Нормой водопотребления называется количество воды, расходуемой на определённые нужды в единицу времени или на единицу вырабатываемой продукции.

Вода расходуется потребителями на различные нужды и, требования к количеству и качеству воды зависят от категории, к которой относится водопотрбитель. Основными категориями потребителей вода расходуется на:

· хозяйственно-питьевые нужды (в том числе на хозяйственно-питьевые нужды рабочих и служащих во время их пребывания на производстве);

· благоустройство;

· производственные нужды;

· нужды пожаротушения.

Основной вид использования воды в сельском хозяйстве – на орошение – является отдельной отраслью сельского хозяйства и не охватывается понятием «водоснабжение».

Нормы хозяйственно-питьевого водопотребления. Расход на хозяйственно-питьевые нужды населения обусловливается бытом людей (питьё, приготовление пищи, личная гигиена, гигиена жилища и т.п.). В населённых пунктах нормы хозяйственно-питьевого водоснабжения назначают по СНиП 2.04.02-84^* «Водоснабжение, наружные сети и сооружения» в зависимости от степени благоустройства районов жилой застройки и климатических условий. Расчётные среднесуточные расходы на хозяйственно-питьевые нужды на одного жителя приведены в табл.1.

В табл. 1 приведены значения среднего количества расхода воды в сутки, усреднённого за год (365 дней). Значение расчётного удельного водопотребления из указанного в таблице интервала зависит от климатических условий, времени года, дня недели и пр.

Приведённые в данной таблице нормы водопотребления включают расходы воды на бытовые нужды в общественных зданиях и коммунально-бытовых и производственных предприятиях.

Таблица 1

Степень благоустройства районов жилой застройки	Удельное хозяйственно-питьевое водопотребление в населённых пунктах на одного жителя среднесуточное (за год), л/сут
Застройка зданиями, оборудованными водопроводом и канализацией:
без ванн	125 – 160
с ванными и местными водонагревателями	160 – 230
с централизованным горячим водоснабжением	230 – 350

Примечания: 1. Для районов застройки зданиями с водопользованием из водоразборных колонок удельное среднесуточное (за год) водопотребление на одного жителя следует принимать 30-50 л/сут.

 

Нормы водопотребления на благоустройство. Расход воды на благоустройство включает поливку проезжей части улиц и тротуаров, зелёных насаждений, обводнение городских водоёмов и обмен воды в бассейнах и пр. Рекомендуемые расходы воды на благоустройство приведены в СНиП 2.04.02-84^* «Водоснабжение, наружные сети и сооружения» (табл. 2).

Таблица 2

Назначение воды	Измеритель	Расход воды на поливку, л/м^2
Механизированная мойка усовершенствованных покрытий проездов и площадей	1 мойка	1,2-1,5
Механизированная поливка усовершенствованных покрытий проездов и площадей	1 поливка	0,3-0,4
Поливка вручную (из шлангов) усовершенствованных покрытий тротуаров и проездов	то же	0,4-0,5
Поливка городских зелёных насаждений	«	3-4
Поливка газонов и цветников	«	4-6
Поливка посадок в грунтовых зимних теплицах	1 сут
Поливка посадок в стеллажных зимних и грунтовых весенних теплицах, парниках всех типов, утеплённом грунте	то же
Поливка посадок на приусадебных участках:
овощных культур	«	3-15
плодовых деревьев	«	10-15

Примечания: 1. При отсутствии данных о площадях по видам благоустройства (зелёные насаждения, проезды и т.п.) удельное среднесуточное за поливочный сезон потребление воды на поливку в расчёте на одного жителя следует принимать 50-90 л/сут в зависимости от климатических условий, мощности источника водоснабжения, степени благоустройства населённых пунктов и других местных условий.

2. Количество поливок надлежит принимать 1-2 в сутки в зависимости от климатических условий.

Нормы водопотребления на технологические нужды производства. Расходы воды на производственные нужды промышленных предприятий зависят от характера и объёма производства, а также от технологических процессов производства. Основными видами использования воды различными предприятиями промышленности являются: парообразование, конденсация пара, приготовление различных фабрикатов, промывка продукции и используемых материалов, охлаждение производственных установок и т.п. Наиболее крупными производственными потребителями воды являются теплосиловые станции, металлургические и нефтеперерабатывающие предприятия, использующие воду для охлаждения (конденсация пара, охлаждение производственных агрегатов).

Расходы воды на нужды промышленных предприятий зависят от характера и объёма производства, состава исходного сырья и получаемого продукта, роли воды в технологических процессах, схемы водоснабжения и повторного использования воды. Для ориентировочных расчётов потребления воды на производственные нужды используют нормы, разработанные технологами соответствующих производств, полученные на основании опыта эксплуатации объекта с учётом принятой технологии. Нормы производственного водопотребления представляют собой расход воды для тех или иных нужд, отнесённый на единицу продукции промышленного предприятия.

К этой же категории необходимо отнести расход воды для заводнения нефтяных пластов и пылевыделения в шахтах, где требуется значительное количество воды питьевого качества.

1.5. Режим водопотребления

Размеры основных сооружений водопроводной сети, число и мощность насосов, объём резервуаров, высоту и вместительность водонапорных башен, диаметры труб выбирают путём расчёта этих элементов в соответствии с:

1) количеством подаваемой воды;

2) намеченным режимом работы.

Основным фактором, определяющим режим работы всех элементов системы водоснабжения, является режим расходования воды потребителями, которых эта система обслуживает.

Режим водопотребления характеризуется неравномерностью и зависит от многих обстоятельств, часто субъективных, и прогнозировать точно, сколько необходимо подать воды потребителю в данный момент времени, практически невозможно.

Тем не менее, заранее необходимо представлять хотя бы приближённо режим водопотребления, так как предполагаемые графики режима водопотребления кладутся в основу расчёта водопроводных сетей и сооружений и определяют стоимость системы и расходы на её эксплуатацию.

Сложнее всего прогнозировать режим водопотребления при проектировании водопроводов населённых пунктов на хозяйственно-питьевые нужды. Он зависит как от быта и труда людей, так и от санитарно-технического оборудования жилых зданий, графиков работы учреждений и предприятий, меняется в зависимости от смены сезонов года и погоды.

Таким образом, при проектировании нового водопровода или реконструкции существующего при расчёте принимается график водопотребления, фактически наблюдаемого в городе, наиболее близко подходящем к данному по району расположения, числу жителей, степени развития промышленности и т.п.

Наибольший и наименьший расчётные часовые расходы воды (Q _max и Q _min) в сутки наибольшего и наименьшего водопотребления на хозяйственно-питьевые нужды населения могут быть получены из следующих формул:

для суток наибольшего водопотребления максимальный часовой расход равен:

, (1)

для суток наибольшего водопотребления минимальный часовой расход равен:

, (2)

где и – коэффициенты часовой неравномерности водопотребления в течение суток.

Значения коэффициентов и определяются из выражений:

, (3)

, (4)

где a – коэффициент, учитывающий степень благоустройства зданий, режим работы предприятий и другие местные условия, принимаемый ; ; b – коэффициент, учитывающий число жителей в населённом пункте.

С помощью приведённых формул и значений коэффициентов неравномерности водопотребления в пределах суток возможно определить для проектируемой системы величины часовых расходов воды (Q _max и Q _min) на хозяйственно-питьевые нужды населения. К этим расходам должны быть добавлены расходы воды на поливку городских зелёных насаждений. Кроме того, к перечисленным расходам прибавляются расходы на хозяйственно-питьевые нужды на предприятиях и расходы на технологические нужды.

Таблица 3

Коэффи-циент	Число жителей, тыс. чел
1,5	2,5
bmax	1,8	1,6	1,5	1,4	1,3	1,2	1,15	1,1	1,05
bmin	0,1	0,1	0,2	0,25	0,4	0,5	0,6	0,7	0,85

Примечания: 1. Коэффициент b при определении расходов воды для расчёта сооружений, водоводов и линий сети следует принимать в зависимости от числа обслуживаемых ими жителей, а при зонном водоснабжении – от числа жителей в каждой зоне.

2. Коэффициент b_max следует принимать при определении напоров на выходе из насосных станций или высотного положения башни (напорных резервуаров), необходимого для обеспечения требуемых свободных напоров в сети в периоды максимального водоотбора в сутки максимального водопотребления, а коэффициент b_min – при определении излишних напоров в сети в периоды минимального водоотбора.

 

Указанным образом могут быть получены только предельные расчётные часовые расходы для суток наибольшего и наименьшего водопотребления – Q _max и Q _min, но для выбора наиболее экономичного режима работы отдельных сооружений водопроводной сети необходимо иметь полную картину отбора воды потребителям в течение суток. Анализ графиков, полученных для населённых пунктов, близких по условиям климата, численности населения, степени благоустройства к тому населённому пункту, для которого проектируется система водоснабжения, позволяет выбрать для него расчётную модель водопотребления в течение суток.

Расчетные графики расходования воды по часам разбиты на часовые интервалы и представляют ступенчатые диаграммы; соответственно этому расход воды в пределах каждого часа считается постоянным. Несмотря на требования подавать воду согласно суточному графику водопотребления, основные водопроводные сооружения обладают гибкостью и резервами производительности, т.е. возможностью изменять количество подаваемой воды в необходимых пределах.

При проектировании водопроводных сетей используются несколько типичных расчетных моделей для различных значений a _max; каждая из этих моделей отражает некоторую степень неравномерности водопотребления в течение суток. Основу расчета для каждой модели представляет таблица, в которой на каждый из 24 часов суток указано количество потребления воды в процентах от всего количества воды за сутки. Пример такой таблицы – табл. 4.

Соответствующий ступенчатый график приведен на рис.1.4.

 

Таблица 4

Часы суток	Часовой расход, % от суточного при a = 1,25	Часы суток	Часовой расход, % от суточного при a = 1,25
0 – 1	3,35	12 – 13	4,6
1 – 2	3,25	13 – 14	4,55
2 – 3	3,3	14 – 15	4,75
3 – 4	3,2	15 – 16	4,7
4 – 5	3,25	16 – 17	4,65
5 – 6	3,4	17 – 18	4,35
6 – 7	3,85	18 – 19	4,4
7 – 8	4,45	19 – 20	4,3
8 – 9	5,2	20 – 21	4,3
9 – 10	5,05	21 – 22	4,2
10 – 11	4,85	22 – 23	3,75
11 – 12	4,6	23 – 24	3,7

 

Необходимо заметить, что графики водопотребления в течение суток очень точно отражают различные события, происходящие в населенном пункте. Так, например, в часы интересных спортивных соревнований, радио- и телепередач потребление воды резко падает и на суточном графике появляется провал в соответствующие часы. Отличаются графики в отдельные дни недели – в праздничные и в предпраздничные, от обычных будних дней, а также в различные периоды года.

 

1.6. Напор в сети

Вода из водопроводной сети должна поступать к потребителю в необходимом количестве и под требуемым напором. Отбор воды потребителями происходит на некоторой высоте над поверхностью земли, поэтому в водонапорной сети должно быть обеспечено давление, необходимое для подъема воды на заданную высоту. Например, для подачи воды на последний этаж здания, рис. 1.5., необходимо, чтобы в трубах городской водопроводной сети было создано давление, большее некоторого минимального, достаточного для подъема воды до наивысшей водоразборной точки. Если будет создано такое давление р, что

, (5)

то вода достигнет наивысшей в смысле геометрического положения точки, но дальше не потечет (не учитывается глубина заложения трубы Н_З ниже уровня земли). При повышении давления р вода будет вытекать из водоразборного прибора и сразу необходимо будет выполнить 2 условия:

1) вода должна вытекать из крана с некоторым напором;

2) как только вода начнет перемещаться по трубам в здании, сразу появятся потери на гидравлические сопротивления, т.е. необходимо будет создавать дополнительное давление для преодоления этих сопротивлений (от точки 1 до точки 2).

Поэтому требуемая пьезометрическая высота в точке 1, измеряемая от поверхности земли, должна равняться сумме геометрической высоты подъема воды над этой точкой и общих потерь напора на пути движения воды в здании (еще необходим напор, под которым вода будет вытекать из водоразборного устройства).

Эта пьезометрическая высота, измеряемая обычно в метрах, необходимая для нормальной работы водопровода, обычно называется требуемым «свободным напором» в водопроводной сети Н_св.

Таким образом , (6)

где Н_Г – геометрическая высота расположения наивысшей водоразборной точки над поверхностью земли; h_u – напор, который необходимо обеспечить у водоразборных приборов (напор излива); h_пот – потери напора в трубах, фасонных частях и арматуре на пути от точки присоединения к линии городской сети до водоразборной точки внутри здания. СНиП 2.04.02-84^* «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» дают следующие значения свободного напора Н_св в сети водопровода населенных пунктов: «Минимальный свободный напор в сети водопровода населенного пункта при максимальном хозяйственно-питьевом водопотреблении на вводе в здание над поверхностью земли должен приниматься при одноэтажной застройке не менее 10 м, при большей этажности на каждый этаж следует добавлять 4 м.

Примечания:1. В часы минимального водопотребления напор на каждый этаж, кроме первого, допускается принимать равным 3 м, при этом должна обеспечиваться подача воды в емкости для хранения.

2. Для отдельных многоэтажных зданий или группы их, расположенных в районах с меньшей этажностью застройки или на повышенных местах, допускается предусматривать местные насосные установки для повышения напора.

3. Свободный напор в сети у водоразборных колонок должен быть не менее 10 м.

Свободный напор в наружной сети хозяйственно-питьевого водопровода у потребителей не должен превышать 60 м».

 

На рис. 1.6. изображен продольный разрез системы водоснабжения, на котором показано положение пьезометрических линий в момент максимального водоразбора. Наиболее неблагоприятными по подаваемому напору оказываются точки, дальше всего отстоящие от водонапорной башни и имеющие наиболее высокие геодезические отметки.

 

Рис. 1.6.

В этих точках вследствие потерь напора в сети от источника питания до этих точек будут самые низкие пьезометрические высоты и самые малые имеющиеся свободные напоры.

1.7. Типы и схемы водопроводных сетей

В практике водоснабжения используют два основных вида сетей: тупиковые или разветвлённые, рис.1.7., и кольцевые, рис.1.8.

 

Рис. 1.7. Рис. 1.8.

Подача воды в заданных количествах в любую точку на территории объекта водоснабжения может быть осуществлена как по тупиковой, так и по кольцевой сети.

Сравним эти два типа сетей в отношении надёжности: авария
или выключение на ремонт любого участка тупиковой сети ведут
к прекращению подачи воды всем потребителям, расположенным дальше места аварии по направлению движения воды. В кольцевой сети при аварии любого её участка вода может быть подана в обход по параллельно расположенным линиям. При этом прекращается снабжение водой только тех потребителей, которые присоединены к выключенному участку.

С точки зрения стоимости строительства и эксплуатации, кольцевая сеть значительно дороже тупиковой – это объясняется большей протяжённостью труб кольцевой сети, чем тупиковой (для того же объекта), большим числом колодцев и арматуры.

Исходя исключительно из требований надёжности, в городах, крупных посёлках и на некоторых промышленных предприятиях сооружают кольцевые водопроводные сети.

Тупиковые сети могут быть выполнены для небольших объектов – в посёлковых водопроводах, водопроводах сельских местностей и для тех потребителей (в частности – производственных), которые допускают перерывы в снабжении водой. Кроме этих случаев, тупиковые сети часто используют в крупных районных водопроводах, снабжающих ряд объектов, отстоящих друг от друга на значительных расстояниях. В таких системах надёжность водоснабжения обеспечивается установкой местных резервуаров достаточной вместимости, что обычно экономичнее устройства кольцевой сети.

Водопроводная сеть решает одну из наиболее ответственных задач при обеспечении водой потребителей, при этом вода, подаваемая на территорию снабжаемого объекта, подводится по трубам сети ко всем заданным точкам её отбора потребителям.

Конфигурация сети зависит от:

– планировки снабжаемого объекта;

– размещения точек подачи в неё воды водоводами;

– характера объекта (город, посёлок, промышленные предприятия);

– расположения регулирующих ёмкостей;

– рельефа местности.

Расчёт городских водопроводных сетей представляет собой сложную задачу, так как число фактических точек отбора воды из сети городского водопровода очень велико, а режим отбора воды носит случайный характер. В связи с этим применяются упрощённые расчётные модели, как самих сетей, так и отбора воды из сети для отдельных характерных случаев её работы, поэтому водопроводные сети рассчитываются по ожидаемым (ориентировочным) схемам нагрузок для нескольких основных «расчётных» моментов их работы.

Изучение некоторых свойств тупиковых и кольцевых сетей позволяет установить необходимые для расчёта взаимосвязи между их отдельными элементами и оценить ряд важных показателей работы сетей, в частности их надёжность.

Система водопроводной сети и примыкающих к ней водоводов и ответвлений представляет собой структуру, состоящую из конечного числа вершин (узлов), связанных между собой рёбрами (линиями, участками). Рассматривая два основных типа водопроводных сетей – тупиковые и кольцевые, возможно сделать следующие выводы. В тупиковой сети любые два её узла возможно соединить только одной определённой цепочкой рёбер (участков). Все участки тупиковой сети, кроме конечных, являются точками сочленения, рис. 1.9.

 

Рис. 1.9. Рис. 1.10.

В кольцевой сети любые её два узла могут быть соединены несколькими различными цепочками (не менее чем двумя). Две любые цепочки, например, на рис. 7.4 1-4-5-6 и 1-8-7-6, соединяющие узлы 1 и 6 кольцевой сети, образуют замкнутый путь (цикл) или «кольцо». Тупиковая сеть колец не содержит.

Цикл, который не пересекается никакими рёбрами, носит название элементарного (минимального) цикла или элементарного кольца.

Для плоской сети любого типа может быть установлено следующее соотношение между числом её участков k, узлов m и элементарных колец n:

k = n + m – 1 (7)

или

т = k – n + 1.

Эта зависимость может быть получена как следствие теоремы Эйлера о многогранниках.

Для тупиковой сети n = 0 и, следовательно, k = m –1, так как число участков всегда на единицу меньше числа узлов.

Очевидно, что для превращения кольцевой сети в тупиковую необходимо удалить n её участков – по одному из каждого кольца. Полученная таким образом сеть называется «деревом» кольцевой сети. Из любой кольцевой сети можно получить несколько вариантов дерева. Число вершин всегда остаётся равным числу вершин соответствующей кольцевой сети.

Пример 1. На рис. 1.11 изображена простейшая сеть, состоящая из двух узлов и одного участка, кольца отсутствуют; в этом случае n = 0, m = 2, k = 1, то есть 1 = 2–1 и соотношение
(7) выполняется.

 

Пример 2. Для кольцевой сети, изображённой на рис. 1.12, имеем следующие значения k, n, m: n = 3, m = 8, k = 10. И из (7) получаем: 10 = 3+8–1.