Система водоснабжения и ее основные элементы. Классификация систем водоснабжения

Система водоснабжения представляет собой комплекс сооружений для обеспечения определенной группы потребителей водой в требуемых количествах и требуемого качества.

Систему водоснабжения выбирают на основании данных о водопотребителях, водопотреблении и сведениях об имеющихся источниках водоснабжения.

Система водоснабжения населенного места и промышленного предприятия должны обеспечивать получение воды из природных источников, ее очистку и подачу к месту потребления. Кроме того, система водоснабжения должна обладать определенной степенью надежности. Для выполнения этих задач служат следующие сооружения, входящие обычно в состав системы:

а) водозаборные сооружения, при помощи которых осуществляют захват воды из природных источников;

б) водоподъемные сооружения, т. е. насосные станции, подающие воду к местам ее очистки, хранения и потребления;

в) сооружения для улучшения качества воды;

г) водоводы и водопроводные сети, служащие для транспортирования воды к местам ее потребления и ее распределения;

д) башни и резервуары, играющие роль регулирующих и запасных емкостей.

Взаимное расположение основных водопроводных сооружений видно из общей схемы водоснабжения.

Вода забирается из природного источника при помощи водозаборного сооружения 1 и подается насосами станции I – го подъема 2 на очистные сооружения 3. После очистки вода подается в резервуары чистой воды 4, из которых забирается другой группой насосов станции II – го подъема 5. И по водоводам 6 подается в водопроводную сеть 7, подающую воду непосредственно к водоразборным устройствам. 8 – водонапорная башня, назначение которой компенсировать несовпадение режимов подачи и потребления воды в отдельные часы суток, накапливая избыток подаваемой воды в одни часы и пополняя недостаток ее в другие.

Рисунок 17 — Схема водоснабжения

В зависимости от местных природных условий и характера потребления воды, а также в зависимости от экономических соображений схема водоснабжения и составляющие ее элементы могут сильно изменяться. Большое влияние на схему водопровода оказывает принятый источник водоснабжения, его характер, мощность, качество воды в нем, расстояние от снабжаемого водой объекта и т. п.

Водонапорная башня может быть расположена в начале сети, в конце ее или в какой-либо промежуточной точке сети. Порядок расположения прочих сооружений также может быть различен. При использовании подземных вод водоприемных сооружения выполняют в виде колодцев (шахтных, буровых), водосборных галерей или различных каптажных сооружений. При использовании поверхностных источников принимают водоприемники различных типов и конструкций, представляющие собой сложные гидротехнические сооружения.

В тех случаях, когда очистку воды производить не требуется, система водоснабжения сильно упрощается, отпадает необходимость не только в очистных сооружениях, но часто и в связанных с ними резервуарах чистой воды и насосах II – го подъема.

Рельеф местности оказывает влияние на схему водоснабжения. В гористых районах источники водоснабжения (озера, водохранилища, родники) могут находиться на отметках, значительно превышающих отметки снабжаемого объекта. В этом случае воду можно подавать самотеком и устройство насосной станции не требуется.

Важное практическое значение имеют групповые и районные водопроводы, при которых одна система водоснабжения охватывает несколько объектов, иногда различного назначения (населенные пункты, промышленные предприятия, железнодорожные станции, сельское хозяйство и др.). Обслуживание ряда объектов одной системой водоснабжения дает значительные экономические преимущества, т. к. капитальные затраты и эксплуатационные расходы такого водопровода ниже, чем аналогичные затраты отдельных систем для каждого объекта. При этом повышается степень надежности водоснабжения.

Все многообразие встречающихся на практике систем водоснабжения можно классифицировать по следующим основным признакам:

а) системы водоснабжения (водопроводы) коммунальные (городов, поселков);

б) системы производственного водоснабжения (производственные водопроводы), которые в свою очередь различают по отраслям промышленности:

— водопроводы химических комбинатов;

— водопроводы тепловых электростанций;

— водопроводы металлургических и машиностроительных заводов;

— система водоснабжения железнодорожного транспорта;

По целевому назначению

— хозяйственно-питьевые; — хозяйственно-противопожарные; — хозяйственно-производственные; — поливочные; — противопожарные.

По виду использования природных источников

— водопроводы, получающие воду из поверхностных источников (речные, озерные и т. д.);

— водопроводы, базирующиеся на подземных водах (артезианские, родниковые и т. п.);

— смешанного питания (при использовании различных видов источников).

По способам подачи воды

— самотечные (гравитационные) водопроводы;

— водопроводы с механической подачей воды (с помощью перекачки воды насосами);

Схемы и основные элементы систем водоснабжения

Системы водоснабжения, их классификация

Основные сооружения и режим их работы

Системы и схемы водоснабжения населенных мест.

Системы водоснабжения представляют собой комплекс сооружений, предназначенных для забора воды из источников водоснабжения, ее очистки, хранения и подачи потребителям в необходимых количествах, требуемого качества и под требуемым напором.

Классификация применяемых на практике систем водоснабжения представлена на рис. 1.1.

Если системы водоснабжения обеспечивают водой отдельные районы страны или группы различных населенных пунктов и других объектов, то они называются районными, или групповыми системами. Целесообразность создания групповых и районных систем водоснабжения возникает, обычно в условиях маловодной местности при необходимости обеспечения водой ряда объектов, расположенных на территории некоторого района.

Системы водоснабжения могут быть объединенными (едиными), неполно раздельными и раздельными.

Объединенные системы – это водопроводы, выполняющие одновременно хозяйственно-питьевые, производственные и противопожарные функции. Такие водопроводы устраивают в городах, поселках и на предприятиях, на технологические нужды которых требуется вода питьевого качества, а также на предприятиях, не требующих воды питьевого качества, если экономически нецелесообразно устраивать самостоятельный производственный водопровод.

Устройство неполно раздельной системы водоснабжения обусловливается несовпадением требований к качеству воды на хозяйственно-питьевые и производственные нужды. О степени объединения этих водопроводов на самом предприятии и с городским водопроводом судят по результатам технико-экономического расчета. Так как на промышленной площадке бывают потребители с различными требованиями к воде по качеству и свободным напорам, то часто устраивают несколько промышленных водопроводов. Возможность объединения противопожарного водопровода с хозяйственно-питьевым или производственным водопроводом зависит от особенностей технологических процессов предприятий и количества воды, требующегося на нужды пожаротушения. Как правило, противопожарный водопровод объединяют с хозяйственно-питьевым, имеющим большую разветвленность.

Раздельную систему водоснабжения, предусматривающую наличие самостоятельных хозяйственно-питьевого, противопожарного и производственного водопроводов, устраивают довольно редко. Это оправданно в том случае, когда по технологическим соображениям производственный и противопожарные водопроводы объединять нельзя, а объединение противопожарного и хозяйственно-питьевого – экономически нецелесообразно.

В зависимости от рельефа местности снабжаемой водой территории и требуемых свободных напоров системы водоснабжения подразделяются на однозонные и многозонные. При однозонной системе все объекты, расположенные на снабжаемой водой территории, питаются от одной системы водоснабжения. При резко пересеченном рельефе местности для поддержания требуемого напора в высокорасположенных узлах сети должно поддерживаться давление, которое недопустимо для низкорасположенных участков. В этих условиях водопроводную сеть разбивают на зоны, в каждой из которых поддерживается требуемый напор с помощью насосов и напорных резервуаров. Самостоятельные поливочные водопроводы устраивают чрезвычайно редко. Обычно их функции выполняют хозяйственно-питьевые водопроводы или производственные – при наличии разрешения санитарных органов.

Схема водоснабжения городов и населенных пунктов определяется видом источника водоснабжения, качеством воды в нем, рельефом местности, режимом водопотребления.

В общем случае система водоснабжения включает в себя следующие сооружения (рис. 1.2):

1 – водозаборные сооружения, с помощью которых осуществляют захват воды из природных источников;

2 – насосная станция первого подъема, подающая воду к местам ее очистки;

3 – водоводы первого подъема;

4 – очистные сооружения по очистке воды;

5 – резервуар чистой воды;

6 – насосная станция второго подъема;

7 – водоводы второго подъема;

8 – наружная водопроводная сеть города;

9 – водонапорная башня;

10 – водоводы, соединяющие водонапорную башню с сетью города.

В зависимости от местных природных условий и характера потребления воды, а также по экономическим соображениям схема водоснабжения может сильно меняться.

Приведенная схема водоснабжения может быть применена как для населенных пунктов, так и для промышленных производств. Однако существуют схемы системы водоснабжения, предназначенные только для предприятий.

Водоснабжение промышленных предприятий может быть осуществлено по прямоточной, последовательной и оборотной схемам.

Основными факторами, влияющими на выбор схемы производственного водоснабжения, являются общее водопотребление, наличие источников водоснабжения и их мощность, расстояние от площадки завода до источника водоснабжения, разность геодезических отметок заводской площадки и уровня воды в источнике, условия охраны водоема от загрязнений производственными сточными водами.

При прямоточной схеме водоснабжения (рис.1.3, а) вода, забираемая из источника водоснабжения, после соответствующей очистки поступает на технологические нужды предприятия, а затем, после очистки, сбрасывается в водоем ниже по течению относительно объекта водоснабжения. Прямоточная схема водоснабжения экономически целесообразна при малых расстояниях от источника водоснабжения до завода, а также при незначительной разности отметок уровня воды в источнике и площадки завода. Кроме того, она может быть применена при технологических процессах, не допускающих использования оборотной воды из-за ее загрязненности.

С увеличением расстояния между источником водоснабжения и промышленной площадкой, а также разности геодезических отметок, более предпочтительно применение оборотной схемы (рис.1.3, б). Она становится единственно возможной при малых мощностях источника водоснабжения и при технологии, не допускающей применения прямоточной и последовательной схем из-за наличия в отработавшей воде токсичных веществ, очистка от которых затруднена.

При оборотной схеме резко уменьшается забор «свежей» воды из источника водоснабжения: он составляет около 3 – 5 % количества воды, забираемого из источника при прямоточной схеме водоснабжения. Как правило, отличием большинства оборотных систем являются устройства для охлаждения воды (градирни, пруды-охладители и др.). При необходимости могут быть предусмотрены также очистные сооружения.

Схема с последовательным использованием воды, занимающая промежуточное положение между рассмотренными схемами, становится целесообразной при небольших расстояниях между цехами, сбрасывающими и использующими отработавшую воду. По этой схеме вода может поступать к следующему потребителю как после очистки и охлаждения, так и без них, что определяется технологией производства.

Та или иная схема водоснабжения выбирается на основе технико-экономического сравнения вариантов и соблюдения условий охраны водоемов от загрязнений.

В дальнейшем промышленность будет переходить на бессточную схему водоснабжения, которая позволяет использовать в производственном водоснабжении все стоки, сбрасываемые с территории заводов, сократив до минимума забор воды из источника водоснабжения, исключить загрязнение водоемов вредными примесями, извлекать полезные вещества из сточных вод предприятия.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Взаимосвязь работы элементов системы водоснабжения

Все элементы системы водоснабжения (водоводы, водопроводные сети, насосные станции, регулирующие резервуары и т.д.) должны быть связаны. К системе водоснабжения предъявляются требования, касающиеся не только подачи воды потребителям в необходимых количествах, но и напоров (давлений), которые должны быть обеспечены в точках отбора. Напор, развиваемый насосной станцией, и высота водонапорной башни должны быть достаточными для преодоления потерь напора при движении воды по трубопроводам, а также для подъема воды до наивысшей точки ее отбора и при свободном изливе.

Большинство потребителей получают воду на некоторой высоте над поверхностью земли. Это требует создания в сети в месте присоединения ввода напора, достаточного для подъема воды на заданную высоту, носящего название свободного напора Н_св: Н_св = Н_г + h_пот + Н_ост

где Н_г — геометрическая высота подъема воды от поверхности земли до самой высокой водозаборной точки, м; h _пот — потери напора во внутренней сети, водомерном узле и вводе, м; Н_ост — остаточный напор у диктующего прибора, м.

Схема подачи воды в здание

Геометрическая высота подъема воды Н_г м, определяется по формуле: Н_г =Н_пл + (n-1) Н_эт + Н_пр

где H _пл — превышение отметки пола первого этажа над поверхностью земли (планировочная высота); п —число этажей в здании; Н_эт — высота этажа здания; Н_пр — высота расположения диктующего прибора над полом.

Для предварительных расчетов свободный напор при одноэтажной застройке принимают равным 10 м, а при большей этажности прибавляют по 4 м на каждый этаж: Н_св = 4 (n-1) +10, где п — этажность застройки.

В часы минимального водопотребления напор на каждый этаж (кроме первого) допускается принимать равным 3 м. На промышленных предприятиях свободный напор определяется технологическим процессом.

Связь между напорами для схемы водоснабжения с башней в начале сети на момент максимального водопотребления представлена на рисунке ниже. Она определяется положением пьезометрических линий, которые отражают падение напора в сети при движении воды от источника водоснабжения до точек сети, наиболее неблагоприятных в отношении обеспечения свободных напоров. Эти точки носят названия диктующих или критических.

Обычно диктующими точками являются наиболее удаленные от башни и точки отбора, имеющие наибольшие геодезические отметки земли. В них будут самые низкие пьезометрические напоры и самые малые свободные напоры.

Схема взаимосвязи между напорами в системе водоснабжения с башней в начале сети

Пьезометрический напор представляет собой сумму геодезической отметки рассматриваемой точки и свободного напора в ней. Если за критическую (среди удаленных от башни) принять точку а, имеющую наибольшую геодезическую отметку z , то требуемый пьезометрический напор в ней будет равен z + Н_св, где Н_св— требуемый свободный напор. Свободный напор в этой точке в любой момент времени должен быть не ниже требуемого. Пьезометрическая линия а₁б₁ характеризует падение напора в сети в момент максимального водопотребления. Высота водонапорной башни Н_δ должна быть такой, чтобы в час максимального водопотребления в точке а обеспечивался напор Н_св.

Связь между напорами в точках б и а определяется уравнением: z_δ + H_δ = z + H_св +∑h, где z_δ — отметка земли в месте расположения башни, м; ∑h — потери напора на участках сети от башни до критической точки а, м.

Пользуясь этим уравнением, можно определить высоту водонапорной башни: Н_δ = Н_св + ∑h — (z_δ — z)

Высота будет тем меньше, чем большее значение имеет величина z_δ. Поэтому расположение водонапорной башни на возвышенных отметках будет приводить к уменьшению ее строительной стоимости. Если в результате расчета Н_δ ≤ 0, то это указывает на то, что устройство водонапорной башни не требуется. В этом случае вместо башни устанавливается напорный резервуар, который может быть расположен на поверхности земли или быть заглубленным. Установка напорных резервуаров имеет преимущество — их стоимость всегда меньше стоимости водонапорных башен того же объема.

Положение пьезометрической линии меняется с изменением водопотребления и степени заполнения бака. По мере уменьшения водопотребления потери напора в линиях сети и водоводах также уменьшаются и, следовательно, пьезометрическая линия будет иметь меньший уклон. Она будет поворачиваться вокруг точек δ₁ и δ₂ или их промежуточных положений и займет горизонтальное положение в случае прекращения отбора воды из сети, когда потери напора в ее линиях равны нулю.

Требуемый напор у насосной станции II подъема Н_н определяется из условия возможности подачи воды на отметку максимального уровня воды в баке водонапорной башни:

где z_Н — отметка уровня воды в резервуаре, м; Н₀ — расчетная высота бака башни, м; h_B — потери напора в напорных и всасывающих трубопроводах станции, включая потери в коммуникациях, м.

С изменением уровня воды в баке башни рабочая точка на кривой Q-Н насосов будет менять свое положение. Одновременно будет изменяться и подача воды насосной станцией. В результате принятый график работы насосной станции характеризует картину ее работы лишь с некоторым приближением, а реальную картину можно получить в результате гидравлических расчетов системы подачи и распределения воды в целом.

Требуемый напор насосов станции I подъема определяется аналогичным образом.

На практике возвышенные отметки снабжаемой водой территории могут находиться в противоположной от насосной станции стороне. Система водоснабжения с башней, установленной на этих отметках, называется системой с контррезервуаром.

Схематическое изображение кольцевой сети системы водоснабжения с контррезервуаром

О_н и Q₆ — расходы соответственно от насосной станции и водонапорной башни; а-а — граница зон питания от насосной станции и башни; 1,2 — районы питания соответственно от насосной станции и башни; 3 — водонапорная башня

Режим работы этой системы имеет отличия от режима работы системы с башней в начале сети. При максимальном водопотреблении питание потребителей водой осуществляется с двух противоположных сторон; от насосной станции — Q_H и от водонапорной башни — Q_δ . Для системы водоснабжения с башней в начале сети оно осуществляется в начальной точке сети, т.е. Q = Q_H + Q_δ .

Приближенно расходы Q_H и Q_δ определяются по совмещенному графику режима работы насосной станции и режима водопотребления, В системе с контррезервуаром потоки воды от насосной станции и водонапорной башни будут направлены навстречу друг другу. Линия, проведенная через узлы, в которых произошла встреча потоков, называется границей зон питания . Критической из расположенных на этой линии точек будет та, которая имеет наибольшую геодезическую отметку. Такой точкой на рисунке ниже является узел a₁ с геодезической отметкой z. Требуемый свободный напор в этой точке равен Н_св.

Схема взаимосвязи между напорами в системе водоснабжения с башней в конце сети

Зная геодезические отметки расчетного уровня воды в резервуаре чистой воды z_Н, земли в месте расположения башни z_δ, а также потери напора ∑h_H при движении воды от насосной станции до точки а₁ и потери напора ∑h_δ по пути от башни до этой точки, можно построить пьезометрические линии для часа максимального водопотребления. Они будут иметь уклоны противоположных знаков и общую точку в узле a₁.

Требуемая высота водонапорной башни H_δ и необходимый напор насосов Н_н определяются по выражениям:

где h_B — потери напора в водоводах, соединяющих насосную станцию с сетью.

В часы, когда подача насосов в максимальной степени превышает водопотребление, избыток воды транзитом проходит через всю систему трубопроводов и поступает в резервуар водонапорной башни. Этот момент называют моментом максимального транзита. В этом случае пьезометрическая линия приобретает уклон одного знака. Напор на насосной станции в этот момент больше напора в час максимального водопотребления. Это вызывается возрастанием потерь напора в сети из-за увеличения пути транспортирования воды, а также ее количества в районе границы зон питания.

Приведенные схемы водоснабжения — это лишь часть их многообразия. Они определяются рядом факторов: числом источников питания, местом их расположения, конфигурацией территории, ее рельефом и т.д.

В задачи проектировщиков при выборе оптимального режима работы системы водоснабжения и отдельных ее сооружений входит: установление графика сложившегося на данный момент времени водопотребления; определение суточных расходов воды и взаимного расположения элементов систем водоснабжения.

Водоприемные сооружения, насосная станция I подъема и очистные сооружения обеспечивают забор, подачу и очистку воды в объеме суточного водопотребления. Режим работы этих сооружений для средних и крупных объектов, как правило, назначается равномерным. При этом режиме обеспечиваются наименьшие расчетные нагрузки указанных сооружений и их наименьшая строительная стоимость.

В водопроводную сеть вода подается из резервуаров насосной станцией II подъема. При совпадении графика режима работы насосной станции И подъема с графиком водопотребления водонапорная башня для целей регулирования в системе не требуется. Однако на практике достичь совпадения указанных линий практически невозможно, так как для этого потребовалось бы несколько насосов на насосной станции II подъема, которые бы постоянно включались (выключались) для отслеживания режима водопотребления. Более того, использование такого режима работы насосной станции при значительной неравномерности водопотребления усложняет и удорожает эксплуатацию и строительство системы.

Как правило, используется ступенчатый режим работы насосной станции II подъема с периодическим включением группы насосов, обеспечивающих сближение линий 2 и 3, При таком режиме в часы максимального водопотребления насосная станция II подъема подает несколько меньшее количество воды по сравнению с требуемым, а в часы минимального потребления воды подача насосов превышает потребление воды. В первом случае недостаток воды компенсируется из водонапорной башни, во втором — избыток накапливается в резервуаре башни.

Расчетными считаются случаи, при которых имеют место максимальные нагрузки по расходу воды и напору для отдельных элементов системы водоснабжения. В пределах рассматриваемой очереди развития водопровода расчетным моментом является последний расчетный год, для которого принимают средние нормы водопотребления, расчетное число жителей и находят средний за год расчетный суточный расход воды Q_cyт который позволяет, зная коэффициенты неравномерности К_max сут и К_min сут , найти максимальный и минимальный Q_min сут суточные расходы. При проектировании системы водоснабжения приходится проводить гидравлические расчеты при различных нагрузках водопотребления.

Все сооружения системы водоснабжения рассчитывают при нагрузках, соответствующих суткам максимального водопотребления в соответствии с графиком водопотребления.

Водопроводные сети необходимо рассчитывать на работу в час максимального водопотребления, а сети с контррезервуаром, кроме того, должны быть рассчитаны на работу в час максимального транзита в напорно-регулирующую емкость.

Наряду с этим, водоводы, распределительную сеть и насосы станции II подъема нужно проверять на одновременную подачу максимального часового и противопожарного расходов воды в сутки максимального водопотребления. Рекомендуется проводить расчеты системы подачи и распределения воды на минимальный часовой расход в дни минимального водопотребления, при котором возможны наибольшие давления в сети. Также целесообразно выполнять расчет на средний часовой расход в сутки среднего водопотребления, что дает возможность ориентировочно определить за расчетный срок для данного этапа развития системы затраты энергии на подъем воды. Помимо этого, необходимо выполнить расчеты, обосновывающие мероприятия по обеспечению водой потребителей в заданных пределах в случае возникновения аварий.

Ряд проведенных расчетов позволяют выбрать оборудование системы, обеспечивающее как ее работоспособность, так и экономичность.