Politechnika Warszawska

Wydział Inżynierii Środowiska

Projekt Wodociągi

Wykonał: Tomasz Wrzosek gr. ISiW2

Warszawa 2010

1. Obliczenie charakterystycznego wskaźnika zużycia wody

Zadanie to polegało na obliczeniu charakterystycznych wielkości zapotrzebowania na wodę dla miasta, które w okresie perspektywicznym będzie liczyło 57000 mieszkańców. Miasto będzie posiadało zabudowę wielorodzinną niską i wysoką oraz zabudowę jednorodzinną. Dla zabudowy wielorodzinnej wysokiej przewiduje się zagospodarować nowe tereny, na których zamieszka 30% mieszkańców. Mieszkania na tym obszarze będą wyposażone w wodociąg, kanalizację, wc i łazienkę z centralnym doprowadzeniem ciepłej wody. Na obszarze zabudowy wielorodzinnej niskiej zamieszka 35% mieszkańców. Na terenie zabudowy jednorodzinnej zamieszka 35% mieszkańców. Mieszkania będą wyposażone w wodociąg, kanalizację, wc i łazienkę z lokalnymi urządzeniami do podgrzewania wody. Przewiduje się, że w okresie perspektywicznym 100% mieszkań zostanie podłączonych do sieci wodociągowej i kanalizacyjnej. Według danych planu przestrzennego zagospodarowania przewiduje się niewielki rozwój usług i przemysłu dostosowany do rozwoju miasta wyrażonego wzrostem liczby mieszkańców.

Sprzedaż wody w mieście (dane z Urzędu Gminy)

Rok	Liczba mieszkańców w mieście	Liczba mieszkańców korzystających z wodociągów w mieszkaniu w % ogólnej liczby mieszkańców	Sprzedaż wody w mieście tyś. m^3/rok dla
			gospodarstw domowych
2002	32800	75	1386,6
2003	36736	78	1530,1
2004	39675	80	1610.2
2005	41659	82	1663,6
2006	44158	85	1796,3

Kolejnym punktem projektu jest ustalenie jednostkowych wskaźników zużycia wody w okresie perspektywicznym. Do wykonania tego punktu należy przeanalizować wartości tych wskaźników dla lat poprzednich. Do tychże obliczeń wykorzystano następujące wzory:

1. wskaźnik zużycia wody w gospodarstwach domowych

gdzie:

M_k – liczba mieszkańców korzystających z wodociągu

1. wskaźnik zużycia wody dla przemysłu

gdzie:

M- całkowita liczba mieszkańców

1. wskaźnik zużycia wody dla innych odbiorców

gdzie:

M- całkowita liczba mieszkańców

Wyniki obliczeń zostały przedstawione w formie tabelarycznej:

Rok	Liczba mieszkańców w mieście	Liczba mieszkańców korzystających z wodociągów w mieszkaniu w % ogólnej liczby mieszkańców	Sprzedaż wody w mieście tyś. m^3/rok dla
			gospodarstw domowych
2002	32800	75	0,154
2003	36736	78	0,150
2004	39675	80	0,147
2005	41659	82	0,144
2006	44158	85	0,140

Wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na wodę zależny jest od wielu różnych czynników.

Dla gospodarstw domowych tymi czynnikami są:

• Sposób przygotowania ciepłej wody. Ilość pobieranej wody jest różna dla centralnego doprowadzenia ciepłej wody, czy też lokalnego urządzenia do podgrzewania wody.

• Zużycie wody zależne jest także od liczby urządzeń sanitarnych. W planach przyjmujemy, że wszystkie mieszkania będą należały do III, IV lub V klasy, to znaczy, że będą wyposażone w zlewozmywak, miskę ustępową, wannę lub natrysk (czasami oba te urządzenia), umywalkę, pralkę automatyczną oraz niektóre z nich w zmywarkę.

• Zmniejszenie się zużycia wody w wyniku zastosowania szczelnych i wydajnych konstrukcji armatury.

• Obecność wodomierzy, według których będą pobierane opłaty za wodę, spowodują oszczędniejsze korzystanie z jej zasobów.

Natomiast dla przemysłu wskaźnik ten jest zróżnicowany ze względu na gałęzi przemysłu które występują w danym mieście.

Analizując uzyskane wyniki można stwierdzić, iż jednostkowe zużycie wody dla każdej z grup odbiorców spadało, dlatego można się spodziewać, że w kolejnych rocznikach będzie nadal spadać. Wobec tego zaproponowano w okresie perspektywicznym następujące wskaźniki:

Analizując uzyskane wyniki można stwierdzić, iż jednostkowe zużycie wody dla każdej z grup odbiorców spadało, dlatego można się spodziewać, że w kolejnych rocznikach będzie nadal spadać. Wobec tego zaproponowano w okresie perspektywicznym następujące wskaźniki:

1. dla gospodarstw domowych

1. zabudowa wysoka – 140

2. zabudowa niska – 100

3. zabudowa jednorodzinna 110

1. Usługi i inni odbiorcy wody – 10

2. Przemysł – 20

Kolejnym punktem zadania jest dobranie wartości współczynników zapotrzebowania na wodę. Przyjmuje się także, że straty wody wynoszą tyle samo co 10% średniego dobowego zapotrzebowania na wodę dla całego miasta, zaś na cele techniczne zużywane jest tyle ile wynosi 5% średniego zapotrzebowania miasta na wodę .

Inne wielkościami które należy ustalić to współczynniki nierównomierności dobowej (N_d) i godzinowej( N_h ). W tabeli poniżej zostały zamieszczone wielkości jakie przyjmują te współczynniki.

Wskaźniki zostały dobranej wg tabeli

Odbiorcy wody	Współczynnik nierównomierności dobowej Nd	Współczynnik nierównomierności godzinowej Nh
Mieszkalnictwo wielorodzinne jednorodzinne	1,3 – 1,5 1,5 – 2,0	1,4 – 1,6 2,5 – 3,0
Usługi i inni odbiorcy	1,3	2,8 – 3,0
Przemysł	1,15 - 1,2	1,25 – 1,50

Zarówno dla strat wody jak i celów technologicznych współczynniki nierównomierności dobowej i godzinowej przyjmują wartość 1,0. Zostaje więc tylko ustalenie pozostałych wskaźników. Dla gospodarstw domowych przy zabudowie wysokiej i niskiej wskaźniki te są zależne od liczby mieszkańców znajdujących się w danej grupie. Tak więc ponieważ planowo w mieście będzie mieszkać 57000 osób, z czego 30% (17160 osób) w zabudowie wielorodzinnej wysokiej (wskaźniki dla tej grupy mieszkańców przyjmować będą następujące wartości: N_d=1,4 i N_h=1,5)

i 35% (20020 osób) w zabudowie wielorodzinnej niskiej (wskaźniki dla tej grupy mieszkańców przyjmować będą następujące wartości: N_d=1,4 zaś N_h=1,5).

Tak więc współczynniki te będą odpowiednio przyjmowały wartości:

Grupa odbiorców	Nd	Nh
zabudowa wysoka	1,4	1,5
zabudowa niska	1,4	1,5
zabudowa jednorodzinna	1,7	2,7
usługi	1,3	2,9
przemysł	1,2	1,8
straty wody	1,0	1,0
cele technologiczne	1,0	1,0

Średnie dobowe zapotrzebowanie na wodę

Q_śr – średnie dobowe zapotrzebowanie na wodę przez daną grupę odbiorców [m³/d]

q – jednostkowy wskaźnik zapotrzebowania na wodę przez daną grupę odbiorców [m³/d*M_K]

M – liczba odbiorców wody

Obliczenie maksymalnego dobowego zapotrzebowania na wodę:

Q_{d max} – maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę przez daną grupę odbiorców [m³/d]

Q_{d śr} – średnie dobowe zapotrzebowanie na wodę przez daną grupę odbiorców [m³/d]

N_d – współczynnik nierównomierności dobowej dla danej grupy odbiorców

Następnie, według zasad takich jak przy doborze współczynników nierównomierności dobowej, dobrano współczynniki nierównomierności godzinowej N_h, które skorygowano po obliczeniu zapotrzebowania na wodę w godzinie maksymalnego rozbioru wody na mieście Q’_{h, max}. Obliczenia Q’_{h, max} dokonano według tabeli poniżej, w której przedstawiono zapotrzebowanie na wodę w poszczególnych godzinach doby przez różne grupy odbiorców. Q’_{h, max} zostało wybrane dla godziny, w której jest największe zapotrzebowanie na wodę, w naszym przypadku jest to między godziną 17 a 18.

Natomiast przy obliczaniu maksymalnego godzinowego zapotrzebowania na wodę Q_h,max skorzystano ze wzoru:

Q_{h max} – maksymalne godzinne zapotrzebowanie na wodę przez daną grupę odbiorców [m³/h], [l/s]

Q_{d max} – maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę przez daną grupę odbiorców [m³/d]

N_h – współczynnik nierównomierności godzinnej dla danej grupy odbiorców

Zestawienie wyników obliczeń charakterystycznych wielkości zapotrzebowania na wodę maksymalnego godzinowego zapotrzebowania na wodę przedstawione zostały w w załącznikach nr 1 i 2.

1. Obliczania wymaganej pojemności wyrównawczej i wymiarów zbiornika sieciowego.

Zadanie polega na obliczeniu wymaganej pojemności wyrównawczej i wymiarów zbiornika sieciowego dla wodociągu o maksymalnej dobowej wydajności i rozkładzie godzinowego rozbioru wody w dobie maksymalnego zapotrzebowania wody.

Zbiornik wyrównawczy to urządzenie w kształcie walca, które przeznaczone jest do gromadzenia wody czystej. Jego rolą może być:

• tworzenie zapasu wody czystej w celu zaspokojenia zmiennego w ciągu doby zapotrzebowania n wodę w obszarze objętym zasięgiem wodociągu.

• gromadzenie wody na wypadek pożaru

• wyrównywanie ciśnienia w sieci wodociągowej

• zachowanie rezerwowego zapasu wody na wypadek awarii urządzeń i przerwy w

systemie dystrybucji.

Metoda analityczna

Zakładamy, że pompy doprowadzające wodę do sieci pracują ze stałą wydajnością przez 24h / dobę. Wynika z tego, że w ciągu jednej godziny do sieci jest wpompowywane 4,17% (4,16(6)%) Q_d,max. W godzinach zmniejszonego zapotrzebowania na wodę w mieście woda jest gromadzona w zbiorniku. W godzinach zwiększonego poboru wody przez miasto, woda ze zbiornika jest pobierana, aby zaspokoić zapotrzebowanie miasta na wodę.

Maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę przez miasto wynosi Q_d,max= 12859 m³/d

Dane przedstawia tabela:

Obliczanie pojemności wyrównawczej zbiornika siecowego przy równomiernej 24-godzinnej pracy pomp w ciagu doby
Godziny
0 1
1 2
2 3
3 4
4 5
5 6
6 7
7 8
8 9
9 10
10 11
11 12
12 13
13 14
14 15
15 16
16 17
17 18
18 19
19 20
20 21
21 22
22 23
23 24

Największa ilość wody zostanie zmagazynowana o godzinie 5-6 i będzie wynosić 19,08 % Q_d,max

Pojemność wyrównawczą zbiornika obliczamy:

V_W = 12859 • 19, 08 •  0, 01 = 2453 m³

W celu obliczenia wymiarów zbiornika należy skorzystać ze wzoru:

V_w = H • πR²

Zakładamy:

• H ≤ 10 m

• H ≅ R

• R- liczba całkowita

Przyjmujemy że R=9

Zatem wysokość zbiornika wynosi:

$$H = \frac{V_{w}}{\pi \bullet R^{2}} = \frac{2453}{\pi \bullet 9^{2}} = 9,65\ m$$

Metoda graficzna:

Założenie: zmienna wydajność pomp w ciągu doby. Ustalono, że pompy będą działać przez 16 godzin na dobę, od godziny 6 rano do 22 wieczorem. Będą przepompowywać 6,25% dziennego zapotrzebowania na wodę w ciągu godziny.

W celu wyznaczenia pojemności zbiornika przesuwamy wykres pracy pompy równolegle, tak aby była styczna do krzywej sumowej rozbiorów. Następnie szukamy największej różnicy rzędnych między krzywymi i otrzymujemy poszukiwana wartość pojemności zbiornika wyrażonej w [%] Q_{d max} = 12,4%

Dane przedstawia tabela:

Obliczanie pojemności wyrównawczej zbiornika sieciowego przy 16-godzinnej wydajności 6,25% Qd,max
Godziny
0­1
1­2
2­3
3 4
4 5
5 6
6 7
7 8
8 9
9 10
10 11
11 12
12 13
13 14
14 15
15 16
16 17
17 18
18 19
19 20
20 21
21 22
22 23
23 24

Największą pojemność zbiornika uzyskujemy w godzinach 16 - 17 i wynosi ona 12,13 % Q_dmax, W celu obliczenia wymiarów zbiornika należy skorzystać ze wzoru:

V_w = H • πR² [m³]

V_w= 1594 m³

Gdzie:

Q_d,max=12859 m³/h

Zakładamy że:

• H ≤ 10 m

• H ≅ R

• R- liczba całkowita

Przyjmujemy że R = 8m

Wysokość zbiornika wynosi:

$$H = \frac{V_{w}}{\pi \bullet R^{2}} = \frac{1594}{\pi \bullet 8^{2}} = 7,9\ m$$

Graficzne wyznaczenie pojemności wyrównawczej zbiornika sieciowego przy równomiernej dostawie wody w ciągu doby przedstawiono na wykresie załącznik nr 3.

Wymiary zbiornika wyliczone obiema metodami różnią się. Metoda analityczna jest dokładniejsza niż graficzna obarczona błędami wykreślania krzywych sumowych i odczytu wyników. Obie można wykorzystywać do projektowania wymiarów zbiornika.

1. Ustalenie lokalizacji elementów systemu wodociągowego.
   

Plan zagospodarowania przestrzennego pokazany w załączniku nr 4 przedstawia podział terenu na zabudowę wielorodzinną wysoką (ZW) i niską (ZN), na zabudowę jednorodzinną (ZJ) , na przemysł (P) i usługi (U). Umieszczono na nim również stacje uzdatniania wody, stacje pomp i zbiornik końcowy. Zaprojektowano także rozmieszczenie sieci magistralnej i rozbiorczej oraz węzłów.

Zaprojektowana sieć jest siecią pierścieniową (dwa pierścienie), która charakteryzuje się dużą niezawodnością dostawy wody do odbiorców oraz większą niż w przypadku sieci rozgałęzionych stabilnością ciśnienia.

Wyróżnione zostały trzy rodzaje przewodów: tranzytowe, magistralne oraz rozdzielcze. Przewody magistralne prowadzone są wzdłuż głównych ciągów komunikacyjnych, okalają centrum miasta, służą do zasilania przewodów rozdzielczych. Przewody rozdzielcze natomiast prowadzone są wzdłuż podrzędnych ciągów komunikacyjnych. Do tych przewodów podłączeni są, poprzez połączenia wodociągowe, bezpośredni odbiorcy wody. Przewody tranzytowe są przeznaczone do transportu wody na znacznie odległości. Nie posiadają one odgałęzień ani nie dokuje się z nich rozbiorów wody. Służą do dostarczania wody ze stacji wodociągowej do przewodów magistralnych.

Powierzchnie zostały podane w tabeli na następnej stronie.

1. Schematy obliczeniowe. Obliczenia zaprojektowanej sieci wodociągowej.

W celu przeprowadzenia obliczeń hydraulicznych najpierw obliczono jednostkowe współczynniki rozbioru wody w godzinie maksymalnego zużycia wody przez miasto. Korzystano ze wzorów:

• Dla zabudowy wysokiej

$$q_{\text{zw}} = \frac{Q_{h,\max\left( \text{zw} \right)}}{F_{\text{zw}}} + \frac{{0,2 \bullet Q}_{h,\max\left( u \right)}}{F_{\text{zw}} + F_{\text{zn}} + F_{\text{zj}}} + \frac{Q_{\text{strat}}}{\Sigma F}\text{\ \ }\left\lbrack \frac{l}{s \bullet ha} \right\rbrack$$

• Dla zabudowy niskiej

$$q_{\text{zn}} = \frac{Q_{h,max(zn)}}{F_{\text{zn}}} + \frac{0,2 \bullet Q_{h,max(u)}}{F_{\text{zw}} + F_{\text{zn}} + F_{\text{zj}}} + \frac{Q_{\text{strat}}}{\Sigma F}\text{\ \ }\left\lbrack \frac{l}{s \bullet ha} \right\rbrack$$

• Dla zabudowy jednorodzinnej

$$q_{\text{zj}} = \frac{Q_{h,max(zj)}}{F_{\text{zj}}} + \frac{0,2 \bullet Q_{h,\max{(u)}}}{F_{\text{zw}} + F_{\text{zn}} + F_{\text{zj}}} + \frac{Q_{\text{strat}}}{\Sigma F}\text{\ \ }\left\lbrack \frac{l}{s \bullet ha} \right\rbrack$$

• Dla przemysłu

$$q_{p} = \frac{Q_{h,\max{(p)}}}{F_{p}} + \frac{Q_{\text{strat}}}{\text{ΣF}}\text{\ \ }\left\lbrack \frac{l}{s \bullet ha} \right\rbrack$$

• Dla usług

$$q_{u} = \frac{0,8 \bullet Q_{h,max(u)}}{F_{u}} + \frac{Q_{\text{strat}}}{\Sigma F}\text{\ \ }\left\lbrack \frac{l}{s \bullet ha} \right\rbrack$$

Bilans powierzchni i wszystkie wartości wskaźników przedstawiono w tabeli poniżej.

Bilans powierzchni
Rodzaj zabudowy
Zabudowa wysoka
Zabudowa niska
Zabudowa jednorodzinna
Usługi
Przemysł
SUMA

Przepływy w czasie maksymalnych rozbiorów

Mnożąc powyższe współczynniki przez pole powierzchni danego fragmentu terenu można obliczyć rozbiory liniowe i węzłowe dla przepływów maksymalnych. Następnie ustalono przepływy na początku (przy stacji uzdatniania wody) i na końcu (przy zbiorniku końcowym) według poniższych wzorów.

$$Q_{\text{pocz.}} = \frac{Q_{d,\max}}{24 \bullet 3,6} = \frac{12589}{24 \bullet 3,6} = 148,83\frac{\ l}{s}$$

$$Q_{kon.} = Q_{h,\max} - \frac{Q_{d,\max}}{24 \bullet 3,6} = 262,0 - 148,83 = 113,9\ \frac{l}{s}$$

Wyniki wszystkich obliczeń przedstawiono na schemacie. Schemat ten obejmuje układ geometryczny sieci z podanymi na nim:

• Założonymi kierunkami przepływów wody,

• Punktami zasilania sieci w wodę oraz ilością dostarczanej wody,

• Wartościami rozbiorów odcinkowych i węzłowych,

• Wartościami przepływów początkowych i końcowych na każdym odcinku sieci.

Od obliczonego przepływu początkowego i końcowego odejmujemy po kolei rozbiory węzłowe i liniowe, ustalając kierunki przepływów, aż powstaną miejsca zerowe. Gotowy schemat obliczeniowy sieci wodociągowej w czasie maksymalnych rozbiorów w mieście znajduje sięw załączniku 5.

Przepływy w czasie minimalnych rozbiorów

Obliczając schemat dla sieci wodociągowej w czasie minimalnych rozbiorów należy przeliczyć rozbiory liniowe i węzłowe maksymalne na minimalne za pomocą poniższego wzoru:

$$A = \frac{Q_{h,min}}{Q_{h,max}} = \frac{139,29}{943,27} = 0,148$$

Mnożąc rozbiory maksymalne razy współczynnik A otrzymujemy rozbiory liniowe i węzłowe dla przepływów minimalnych. Następnie od przepływu początkowego (taki jak dla maksymalnych rozbiorów odejmujemy policzone wcześniej rozbiory. Kierunek przepływu jest jednokierunkowy od stacji uzdatniania wody do zbiornika końcowego.

Gotowy schemat obliczeniowy sieci wodociągowej w czasie minimalnych rozbiorów w mieście przedstawiono w załączniku nr 6

Dobór średnic przewodów magistralnych

Średnicę, prędkość oraz jednostkowy spadek ciśnienia dla danego przepływu obliczeniowego odczytujemy z nomogramu do obliczania strat hydraulicznych i natężenia przepływu w rurach żeliwnych i stalowych według Colebrooka i White’a.

Żeby odczytać te wartości należy początkowo założyć prędkość v=1m/s. Wówczas dla tej prędkości i przepływu obliczeniowego dobieramy średnicę (najmniejsza możliwa równa jest 100 mm) i dla tej średnicy oraz przepływu odczytujemy spadek oraz prędkość.

Średnica przewodu wodociągowego policzono z wzoru:

$d = \sqrt{\frac{4 \bullet Q}{\pi \bullet v}}$ [mm]

Gdzie:

Q – natężenie przepływu wody, m³/s

v- średnia prędkość przepływu wody w przewodzie, m/s

Średnia prędkość przepływu wody jest wartością zakładaną, od 0,5 do 2,0 m/s. Zalecana jest prędkość nie większa niż 1,0 m/s.

Całkowite straty ciśnienia przy przepływie wody w przewodach są wynikiem tarcia wewnętrznego cząstek wody(lepkości) i tarcia wody o ścianki przewodu(chropowatość) są to straty liniowe oznaczane jako h_l oraz straty miejscowe h_m, z czego wynika suma strat:

H = h_l + h_m [m]

Wysokość strat ciśnienia obliczono na odcinku przewodu o stałej średnicy i danej długości stosuje się wzór Darcy’ego i Weisbacha:

h_l= $\lambda\frac{\text{l\ }v^{2}}{d\ 2g}$ [m]

gdzie:

l-długość odcinka przewodu, m

λ-współczynnik oporów liniowych, bezwymiarowych

h_l – wysokość strat liniowych, m

g – przyśpieszenie ziemskie, m/s²

v- średnia prędkość przepływu wody w przewodzie, m/s

Jednostkową stratę ciśnienia na odcinku przewodu oblicza się według wzoru:

i= h_l/l [%_o]

Po przekształceniu możemy otrzymać:

i= 0,0827$\text{\ λ}\frac{Q^{2}}{d^{5}}$ [%_o]

Współczynnik oporów liniowych λ wyznacza się ze wzoru Colebrooka i White’a

Gdzie:

k- chropowatość przewodu, m

d- średnica przewodu, m

Re- liczba Reynoldsa, bezwymiarowe

Liczba Reynoldsa wyraża się wzorem:

Re = $\frac{\text{v\ d}}{V}$ [-]

Gdzie:

d- średnica przewodu, m

v- średnia prędkość przepływu wody w przewodzie, m/s

V- współczynnik lepkości kinetycznej wody zależny od temperatury.

Korygowanie przepływów wykonano metodą Crossa. Podstawę tej metody stanowią dwa warunki:

• Suma dopływów w węźle powinna być równa sumie odpływów z każdego węzła,

• Algebraiczna suma strat ciśnienia w każdym pierścieniu powinna być równa 0.

Metoda ta polega na kolejnych przybliżeniach. Przepływy są korygowane w sposób, iż w kolejnych przybliżeniach do przepływu poprzedniego dodawana jest poprawka obliczona ze wzoru:

Postępujemy tak do momentu, aż suma strat ciśnienia w każdym pierścieniu (wartość bezwzględna) będzie mniejsza od 0,5 m. Tabele z obliczeniami zwarte są w załącznikach nr 7 i 8.

Następnie oblicza się przepływy obliczeniowy, są to przepływy miarodajne do zaprojektowania średnic przewodów oraz wyznaczenia strat ciśnienia. Przyjęto, że odcinki przewodów są odcinkami równomiernie wydatkującymi.

Przepływ obliczeniowy wyznacza się ze wzoru:

Q=Q_k+0,55Q_o [l/s]

gdzie

Q_k - natężenie przepływu na końcu odcinka [l/s],

Q_o -rozbiór wody na długości odcinka [l/s].

Ponieważ w tym przypadku zbiornik wyrównawczy jest zbiornikiem końcowym nie wykonano sprawdzenia metodą Crossa schematu obliczeniowego w przypadku wystąpienia pożaru w mieście.

Przepływy w czasie pożaru

Jednakże dokonano obliczeń wartości rozbiorów odcinkowych i węzłowych, zakładając, że pierwszy pożar powstanie w miejscu najbardziej oddalonym i będzie to miejsce zerowe, a drugi będzie w węźle najbliższym ustalonego pożaru. Do tych dwóch punktów dodano po 20 litrów wody dodatkowo. zmniejszając te rozbiory o współczynnik B:

Współczynnik ten należy pomnożyć razy rozbiory maksymalne. Otrzymujemy w ten sposób rozbiory liniowe i węzłowe w czasie pożaru. Przepływ początkowy i końcowy jest taki sam jak dla rozbiorów maksymalnych.

Gotowy schemat obliczeniowy sieci wodociągowej w czasie pożaru w mieście przedstawiono w załączniku nr 9.

1. Zaprojektowanie uzbrojenia sieci wodociągowej.
   

Przy sporządzaniu planu sieci wraz z uzbrojeniem wykorzystano dane dotyczące długości przewodów i ich średnicy. Zaprojektowanie uzbrojenia jest niezbędne ze względu na wykorzystanie i użytkowanie sieci wodociągowej.

Zasuwy: Zasuwy rozmieszczano na przewodach magistralnych w odległościach co 350 m i jeśli dochodziło do zmiany średnicy to na przewodzie o średnicy mniejszej. Na każdym przewodzie rozbiorczym umieszczono zasuwy tak, aby była możliwość odcięcia przewodu jak najmniejszą liczbą zasuw.

Hydranty: Hydranty umieszczano w odległości od siebie nie większej niż 100 metrów, na przewodach rozbiorczych i magistralnych nie większych od 250mm.

Odpowietrzenia i odwodnienia: Odpowietrzenia i odwodnienia umieszcza się na przewodach większych bądź równych 300mm. Odpowietrzenia umieszcza się w wyższym punkcie, a odwodnienia w niższym punkcie przewodu.

Dodatkowe przewody: Umieszczono dodatkowe przewody o średnicy 100mm wzdłuż przewodów magistralnych o średnicy większej bądź równej 300mm, na nich zamontowano również hydranty.

Schemat przedstawia załącznik nr 10.

1. Sporządzenie linii ciśnienia dla zaprojektowanej i zwymiarowanej sieci wodociągowej.

Linię ciśnienia wykreśla się na rysunku profilu podłużnego przewodu. W tym przypadku wybrano najdłuższą drogę od pompowni do zbiornika końcowego

W celu sporządzenia wykresu linii ciśnienia wykorzystano obliczenia wykonane w poprzednim ćwiczeniu. Mianowicie z ostatniego przybliżenia dla odpowiednich odcinków przepisano wartości przepływu obliczeniowego Q_obl., prędkości v, jednostkowego spadku ciśnienia i, strat ciśnienia h_i, średnicę d, długość odcinka L.

Ciśnienie dostateczne obliczono według wzoru:

Gdzie :

n – liczba kondygnacji,

• Dla zabudowy wysokiej n=5,

• Dla zabudowy niskiej n=4.

1 – strata ciśnienia na wodomierzu mieszkaniowym,

2,5 – strata ciśnienia na wodomierzu mieszkaniowym,

(5 ÷ 10) – wymagane ciśnienie na najwyższym, najdalej oddalonym miejscu od zaworu,

(0,8 ÷ 1,5) – straty ciśnienia przy przepływie przez poziome przewody,

(2,8 ÷ 3,0) – wysokość jednej kondygnacji.

Dla zabudowy wysokiej:

Dla zabudowy niskiej i jednorodzinnej

Rzędna ciśnienia dostatecznego jest to suma ciśnienia dostatecznego i rzędna terenu (rzędną terenu odczytano z planu zagospodarowania przestrzennego).

Rz_Cd = Rz_t+H_d [m]

Obliczanie rzędnych linii ciśnienia przy maksymalnych rozbiorach godzinowych rozpoczyna się od węzła najniekorzystniejszego punktu zerowego i kolejno dodawane wartości.

Ciśnienie w węźle jest to różnica rzędnej linii ciśnienia i rzędnej terenu.

H_c= Rz_lc - Rz_t

Należy pamiętać, że ciśnienie w węźle nie może być wyższe niż 60 metrów słupa wody i niższe niż wymagane ciśnienie gospodarcze.

Linię ciśnienia przy minimalnych rozbiorach godzinowych rozpoczyna się od zbiornika wyrównawczego. Rzędną linii ciśnienia w węźle „zbiornik wyrównawczy” otrzymuje się, dodając do znanej rzędnej linii ciśnienia przy rozbiorach maksymalnych godzinowych wysokość wody w zbiorniku. W tym przypadku jest to H=9,65 m.

Rzędną osi przewodu wyznaczono wiedząc, że głębokość pokrycia przewodu warstwą gruntu waha się w granicach od 1,4 m do 1,8 m w zależności od średnicy przewodu i strefy przemarzania gruntu związaną ze strefą klimatyczną. Przyjęto, że warstwa gruntu równa jest 1,8 m. Oś przewodu znajduje się pod powierzchnią terenu o 1,4+0,5d, przy czym d – średnica przewodu.

Tabele obliczeniowe umieszczono w załącznikach nr 11 i 12.

Schemat wykresu linii ciśnieniowej dla sieci wodociągowej, załącznik nr 13.

1. Zaprojektowanie pompowego układu ujęcia wody za pomocą studzien wierconych.

Dane hydrogeologiczne terenu:

• Wysokość ciśnienia piezometrycznego nad spągiem warstwy wodonośnej
  H=43 m

• Miąższość warstwy wodonośnej
  m=25 m

• Współczynnik filtracji
  k_f=13m/d

• Średnica zewnętrzna filtru
  d_z=508 mm

• r=254 mm

• Położenie statycznego zwierciadła w studni pod powierzchnią terenu
  30 m

Celem ćwiczenia jest obliczenie ilości studzien i parametrów ich pracy, opracowanie schematu rozmieszczenia studzien i przewodów tłocznych, obliczenia hudrauliczne przewodów tłocznych, sporządzenie wykresu linii ciśnienia, dobór pomp głębinowych.

Dla studni zupełnej w zbiorniku wody o zwierciadle napiętym korzystano ze wzoru:

[m³/s]

Gdzie:

k_f – współczynnik filtracji gruntu [m/d],

m – miąższość [m],

s – depresja [m],

R – zasięg leja depresji [m],

r – promień studni [m].

Zasięg leja depresji R obliczony został ze wzoru:

[m]

Eksploatacyjna wydajność studni zależy od średnicy i długości filtru, może być określana jako wydajność filtru ze wzoru:

gdzie

Q_f- eksploatacyjna wydajność studni (wydajność filtru) [m³/s],

d_f- średnica zewnętrzna filtru [m],

l_f- długość filtru [m],

v- średnia prędkość wlotowa do filtru studziennego [m/s].

Przez prędkość wlotową rozumie się prędkość przepływu wody podziemnej na granicy między warstwą wodonośną a zewnętrzną powierzchnią filtru. Dopuszczalna prędkość v_dop jest to taka największa prędkość wlotowa, która nie powoduje sufozji mechanicznej gruntu i obsypki, a także kolmatacji chemicznej filtru i przyległej warstwy gruntu. Do obliczenia studzien wodociągowych o długotrwałym działaniu zalecana jest formuła Treulsena:

Wyznaczenie charakterystyki studni.

Ponieważ wykres wydajności studni jest linia prostą, wystarczy wyznaczyć jeden punkt charakterystyki, np. s=5 m,

stąd

Wyznaczenie charakterystyki filtru.

Dopuszczalna prędkość wlotowa do filtru:

$$V_{\text{dop}} = \frac{\sqrt{k_{f}}}{30} = \frac{\sqrt{\frac{13}{86400}}}{30} = 0,000409\ m/s$$

Wyznaczono jeden punkt charakterystyki, np. l=30 m

$$Q_{f} = 2\pi rlV_{\text{dop}} = 2 \bullet 3,14 \bullet 0,254 \bullet 30 \bullet 0,000409 = 0,0203\ \frac{m^{3}}{d}$$

Wykresy obu charakterystyk przedstawia załącznik nr 14.

Obliczenie ekslopatacyjnej wydajności studni.

Długość filtru jest ograniczona miąższością warstwy wodonośnej i może wynosić

l = m – 1 = 24

Zaś wartość Q eksploatacyjnego wynosi:

$$Q_{\text{eks}} = 2\text{πrl}V_{\text{dop}} = 0,0157\frac{m^{3}}{s} = 56,4\ \frac{m^{3}}{h}$$

Depresję przy tej wydajności można ustalić z wykresu charakterystyki studni.

S_eks = 4, 36 m

R_eks = 161 m

Z porównania Q_{d max} = 555 m³/h i Q_eks = 56,4 m³/h otrzymujemy ilość studzien niezbędnych w zespole studzien.

$$n = \frac{555}{56,4} = 10$$

Wydajność pojedynczej studni wyliczamy:

$$Q_{s} = \frac{Q_{d,\max}}{10} = 55,5\ \frac{m^{3}}{h} < 56,4\ \frac{m^{3}}{h}$$

S = 4, 29 m

R = 158 m

Schemat rozmieszczenia studzien przedstawiono w załączniku nr 15.

Ustalenie parametrów pracy studzien.

Ponieważ studnie sąsiednie są położone w odległości mniejsze od ich leja depresji ich rzeczywista wydajność będzie mniejsza i powinna być ustalona w oparciu o wzory uwzględniające współdziałanie studzien.

Oddziaływanie dwóch studni na siebie:

$t_{x} = s - \frac{Q}{2,73 \bullet k_{f} \bullet m}\ \lg\frac{x}{r}$ [m]

t_x – obniżenie zwierciadła wody w studni

x – odległość między dwoma oddziaływującymi studniami

$$\beta_{x} = \frac{s}{\sum_{}^{}{t_{x} + s}}$$

β – współczynnik pomagający obliczyć wydatek studni

Na studnię pierwszą oddziałuje studnia druga i trzecia.

X_1-2 = 70 m

X_1-3 = 140 m

$${t_{1 - 2} = s - \frac{Q}{2,37 \bullet k_{f} \bullet m}\lg\frac{x}{r} = 4,29 - \frac{0,0154}{2,73 \bullet 13 \bullet 25}\lg\frac{70}{0,254} = 0,63m\backslash n}{t_{1 - 3} = s - \frac{Q}{2,37 \bullet k_{f} \bullet m}\lg\frac{x}{r} = 4,29 - \frac{0,0154}{2,73 \bullet 13 \bullet 25}\lg\frac{140}{0,254} = 0,178\ m}$$

$$\beta_{1,2,3} = \frac{s}{t_{1 - 2} + t_{1 - 3} + s} = \frac{4,29}{0,63 + 0,178 + 4,29} = 0,842$$

$${Q'}_{1} = Q \bullet \beta_{1,2,3} = 0,0154 \bullet 0,842 = 0,0130\frac{m^{3}}{h}$$

Tak samo działają studnie numer 3,4,6.

Na studnie drugą oddziałuje również studnia pierwsza i trzecia, odległość między tymi studniami są równie x_2-1 = x_2-3 = 70m (t_2-1 = t_2-3). Tak samo działa studnia nr 5.

t_1 − 2 = t_2 − 1 = t_2 − 3 = 0, 63 m

$$\beta_{2,1,3} = \frac{s}{t_{2 - 1} + t_{2 - 3} + s} = \frac{4,29}{2 \bullet 0,63 + 4} = 0,773$$

$${Q'}_{2} = 0,0154 \bullet 0,773 = 0,0119\frac{m^{3}}{h}$$

Studnie 4, 5, 6 oddziałują na siebie tak samo jak odpowiednio studnie 3, 2, 1 ponieważ jest to układ symetryczny.

Studnia 7 oddziałuje tylko na studnię 8 tak więc:

$$t_{7 - 8} = s - \frac{Q}{2,37 \bullet k_{f} \bullet m}\lg\frac{x}{r} = 4 - \frac{0,0154}{2,73 \bullet 13 \bullet 25}\lg\frac{70}{0,254} = 0,63m\backslash n$$

$$\beta_{7,8} = \frac{s}{t_{7 - 8} + s} = \frac{4}{0,63 + 4} = 0,872\ $$

$${Q^{'}}_{7} = 0,0154 \bullet 0,872 = 0,0134\ \frac{m^{3}}{h}$$

Studnia 7 oddziałuje na studnię 8 i na odwrót. Tak samo zachowują się studnie 9 i 10.

Na koniec sprawdzam czy dobrze dobrałam Q_s za pomocą następującego równania:

$$Q_{u} = 4 \bullet {Q'}_{1} + 2 \bullet {Q'}_{2} + 4 \bullet {Q'}_{7} = 11186\frac{m^{3}}{d} < Q_{d,\max} = 13316\frac{m^{3}}{d}$$

Należało by dobrać jeszcze jedną pompę, albo skorygować poszczególne pompy.

Obliczenia hydrauliczne przewodów tłocznych.

Wymagane ciśnienie na stacji uzdatniania wody (STU) wynosi 7 m nad powierzchnia terenu, pompy w studniach muszą wytworzyć takie ciśnienie by pokryć te wymagania. Zatem, aby obliczyć linię ciśnień na wlocie do stacji uzdatniania, skorzystano ze wzoru:

Rzlc_stu = Rzt + 7 m

Gdzie: Rzt- rzędna terenu która w moim projekcie wynosi 122m zatem,

Rzlc_stu = 122 + 7 = 129 m

Rzędną linii ciśnienia w pozostałych w pozostałych węzłach przewodu tłocznego obliczone zostały wg wzoru:

$$\text{Rzlc}_{i} = \text{Rzlc}_{\text{stu}} + \sum_{}^{}h_{i - \text{st}}$$

∑h_i-st - suma strat ciśnienia na drodze od stacji uzdatniania do punktu i

Suma strat, jak i średnica i straty odcinkowe odczytano z monogramu do wymiarowania sieci wodociągowej.

Aby obliczyć wymaganą wysokość podnoszenia pompy w studni, skorzystano ze wzoru:

H_pw = Rzlc − (Rzt − wysokosc zwierciadla statycznego − s) [m]

Przykładowe obliczenia dla wysokości podnoszenia:

• studni pierwszej:

H_pw1 = 132 − (122−30−4,29) = 44, 29 m dla $Q_{s - 1} = 47\ \frac{m^{3}}{h}$

• studni siódmej:

H_pw7 = 131, 6 − (122−30−4,29) = 43, 89 m dla $Q_{s - 7} = 48,38\frac{m^{3}}{h}$

Dobór pompy.

Dla tych wartości dobrałam pompę SP 77-3 firmy Grundfos. Charakterystyka tej pompy jest przedstawiona w załączniku nr 16. Jest ona dobrana nieco nad wyrost w stosunku do zapotrzebowań jednak pompa tego samego typu o niższych parametrach nie zapewniałaby żadnego zapasu, możliwości zwiększenia wydatku.

Dla potrzebnego strumienia Q odczytano z wykresu wysokość pompowania. Jest ona wyższa niż nam potrzebna należy więc zastosować dławienie.

Wartości wysokości dławienia H_d obliczyłam na podstawie wzoru:

H_d = H_p − H_pw [m]

Gdzie:

H_p – wysokość podnoszenia odczytana z wykresu charakterystyki ,m

H_pw – wymagana wysokość podnoszenia pompy, m

Wartości wysokości dławienia dla pomp wyniosły odpowiednio:

H_d1 = 47, 69 − 44, 29 = 3, 4m

H_d7 = 46, 49 − 43, 89 = 2, 6m

Wszystkie obliczenia zostały przedstawione w tabeli załącznik nr 17.