Водные ресурсы – не бездонные колодцы

 

Деятельность человеческого общества немыслима без воды. Непрерывно растущие потребности в ней обычно удовлетворяются из местных водоисточников, если они обладают достаточными запасами. Поэтому водные ресурсы нашей страны поставлены под охрану закона, а использование водоемов и защита их от истощения и загрязнения регламентируется Основами водного законодательства.

    Государственные водохозяйственные органы планируют и контролируют использование водных ресурсов страны и разрабатывают систему мероприятий по их охране.

    Водное хозяйство должно обеспечивать водой самых различных водопотребителей. При этом необходимо, во-первых, чтобы в наличии всегда имелось достаточное количество воды, и, во-вторых, чтобы вода отвечала определенным качественным требованиям.

    Органы водного хозяйства постоянно следят за соблюдением необходимого соотношения между потребностями в воде и возможностями удовлетворять эти потребности за счет имеющихся запасов водных ресурсов. При правильно организованном водном хозяйстве водные ресурсы должны быть сбалансированы с потребностями. Если же баланс будет отрицательным, то в какой-то момент может возникнуть нехватка воды, что вызовет значительные осложнения. Поскольку природные ресурсы увеличить нельзя, то выравнивание баланса осуществляется путем создания запасов воды. В период паводков, когда реки несут большое количество воды, образовавшейся в результате таяния снегов, нужды потребителей легко удовлетворяются. Потребности в воде резко возрастают в летний период. Однако в это время количество воды в реках значительно уменьшается. Для удовлетворения потребностей в летнее время следует накапливать паводковые воды, что осуществляется путем устройства водохранилищ, которые аккумулируют паводковые воды. В этом случае в летнее время всегда можно будет забирать воду из водохранилищ. Таким образом, важной задачей органов водного хозяйства является проектирование, строительство и эксплуатация водохранилищ.

    Создание устойчивости водных запасов, главным образом на основе регулирования и перераспределения речного стока, может обеспечить бесперебойное снабжение водой населения и всех отраслей промышленности, транспорта и сельского хозяйства.

    На Украине разработаны мероприятия по экономному расходованию воды в промышленности. Однако, несмотря на принимаемые меры, имеющиеся водные ресурсы не смогут обеспечить растущее водопотребление. По расчетам водопотребление в Украине может превысить допустимые для использования ресурсы маловодного года. Уже сейчас наблюдается дефицит воды в бассейне Северского Донца, в прибрежных районах Приазовья и Крыма.

    Рассматривая водные ресурсы рек, необходимо иметь в виду, что для поддержания санитарных условий и жизни в водоемах нельзя полностью изъять весь сток рек. Размеры изъятия определяются с учетом сохранения условий самоочищения реки, потребности в воде для разбавления поступающих в реку загрязнений, а также предотвращения засолонения морской водой устьевых участков рек. Кроме того, следует учитывать потери воды на испарение и дополнительные потери на фильтрацию из водохранилищ. По данным гидрометеорологических наблюдений потери воды на испарение из водохранилищ и прудов, расположенных только на территории Украины, в маловодные годы составляют 5-6 км³; фильтрация из водохранилищ составляет 6-18 % их объема.

    Дефицит воды в маловодных районах постоянно возрастает. В связи с быстро увеличивающимся спросом на чистую пресную воду и возможностями его удовлетворения возникла новая проблема – проблема водообеспечения [1].

 

1. РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ

    1.1. Исходные данные

 

    Расчет производится для сети водоснабжения согласно схеме водопровода, изображенного на рис.1.

    Согласно рис.1 для всех вариантов задания принимается:

1. Длина участков водопровода: ℓ_ВС = 15 м; ℓ_НАГ = 200 м; ℓ_1-2 = 200 м;          ℓ_2-3 = 500 м; ℓ_2-7 = 300 м; ℓ_2-5 = 300 м; ℓ_3-4 = 350 м; ℓ_3-6 = 250 м.

2. Высотное положение точек над условным уровнем (геодезические отметки):Ñ_ИСТ = 0 м; Ñ₀ = 5 м; Ñ₁ = 15 м; Ñ₂ = 12 м; Ñ₃ = 10 м; Ñ₄ = 9 м; Ñ₅ = 10 м; Ñ₆ = 11 м; Ñ₇ = 13 м.

3. Материал труб - стальные.

4. Источник водоснабжения - подземные воды. Остальные данные, необходимые для расчета, принимаются согласно номеру варианта задания по табл.1.

Рис.1. Схема водопроводной сети

 

    Таблица 1 - Исходные данные для расчета водопроводной сети

(по вариантам)

Исходные данные	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
1. Среднесуточное потребление в коммунальном секторе WКОМ, м^3	260	320	410	340	380	390	400	420	460	370
2. Среднесуточное потребление в производственном секторе WПР, м^3	80	90	40	70	80	30	40	120	60	70
3. Среднесуточное потребление в животноводческом секторе WЖИВ, м^3	200	190	180	170	200	220	180	170	190	160
4. Свободный минимальный напор hCВ.min, м	8	9	10	8	9	10	8	9	10	8

    1.2. Суточный график водопотребления, удельный путевой расход и секундные расходы по секторам

 

    Для проектирования распределительной части водопроводной сети (от башни к потребителям) необходимо рассчитать вначале удельный (q) путевой расход в коммунальном и максимальные сосредоточенные расходы на животноводческий сектор (Q_ЖИВ) и производственный сектор (Q_ПР). Эти расходы определяются с учетом суточной и часовой неравномерности водопотребления по соответствующим секторам [5, с. 300].

    Коэффициент суточной неравномерности (k_СУТ) учитывает неравномерность потребления в разное время года и географического расположения поселка. В настоящей работе он может быть принят для всех секторов водопотребителей равным k_СУТ = 1,3.  

    Коэффициент часовой неравномерности (k_ЧАС) учитывает неравномерность потребления воды в отдельные часы суток и показывает, во сколько раз максимальное часовое водопотребление превышает среднечасовое. Неравномерность водопотребления по секторам в различные часы суток для всех вариантов задания приведена в табл. 2.

              Таблица 2 - Суточный график водопотребления поселка

Часы суток	Коммунальный сектор	Производственный сектор	Животноводческий сектор
	% от сут. расхода	% от сут. расхода	% от сут. расхода
0 - 1	0,75	1,2	0,8
1 - 2	0,75	1,2	0,8
2 - 3	1,0	1,2	0,8
3 - 4	1,0	1,2	0,8
4 - 5	3,0	1,2	0,8
5 - 6	5,5	1,2	2,7
6 - 7	5,5	1,2	3,2
7 - 8	5,5	1,2	3,2
8 - 9	3,5	8,0	10,0
9 - 10	3,5	8,0	10,0
10 - 11	6,0	8,0	4,8
11 - 12	8,5	8,0	3,5
12 - 13	8,5	8,0	3,5
13 - 14	6,0	8,0	5,0
14 - 15	5,0	8,0	12,5
15 - 16	5,0	8,0	8,7
16 - 17	3,5	8,0	2,7
17 - 18	3,5	8,0	3,1
18 - 19	6,0	2,0	6,2
19 - 20	6,0	2,0	6,9
20 - 21	6,0	2,0	6,2
21 - 22	3,0	2,0	1,6
22 - 23	2,0	1,2	1,6
23 - 24	1,0	1,2	0,6
Итого за сутки	100%	100%	100%

 

 

    Согласно данным табл.2 коэффициент часовой неравномерности для каждого сектора водопотребителей можно найти, используя уравнение:

,

    где х_i - максимальный процент водопотребления в отдельные часы суток для соответствующего сектора водопотребителей.

 

    Максимальные секундные расходы по соответствующим секторам составляют:

 

,

 

    где k_СУТ и k_ЧАС - коэффициенты суточной и часовой неравномерности для соответствующего сектора водопотребителей;

     W_{СР. i} - среднесуточное потребление воды в соответствующем секторе (табл.1).

 

    Например, максимальный секундный расход в коммунальном секторе (Q_КОМ) будет равен:  

.

 

    Максимальные секундные расходы в животноводстве (Q_ЖИВ) и производстве (Q_ПР) определяются аналогично.

    Удельный путевой расход в коммунальном секторе может быть выражен следующей формулой, написанной применительно к рис.1.

 

.

 

    Для определения расчетного суммарного максимального суточного водопотребления необходимо определить максимальное суточное водопотребление по секторам:

 

 

    Значения среднесуточного водопотребления W_КОМ., W_ПР., и W_ЖИВ. принимаются по табл.1, согласно номеру варианта задания.

    Суммарное максимальное водопотребление поселка за сутки:

 

, (м³).

 

        

 

    1.3. Определение расчетных расходов и диаметров труб на участках  водопроводной сети

        

 

    Расчетный расход (Q_{РАСЧ. i}) определяется с учетом величин сосредоточенного (Q_{СОСР. i}), путевого (Q_{ПУТ. i}) и транзитного (Q_{ТРАН. i})  расходов на соответствующем участке. Например, определим на участке ℓ_2-3:

 

Q_СОСР.= 0; Q_ПУТ. = q ^. ℓ_2-3; Q_ТРАН. = Q_ПР.+ Q_ЖИВ.;  

Q_РАСЧ. = Q_ПР.+ Q_ЖИВ.+0,5^. Q_ПУТ.

 

    На участке ℓ_3-4 соответственно:

 

Q_РАСЧ. = Q_СОСР.= Q_ЖИВ., т.к. Q_ПУТ. = 0 и Q_ТРАН. = 0.

    Для водопроводов, в зависимости от грунтовых условий и рабочего давления, принимают стальные, чугунные или пластмассовые трубы. Диаметры трубопровода по участкам определяются в соответствии с найденными расчетными расходами на этих участках, задавшись рекомендуемой скоростью в пределах: V_РЕК = 0,75...1,2м/с.

 

, (мм)

 

       где Q_{i РАСЧ} - расчетный расход, м³/с;

V_РЕК - выбранное значение рекомендуемой скорости, м/с.

 

    Найденные значения расчетных диаметров округляются до ближайших значений стандартных диаметров труб по ГОСТ 3262-75 или ГОСТ 8696-74 для стальных труб согласно данным, приведенным в табл. Приложения 3 (по возможности в сторону больших значений). Минимальные диаметры труб уличной сети водопровода принимаются по расчету, но не менее 50 мм.

 

    После выбора диаметров согласно данным табл.1 Приложения 3, необходимо определить действительные скорости движения воды на участках труб водопроводной сети:

 

.

 

    Потери напора на преодоление сил трения на участках определяются по формуле Н.Н. Павловского:

.

 

    Значения удельного сопротивления (А_i) для каждого участка трубопровода принимаются по таблице 1 Приложения 3 для выбранного диаметра труб (d_{i ГОСТ}) на этом участке [6, с. 299].

    Поправочный коэффициент (b_i), учитывающий неквадратичность зависимости потерь напора h_ТР от расхода Q при скорости воды в трубе V_i < 1,2 м/с.

    Значения поправочного коэффициента b_i = f(V_i) можно принять по табл. 3:

    Таблица 3 - Значения поправочного коэффициента β

V, м/с	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2
b	1,15	1,12	1,09	1,06	1,04	1,03	1,02	1,0

 

    В настоящее время в инженерной практике потери напора определяют по таблицам Шевелева Ф.А., разработанным для гидравлического расчета стальных, чугунных и асбестоцементных водопроводных труб, в которых значения гидравлического уклона (I) представлены в зависимости от значения диаметров труб (d_i) и скорости движения жидкости (V_i). Тогда потери напора на преодоление сил трения на участках можно определить:

 

(м).

 

    Для составления таблиц Шевелев Ф.А. использовал два уравнения, которые приведены в строительных нормах и правилах (СНиП):

 

при V ³ 1,2 м/с

при V < 1,2 м/с

 

    Сравнить результаты расчетов по формулам Ф.А. Шевелева и Н.Н. Павловского. Большее значение использовать в дальнейших расчетах. Результаты гидравлического расчета необходимо занести в табл. 4.