CC BY
34
УДК 628.8: 696.4: 644.62: 683.97
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРОЕКТИРУЕМЫХ И РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ СИСТЕМ ВОДООТВЕДЕНИЯ
© Р.В. Чупин1, А.А. Бобер2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предлагается методика обоснования параметров систем водоотведения кольцевой структуры, основанной на анализе аварийных отключений каждого из расчетных участков сети и обеспечении пропуска аварийного расхода по другим работающим коллекторам. Данная методика должна стать неотъемлемой составляющей при проектировании реконструируемых и развивающихся систем водоотведения. Ил. 3. Табл. 4. Библиогр.4 назв.
Ключевые слова: кольцевые безнапорные системы водоотведения; анализ аварийных ситуаций в системах водоотведения; обеспечение надежности транспортирования стоков на КОС1.
INCREASING RELIABILITY OF DESIGNED AND RECONSTRUCTED WATER DISPOSAL SYSTEMS R.V. Chupin, A.A. Bober
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The paper proposes a justification procedure for the parameters of recirculating water disposal systems, which is based on the analysis of the emergency cutoff of each of calculated network sections and ensuring the passage of emergency discharge through other collectors in operation. This procedure must become an integral component when designing water disposal systems being reconstructed and developed. 3 figures. 4 tables. 4 sources.
Key words: recirculating free flow sewerage systems; analysis of emergencies in water disposal systems; provision of drainage transportation reliability on KOS1.
Общепринято проектировать системы водоотведения бытовых, промышленных и ливневых стоков со структурой в виде дерева. Такая структура систем водоотведения удобна в эксплуатации, не требуют специальных средств автоматизации распределения потоков транспортируемых сточных вод и достаточно экономична. Вместе с тем, при любом засоре и отключении любого коллектора стоки будут выходить на поверхность земли, нанося экологический ущерб окружающей среде. Очевидно, что наиболее опасными будут аварии на головных коллекторах, отводящих стоки на очистные сооружения. На коллекторах с трубами малого диаметра и небольшой длины можно на время их отключения организовать временную переброску стока в другие колодцы или вывоз стоков автомобильным транспортом. Для коллекторов с трубами больших диаметров и значительной протяженностью такие мероприятия практически невозможны. В этом случае необходимо производить резервирование сети в виде параллельной прокладки дополнительных коллекторов или их кольцевание. В любом случае требуется обосновывать параметры таких коллекторов и оценивать надежность работы всей системы водоотведения в целом.
Следует отметить, что выход из строя любого
участка сети (или группы участков) является случайным событием, также как и величины стоков, которые будут при этом изливаться на поверхность земли. Для оценки воздействия на окружающую среду необходимо оценивать и прогнозировать эти случайные события, а также исследовать их в определенном интервале времени (например, за год). В работах С.Ю. Игнат-чика [1, 2] предложена методика определения таких параметров, основанная на статистических данных по интенсивностям отказов и восстановлений конкретной исследуемой системы водоотведения. Методика основана на определении вероятности нахождения системы в любом состоянии (полностью и частично работоспособном, неработоспособном, при отключенном /-ом участке и их группы и т.д.). В частности, автором получены зависимости интенсивности аварий и восстановлений от диаметра труб. Например, для асбе-стоцементных труб предложена следующая формула:
А = 0,48 • б-0,8 ,
где А - количество аварий в год на 1 км длины трубопровода; б - диаметр трубопровода, м.
Интенсивность восстановления аварийного участка:
1Чупин Роман Викторович, кандидат технических наук, докторант кафедры городского строительства и хозяйства, тел. (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
Chupin Roman, Candidate of technical sciences, Competitor for a Doctor's degree of the Department of Ci vil Planning and Economy, tel.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
2Бобер Антон Анатольевич, соискатель кафедры городского строительства и хозяйства, тел. (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
Bober Anton, Competitor for a scientific degree of the Department of Civil Planning and Economy, tel.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
Уут = 8760 / Т,
где Т- человеко-часы, Т = 485 • б, - 504 • б, - 27 при б < 1000 мм.
Вероятность нахождения всей системы в любом состоянии (работоспособном, частично работоспособном, неработоспособном) предлагается вычислять по формуле
К1
об
= Ь/П С 1 + к)
где у, = Л; .
В случае, когда ,-ый участок не отводит поступающие к нему стоки, вероятность нахождения системы в любом состоянии вычисляется как
лг- = */П с 1
Полученные формулы используются для вычисления объемов сброса. В частности, общий объем сброса стоков на поверхность земли за время I предложено определять по следующей формуле:
<2с бР С 0=2?= хЧ ¡*К**/П?= 1 С 1+Уд (1)
И в случае отключения /'-го участка сети:
<2с бр ¡С 0 = Ч ¡*к*№ 1С 1 + Уд (2)
В качестве примера рассмотрим систему водоот-ведения, состоящую из восьми участков и девяти узлов (рис. 1).
Результаты вычислений согласно формулам (1), (2) представлены в табл. 1.
Рис.1. Схема системы водоотведения, где
Оценка надежности системы водоотведения
Таблица 1
Участок Расход стоков 9, л/с б, мм 1, м Л, ед./год (V ед./год у=Л/( 1+у Расход стоков, м3/год Осбр (I)
1-4 19,1 200 113 0,02 176 1,11 • 10-5 1,00011 6023376 659,3
2-5 33,8 250 26 0,004 140 2,7 • 10-5 1,000027 1065916,8 445,5
3-6 34,0 250 39 0,006 140 4,1 -10"5 1,000047 1072224 608,1
4-7 84,1 315 34 0,004 116 3,5 -10"5 1,00035 2652177 1583,4
5-8 84,6 315 25 0,006 116 5,0 -10"5 1,00005 2667945,6 1380,4
6-9 72,4 400 23 0,003 102 2,4 -10"5 1,00002 2283206,4 1113,2
7-8 86,6 500 36 0,003 98 3,1 -10"5 1,00003 2731017,6 1657,6
8-9 171,2 500 12 0,001 98 1,7 -10"5 1,00017 4499136 1835,5
В колонке 11 указаны объемы стоков при отключенном участке /.
Проектный объем отводимого стока равен ^= 7675862,4 м3/год.
Расход стока, отводимого сетью в работоспособном состоянии, за год согласно [1] составит:
п
а ()=/ П (!+у)=763767/
1=\
Следовательно, 38188,4 м3 стоков будут изливаться на поверхность земли, хотя общий показатель надежности отводимых стоков составит 0,995.
Как уже отмечалось выше, интенсивность отказов зависит от диаметра трубопровода. Например, для асбестоцементных труб интенсивность аварий при б = 100 мм в 12 раз больше, чем при б = 900 мм.
Очевидно, что при реконструкции и развитии систем водоотведения следует принимать большие диаметры, что, конечно же, приведет к значительным капиталовложениям. Но надо учитывать тот фактор, что даже одна крупная авария может нанести такой значительный экологический ущерб, что любые затра-
ты в повышение надежности сети могут быть оправданы.
В настоящей работе предлагается при реконструкции и развитии систем водоотведения переходить к кольцевым структурам систем водоотведения. В работах авторов [3, 4] рассмотрена гидравлика таких коллекторов, включая напорный, безнапорный и напорно-безнапорные режимы движения стоков. Предлагаемая ниже методика определения расчетных расходов и параметров водоотведения кольцевой структуры учитывает тот фактор, что при аварийном отключении любого расчетного участка транспортируемые стоки не выйдут на поверхность земли, а будут по законам истечения жидкости перераспределяться по другим коллекторам и, следовательно, попадут на очистные сооружения.
Сущность данной методики заключается в рассмотрении каждой аварийной ситуации. При отключении любого участка определяются объемы стоков, которые перераспределяются по другим инцидентным участкам и коллекторам. Этапы данной методики проиллюстрированы на рис. 2.
Рис. 2. Определение расчетных расходов в кольцевых системах водоотведения
Согласно предлагаемой методике, последовательно просматриваются узлы сброса и отвода стоков и анализируются варианты отключения участков, выходящих из данного узла. Например, из узла 1 исходят участки 1-2, 1-4 (рис. 2,а). При отключении участка 1-2 весь сток направляется по участку 1-4 (рис. 2,б) и наоборот (рис. 2,г). При отключении узлов, у которых только один исходящий участок (например, 3, 6, 7, 8) возникает потребность в организации противотоков по другим инцидентным участкам. Обоснование параметров таких участков требует особого рассмотрения. Это могут быть участки с прямым уклоном, либо с параллельной вертикальной или горизонтальной прокладкой дополнительных коллекторов, либо с обратным уклоном. Выбор окончательного варианта требует технико-экономических и гидравлических расчетов.
Если исходящих из анализируемого узла ветвей больше чем две, то расходы стоков распределяются по оставшимся ветвям пропорционально их количеству и их длинам. При отключении любого аварийного участка расходы по оставшимся ветвям корректируются и наибольшие их значения фиксируются. Таким образом, после обхода всех расчетных узлов определяются максимальные расходы по расчетным участкам сети. Их значения для исследуемой схемы представлены на рис. 2,р и являются основой для определения оптимальных параметров транспортирующих сооружения.
Следует также отметить, что принцип деления потоков пропорционально количеству исходящих коллекторов и их длинам носит весьма условный характер. Как показали гидравлические расчеты [3, 4], деление потоков в узлах разветвления схемы происхо-
дит пропорционально диаметрам исходящих коллекторов и их длинам и уклонам, а также в зависимости от длин путей, ведущих от этого узла до узла сброса стоков на канализационно-очистных сооружениях. Для новых кольцевых систем водоотведения деление потоков и параметры коллекторов можно определить только путем последовательных приближений и решения задачи оптимизации параметров транспортируемых сооружений.
Для исследуемой сети, состоящей из 12 участков и 9 узлов, диаметры коллекторов подобраны исходя из расчетных расходов, полученных в результате анализа каждой аварийной ситуации. Эти диаметры и их стоимостные показатели предоставлены в табл. 2. Также рассмотрен вариант сети с кольцевой структурой без отклонения аварийных участков (потоки делились пропорционально количеству исходящих из узлов коллекторов). Для этих вариантов подобраны диаметры (колонка 6 табл. 2) и определены затраты (колонка 8 табл. 2).
Из таблицы видно, что расчет прокладки сети с учетом аварий на каждом из участков приводит к увеличению стоимости в 2,5 раза: с 714 до 1794,5 тыс. руб. (расчет производился на основании удельных стоимостей полиэтиленовых труб (табл. 3)).
Другой вариант повышения надежности сети заключается в прокладке дублирующих коллекторов (рис. 3).
Для такого варианта подобраны диаметры и определена стоимость прокладки сети (расчеты представлены в табл. 4). Стоимость такого варианта составила 1125 тыс. рублей.
Таблица 2
Расчет стоимости прокладки кольцевых систем водоотведения_
Участок / уклон /•/, м м3/с <> м3/с При наполнении Мб = 0,8 Стоимость про тыс. жладки сети, руб.
б*1), мм б®, мм без учета надежности с учетом надежности
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1-2 0,0001 100 0,002 0,004 170 220 21,5 56,0
2-3 0,0001 100 0,0025 0,005 190 240 34,0 80,0
1-4 0,0001 100 0,002 0,004 170 220 21,5 56,0
2-5 0,0001 100 0,0025 0,007 190 280 34,0 136,0
3-6 0,0001 100 0,0045 0,007 230 280 67,0 136,0
4-5 0,0001 100 0,0015 0,006 150 260 16,0 108,0
5-6 0,0001 100 0,0025 0,135 190 350 34,0 234,0
4-7 0,0001 100 0,0015 0,003 150 200 16,0 38,5
7-8 0,0001 100 0,0045 0,006 230 260 67,0 108,0
5-8 0,0001 100 0,0025 0,0115 190 330 34,0 206,0
8-9 0,0001 100 0,011 0,020 330 410 206,0 318,0
6-9 0,0001 100 0,009 0,020 300 410 164,0 318,0
Итого 714,0 1794,5
Таблица 3
Удельная стоимость труб из ПВХ, руб. за пог. м_
б, мм 150 170 190 220 230 240 260 280 290 300 330 350 370 410
Стоимость 160 215 340 560 670 800 1080 1360 1500 1640 2060 2340 2620 3180
Рис. 3. Схема системы водоотведения с разветвленной структурой и параллельными коллекторами
Таблица 4
Расчет стоимости разветвленных систем водоотведения с параллельной _прокладкой дополнительного коллектора_
Участок / уклон //, м 3 9, м /с б, мм Стоимость прокладки сети, тыс. руб.
с кольцевой системой с параллельной прокладкой дополнительных коллекторов
1-4 0,0001 100 0,004 220 56,0 112,0
2-5 0,0001 100 0,003 150 16,0 32
3-6 0,0001 100 0,002 170 21,5 43
4-7 0,0001 100 0,005 240 80,0 160
5-8 0,0001 100 0,004 220 56,0 112
6-9 0,0001 100 0,004 220 56,0 112
7-8 0,0001 100 0,008 290 15,0 30
8-9 0,0001 100 0,016 370 262,0 514,0
Итого 562,5 1125,0
Таким образом, вариант с параллельной прокладкой дополнительных коллекторов значительно экономичнее, чем кольцевая структура системы водоотве-дения. Отметим, что положительный результат получен на примере, где все длины составляют 100 м и уклон равен 0,0001. В реальных условиях все может
быть иначе. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо проводить технико-экономические и гидравлические сравнительные расчеты, для чего потребуется разработка методики оптимизации систем во-доотведения кольцевой и разветвлённой структуры.
Библиографический список
1. Игнатчик С.Ю. Расчет надежности, безопасности и инвестиционной эффективности сети водоотведения // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. № 12. С. 57-67.
2. Игнатчик С.Ю. Обеспечение надежности и энергосбережения при расчете сооружений для транспортировки сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2010. № 8.
3. Чупин Р.В. Зеленин А.М. Потокораспределение в системах водоотведения кольцевой структуры // Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: материалы
междунар. науч.-практ. конф. (Улан-Удэ, 11-14 июля 2012 г.). Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. С. 125-128. 4. Чупин В.Р., Чупин Р.В., Зеленин А.М. Напорное - безнапорное движение стоков в системах водоотведения кольцевой структуры. Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: материалы междунар. науч.-практ. конф. (Улан-Удэ, 11-14 июля 2012 г.). Улан-Удэ: Изд-во ГУТУ, 2012. С. 137-143.
