над лінією НС першого підйому або загальну площу двох прямокутників під лінією НС першого підйому. Цифрові розрахунки зручно вести у табличній формі. В цьому можна переконатися, звернувшись до [9].

Повний об’єм РЧВ

(4.3)

де – акумулюючий об’єм РЧВ; - протипожежний запас води в РЧВ; – запас води на власні потреби водопроводу.

Конкретні цифрові розрахунки подано в [9]. І як підсумок наведених міркувань виконаємо суміщення графіків водоспоживання й водо­подачі НС першого підйому (рис. 4.5). Який же акумулюючий об’єм одержимо в цьому

разі? Очевидно, це сумарний акумулюючий об’єм бака водонапірної башти та резервуарів чис­тої води. А це означає, що, наближаючись режимом водоподачі НС другого підйому до режиму водоспоживання, вдається зменшити об’єм бака водонапірної башти, але при цьому збільшується об’єм резервуарів чистої води.

У граничному випадкові, коли забезпечити роботу НС другого під­йому строго за графіком водоспоживання, об’єм бака водонапірної башти зменшується до нуля і весь акумулюючий об’єм переходить до резервуа­рів чистої води. І навпаки, при рівномірній роботі НС другого підйому об’єм бака водонапірної башти максимальний та дорівнює сумарному акумулюючому об’єму, а акумулюючий об’єм резервуарів чистої води зменшуєть­ся до нуля. Звідси виходить, що чим більша нерівномірність водоспожи­вання, тим більший процентний сумарний регулюючий об’єм потрібний для стикування водопровідних споруд. Цей висновок, одержаний автором, не наводиться у спеціальній літературі, проте він дуже корисний, тому що дає змогу зрозуміти: зміна режиму роботи НС другого підйому приводить до розподілу сумарного акумулюючого об’єму на дві частини - башти й резервуарів. І є можливість зменшувати одну з частин за рахунок збільшення іншої. Однак при конкретній реалізації сума акумулюючих об’ємів башти і резервуарів дещо більша сумарного акумулюючого об’єму. Це залежить від того, якою мірою наближається графік водоподачі насосної станції другого підйому до водоспоживання.

Слід згадати слова видатного вченого – професора М.М. Абрамова, який говорив, що неможливо оптимізувати якусь одну водопровідну споруду, взявши її окремо від усього комплексу. Оптимізувати можна лише весь комплекс водопровідних споруд, тобто систему водопостачання в цілому.