MODELING OF HYDRAULIC PROCESSES IN THE WATER SUPPLY NETWORKS OF NURAFSHAN CITY

УДК 628.116:621.643

Аннотация

Значительная протяжённость магистральных трубопроводов системы водоснабжения Nurafshon, различие материалов труб на отдельных участках, а также преобладание тупиковых сетей по сравнению с кольцевыми создают необходимость поддержания качества питьевой воды на нормативном уровне. Рост численности населения и подключение новых магистральных и распределительных сетей приводят к постепенному снижению концентрации гипохлорита натрия (NaClO) в воде с течением времени. Это непосредственно влияет на эффективность обеззараживания воды и величину остаточного хлора, поступающего к потребителям.

В данной научной работе исследованы процессы распространения NaClO и изменения его концентрации в магистральных трубопроводах системы водоснабжения города Nurafshon. В ходе исследования в течение трёх лет проводились полевые наблюдения, лабораторные анализы и гидравлические расчёты. Был выполнен анализ влияния расхода воды, скорости потока, давления, длины трубопроводов и материала труб на снижение концентрации NaClO.

На основе результатов исследования была разработана математическая модель распространения гипохлорита натрия в водопроводных сетях, а также выполнено моделирование качества воды с использованием программного комплекса EPANET 2.2. С помощью разработанной модели определено изменение концентрации остаточного хлора во времени в различных точках сети и разработаны рекомендации по повышению эффективности процесса обеззараживания воды.

Abstract

The considerable length of the main pipelines in the water supply system of Nurafshon, the variation of pipe materials in different sections, as well as the predominance of dead-end networks compared to looped networks, create the need to maintain drinking water quality at the required standard level. Population growth and the connection of new main and distribution networks lead to a gradual decrease in the concentration of sodium hypochlorite (NaClO) in water over time. This directly affects the efficiency of water disinfection and the level of residual chlorine delivered to consumers.

This scientific study investigates the processes of NaClO propagation and concentration changes in the main pipelines of the water supply system of Nurafshon. During the study, field observations, laboratory analyses, and hydraulic calculations were carried out over a period of three years. The influence of water demand, flow velocity, pressure, pipeline length, and pipe material on the reduction of NaClO concentration was analyzed.

Based on the research results, a mathematical model for sodium hypochlorite propagation in water distribution networks was developed, and water quality simulations were performed using the EPANET 2.2 software package. Using the developed model, changes in residual chlorine concentration over time at different points of the network were determined, and recommendations were developed to improve the efficiency of the water disinfection process.

Ключевые слова: гипохлорит натрия (NaClO), качество воды, питьевая вода, магистральные водопроводные трубопроводы, процесс хлорирования, остаточный хлор, распад хлора в воде, реакция нулевого порядка, реакция первого порядка, ограниченная реакция первого порядка, гидравлическое моделирование, моделирование качества воды.

Keywords: sodium hypochlorite (NaClO), water quality, drinking water, main water pipelines, chlorination process, residual chlorine, chlorine decay in water, zero-order reaction, first-order reaction, limited first-order reaction, hydraulic modeling, water quality modeling.

Введение

Поддержание качества питьевой воды на нормативном уровне является одной из основных задач современных систем водоснабжения. Одним из широко применяемых реагентов в процессе обеззараживания воды является гипохлорит натрия (NaClO), который играет важную роль в нейтрализации микроорганизмов, содержащихся в воде.

Однако вследствие большой протяжённости водопроводных сетей, различия материалов трубопроводов, длительного застоя воды в отдельных участках сети, а также наличия тупиковых участков концентрация остаточного хлора со временем снижается. Это, в свою очередь, оказывает непосредственное влияние на качество питьевой воды и её санитарно-бактериологические показатели. В системе водоснабжения Nurafshon значительная протяжённость магистральных трубопроводов, а также подключение новых участков сети приводят к снижению концентрации гипохлорита натрия в отдельных зонах ниже нормативных значений. Данное явление может оказывать отрицательное влияние на качество питьевой воды и её бактериологические показатели.

Исследование процессов распространения и распада NaClO в водораспределительных сетях имеет важное значение для совершенствования мониторинга качества воды и повышения эффективности процессов обеззараживания. В связи с этим возникает необходимость математического и гидравлического моделирования изменения концентрации остаточного хлора во времени и по длине водопроводной сети.

В данном исследовании процессы распространения гипохлорита натрия (NaClO) и изменения его концентрации в магистральных водопроводных трубопроводах Nurafshon были смоделированы с использованием программного комплекса EPANET 2.2. В ходе исследования был выполнен анализ влияния расхода воды, скорости потока, длины трубопроводов и материала труб на величину остаточного хлора. Кроме того, процессы распада NaClO были оценены на основе реакций нулевого порядка, первого порядка и ограниченной реакции первого порядка.

Целью исследования является моделирование процессов распространения и распада гипохлорита натрия (NaClO) в магистральных водопроводных сетях города Нурафшон с использованием программного комплекса EPANET 2.2 для оценки изменения концентрации остаточного хлора во времени и по длине трубопроводов.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:

• анализ существующей схемы водоснабжения города Нурафшон;
• моделирование процессов распространения гипохлорита натрия в водопроводной сети;
• исследование влияния расхода воды, скорости потока, длины и материала трубопроводов на концентрацию остаточного хлора;
• оценка процессов распада NaClO на основе реакций нулевого порядка, первого порядка и ограниченной реакции первого порядка;
• определение участков сети с возможным снижением концентрации остаточного хлора ниже нормативных значений.

Рисунок 1. Административная карта города Nurafshon

Материалы и методы

В качестве объекта исследования выбраны магистральные водопроводные сети города Нурафшон. Для моделирования процессов распространения и распада гипохлорита натрия (NaClO) использован программный комплекс EPANET 2.2, позволяющий выполнять гидравлическое моделирование водораспределительных сетей и анализ изменения показателей качества воды во времени и по длине трубопроводов. Классическая модель распада NaClO в трубопроводах.

В качестве исходных данных использовались сведения о конфигурации водопроводной сети, длинах и диаметрах трубопроводов, расходах воды, скоростях потока, материалах труб и начальной концентрации гипохлорита натрия. Оценка процессов изменения концентрации остаточного хлора выполнялась на основе математических моделей реакций нулевого порядка, первого порядка, ограниченной реакции первого порядка и реакции второго порядка.

Для описания процессов распада NaClO в водной среде были использованы кинетические уравнения, реализованные в программном комплексе EPANET 2.2. На основе полученных результатов выполнена оценка влияния гидравлических параметров сети на изменение концентрации остаточного хлора и определены участки с возможным снижением его содержания ниже нормативных значений.

Результаты и обсуждение

Классическая модель распада NaClO в трубопроводах. Химическая реакция, происходящая непосредственно в объёме воды, то есть распад NaClO, протекающий не на стенках трубопровода, а в водной среде, описывается следующим образом [1]:

Реакция хлора первого порядка.

Экспоненциальная модель распада.

Данная модель описывает уменьшение концентрации NaClO во времени. При больших значениях коэффициента процесс распада хлора протекает интенсивнее, тогда как при распад хлора практически не наблюдается, что соответствует идеальному случаю.

Модель ограниченной реакции первого порядка представляет собой современную математическую модель, применяемую в системах водоснабжения для более точного моделирования процессов распада хлора в трубопроводах в условиях, приближённых к реальным. Данная модель используется для обобщения и совершенствования классической модели реакции первого порядка.

Разлагаемая часть хлора.:

Уравнение имеет следующий вид:

Получаем обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка:

здесь:

 начальное условие(t = 0 ) (10)

                    (11)

C - начальная концентрация хлора

C_min - минимальная (остаточная) концентрация хлора в системе

 - распад во времени [2]

Скорость реакции зависит от произведения концентраций одного или нескольких реагентов и общего порядка реакции , в результате чего формируется реакция -го порядка [3].

Модель реакции хлора второго порядка применяется для процессов, скорость которых пропорциональна квадрату концентрации реагента. В отдельных случаях хлор активно вступает в реакцию с другими веществами, особенно при наличии органических загрязнений или аммиака, что может быть описано с использованием модели реакции второго порядка.

Реакция второго порядка.

)

Применим начальное условие :

Модель реакции хлора второго порядка

Из данной формулы видно, что с течением времени концентрация уменьшается, однако теоретически никогда не становится равной нулю.

Полуэмпирическая модель реакции хлора с водой первого и второго порядка.
Данная модель представляет собой комбинацию реакций первого и второго порядка.

Реакция хлора первого порядка со стенкой трубопровода.

 это эффективная константа скорости реакции на стенке трубопровода. При уменьшении диаметра трубопровода интенсивность реакции возрастает, поскольку относительная площадь поверхности становится больше. [3-5]

Реакция хлора со стенкой трубопровода. Молекулы хлора приближаются к внутренней поверхности трубопровода. Материал трубопровода (например, сталь или пластик) поглощает либо способствует распаду хлора. Разность между поступающим и выходящим количеством хлора соответствует величине его распада.

Реакция первого порядка, зависящая от площади поверхности, определяется следующим выражением:

Отношение площади поверхности к объёму трубопровода определяется следующим выражением:

При расчётах с учётом скорости потока и условий движения воды по направлению течения в качестве итогового коэффициента используется выражение .

В программном комплексе EPANET при моделировании системы расчёты выполняются следующим образом [6]:

Независимо от концентрации хлора его распад происходит с постоянной скоростью.

Поскольку общее уравнение реакции имеет вид , суммарная скорость реакции пропорциональна площади поверхности [7-14]:

Для трубопровода выражение имеет следующий вид:

Для водоснабжающего сооружения Nurafshon в реакции распространения хлора в трубопроводах было принято выражение .

Заключение

На основе полученной модели установлено, что концентрация NaClO является высокой в начальной части сооружения, тогда как по мере движения воды по сети вследствие распада хлора его содержание в конечных участках значительно уменьшается либо приближается к нулевым значениям. Данный процесс может привести к ухудшению санитарного состояния питьевой воды и способствовать образованию бактериологических загрязнений, что представляет потенциальную опасность для здоровья населения.

Данный график показывает снижение концентрации NaClO в воде в течение 24 часов. Начальная концентрация, равная 1 мг/л, за 24 часа уменьшается примерно до 0,075 мг/л.

Из графика видно, что концентрация NaClO экспоненциально уменьшается с увеличением длины трубопровода. В начальной точке концентрация составляет мг/л, а на расстоянии 6 км снижается до мг/л.

При низкой скорости потока м/с и высокой скорости распада предельное значение мг/л нарушается уже после 4 км. Данное явление приводит к снижению эффективности дезинфекции в конечных участках сети. В связи с этим возникает необходимость внедрения промежуточных точек дозирования либо применения систем управления в реальном времени.

Список литературы:

1. Thomas Walski. Water distribution system analysis before the digital age.
2. Mengning Qiu and Avi Ostfeld. A Head Formulation for the Steady-State Analysis of Water Distribution Systems Using an Explicit and Exact Expression of the Colebrook–White Equation.
3. A.L.S. Abdulamir, N.T. Dzhumagulova, Feasibility study of the cost of transporting wastewater for irrigation purposes in the administrative district of Karbala (Iraq).Prabhata K. Swamee Ashok K. Sharma. Design of water supply pipe networks (p 90).
4. Rossman, L.A. (2000). EPANET 2 Users Manual. U.S. Environmental Protection Agency. Sahifa: 87
5. Haas, C.N., & Karra, S.B. (1984). Kinetics of chlorine decay. Journal of the american water works association, 76(1), 70–75.3. Manba: Nagwan et al. (2013)
6. Costa R.H.R., Sanches L.R., de Almeida V.F., Silva M.F. Modeling chlorine decay in urban water distribution systems: evaluation of hydraulic and kinetic parameters // Journal of Water Supply: Research and Technology—AQUA. – 2023. – Vol. 72, No. 3. – P. 418–430. – DOI:
7. Joana Costa, Elsa Mesquita, Filipa Ferreira , David Figueiredo, Maria João Rosa  and Rui M. C. Viegas.  Modeling Chlorine Decay in Reclaimed Water Distribution Systems—A Lisbon Area Case Study.
8. Abigail F. Cantor, P.E. Jae K. Park, Ph.D. Prasit Vaiyavatjamai. The effect of chlorine on corrosion in drinking water systems.
9. B. Kowalska , T. Klepka & D. Kowalski. Influence of chlorinated water on mechanical properties of polyethylene and polyvinyl chloride pipes.
10. Alberto Vertova, Alessandro Miani, Giordano Lesma, Sandra Rondinini , Alessandro Minguzzi , Luigi Falciola  and Marco Aldo Ortenzi. Chlorine Dioxide Degradation Issues on Metal and Plastic Water Pipes Tested in Parallel in a Semi-Closed System.
11. J. Castillo Montes, F. Hamdani, Jordi Creus, Sébastien Touzain, O. Correc. Impact of chlorinated disinfection on copper corrosion in hot water systems.
12. Hao Xi , Kirstin E. Ross , Jason Hinds , Paul J. Molino , Harriet Whiley. Efficacy of chlorine-based disinfectants to control Legionella within premise plumbing systems.
13. F. García-Ávila1, L. Flores del Pino, G. Bonifaz-Barba, C. Zhindón-Arévalo , L. Ramos-Fernández , D. García-Altamirano, S. Vázquez-García and C. Sánchez- Alvarracín. Effect of Residual Chlorine on Copper Pipes in Drinking Water Systems.