1. Opis techniczny

Definiowanie danych wejściowych

Podstawowym parametrem służącym do wymiarowania sieci wodociągowej jest określenie zapotrzebowania na wodę. Należy podkreślić, że przy ustalaniu zapotrzebowania na wodę metodą bilansowania potrzeb korzysta się z odpowiednich wartości szczegółowych wskaźników jednostkowego zapotrzebowania na wodę w przeliczeniu na odpowiednią jednostkę odniesienia (mieszkańca jednostki osadniczej, widza w teatrze, łóżko w szpitalu itp.), z uwzględnieniem różnych rodzajów zagospodarowania przestrzennego. Przestrzenne zróżnicowanie zapotrzebowania uzyskuje się poprzez podział jednostki osadniczej na elementarne powierzchnie cząstkowe, na których zlokalizowani mieszkańcy są zaopatrywani w wodę poprzez określony punkt sieci wodociągowej (węzeł) lub odcinek (liniowy fragment rurociągu). Mamy zatem węzłowo lub odcinkowo zorientowaną metodę określania zapotrzebowania na wodę. W praktyce inżynierskiej obie metody są równouprawnione, ale z powodu powszechnego stosowania programów komputowych do hydraulicznego obliczania sieci wodociągowych, metoda węzłowo zorientowana uzyskała zdecydowaną przewagę. Metoda odcinkowo zorientowana niekiedy jest stosowana przy obliczaniu rozdzielczych sieci wodociągowych położonych w obrębie osiedli mieszkaniowych. W przypadku przeprowadzania obliczeń dla „szkieletu” sieci, dla którego podstawą był układ rurociągów magistralnych, stoso­wana jest wyłącznie metoda węzłowo zorientowana.

Przestrzenny rozkład zapotrzebowania na wodę, położenie punktów zasilania i zbiorników wodociągowych determinują wielkość średnic poszczególnych przewodów wodociągowych. Efektywne przeprowadzenie całości obliczeń wymaga wstępnego przyjęcia ich wartości na podstawie wzoru:

Prędkości przepływu wody w przewodach wodociągowych ustala się na podstawie kryteriów ekonomicznych i technicznych. Ekonomiczne kryteria wynikają z faktu, że im mniejsza jest prędkość przepływu, tym mniejsze są straty ciśnienia, co bezpośrednio ma wpływ na koszty pompowania wody. Z kolei ze względów technicznych prędkości poniżej 0,5 m/s nie są korzystne dla utrzymania w czystości przewodów (zachodzi wytrącanie osadów i inkrustracja wewnętrznych ścianek prze­wodów, co ma wpływ na jakość dostarczanej wody), z kolei zbyt duże prędkości przepływu (powyżej 1,5 m/s) wywołują zbyt duże straty ciśnienia (wzrastają koszty pompowania) i mogą potęgować skutki nadzwyczaj niekorzystnego dla sieci zjawiska jakim jest uderzenie hydrauliczne. Dla spełnienia opisanych ograniczeń zaleca się utrzymanie prędkości przepływu w granicach 0,5–0,8 m/s dla rurociągów o średnicach nie przekraczających 300 mm i 0,9–1,5 m/s dla rurociągów o średnicach większych. Można też dla określenia wartości zalecanej prędkości wykorzystać podana wcześniej relację. Podane powyżej wartości prędkości powinny wystąpić przynajmniej raz w ciągu doby (np. w porze godzinowego maksymalnego poboru lub w porze minimalnego godzinowego poboru).

Należy zaznaczyć, że określona w ten sposób wartość średnicy powinna zapewnić również spełnienie wymaganych przez użytkowników wielkości ciśnienia. Zatem można stwierdzić, że zapewnienie odpowiednich parametrów technicznych ma priorytet nad kwestiami ekonomicznymi.

Dobór właściwych wartości średnic przewodów wodociągowych wymaga przyjęcia odpowiednich dla nich natężeń przepływu, które wynikają z wielkości poborów, aktualnej struktury zasilania ze strony pompowni (pierwotne źródła) i ze strony zbiorników (wtórne źródła zasilania). Bilans tych trzech składników w każdym momencie pracy sieci musi się równoważyć, co odbywa się za pośrednictwem przewodów tworzących sieć wodociągową. Przestrzenna i czasowa zmienność poborów wody przez odbiorców powoduje analogiczne skutki dla pompowni i zbiorników oraz dla przewodów wodociągowych. Powoduje to zasadniczą trudność w przyjęciu rozkładu natężeń przepływów, który byłby miarodajny dla określenia wartości średnic rurociągów i wielkości ciśnienia spełniającego wymagania użytkowników. Na podstawie wieloletnich doświadczeń projektowych i obserwacji warunków funkcjonowania istniejących wodociągów przyjęto, że ich wymiarowanie powinno się odbywać przy przyjęciu trzech ekstremalnych wartości poborów wody a mianowicie:

• maksymalnego godzinowego zapotrzebowania na wodę (Qhmax),

• minimalnego godzinowego zapotrzebowania na wodę (Qhmin),

• maksymalnego godzinowego zapotrzebowania powiększonego o pobór na cele przeciwpożarowe (Qhmax + Qppoż).

Literatura przedmiotu podaje różne sposoby wyznaczania minimalnego godzi­no­we­go zapotrzebowania (np. jako iloczyn minimalnego godzinowego zapotrze­bo­wa­nia w dobie o średnim zapotrzebowaniu i współczynnika przyjmowanego w za­kresie 0,5–1) Zgodnie z opisanymi już uk­ła­dami wo­dociągowymi jed­nostronnie zasilanymi (1 pompownia i 1 zbiornik), dla ok­reślenia war­tości ciśnienia konieczne jest przyjęcie odpowiedniego napełnienia zbiornika i tak przy zapotrze­bowaniu Q_hmax przyjmuje się minimalne napełnienie zbiornika, za­wierające objętość rezerwy przeciwpożarowej. Takie przyjęcie zakła­da, że ciśnienie w sieci będzie się kształ­tować na najniższym położeniu, które musi jednak zapew­nić pełny komfort poboru wody. Natomiast dla określenia naj­więk­szych wartości ci­śnienia przyj­muje się za­potrzebowanie Q_hmin i największe, dopusz­czalne napeł­nie­nie zbior­nika. Przyjęcie tych dwóch ekstremalnych przypadków zapotrzebowania na wodę niesie w sobie za­­łożenie, że pozostałe przypadki pobo­rów wody na sieci będą po­śre­dnimi, co przy przy­jętych wysokościach napełnienia zbiornika będzie rów­nież wywoływać pośre­d­nie wysokości ciśnienia. Trzeci przy­pa­dek poboru wody służy do sprawdzenia wa­run­ków funkcjonowania sieci w sy­tuacji nadzwyczajnej, która dopuszcza do czaso­wego obniżenia ciśnienia (poniżej war­tości wymaganej przez odbiorców), ale nie mniej­szej od wielkości określonej odpo­wiednimi prze­pi­sami (wynikającymi z ko­nie­czności zapewnienia pewnego po­ziomu bezpie­czeń­stwa). Dla tego przypadku przyj­muje się napełnienie zbiornika na poziomie dna (rezerwa przeciwpożarowa wykorzystana), a lokalizację pożaru przyjmuje się w najnie­korzy­stniejszym punkcie sieci z punktu widzenia wyzna­czo­nych wysokości ciśnienia dla pierwszego przy­pad­ku obliczeniowego Q_hmax.

Opisane powyżej zasady wyboru natężeń przepływów miarodajnych wraz z odpowiednimi na-pełnieniami zbiornika zakłada, że sieć wodociągowa w każdym z nich pracuje w warunkach us-talonych i z tego powodu opisana metoda może nosić nazwę stanów ustalonych. Z kolei meto-da ta oparta jest na wieloletnich obser­wa­cjach i doświadczeniu wielu poprzednich pokoleń inżynierów i z tego względu moż­na ją też nazwać klasyczną.

W powyższych rozważaniach przyjęto, że sieć jest jednostronnie zasilana. Za­ło­żenie to, niejednokrotnie słuszne w odniesieniu do małych systemów wodo­cią­go­wych, przy systemach większych nie odpowiada już rzeczywistości. Wte­dy ma­my do czynienia z układami wielo-zbiornikowymi, położonymi w różnych częściach jed­­nostki osadniczej i na różnej wysokości. Przyjęcie zdeterminowanych wysokości napełnienia zbiorników (odpowiadających opisanym powyżej wielkościom zapo­trze­bowania na wodę) może powodować przepływy między-zbiornikowe, które ma­jąc na uwadze stałość przyjętych napełnień zbiorników, będą obciążać niektóre przewody sieci, co może powodować niewłaściwy dobór ich średnic. W rzeczy­wi­stości takie przy­jęcie warunków funkcjonowania sieci spowodowałoby, stosownie do obciążenia sie­ci poborami wody, szybkie przemieszczenie pewnych obję­tości wo­dy, usta­lając równowagę hydrodynamiczną odpowiednią do zmienionych napeł­nień zbiorników, ich wysokości położenia oraz parametrów układu rurociągów. Dla­tego też opisana me­to­da kla­syczna w zasadzie może być stosowana dla obliczeń ma­łych sieci jedno­stronnie za­silanych, dla sieci wielostronnie zasilanych zostały opracowane nieco in­ne zasady ich obliczania.

Struktura sieci a metody obliczeniowe

Sieci wodociągowe z punktu widzenia struktury połączeń poszczególnych przewodów można podzielić na sieci:

1. pierścieniowe (oczkowe, obiegowe, obwodowe, zamknięte),

2. promieniste (rozgałęzieniowe, końcówkowe, otwarte),

3. mieszane (kombinowane).

a. b. c.

Przedstawiony na rysunku układ sieci o strukturze pierścieniowej (grube linie) przedstawia system przyległych zamkniętych pierścieni, zapewniających lepszy obieg wody. Charakteryzuje się on możliwością dopływu wody do każdego odbiorcy z co najmniej dwóch kierunków i poprzez tą właściwość ten rodzaj sieci jest bardziej niezawodny w dostawie wody od układu sieci promienistej. Sieć pierścieniowa ponadto zapewnia bardziej wyrównane wartości ciśnienia na całym obszarze jednostki oraz zapewnia częściową amortyzację uderzeń hydraulicznych, ale jej koszty budowy są zdecydowanie wyższe niż sieci promienistej. Sieć promienista jest niekorzystna hydraulicznie, gdyż występują w niej znaczne spadki ciśnienia powodujące dużą różnicę ciśnień w poszczególnych punktach obszaru zasilania, a małe prędkości wody w końcówkach sprzyjają pogorszeniu jakości wody. W przypadku tej sieci, uszkodzenie rurociągu może powodować, w zależności od jego lokalizacji, brak dostawy wody nawet do bardzo dużej części jednostki osadniczej. Sieć promienista stosowana jest często na terenach o roz­proszonej zabudowie oraz jako pierwszy etap budowy sieci wodociągowej. W rzeczywistości najczęściej powstają układy mieszane w obrębie gęstej zabudowy wykonywane są sieci pierścieniowe, na terenach peryferyjnych buduje się sieci promieniste.

Struktura sieci determinuje sposób przeprowadzenia jej obliczeń. W tym celu dla sieci pier-ścieniowej korzysta się ze znanych w fizyce praw Kirchhoffa, które w odniesieniu sieci wodo-ciągowej można ująć w następujący sposób:

• I prawo Kirchhoffa: suma dopływów i odpływów z węzła sieci powinna być równa 0,

• II prawo Kirchhoffa: algebraiczna suma strat ciśnienia w przewodach tworzących pierścień powinna być równa 0.

Stratę ciśnienia dla każdego przewodu można obliczyć przy wykorzystaniu znanej już relacji, a przy przyjęciu określonego kierunku przepływu w poszczególnych prze­wo­dach tworzących oczko za dodatni można określić takie wartości ich natężeń Qoi, że su­ma strat ciśnienia Δhoi dla oczka osiągnie wartość 0, stosownie do relacji.

Wśród wymienionych powyżej metod najbardziej powszechne zastosowanie znajduje metoda Crossa-Łobaczewa i ona będzie bliżej scharakteryzowana. Należy do grupy metod oczkowo zorientowanej i jej zasadniczy trzon polega na obliczaniu w każdym iteracyjnym kroku poprawki natężenia przepływu dla przewodów każ­dego pierścienia według relacji:

Rys. 3 – Rozkład przepływu dla przypadku Qh_max + p. poż.

Rys. 2 – Rozkład przepływu dla przypadku Qh_min.

Rys. 1 – Rozkład przepływu dla przypadku Qh_max.

Wnioski

Niniejsze opracowanie jest planem koncepcyjnym zaprojektowania systemu zaopatrzenia w wodę. Zaprojektowana koncepcja zapewnia dostarczenie wody w wymaganej ilości, pod wymaganym ciśnieniem oraz o należytej jakości. Zapewnione przy wymiarowaniu prędkości samooczyszczania, świadczą o tym, że na sieci nie nastąpi zanieczyszczenie wody – zostanie zapewniona odpowiednia jakość wody.

Prędkości w węzłach wynoszą więcej niż 0,5 [m/s] co spowodowuje że przewody będą posiadały prędkości samooczyszczania. Dodatkowym zabezpieczeniem może być okresowe płukanie danego przewodu jeżeli jego prędkość jest poniżę j wartości 0,5 [m/s]

Ciśnienie w sieci nie przekracza dopuszczalnych wartości. W przypadku gaszenia pożaru, ciśnienie występujące na sieci nie jest wystarczające dla niektórych odbiorców. Jednak takie przypadki występują bardzo rzadko i przez pewien okres dopuszczalny jest spadek ciśnienia na sieci na rzecz zgaszenia pożaru.