МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЯХ ГОРОДА НУРАФШАНА

AННОТАЦИЯ

Обеспечение населения качественной и бесперебойной питьевой водой в настоящее время является одной из наиболее актуальных экологических, социальных и технологических проблем. Рост численности населения, изменения климата, сокращение запасов подземных водных ресурсов и изношенность существующих систем водоснабжения указывают на необходимость дальнейшего совершенствования данных систем.

Действующие системы водоснабжения в городах не всегда способны полностью обеспечить требуемые гидравлические показатели. Давление воды, неравномерность распределения и уровень потерь зачастую не соответствуют потребностям городского населения и инфраструктуры. Применение современных программных средств — например, пакета EPANET (GIS) - позволяет определять показатели давления, расхода, скорости потока и качества воды в распределительных сетях. С помощью таких программных комплексов создаются возможности для проведения гидравлического моделирования и оптимизации, сравнения различных режимов работы, а также выявления наиболее эффективных и энергосберегающих режимов функционирования системы.

В статье рассматривается влияние гидравлических процессов на систему распределения воды на примере водораспределительного узла Чигирик, расположенного в городе Нурафшан. Результаты исследования могут служить важным фактором при проектировании, оптимизации и повышении эффективности систем водоснабжения. Проанализированы и смоделированы процессы, произошедшие в инфраструктурных сетях за последние 3 года.

ABSTRACT

Ensuring the population’s access to high-quality and uninterrupted drinking water is currently one of the most pressing ecological, social, and technological challenges. Population growth, climate change, the depletion of groundwater resources, and the deterioration of existing water supply networks highlight the necessity of further improvement of these systems.

Existing urban water supply systems are not always able to fully provide the required hydraulic parameters. Water pressure, inequality in distribution, and the level of losses often do not meet the needs of the urban population and infrastructure. The use of modern software tools—such as EPANET (GIS) - makes it possible to determine indicators of pressure, flow, velocity, and water quality in distribution networks. These software packages enable hydraulic modeling and optimization, comparison of different operating modes, and the identification of the most efficient and energy-saving operating regimes of the system.

The article studies the impact of hydraulic processes on the water distribution system using the example of the Chigiriq water distribution facility located in Nurafshon. The results of the study can serve as an important factor in the design, optimization and improvement of the efficiency of the water supply system. The processes that have occurred in the network of the facility over the past 3 years are analyzed and modeled.

Ключевые слова: оптимизация, гидравлические процессы, моделирование, гидравлический анализ, эффективность конструкции, давление воды, гидравлическое моделирование.

Keywords: optimization, hydraulic processes, modeling, hydraulic analysis, facility efficiency, water pressure, hydraulic modeling.

Введение. В городе Нурафшан водные сооружения были введены в эксплуатацию в 1969 году. Источником воды является подземный водоносный горизонт, и на крупнейшем сооружении в настоящее время функционируют 5 артезианских скважин. Суточная производственная мощность сооружения составляет 8640 м³/сутки.

Таблица 1.

Длина существующих трубопроводов в сетях водных сооружений Нурафшана

Процентное соотношение ПВХ и железных труб на Нурафшанском водораспределительном сооружении

Рисунок 1. Процентное соотношение ПВХ и железных труб на Нурафшанском водораспределительном сооружении

На водных сооружениях Нурафшана используются насосы типа ЭЦВ, при этом энергозатраты считаются высокими. Из-за того, что давление, подаваемое в водопроводные сети, остаётся одинаковым в течение 24 часов в сутки, это приводит к перегрузкам на отдельных участках системы.

Таблица 2.

Техническое состояние насосов, используемых на водных сооружениях Нурафшана

Гидравлическое моделирование сооружений водоочистки и систем водораспределения в городе Нурафшан имеет большое значение, так как данный процесс позволяет заранее выявлять различные проблемы в городской сети и обеспечивать их оптимизацию.

Рисунок 1. Общая схема расположения водопроводных сетей города Нурафшана

В связи с отсутствием поверхностных источников воды на данных территориях и засолением подземных водоносных горизонтов необходимо уделять особое внимание качеству воды. Оценка эффективности процессов очистки позволяет гарантировать потребителям подачу качественной и безопасной питьевой воды.

Таблица 3.

Количество арматуры, создающей местные сопротивления, на центральном водораспределительном сооружении

Так как с момента проектирования и строительства центрального водораспределительного сооружения Нурафшана прошло более 50 лет, в настоящее время нагрузка на систему продолжает возрастать. В результате ненадлежащего технического обслуживания артезианских скважин 4 подземные скважины выведены из эксплуатации.

Таблица 4.

Параметры общего водоотбора подземных скважин центрального водораспределительного сооружения Нурафшана

Таблица 5.

Рабочие параметры насосов на центральном водораспределительном сооружении Нурафшана

На центральном водораспределительном сооружении расположено 88 водоразборных узлов, на которых установлена инженерная арматура для управления потоком воды

.

Рисунок 2. Схема расположения 88 узлов на Чигирикском водоснабжении

Методика моделирования. С учётом шероховатости трубопроводов центрального водораспределительного сооружения давление рассчитывается во всех узловых точках (junction), и моделирование должно проводиться в зависимости от движения воды, высоты прокладки трубопроводов и эксплуатационных условий.

При расчёте в напорных узлах учитываются следующие факторы:

– надёжность водоснабжения – обеспечение необходимого давления для подачи воды потребителям;

– безопасность эксплуатации трубопроводов – слишком низкое давление может вызвать подсос воздуха в сеть или образование обратного потока, тогда как слишком высокое давление способно повредить трубы;

– энергетическая эффективность – избыточное давление приводит к перегрузке насосов и увеличению энергозатрат.

В программном комплексе EPANET данные аспекты были учтены при моделировании водопроводных сетей, исходящих из сооружения.

В программе EPANET давление для узлов (junctions) рассчитывается и определяется по следующей формуле:

 - давление в узле, (м вод. ст.), пьезометрическая высота (гидравлический напор), м ,  - геодезическая отметка узла (высота расположения), м.[7]

Рисунок 3. Моделирование давления (pressure) в узлах системы водораспределения центрального водораспределительного сооружения

Таблица 6.

Пределы давления в сети

Рисунок 4. Моделирование расхода воды в узлах системы водораспределения центрального водораспределительного сооружения

Таблица 7.

Процентный показатель протекания потока воды в трубных участках

Рисунок 5. Моделирование скорости движения воды в трубопроводах системы водораспределения центрального водораспределительного сооружения

Результаты моделирования. При расчётах систем города Нурафшана процесс моделирования проводился с учётом как преимуществ, так и недостатков общепринятых формул.

Формула Хазена–Уильямса (в метрической системе) [2].

Формула Дарси–Вейсбаха. [1,6]

Приравняем уравнения Хазена–Уильямса и Дарси–Вейсбаха.:[3,4,5]

L сокращается с левой и правой стороны, а скорость V выражается через расход Q:

Подставим в формулу Дарси–Вейсбаха:

Для выражения скорости.

Выражение скорости:

Подстановка в уравнение:

Упрощение:

Выделение коэффициента трения:

Рисунок 6. Напорные потери в зависимости от расхода (сравнение формул Хазена–Уильямса, Дарси–Вейсбаха и Шези–Маннинга)

В процессе движения питьевой воды по трубопроводам города Нурафшана на неё оказывают влияние гидравлические процессы. Нарушение этих гидравлических процессов приводит к ухудшению качества воды на отдельных участках системы и оказывает негативное воздействие на здоровье населения.

Таблица 8.

Выявленные проблемные участки

С течением лет в результате изменений в строительных работах и проектных решениях, а также из-за роста численности населения возникли значительные нагрузки на систему водоснабжения. На водных сооружениях города Нурафшана установлено, что на участках № 36, 37, 40, 41, 43, 44, 46 и 59 наблюдается снижение давления, расхода воды и содержания хлора. Вследствие этого на данных участках население не обеспечивается качественной питьевой водой.

Заключение. В городе Нурафшан из-за хаотичной застройки и отсутствия учёта гидравлических процессов в водопроводных сетях в 27 точках из 88 узлов наблюдается падение давления от 0 до 2,5 атмосфер в рабочее время. Снижение давления в этих точках затрудняет обеспечение населения достаточным количеством воды. В тупиковых участках в одной точке давление превышает допустимый уровень, что приводит к частым повреждениям на данном участке.

Внутри сооружения и в узлах сети расход воды достигал лишь до 25 %, что свидетельствует о слабом потоке или низком водопотреблении. Это указывает на то, что диаметр трубопроводов был выбран неправильно либо мощность насосов оказалась недостаточной.

Скорость воды на отдельных участках системы оказалась ниже минимального значения, что указывает на изменение диаметров трубопроводов и высокий уровень водопотребления. В общих строительных и проектных работах при гидравлических расчётах чаще всего применяется формула Дарси–Вейсбаха, однако для моделирования движения жидкости в трубопроводах использовалась формула Хазена–Уильямса, так как она считается более точной для внутреннего потока жидкости в трубах и характеризуется меньшими погрешностями.

Список литературы:

1. Мансон Б. Р., Янг Д. Ф., Окииши Т. Х.Основы механики жидкостей / пер. с англ. – М.: Вильямс, 2005. – 832 с. (стр. 352–370 – уравнение Дарси–Вейсбаха, потери давления).
2. Стритер В. Л., Уайли Э. Б., Бедфорд К. В. Механика жидкостей / пер. с англ. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2006. – 784 с. (стр. 410–425 – формулы Дарси и Хейзена–Уильямса).
3. Crane Co.Flow of Fluids through Valves, Fittings and Pipe. Technical Paper No. 410 / пер. с англ. – М.: ТехноКнига, 2010. – 136 с. (стр. 18–35 – расчёты сопротивлений и коэффициентов трения).
4. Меткалф Л., Эдди Г. Инженерия сточных вод: очистка и повторное использование / пер. с англ. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 1600 с.(стр. 115–126 – гидравлические расчёты; стр. 164 – значения C).
5. ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment.Справочник по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха / пер. с англ. – М.: АВОК, 2016. – 920 с.(стр. 5.3–5.11 – потери давления и расчёт трубопроводов).
6. Шульгин А. М. Гидравлика. – М.: Высшая школа, 1989. – 408 с. (стр. 141–160 – расчёты по уравнению Дарси–Вейсбаха, гидравлические потери).
7. Rossman, L.A. (2000). EPANET 2 Users Manual. U.S. Environmental Protection Agency. p: 87