Схемы и системы водоснабжения

Системы водоснабжения — это комплекс взаимосвязанных инженерных сооружений, обеспечивающих прием воды из при­родного источника (водозаборные сооружения), транспортировку ее (водоводы), доведение до требуемых кондиций (очистные сооружения), подачу (насосные станции) и распределение по объекту (магистральные и распределительные сети), а также бесперебойный отбор требуемого количества воды с заданным напором в нужном режиме.

Системы водоснабжения различают:

-по видам объектов водоснабжения — системы водоснабже­ния городов (рис. 1.2, а,б,в,г); системы водоснабжения посел­ков и сельских населенных пунктов (рис. 1.2, д); системы водо­снабжения производственных (включая сельскохозяйственные) объектов (рис. 1.2, ж, з);

-по охвату снабжаемых объектов — системы водоснабже­ния групповые (районные), охватывающие группу объектов (рис. 1.2, е); системы водоснабжения одного объекта;

-по природным источникам водоснабжения — системы, ис­пользующие воду поверхностных источников (рис. 1.2, а, г, е, ж, з); системы, использующие подземные воды (рис. 1.2, б, в, д);

-по кратности использования воды — прямоточные системы (рис. 1.2, ж); системы с последовательным использованием воды (рис. 1.2, ж); оборотные системы водоснабжения (рис. 1.2, з);

-по способам подачи воды — самотечные системы (гравита­ционные); с механической подачей воды (нагнетательные);

-по видам потребителей — системы хозяйственно-питьевого водоснабжения; производственного водоснабжения, противопо­жарного водоснабжения; поливочные; многофункциональные, ох­ватывающие несколько видов потребителей.

На рис. 1.3 представлены примеры наиболее распространен­ных схем систем водоснабжения, где вода на хозяйственно-пить­евые нужды, поливку и пожаротушение подается по единой (многофункциональной) системе, а для технологических нужд промышленных предприятий — по различным вариантам: а — все группы потребителей, в том числе и предприятия, обслужи­ваются единой системой; б — технологические процессы пред­приятия, не требующие воды питьевого качества, удовлетворяют свой спрос на техническую воду через обособленную систему технического водоснабжения; в — техническая вода для пред­приятия подается единой насосной станцией 1-го подъема; г — то же, с установкой на НС-1 отдельной группы насосов для пода­чи воды на предприятие

В соответствии со СНиП 2.04.02—84 выбор системы водо­снабжения и ее схемы следует производить на основании сопо­ставления возможных вариантов ее осуществления с учетом требуемых расходов воды на различных этапах их развития, источников водоснабжения, требований к напорам, качеству воды и обеспеченности ее подачи. Сравнение вариантов должно выполняться по приведенным затратам, руб.:

П = Е_нК + С, (1.12)

где Е_н = 0,12...0,15 — отраслевой нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; К — капитальные вложе­ния, руб.; С — годовые эксплуатационные затраты, руб.

Сравниваемые варианты систем водоснабжения должны удов­летворять минимальным требованиям потребителей. Разница в производственном эффекте должна учитываться в приведенных затратах. В приведенные затраты могут не включаться затраты по элементам и сооружениям, одинаковым в сравниваемых вариантах. Выбирают вариант, имеющий минимальные значения приведенных затрат.

Системы водоснабжения по степени обеспеченности подачи воды подразделяют на три категории (СНиП 2.04.02—84):

I — допускается снижение подачи воды на хозяйственно-питьевые нужды не более 30% расчетного расхода и на произ­водственные нужды — до предела, устанавливаемого аварийным графиком работы предприятий; длительность снижения подачи не должна превышать 3 сут. Перерыв в подаче воды или подача ниже указанного предела допускается на время выключения поврежденных и включения резервных элементов системы (обо­рудования, арматуры, сооружений, трубопроводов и т. д.), но не более чем на 10 мин;

II — величина допускаемого снижения подачи воды та же, что и I категории; длительность снижения подачи не должна превышать 10 сут. Перерыв в подаче воды или подача ниже указанного предела допускается на время выключения поврежденных
и включения резервных элементов или проведения ремонта, но не более чем на 6 ч;

III — величина допускаемого снижения подачи воды та же, что и при I категории; длительность снижения подачи не должна превышать 15 сут. Перерыв в подаче воды или подача ниже указанного предела допускается на время проведения ремонта, но
не более чем на 24 ч.

Объединенные хозяйственно-питьевые и производственные во­допроводы населенных пунктов при числе жителей в них более 50 тыс. человек следует относить к I категории; от 5 до 50 тыс. человек — ко II категории; менее 5 тыс. человек — к III кате­гории.

Элементы систем водоснабжения II категории, повреждения которых могут нарушить подачу воды на пожаротушение, должны относиться к I категории.

1.3. Режимы водопотребления и работы систем водоснабжения

При расчете систем водоснабжения необходимо учитывать не только изменения расходования воды потребителями по дням в течение года, но и изменения, происходящие в отдельные периоды суток.

Водопотребление жителями населенных пунктов является случайным процессом изменения расходов воды во времени, причем особенностью этого водопотребления является то, что не сама система водоснабжения удовлетворяет случайный спрос потребителей на воду, а потребители сами через эту систему удовлетворяют (или пытаются удовлетворить) свою потребность в воде. Оперативно и с требуемой степенью точности прогно­зировать случайный процесс водопотребления в течение суток в настоящее время не представляется возможным. Поэтому рас­пределение расходов воды по часам суток производится на осно­вании расчетных графиков водопотребления, которые могут быть получены путем изучения и анализа действительных графиков водопотребления населенных пунктов. Для вновь проектируемых систем используют аналоги графиков водопотребления тех горо­дов, которые в наибольшей мере близки (по численности насе­ления, санитарно-техническому благоустройству зданий, клима­тическим условиям, социальной инфраструктуре и другим фак­торам) проектируемому населенному пункту.

Для наиболее точного отображения реального режима водо­потребления желательно иметь возможно большее число графи­ков водопотребления аналогичных объектов за возможно более длительные сроки. Каждый из графиков, зарегистрированный в ходе наблюдений, является лишь одной из возможных реализа­ций случайного процесса. На рис. 1.4 дан пример такого графика для города с численностью населения 100 тыс. человек и удель­ной нормой водопотребления 300 л/сут на человека.

Процесс водопотребления в течение часа также является неравномерным. Однако на практике установлено, что изменение водопотребления в течение часа, как правило, не оказывает заметного влияния на обеспечение водой потребителей. Это по­зволяет при проведении инженерных расчетов перейти от факти­ческих непрерывных случайных графиков водопотребления (рис. 1.4, линия 1) к расчетным ступенчатым графикам потребления воды, условно приняв равномерным режим водопотребле­ния в течение часа (рис. 1.4, линия 2).

Существуют различные методы описания процессов водопо­требления в течение суток. В современной практике проектиро­вания данные о режиме водопотребления представляют в таблич­ной, интегральной, аналитической или графической форме. Во всех случаях для этого используют коэффициенты часовой нерав­номерности водопотребления:

максимальный, по сути своей являющийся отношением макси­мального часового расхода воды к среднему часовому в сутки максимального водопотребления,

минимальный — отношение минимального часового расхода воды к среднему часовому в сутки минимального водопотреб­ления

Коэффициент α учитывает степень санитарно-технического благоустройства зданий, режим работы предприятий и другие местные условия. Его принимают равным αmax=1,2...1,4; αmin=0,4...0,6.

Коэффициент β учитывает влияние числа жителей в населен­ном пункте (табл. 1.7).

В табл. 1.8 представлены примеры режимов хозяйственно-питьевого водопотребления населенных пунктов в течение суток в зависимости от максимального часового коэффициента нерав­номерности водопотребления.

Абсолютное значение расхода воды Qi-j, м³/ч, в час i-j определяют по формуле

где αi-j - водопотребление в час i-j, %, при соответству­ющем значении Кчтах (табл. 1.8); Q _сутMAX — максимальный су­точный расход воды, м³/сут, определяемый по формуле (1.10).

При отсутствии данных о распределении расходов воды по часам суток могут быть определены часовые расходы: максимальный в сутки максимального водопотребления

Qч max ⁼ КчmaxQcyT max/24; (1.16)

минимальный в сутки минимального водопотребления

Qч min ⁼ КчminQcyT min/24. (1.17)

Режим водопотребления предприятиями складывается из режимов потребления соответствующих групп потребителей на нем.

Режим расходования воды на технологические нужды зависит от технологии производства и, как правило, задается техноло­гами.

Режим потребления воды на хозяйственно-питьевые нужды работающих определяют посменно. Абсолютные значения расхо­дов воды по часам смен могут быть найдены через относительные их значения, представленные в табл. 1.9.

Потребление воды на принятие душа осуществляется в пер­вый час последующей смены.

Режим поливочного водопотребления является неслучай­ным и управляемым. Принимают, как правило, 1—2 поливки в сутки общей продолжительностью 6...8 ч. Режим поливочного водопотребления принимают равномерным в течение принятой продолжительности поливки. Часы поливки не должны совпа­дать с часами максимального водопотребления или образовы­вать их.

Общий режим отбора воды из системы водоснабжения складывается из режимов водопотребления соответствующих групп потребителей воды.

В табл. 1.10 представлен пример определения режима водопотребления городом, обслуживаемым единой системой водоснаб­жения. На рис. 1.5 дано графическое изображение этого режима с выделением режимов отбора воды на различные нужды.

Система водоснабжения должна быть рассчитана на макси­мальный часовой расход воды в сутки максимального водопо­требления (в табл. 1.10 час 9—10).

Так как пожары в городе (расчетное их количество) являются событием неординарным и относительно редко происходящим, в расчетный часовой расход воды не включаются требуемые противопожарные расходы. Однако система водоснабжения должна быть проверена на пропуск расхода воды для тушения пожаров в часы максимального водопотребления (три смежных максимальных часа). При этом допускаются некоторые ограни­чения в подаче воды другим потребителям и неэкономичная работа системы.

Режим работы системы водоснабжения в целом и отдель­ных ее элементов и сооружений зависит от режима водопотреб­ления.

В связи с тем, что при очистке воды используются сложные физико-химические процессы, а также из экономических сообра­жений режим работы очистных сооружений и элементов, распо­ложенных в технологической цепочке водоснабжения объекта до них (водозаборные сооружения, включая насосные станции первого подъема), принимают равномерным в течение суток. Расчетным для них является среднечасовой расход воды в сутки максимального водопотребления с учетом расходов воды на соб­ственные нужды.

Режим работы насосных станций второго подъема стремятся максимально приблизить к режиму водопотребления. На практи­ке принимают двух-, реже трехступенчатый режим их работы.

Режим работы резервуаров чистой воды является производ­ным от режимов работы очистных сооружений и насосной стан­ции второго подъема, режим работы водоводов, водопроводной сети и водонапорной башни — от режимов работы насосной стан­ции второго подъема и водопотребления объектом.

1.4. Вместимость бака водонапорной башни и резервуаров чистой воды

Режим работы насосной станции второго подъема, как пра­вило, достаточно близок режиму водопотребления. Однако эти режимы полностью не совпадают. Существуют часы (рис. 1.6), когда подача насосной станции второго подъема больше водо­потребления городом или, наоборот, водопотребление превышает подачу насосной станции. Для компенсации несоответствия ре­жима работы насосной станции второго подъема и режима водопотребления городом в системе водоснабжения предусматри­вают водонапорную башню.

Полная вместимость водонапорной башни Wвб, м³, состоит из регулирующего объема W_p и неприкосновенного десятиминут­ного противопожарного запаса воды W_п для тушения одного на­ружного и одного внутреннего пожара:

W_вб=W_р+W_п. (1.18)

Регулирующий объем W_p определяют, сопоставляя режимы водопотребления и работы

насосной станции второго подъема. Регулирующий объем водонапорной башни W_p, м³, соответ­ствует максимальному остатку воды α_max, %, в баке:

В табл. 1.11 показан пример определения регулирующего объема бака водонапорной башни. В графу 2 вносят ранее опре­деленный (см. табл. 1.10) режим водопотребления городом, в графу 3 — принятый режим работы насосной станции второго подъема. Сопоставляя значения подачи и расходования воды в каждый час, вычисляют значения расходов воды, поступающей в бак или уходящей из него, и заносят соответственно в 4-ю или 5-ю графу, Остаток воды в баке начинают рассчитывать с послед­него часа самого продолжительного и объемного периода расхо­дования воды из бака (час 11 - 12 периода с 8 до 12 ч). Предпо­лагается, что в этот час остаток воды равен нулю. Значения остатка воды в остальные часы определяют путем прибавления значений графы 4 или вычитания значений графы 5. Максималь­ный остаток воды в рассмотренном примере имеет место в час 3 - 4 и составляет αmax = 3,09 %.

Если после определения значений остатка воды в баке оказа­лось, что некоторые их значения имеют знак «—», то максималь­ный остаток воды в баке αmax определяют как сумму по абсо­лютной величине максимального значения остатка со знаком «+» и максимального со знаком «—».

Десятиминутный противопожарный запас воды Wп, м³, опре­деляют по формуле

где qпн – расход воды на тушение одного наружного пожара, л/с, определяемый по табл. 1.3; qпв – расход воды на тушение одного внутреннего пожара, л/с, определяемый по СНиП 2.04.01-85; изменяется в пределах от 2,5 до 7,5 л/с для жилых и общественных зданий и от 5 до 20 л/с для производственных.

Вместимость резервуаров чистой воды. В технологической цепочке водоснабжения города имеет место еще одно несоответствие режимов: равномерного режима работы очистных сооружений (линия 1 на рис. 1.7) и ступенчатого режима работы насосной станции второго подъема (линия 2). Для компенсации несоответствия этих режимов необходима регулирующая емкость, каковой и являются резервуары чистой воды. В часы, когда из очистных сооружений поступает воды больше, чем откачивает насосная станция второго подъема (часы 0-5 на рис 1.7), избыток ее аккумулируется в резервуарах. В часы, когда изочистных сооружений поступает прежнее количество воды, а откачка насосной станции

увеличилась (часы 5—24), недоста­ющие расходы воды поступают из резервуаров чистой воды.

Для примера, изображенного на рис. 1.7, необходимый регу­лирующий объем резервуаров чистой воды, м³, равен

W_p= (4,17-2,6)·5=7,85 %от Qсут max. (1.21)

Полный объем резервуаров чистой воды, W_pчe, м³, должен включать кроме регулирующего объема W_p также запас воды на тушение пожаров W_n0ж и запас воды на собственные нужды очистных сооружений W_cн, т. е.

Противопожарный запас W_пож, м³, определяют, исходя из необходимости тушения расчетных пожаров в течение трех (иногда двух, см. § 1.1) часов максимального водопотребления с учетом поступления воды в резервуары чистой воды из очист­ных сооружений на протяжении всего периода тушения пожаров:

где tпож - расчетная продолжительность тушения пожаров, ч; Q_пож — расчетный противопожарный расход воды, м³/ч; ΣQ_max — максимальная сумма расходов воды в смежные часы принятого периода тушения пожаров, включающая час максимального водопотребления, м³/ч; Q_oc — расход воды, поступающей в резер­вуары чистой воды из очистных сооружений в период тушения пожаров, равный среднечасовому расходу воды в сутки макси­мального водопотребления Q_cyт max/24, м³/ч.

Запас воды на собственные нужды очистных сооружений Wсн определяют в зависимости от технологии обработки воды, типа применяемых сооружений и др. При использовании на очи­стных сооружениях скорых фильтров и контактных осветлителей запас воды в резервуарах должен приниматься на одну допол­нительную промывку фильтров или осветлителей. Ориентиро­вочно в этом случае запас воды может быть принят в размере 5...8 % от максимального суточного водопотребления Q_сутmax.

Общее количество резервуаров чистой воды должно быть ие меиее двух. При отключении одного резервуара в остальных должно храниться не менее 50 % требуемого пожарного запаса воды.

При отсутствии полных данных о режимах водопотребления и работы насосной станции второго подъема регулирующие объемы W_P, м³, водонапорных башен и резервуаров чистой воды могут быть определены по формуле

где Q_сутmax расход воды в сутки максимального водопотреб­ления, м³/сут; Кн — отношение максимальной часовой подачи воды в регулирующую емкость при станциях водоподготовки, насосных станциях или в сеть водопровода с регулирующей емкостью к среднему часовому расходу в сутки максимального водопотребления; К_ч — коэффициент часовой неравномерности отбора воды из регулирующей емкости или сети водопровода с регулирующей емкостью, определяемый как отношение макси­мального часового отбора к среднему часовому расходу в сутки максимального водопотребления.

1.5. Свободные напоры

Минимальный свободный напор Нсв min, м, в сети водопровода населенного пункта при максимальном хозяйственно-питьевом водопотреблении на вводе в здание над поверхностью земли дол­жен приниматься исходя из расчета 10 м для одноэтажной за­стройки плюс 4 м на каждый последующий этаж:

Hcв min = 10 + 4 (n - 1), (1.25)

где п — этажность основной застройки населенного пункта (мик­рорайона).

Для отдельных многоэтажных зданий или их группы, распо­ложенных в районах с меньшей этажностью застройки или на возвышенных местах, допускается предусматривать местные насосные установки для повышения напора. В часы минималь­ного водопотребления напор на каждый этаж, кроме первого, допускается принимать равным 3 м.

Свободный напор в сети у водоразборных колонок должен быть не менее 10 м. Свободный напор в наружной сети произ­водственного водопровода должен приниматься по технологиче­ским данным. Свободней напор в наружной сети хозяйственно-питьевого водопровода у потребителей не должен превышать 60 м. При напорах в сети более 60 м для отдельных зданий или районов следует предусматривать установку регуляторов давле­ния или зонирование системы водоснабжения.

Давление в наружной сети объединенной хозяйственно-пить­евой и противопожарной системы водоснабжения зависит от типа принятой системы пожаротушения.

При системе пожаротушения низкого давления, предусматри­вающей тушение пожаров с помощью пожарных машин, свобод­ный напор в водопроводной сети должен быть не менее 10 м. Такое давление исключает возможность образования в сети вакуума, а значит, и подсоса нечистот в систему через неплот­ности в сети при отборе воды пожарными машинами. Системы пожаротушения низкого давления предусматривают в населен­ных пунктах, имеющих профессиональную пожарную охрану.

В населенных пунктах с численностью до 5 тыс. человек, в которых не предусматривается профессиональная пожарная ох­рана, противопожарный водопровод должен приниматься высо­кого давления. Эта система пожаротушения предусматривает подключение пожарных рукавов непосредственно к водопровод­ной сети. В таком случае свободный напор должен обеспечивать высоту компактной струи не менее 10 м при полном расходе воды на пожаротушение и расположении пожарного ствола на уровне наивысшей точки самого высокого здания. В случае аварии од­ного из элементов системы подачи и распределения воды (на­соса на насосной станции, участка водопроводной сети и пр.) свободный напор в сети должен быть не менее 10 м.

1.6. Характерные случаи работы и расчета систем подачи и распределения воды

В систему подачи и распределения воды входят насосные станции, водоводы, водопроводные сети и напорно-регулирующие емкости.

Характерные режимы работы системы подачи и распределе­ния воды, а значит, и соответствующие расчетные случаи зависят от их структуры, в том числе месторасположения водонапорной башни.

Водонапорную башню в системе хозяйственно-питьевого водо­провода с целью уменьшения высоты ее ствола располагают в самой высокой точке естественного рельефа территории насе­ленного пункта или в ближайших его окрестностях. При этом дополнительные затраты, связанные с размещением водонапор­ной башни в самой высокой точке (удлинение водоводов, строи­тельство дорог и т. д.), не должны превышать экономию средств, связанных с уменьшением высоты ствола водонапорной башни.

Характерные случаи работы сети зависят от месторасполо­жения водонапорной башни в системе водоснабжения.

При расположении водонапорной башни в начале сети (см. рис. 1.2, а, б, д и рис. 1.3, б) система подачи и распределе­ния воды должна быть рассчитана на максимальный часовой расход воды в сутки наибольшего водопотребления (случай максимального водоразбора) и проверена на пропуск дополни­тельного противопожарного расхода воды в час максимального водоразбора (случай максимального водоразбора при пожаре).

При расположении водонапорной башни в конце сети (систе­ма с контррезервом) или в ее середине (см. рис. 1.2, а, в, г и рис. 1.3, а, в, г) к вышеназванным обязательным расчетным слу­чаям добавляется случай максимального транзита воды в баш­ню. Характерным и обязательным расчетным случаем он являет­ся потому, что л часы, когда насосная станция второго Подъема подает максимальный расход воды, а отбор воды из сети в этот период минимальный (час 23 — 24 в табл. 1.11 и на рис. 1.6), избыточное количество воды (1,14% от Qсут max в табл. 1.11) проходит транзитом через всю сеть и поступает в водонапорную башню. При этом расходы воды в конечных участках сети будут больше, чем в час максимального водоразбора, т. е. будут рас­четными. Таким образом, при расположении водонапорной баш­ни в конце или в середине сети система подачи и распределения воды должна быть рассчитана на случаи максимального водо­разбора и максимального транзита воды в башню и проверена на пропуск противопожарного расхода воды в час максимального водоразбора.

Кроме того, СНиП 2.04.02—84 требует расчета системы по­дачи и распределения воды в сутки минимального водопотреб­ления на минимальный часовой расход.

Иногда возникает необходимость поверочных расчетов на слу­чай аварии одного из элементов системы подачи и распределения воды (насоса, водовода, участка магистральной водопроводной сети и пр.).