WSPOMAGANE KOMPUTEROWO PROJEKTOWANIE I ANALIZA WODOCIĄGÓW I KANALIZACJI

Cz. I - wodociągi

Wstępne wiadomości

Rys. 1. Ogólny schemat wodociągu: 1 - ujęcie; 2a - pompownia I⁰; 3 - stacja uzdatniania wody; 2b - pompownia II⁰; 5 - przewód tranzytowy; 6 - sieć wodociągowa; 7 - zbiornik zapasowo wyrównawczy.

Wodociąg jest to zespół skoordynowanych i współpracujących inżynierskich urządzeń i obiektów, służących do zaopatrzenia ludności i przemysłu w wodę. Współczesne wodociągi mają znacznie rozleglejsze i odpowiedzialniejsze zadania niż przed kilkudziesięciu laty. Są to, więc zespoły urządzeń o dużej skali i znaczeniu gospodarczym, wchodzących jako jeden z najważniejszych czynników w skład systemu wodno-gospodarczego regionu i państwa. Słusznie, więc można je nazywać system zaopatrzenia w wodę miast i aglomeracji miejsko-przemysłowych. Systemy te obejmują niejednokrotnie obszary regionu lub kraju, zaopatrują w wodę ludność i przemysł nieraz w sposób skomplikowany, dostarczając wodę ogólnego lub zróżnicowanego przeznaczenia i jakości (system ogólnego przeznaczenia, system pół rozdzielczy lub rozdzielczy) odbiorcom o różnych wymaganiach ilościowych i jakościowych.

Zadaniem systemu ogólnego przeznaczenia jest zaopatrzenie w wodę ludności i przemysłu ze wspólnych ujęć za pomocą wspólnej sieci przewodów przemysłowych i i prowadzających.

System częściowo rozdzielczy (pół rozdzielczy) składa się z dwóch niezależnych układów urządzeń, pokrywających oddzielnie potrzeby konsumentów komunalnych i oddzielnie przemysłu.

Wreszcie system rozdzielczy uwzględnia dodatkowo, w stosunku do poprzedniego, podział potrzeb komunalnych na konsumpcyjne (woda do picia) i gospodarcze (woda do utrzymania czystości i higieny).

Oba ostatnie systemy; rozdzielczy i pół rozdzielczy, związane są z możliwością wykorzystania wody z odnowy ścieków do zaopatrzenia w wodę przede wszystkim niektórych gałęzi i oddziałów przemysłowych.

Pod względem zasięgu terytorialnego rozróżnia się system lokalny (zaopatrzenie w wodę jednej miejscowości lub jednego zakładu przemysłowego), system centralny (zaopatrzenie w wodę dużej aglomeracji miejsko-przemysłowej oraz miejscowości satelitarnych), system grupowy (zaopatrzenie w wodę kilku miast lub osiedli i zakładów przemysłowych.

Ciągły, dynamiczny rozwój miast i wsi pociąga za sobą rozbudowę infrastruktury wodociągowej czy kanalizacyjnej oraz jednoczesny wzrost zagrożenia wystąpienia awarii i katastrof związanych z ich funkcjonowaniem.

Przykładowe schematy wodociągu.

Przykładowy schemat układu wodociągowego przedstawiono na rys. 2. Wodę pobieraną z ujęcia, a więc studni, rzeki, jeziora 1, skąd pompowo doprowadzana jest do stacji uzdatniania 4. Po uzdatnieniu i dezynfekcji woda spływa do zbiornika wody czystej, skąd jest czerpana za pomocą pomp II⁰ i tłoczona przewodem przesyłowym do sieci rozdzielczej. Schematy wodociągów mogą być różne.

Na rysunku 3 przedstawiony został przykładowy schemat wodociągu w układzie podnoszenia dwustopniowego jako przykład modelowania systemu strefowania sieci wodociągowej.

Inne przykłady wodociągów: Na rys. 4 bez stacji uzdatniania wody.

rys.4. Schemat wodociągu bez stacji uzdatniania wody: 1 - ujęcie; 2 - pompownia; 5 - przewód tranzytowy; 6 - sieć wodociągowa magistralna

W układzie ujęcie - sieć wodociągowa - zbiornik wyrównawczy można wyróżnić przykładowe następujące warianty - rys. 5:

rys.5. Jednoźródłowy, jednostopniowy pompowy system zaopatrzenia w wodę ze zbiornikiem sieciowym: a) zbiornikiem początkowym; b) zbiornikiem końcowym; c) ze zbiornikiem centralnym

Podstawowe pojęcia z dziedziny projektowania i analizy działania systemów wodociągowych.

W tytule rozdziału znajdują się dwa ważne dla dalszych rozważań pojęcia: „projektowanie” i „analiza działania”. Wymagają one skomentowania i uściślenia.

Poprzez pojęcie „projektowanie systemów inżynierskich” rozumiany będzie ogół działań koniecznych do stworzenia zgodnie z arkanami sztuki inżynierskiej projektu określonego systemu inżynierskiego. Natomiast poprzez pojęcie„analiza działania systemów inżynierskich” rozumiane będzie ogół czynności koniecznych do weryfikacji poprawności działania, w razie konieczności, systemów inżynierskich.

Do prac podwyższających bezpieczeństwo systemów wodociągowych zaliczyć można m.in.:

• organizację eksploatacji sieci wodociągowej,

• roboty przeglądowo-konserwacyjne,

• roboty naprawcze,

• roboty modernizacyjne,

• typowanie przewodów i uzbrojenia do wymiany,

• wyłączanie i włączanie przewodów wodociągowych,

• utrzymywanie niezbędnego ciśnienia,

• płukanie końcówek sieci wodociągowej.

W przypadku awarii wodociągów, podstawowymi parametrami mającymi wpływ na jej rozmiary są średnice rury, ciśnienie i wielkość otworu wypływu. Najczęściej stosowane są następujące średnice rur w tzw. wodociągach zasilających: 1000 mm, 800 mm, 750 mm, 700 mm, 500 mm, 400 mm, 300 mm, 250 mm.

Najbardziej niebezpieczne, stwarzające zagrożenie są pęknięcia magistrali zasilających, tj. rurociągów o średnicach powyżej 500 mm.

Rysunek 6. Przepływ informacji podczas projektowana i analizy działania systemów inżynierskich.

Rysunek 7. Schemat modelowania systemów sieci wodociągowych

Rys. 8. Ogólna sieć działań przy projektowaniu systemów zaopatrzenia w wodę.

Matematyczne modele wodociągu

Na rysunku 9 zaprezentowano podział matematycznego modelu sieci wodociągowej na podmodele strukturalne.

Rysunek 9. Podział matematycznego modelu sieci wodociągowej na podmodele strukturalne.

Dla lepszego zaprezentowania modelu sieci wodociągowej zaproponowano opis warstwowy pierścieniowy. W strefie poszczególnych pierścieni znajdują się podmodele o różnym znaczeniu, przeznaczeniu i ważności. Pierścień wewnętrzny jest pierścieniem najważniejszym gdyż znajduje się w nim podmodel integralny, łączący model w jedną spójną całość. W strefie zewnętrznego pierścienia znajdują się podmodele pomocnicze, które wykonują „usługowe działania” w stosunku do podmodelu integralnego.

Na schemacie 10 przedstawiony został podział metod obliczeniowych sieci wodociągowych.

Rysunek 10. Podział metod obliczeniowych sieci wodociągowych.

Rysunek 11. Strefa niskich ciśnień.

Powstające niskie ciśnienie w sieci wodociągowej jest bardzo niepożądane i niebezpieczne. Sytuacja taka ma miejsce, gdy następuje zwiększenie zużycia wody w bardzo krótkim czasie (np. pożar o dużych rozmiarach). Powoduje to zaburzenie spełnienie twierdzenia o ilości wpompowanej i wypompowanej wody z sieci wodociągowej w kierunku jej niedoboru. Niedobór wody, a co z tym jest związane powstanie niskiego ciśnienia może doprowadzić do mechanicznego uszkodzenia sieci wodociągowej, powstawania uciążliwych awarii.

Informacje ogólne o programie NET⁺

Program komputerowy o nazwie NET⁺ służy do przeprowadzania obliczeń symulacyjnych pracy systemu zaopatrzenia w wodę.

Praca z programem NET⁺ polega na interaktywnym wprowadzaniu danych, poleceniu wykonania obliczeń i analizie otrzymanych wyników oraz współpracy z dodatkowymi modułami. Poszczególne etapy pracy można po­dzielić na następujące kroki:

• początek pracy programu,

• konfigurację,

• wprowadzanie danych,

• testowanie danych,

• obliczenia,

• wyprowadzanie wyników,

• informacje o programie,

• koniec pracy programu.

Analiza hydrauliczna sieci

Należy wykonać analizę hydrauliczną sieci przedstawionej na rysunku 12. Dane do realizacji obliczeń przy użyciu programu NET są następujące:

Rysunek 12. Schemat sieci wodociągowej przykład 1. (dane12.dat).

Tabela 1. Dane potrzebne do realizacji obliczeń przykładu 1.

Dane zawarte w pliku: DANE12.DAT
9	7	1	1	1	0.05	1.31	1	1.5	-1
5	0.0
1	2	0	250	500
2	3	0	460	300
3	4	0	370	300
4	5	0	320	400
2	7	0	320	400
5	6	0	580	300
6	7	0	250	250
1	6	0	520	300
4	7	0	400	400
1	0	-270
2	0	0
7	0	0
3	0	10
4	0	60
5	0	150
6	0	50

Wyniki obliczeń programem NET⁺ (w wersji przesyłanej na drukarkę) przedstawiono poniżej.

Tabela 2.a. Wyniki dla odcinków otrzymane z realizacji obliczeń przykładu 1.

Kierunek		Średnica	Przepływ	Strata	Prędkość	Współcz.	Długość	Koszt
						chropow.
		[mm]	[dm^3/m]	[m]	[m/s]	[mm]	[m]	[zł]
1	6	300.0	70.12	2.68	0.99	1.50	520.00	0.000
1	2	500.0	199.88	0.70	1.02	1.50	250.00	0.000
2	3	300.0	59.00	1.68	0.83	1.50	460.00	0.000
2	7	400.0	140.88	1.45	1.12	1.50	320.00	0.000
3	4	300.0	49.00	0.93	0.69	1.50	370.00	0.000
4	5	400.0	102.10	0.76	0.81	1.50	320.00	0.000
6	5	300.0	47.90	1.40	0.68	1.50	580.00	0.000
7	6	250.0	27.78	0.54	0.57	1.50	250.00	0.000
7	4	400.0	113.10	1.17	0.90	1.50	400.00	0.000

Tabela 2.b. Wyniki dla węzłów otrzymane z realizacji obliczeń przykładu 1.

Nr.	Przepływ	Rzędna	Rzędna	Wysokość	Ciśnienie
Węzła		terenu	lini ciśnień	ciśnienia	[KPa]
-	[dm^3/m]	[Kierunek]	[m]	[m]
1	-270.00	0.00	4.076	4.076	39.972
2	0.00	0.00	3.376	3.376	33.109
3	10.00	0.00	1.697	1.697	16.642
4	60.00	0.00	0.762	0.762	7.477
5	150.00	0.00	0.000	0.000	0.000
6	50.00	0.00	1.401	1.401	13.739
7	0.00	0.00	1.931	1.931	18.932

Analizując wyniki przedstawione w powyższych tablicach, można stwierdzić m.in., że algebraiczne sumy strat wysokości ciśnienia w poszczególnych pierścieniach wynoszą:

• pierścień 1-6-7-2-1: 2,68-0,54-1,48.0,7 = -0,01 m,

• pierścień 2-7-4-3-2: 1,45+1,17-0,93-1,68 = 0,01 m,

• pierścień 7-6-8.4-7: 0,54+1,40-0,76-1,17 = 0,01 m.

Są więc znacznie mniejsze od zadanej dokładności oblczeń wynoszącej 0,05 m.

Dobór średnic przewodów

Dla sieci z rysunku 12 należy dobrać średnice przewodów na podstawie przepływów granicznych określonych z warunku prędkości maksymalnej. Prędkości nie powinny przekraczać 1.5 m/s. Natomiast Q_gr = 0.000375 pd² [dm³/s], przy czym d jest w mm. Dane do realizacji obliczeń przy użyciu programu NET są następujące:

Tabela 3. Dane potrzebne do realizacji obliczeń przykładu 2.

Dane zawarte w pliku: DANE2.DAT
9	7	1	0	1	0.05	1.310	1	1.500	4
5	0
248	0.600	72	1150
300	0.600	106	1300
400	0.600	188	2000
500	1.500	200	2900
1	2	0	250
6	7	0	250
2	3	0	460
3	4	0	370
4	5	0	320
2	7	0	320
5	6	0	580
1	6	0	520
4	7	0	400
1	0	-270
2	0	0
7	0	0
3	0	10
4	0	60
5	0	150
6	0	50

Tabela 4.a. Wyniki dla odcinków otrzymane z realizacji obliczeń przykładu 2.

Kierunek		Średnica	Przepływ	Strata	Prędkość	Współcz.	Długość	Koszt
						chropow.
		[mm]	[dm^3/m]	[m]	[m/s]	[mm]	[m]	[zł]
1	6	500.0	214.50	1.67	1.09	1.50	520.00	1.508
1	2	248.0	55.50	1.72	1.15	0.60	250.00	0.287
2	7	248.0	19.35	0.28	0.40	0.60	320.00	0.368
2	3	248.0	36.16	1.36	0.75	0.60	460.00	0.529
3	4	248.0	26.16	0.58	0.54	0.60	370.00	0.425
4	5	248.0	9.15	0.07	0.19	0.60	320.00	0.368
6	7	248.0	23.65	0.32	0.49	0.60	250.00	0.287
6	5	400.0	140.85	2.08	1.12	0.60	580.00	1.160
7	4	248.0	42.99	1.66	0.89	0.60	400.00	0.460

Tabela 4.b. Wyniki dla węzłów otrzymane z realizacji obliczeń przykładu 2.

Nr.	Przepływ	Rzędna	Rzędna	Wysokość	Ciśnienie
wezła		terenu	lini ciśnień	ciśnienia	[KPa]
-	[dm^3/m]	[m]	[m]	[m]
1	-270.00	0.00	3.751	3.751	36.785
2	0.00	0.00	2.031	2.031	19.917
3	10.00	0.00	0.668	0.668	6.555
4	60.00	0.00	0.086	0.086	0.847
5	150.00	0.00	0.000	0.000	0.000
6	50.00	0.00	2.076	2.076	20.360
7	0.00	0.00	1.751	1.751	17.170

W danych wejściowych znajduje się katalog rur, a w opisie odcinków nie podano w związku z tym średnic przewodów. Przepływy graniczne przyjęto jak w pracy [2].

Schemat wprowadzania danych programu NET⁺

{ rekord identyfikacyjny - do 80 znaków}

Rekord opisujący standardy o postaci:

{L_g,L_w,N_wz,k_o,L_obc,D,n,r_ow,k,L_r}

L_obc rekordów odniesienia o postaci:

{N_w,Z_w} - dla każdego wariantu obciążenia sieci

L_r rekordów opisujących katalog rur o postaci:

{d_j,k_j,Qgr_j,I_j}

...............

...............

L_g rekordów opisujących odcinki o postaci:

{N_p,N_k,K_o,l_j,d_j,k_j,ĺz_j,Q_odc} - dla k_o = 0

lub

{N_p,N_k,K_o,(Q_i,H_i) dla i=1,4} - dla k_o = 1

lub

{N_p,N_k,K_o,(Z_i) dla i=1,Lobc } - dla k_o = 3

Lw rekordów opisujących węzły o postaci:

{N_w,Z_w,q_i}

Schemat wyprowadzania wyników

{dane + opisy tekstowe}

{N_p,N_k,d_j,Q_j,H_j,v_j,k_j,l_j,K_j} - Lg rekordów stosu odcinków

{N_w,q_i,Z_w,Zlc_i,Hc_i,P_i} - Lw rekordów stosu węzłów

Opis zmiennych programu NET⁺

D - dokładność obliczeń iteracyjnych sumy strat wysokości

ciśnienia w pierścieniu, [m] (np. 0.01 m); nie należy podawać zbyt małych wartości D, ponieważ wydłuża to tylko czas obliczeń;

d_j - średnica, mm; może być dobrana z katalogu lub podana w

odcinkach dla kodu opcji = 4 (w wyniku wartość ta będzie wyróżniona minusem) [0-2000 mm];

H_i - wysokość podnoszenia (m) z charakterystyki pompy lub w stosie węzłów w wyniku - wysokość ciśnienia w i-tym węźle sieci, m [ddd.d];

H_j - strata ciśnienia w j-tym odcinku określona na podstawie Q_j lub założonej charakterystyki pompy, lub wartość z danych (dla

zbiornika), m [dd.d];

H_ci - wysokość ciśnienia dla i-tego węzła, m [ddd.d];

I_j - jednostkowy nakład inwestycyjny (wskaźnik kosztu) budowy j-tego rurociągu, zł/m; jeżeli wskaźniki są nieznane lub z innego powodu, to należy podać w katalogu wartość zero;

k - globalny współczynnik chropowatości do wzoru Colebrooka - White'a [mm] dla całej sieci; parametr nie obowiązuje jeżeli w danych jest katalog rur lub w odcinkach podano k_j [od 0 do d/4];

k_j - współczynnik chropowatości [mm] j-tego odcinka sieci lub j-tej rury w katalogu; wystarczająca dokładność k_j wynosi 0.01 mm; przy braku w danych kodu opcji = 2, wartości k_j nie należy podawać (w obliczeniach będzie przyjęte k_j = k) [od 0 do d/4];

k_o - kody opcji stanowi zbiór {0,1,2,3,4}, gdzie: 0 - w opisie odcinków nie podaje się ani średnic, ani chropowatości, ani przepływów odcinkowych, jeżeli = 1, to w opisie odcinków muszą wystąpić średnice przewodów d_j, w przeciwnym razie będą dobrane z katalogu rur; jeżeli kod opcji = 2, to w opisie odcinków muszą wystąpić współczynniki chropowatości k_j, w przeciwnym razie k_j nie należy podawać (w obliczeniach będzie przyjęte k_j = k); jeżeli kod opcji = 3, to w opisie odcinków musi wystąpić suma oporów miejscowych, nawet jeżeli jest równa zero; jeżeli kod opcji = 4, to w opisie odcinków musi wystąpić przepływ odcinkowy, nawet jeżeli odcinek nie wydatkuje "po drodze" (wtedy równe zero);

K_j - nakład inwestycyjny na budowę przewodu j-tego odcinka

sieci, mln zł\m;

K_o - kod interpretacji odcinka: Ko = 0 - zwykły odcinek sieci, tzn. należy w danych podać parametry odcinka {l_j,d_j,k_j,ĺz_j,Q_odc} w zależności od przyjętych opcji L_o;

Ko = 1 - odcinek opisujący pompę, tzn. należy podać parametry {Q_i,H_i} dla i=1,2,3,4 opisujące charakterystykę pompy; K_o = 3 - odcinek opisujący zbiornik, tzn. należy podać rzędne {Z_i} dla i=1,2,...,L_obc czyli rzędne zwierciadła wody w zbiorniku dla i-tego wariantu obciążenia sieci;

l_j - długość odcinka sieci, m [dddd.d];

L_g - liczba odcinków sieci, - do 320;

L_obc - liczba wariantów obciążenia sieci (liczba zestawów,

wydatków odcinkowych i rozbiorów węzłowych - do 20), -;

L_pzb - liczba pomp i zbiorników na sieci, - [dd];

L_r - liczba rur w katalogu (do 17), -;

L_w - liczba węzłów sieci, - do 320;

ν - kinematyczny współczynnik lepkości wody, 1.31*10^-6 m/s,

(w danych podaje się wartość 1.31);

N_k - numer końcowy odcinka, - od 0 do 999;

N_p - numer początkowy odcinka, - od 0 do 999;

N_w - numer węzła sieci lub numer węzła dla danego wariantu obciążenia sieci (od tego węzła zbudowana będzie linia ciśnień dla całej sieci, - od 0 do 999;

N_wz - numer węzła będącego źródłem (w przypadku większej liczby źródeł podaje się źródło o większej wydajności lub numer węzła zastępczego lub węzła dodatkowego, - do 999;

P_i - wartość ciśnienia dla i-tego węzła, kPa [ddddd.d];

q_i - wydatek (rozbiór) dla i-tego węzła i danego wariantu

obciążenia sieci, dm³/s; wartość zasilania sieci należy podawać z minusem [dddd.d];

Q_i - przepływ z charakterystyki pompy, dm³/s [od 0 do dddd.d];

Q_j - przepływ odcinkowy, dm³/s [dddd.d];

Qgr_j - przepływ graniczny dla j-tej rury w katalogu, dm³/s;

przepływ graniczny może wynikać z przesłanek technicznych lub

ekonomicznych [od 0 do dddd.d];

Q_odc - przepływ na j-tym odcinku, dm³/s; przy braku kodu opcji = 4, Q_odc nie jest podawane; jeżeli odcinek nie wydatkuje "po drodze", to należy podać w danych wartość zero, przy kodzie opcji = 4 [dddd.d];

r_ow - względna gęstość cieczy względem wody (dla wody = 1);

- suma oporów miejscowych na j-tym odcinku sieci, -;

jeżeli oporów miejscowych nie ma lub nie uwzględnia się ich w

stratach miejscowych, to należy podać w danych zero (dla kodu

opcji = 3) [ddd.d];

v_j - średnia prędkość przepływu dla j-tego odcinka, m/s [dd.d];

Z_i - rzędna zwierciadła wody w zbiorniku dla i-tego wariantu obciążenia sieci, m - > 0 [dddd.d];

Z_wi - rzędna odniesienia w i-tym węźle, m; rzędna odniesienia, tj. rzędna, od której obliczane jest dla węzła ciśnienie; może to być rzędna osi przewodu, rzędna terenu lub rzędna linii niezbędnego ciśnienia; obliczone ciśnienie będzie więc miało wartość rzeczywistego nadciśnienia w przewodzie, bądź miejscowego nadciśnienia liczonego od poziomu terenu, bądź

nadmiaru (niedoboru) ciśnienia; dla zbiorników rzędne poziomu wody powinny być dodatnie, co może spowodować potrzebę przyjęcia

niskiego poziomu porównawczego [dddd.d];

Z_lci - rzędna linii ciśnień w i-tym węźle, m [dddd.d];

Z_w - rzędna linii ciśnień (m) w węźe N_w (od tej rzędnej

zbudowana będzie linia ciśnień dla całej sieci [dddd.d]).

8

7

Biedugnis S.: Metody informatyczne w wodociągach i kanalizacji. WPW, Warszawa, 1998

Biedugnis S., Smolarkiewicz M.: Bezpieczeństwo i niezawodność funkcjonowania układów wodociągowych. OW SGSP, Warszawa, 2004

_

Podmodel: modelowanie

zjawiska

niskich ciśnień

Podmodel:

modelowanie

pompowni

wodociągowych

Podmodel:

modelowanie

pracy

przewodów

magistralnych

Podmodel:

modelowanie

zbiorników

wyrównawczych

Podmodel:

modelowanie

rozgałęzionych i pierścieniowych

sieci

wodociągowych

Podmodel:

modelowanie strefowania

sieci wodociągowej

Podmodel:

modelowanie

płukania

przewodów

wodociągowych

Podmodel:

modelowanie

rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń

Podmodel:

modelowanie

zużycia

przewodów

wodociągowych

---