15.10.2007
Podstawy wodociągów i kanalizacji
Mgr B. Sajko
Obliczenie zapotrzebowania na wodę - zasady obliczeń.
Nas terenie miast i osiedli miejskich możemy wyróżnić kilka grup odbiorców wody z wodociągu miejskiego, a mianowicie:
gospodarstwa domowe
zakłady usługowe i inne instytucje o charakterze publicznym
zakłady przemysłowo-składowe, zakłady budowlane
odbiorcy wody zużywający wodę do mycia ulic, podlewania zieleni miejskiej, podlewania ogródków działkowych
woda zużywana przez straż pożarną na cele przeciwpożarowe
Przedsiębiorstwa zajmujące się eksploatacją i dystrybucją wody (są to najczęściej zakłady wodociągów i kanalizacji) w swoich rocznych sprawozdaniach zużycia wody wykazują ograniczoną liczbę grup sprowadzającą się do około trzech, a mianowicie:
gospodarstwa domowe
przemysł, budownictwo
usługi, łącznie z innymi odbiorcami
Dla określenia zapotrzebowania brutto oprócz wyżej wymienionych potrzeb musimy uwzględnić wodę zużywaną na potrzeby technologiczne stacji uzdatniania wody oraz wodę na pokrycie strat na sieci (nieszczelności przewodów, awarie) oraz wodę niezbędną do okresowego płukania sieci.
Zużycie wody przez odbiorców ulega dużym wahaniom i zmianom w okresie rocznym. Możemy wymienić kilka czynników mających wpływ na te zmiany:
zmniejszająca się / zwiększająca się liczba mieszkańców w mieście
zmieniający się standard wyposażenia mieszkań w urządzenia sanitarne
charakter miasta (przemysłowy, przemysłowo-rolniczy, rolniczy)
wielkość przemysłu
Duże zmiany zużycia wody występują także w okresach tygodniowych, dobowych, godzinowych.
Przy projektowaniu urządzeń wodociągowych stosuje się następujące określenia charakterystycznych zapotrzebowań:
Qr - przewidywane łączne zapotrzebowanie wody w ciągu roku, [m3]
Qdśr - średnie dobowe zapotrzebowanie, czyli przeciętna z dobowych zapotrzebowań w ciągu roku, [m3/doba]
Qdśr = Qr / 365
Qdmax - maksymalne dobowe zapotrzebowanie, czyli największe z przewidywanych dobowych zapotrzebowań w ciągu roku, [m3/doba]
Qdmax = Qdśr · Nd
Qhśr - średnie godzinowe zapotrzebowanie wody w dobie maksymalnego rozbioru wody, czyli przeciętna godzinowych zapotrzebowań wody w tejże dobie, [m3/h] lub [dm3/s]
Qhśr = Qdmax / 24
Qhmax - maksymalne godzinowe zapotrzebowanie wody, czyli największe z godzinowych zapotrzebowań wody w ciągu doby o maksymalnym zapotrzebowaniu dobowym, [m3/h] lub [dm3/s]
Qhmax = Qdmax · Nh / 24
Tak rozumiane maksymalne zapotrzebowanie wody stanowi podstawę określenia wielkości poszczególnych elementów wodociągu komunalnego:
Qdmax - jest podstawą projektowania i analizy wydajności takich elementów wodociągu, jak:
ujęcia i urządzenia do uzdatniania wody
przewody przesyłowe między ujęciem a stacja uzdatniania wody
pompownie wody na ujęciu i na stacji uzdatniania
przewody przesyłowe ze stacji uzdatniania do zbiorników (początkowych) wody czystej
Qhmax - jest podstawą obliczania pozostałych elementów wodociągu, jak:
pompownie tłoczące wodę do sieci wodociągowej
sieć wodociągowa główna i rozdzielcza
Skalę zmienności zapotrzebowania wody w cyklu rocznym charakteryzują współczynniki nierównomierności:
Nd - współczynnik nierównomierności rozbiorów dobowych (stosunek maksymalnego dobowego zapotrzebowania do średniego dobowego zapotrzebowania w dobie o największym zapotrzebowaniu wody w ciągu roku)
Nd = Qdmax / Qdśr
Nh - współczynnik nierównomierności godzinowych (stosunek maksymalnego godzinowego zapotrzebowania do średniego godzinowego zapotrzebowania w dobie o największym zapotrzebowania wody w roku).
Nh = Qhmax / Qhśr
Podstawą wyjściową do obliczenia zapotrzebowania na wodę dla wodociągu komunalnego jest ustalenie wskaźników jednostkowych zapotrzebowania na wodę na mieszkańca na dobę [dm3/(mieszk dobę)]. Wskaźniki ustala się na podstawie danych statystycznych z miast i osiedli zaopatrzonych w urządzenia wodociągowe, których wielkość i charakter odpowiada wielkości projektowanego wodociągu lub przez analizę zapotrzebowania na wodę na różne cele (woda do picia, na cele gospodarcze, usługowe, przemysłowe itp.).
Liczbę mieszkańców, rodzaj zabudowy, standard wyposażenia mieszkań i terenu ustala się na podstawie planu zagospodarowania przestrzennego.
O wyborze sposobu obliczania zapotrzebowania na wodę decydują:
stadium opracowania
cel opracowania
wymagana szczegółowość informacji
wymagany stopień dokładności obliczeń
Do określenia wielkości zapotrzebowania na wodę wykorzystujemy jednostkowe wskaźniki zapotrzebowania na wodę określające ilość wody w odniesieniu do jednego mieszkańca w mieście (osiedlu) M lub jednego mieszkańca korzystającego z wodociągu Mk i jednostki czasu.
Obliczenie zapotrzebowania na wodę możemy wykonać posługując się jedną z trzech metod:
1) Metoda z zastosowaniem sumarycznego wskaźnika zapotrzebowania na wodę dla celów bytowo-komunalnych i produkcyjnych - w przeliczeniu na jednego mieszkańca w mieście lub jednego korzystającego z wodociągu. Metodę stosuje się w opracowaniach studialnych i koncepcyjnych o charakterze ogólnym, np. przy określaniu planu gospodarki wodno-ściekowej w kraju, w danym regionie lub danej zlewni. Największe różnice mogą wystąpić w potrzebach na cele produkcyjne. Zapotrzebowanie można wyliczyć za pomocą wzorów:
Qdśr = q M + qtech + qstr [m3/d]
Qdmax = q M Nd + qtech + qstr [m3/d]
Qhmax = 1/24 (q M Nd Nh + qtech + qstr) [m3/d]
gdzie:
q - jednostkowy wskaźnik zapotrzebowania na wszystkie cele na obszarze wozpatrywanej jednostki osadniczej objętej zasięgiem wodociągu [m3/(M d)]
M - liczba mieszkańców na obszarze rozpatrywanej jednostki osadniczej objętej zasięgiem działania wodociągu
Nd - współczynnik nierównomierności dobowej dla jednostki osadniczej objętej zasięgiem wodociągu
qtech - zapotrzebowanie na cele technologiczne wodociągu [m3/d]
qstr - straty w sieci wodociągowej [m3/d]
2) Metoda wskaźników scalonych - stosowana w koncepcjach programowych projektów podstawowych budowy i rozbudowy wodociągu dla jednostek osadniczych o charakterze wielofunkcyjnym. Łączne zapotrzebowanie na wodę w tej metodzie stanowi sumę cząstkowych potrzeb określonych grup odbiorców na podstawie jednostkowych wskaźników scalonych. Zapotrzebowanie na wodę przy wykorzystaniu wskaźników scalonych obliczamy wg wzorów:
Qdśr = ΣqMi Mi 10-3 + qP M 10-3 + qU M 10-3 + qtech + qstr [m3/d]
Qdmax = ΣqMi Mi 10-3 Ndi + qP M 10-3 Ndp + qU M 10-3 NdU + qtech + qstr [m3/d]
Qhmaxi = 1/24 Qdmaxi Nhi [m3/h]
gdzie:
qMi - jednostkowy wskaźnik zapotrzebowania na wodę dla danej grupy odbiorców na potrzeby bytowo-komunalne [dm3/(M d)]
qP - jednostkowy wskaźnik zapotrzebowania wody na potrzeby przemysłu [dm3/(M d)]
qU - jednostkowy wskaźnik zapotrzebowania na wodę dla usług [dm3/(M d)]
M - liczba mieszkańców na obszarze rozpatrywanej jednostki osadniczej objętej zasięgiem wodociągu
Ndi - współczynnik nierównomierności dobowej rozbioru na cele przemysłowe
NdU - współczynnik nierównomierności dobowej rozbioru na cele usługowe
qtech - zapotrzebowanie na cele technologiczne wodociągu [m3/d]
qstr - straty w sieci wodociągowej [m3/d]
Qhmaxi - maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę dla grupy odbiorców [m3/d]
Nhi - współczynnik nierównomierności godzinowej rozbioru dla danej grupy odbiorców
Całkowite maksymalne godzinowe i minimalne godzinowe zapotrzebowanie na wodę dla jednostki osadniczej oblicza się uwzględniając niejednoczesność wystąpienia maksymalnych (minimalnych) potrzeb wszystkich odbiorców wody w ciągu tej samej godziny w dobie o maksymalnym zapotrzebowaniu. W tym celu należy ustalić procentowy rozkład godzinowy rozbioru wody przez poszczególne grupy odbiorców wody w ciągu doby o maksymalnym zapotrzebowaniu.
Wielkość zapotrzebowania na wodę w każdej godzinie tej doby oblicza się ze wzoru:
Qh(j) = ΣPi(j) · Qdmaxi 1/100 /suma od i=1 do n
gdzie:
Pi(j) - procent zapotrzebowania na wodę przez danego odbiorcę wody w j-tej godzinie doby o maksymalnym zapotrzebowaniu
Qh(j) - zapotrzebowanie na wodę w j-tej godzinie doby o maksymalnym zapotrzebowaniu [m3/d]
Qdmaxi - maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę przez danego odbiorcę [m3/d]
n - liczba grup odbiorców w j-tej godzinie
Maksymalna i minimalna wartość (w zestawieniu sum rozbiorów w poszczególnych godzinach doby) są wartościami maksymalnego i minimalnego rozbioru godzinowego wody w dobie o maksymalnym rozbiorze dla jednostki osadniczej (Qhmax i Qhmin) (tabela na str. 3.3).
3) Metoda wskaźników szczegółowych - zapotrzebowanie na wodę określa się na podstawie szczegółowych wskaźników jednostkowych dla różnych potrzeb odbiorców występujących na terenie miejskiej jednostki osadniczej. Metoda ta jest najbardziej dokładna, ale zarazem najbardziej pracochłonna. Obliczenie polega na zsumowaniu zapotrzebowań dla poszczególnych odbiorców występujących na danym terenie.
Qdśri = qi Li [m3/d]
Qdmaxi = qi Li Ndi [m3/d]
Qhmaxi = 1/24 qi Li Ndi Nhi [m3/h]
gdzie:
Qdśri - średnie dobowe zapotrzebowanie na wodę przez danego odbiorcę [m3/d]
Qdmaxi - maksymalne dobowe zapotrzebowanie na wodę przez danego odbiorcę [m3/d]
Qhmaxi - maksymalne godzinowe zapotrzebowanie na dobę przez odbiorców [m3/h]
qi - jednostkowy wskaźnik zapotrzebowania na wodę przez danego odbiorcę [m3/(odbiorca doba)]
Li - liczba odbiorców wody
Ndi, Nhi - współczynniki nierównomierności dobowej i godzinowej rozbioru przez danego odniorcę
Maksymalne i minimalne godzinowe zapotrzebowanie, podobnie jak w przypadku stosowania wskaźników scalonych, powinno uwzględniać niejednoczesność występowania maksymalnych i minimalnych potrzeb wszystkich odbiorców wody w ciągu tej samej godziny. Dla ustalenia godziny o maksymalnym zapotrzebowaniu wody i godziny o minimalnym zapotrzebowaniu w ciągu doby o maksymalnym zapotrzebowaniu na wodę należy ustalić procentowy rozkład godzinowy rozbioru wody przez poszczególne grupy odbiorców wody w poszczególnych godzinach doby o maksymalnym zapotrzebowaniu wody. Dalszy tok postępowania jak w pkt. 2).
Wartość wskaźników zapotrzebowania ustala się na podstawie:
wytycznych do programowania zapotrzebowania na wodę lub danych literaturowych,
wg danych statystycznych zużycia wody z wodociągu miejskiego.
Przyjęcie informacji z któregokolwiek źródła dla ustalenia wskaźników zapotrzebowania na wodę wymaga analizy charakteru miasta i jego rozwoju, ustalenia stopnia wyposażenia mieszkań w urządzenia sanitarne, określenie rodzaju przemysłu (wodochłonność) i przewidziany jego rozwój, technologie stosowane itp.