KOMPUTEROWE MODELOWANIE SIECI WODOCIĄGOWYCH JAKO NARZĘDZIE DO ANALIZY PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWU WODY

Transkrypt

1 Wojciech KRUSZYŃSKI * systemy zaopatrzenia w wodę, komputerowe modelowanie sieci wodociągowych, wodociągi, modelowanie KOMPUTEROWE MODELOWANIE SIECI WODOCIĄGOWYCH JAKO NARZĘDZIE DO ANALIZY PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWU WODY Dynamiczny model sieci wodociągowej jest wydajnym narzędziem wspomagającym obserwację i regulowanie przepływów i ciśnień wody, pozwalającym na podejmowanie uzasadnionych decyzji odnośnie eksploatacji, modernizacji i rozbudowy całego systemu wodociągowego miasta lub gminy [1,2,4]. Systemy dystrybucji wody we wcześniejszych latach projektowane były na dużo większe zapotrzebowania na wodę. Surowe normy przeciwpożarowe, które musiały spełniać budowane wodociągi, spowodowały wraz ze spadkiem zapotrzebowania na wodę, obecnie wodociągi tego typu są przewymiarowane [4]. Analiza rozkładu prędkości wykonana na modelach stanu istniejącego badanych sieci wodociągowych wykazała, iż w większości przewodów jej wartości są mniejsze od prędkości wymaganej. W pracy przedstawiono wyniki obliczeń prędkości przepływu wody wykonane za pomocą komputerowego modelowania systemów zaopatrzenia w wodę wybranych miejscowościach województwa podlaskiego. 1. MIEJSCE I ZAKRES BADAŃ Do badań wybrano układy wodociągowe charakterystyczne dla małych gmin województwa podlaskiego, położonych w terenach rolniczo-przemysłowych, o mało zróżnicowanych pod względem rzeźby terenu i zbliżonym zapotrzebowaniu na wodę. W referacie przedstawiono wyniki modelowania w mieście Wasilków (9911 mieszkańców), Łapy (16153 mieszkańców) i gminie Czarna Białostocka (11819 mieszkańców). Ważnym kryterium był udokumentowane zmiany w czasie w zapotrzebowaniu na wodę. * Politechnika Białostocka, Katedra Systemów Inżynierii Środowiska, ul. Wiejska 45a Białystok, w.kruszynski@pb.edu.pl

2 294 W. KRUSZYNSKI Symulacje poprzedzono analizą tendencji zmian ilości produkowanej i zużywanej przez odbiorców wody w okresie ostatnich piętnastu lat. Wykazano wyraźny spadek zapotrzebowania w wodę. Opracowanie danych o funkcjonowaniu sieci wymagało opracowania własnych metod przetwarzania zdobytych informacji o rzeczywistych zużyciach wody. Do odwzorowania układu sieci przewodów z dokładnymi średnicami, długościami i rzędnymi wykorzystano nowoczesne mapy cyfrowe. Symulacje komputerowe przeprowadzono przy pomocy programu Epanet, sprawdzonego w środowiskach naukowych, jak i w zastosowaniach praktycznych. Integralną częścią procesu tworzenia modeli były badania terenowe, które umożliwiły dostosowanie wartości parametrów do warunków rzeczywistych. Podstawową częścią badań terenowych było wykonanie pomiarów ciśnienia przy pomocy nowoczesnych rejestratorów. Uzyskane dane pozwoliły na kalibrację wykonanych modeli. W badaniach nad modelami wykonano szereg wariantów symulujących działanie istniejących systemów dystrybucji oraz rozwiązania mające na celu regulację ciśnienia i przepływów wody. 2. WYNIKI BADAŃ W celu przeprowadzenia analizy hydraulicznej modelowanej sieci wprowadzono do programu dane charakteryzujące poszczególne węzły i przewody wodociągowe. Dla węzłów wpisano takie dane jak rzędne terenu i rozbiory wody, dla przewodów wodociągowych natomiast wpisano: długości, średnice i chropowatości. Na podstawie tych danych obliczono ciśnienia w węzłach, a w przewodach wodociągowych przepływy, prędkości i straty jednostkowe. Formuła do obliczania strat hydraulicznych jest wzorem Hazena Williams a WYNIKI MODELOWANIA SIECI WODOCIĄGOWEJ W WASILKOWIE Podstawowe elementy modelu sieci wodociągowej Wasilkowa: - jedno ujęcie wody z pompownią (dopływ wody z miasta Białystok), średnie dobowa produkcja wody to 954 m 3 /d, - czterdzieści węzłów, - pięćdziesiąt dziewięć przewodów wodociągowych. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono rozkład prędkości w przewodach wodociągowych w Wasilkowie. Największy udział (ok. 85 %) ma prędkość mieszcząca się w przedziale 0,00 0,15 m/s. W pozostałych przypadkach prędkość przekracza 0,15 m/s.

3 Komputerowe modelowanie sieci wodociągowych jako narzędzie do analizy problemu 295 Rys. 1. Rozkład procentowy prędkości w przewodach wodociągowych w Wasilkowie. Rys. 2. Prędkości przepływu wody w przewodach wodociągu w Wasilkowie 2.2. WYNIKI MODELOWANIA SIECI WODOCIĄGOWEJ W ŁAPACH Podstawowe elementy modelu sieci wodociągowej w Łapach: - osiemdziesiąt trzy przewody wodociągowe, - sześćdziesiąt jeden węzłów, - trzy ujęcia wody, średnia dobowa produkcja wody: 542, 173 i 667 m 3 /d. Prędkość wody w przewodach modelowanej sieci waha się od 0,01 do 0,84 m/s (Rys. 3 i 4.)

4 296 W. KRUSZYNSKI Rys. 3. Rozkład procentowy prędkości w przewodach wodociągowych w Łapach. Rys. 4. Prędkości przepływu wody w przewodach wodociągu w Łapach 2.3. WYNIKI MODELOWANIA SIECI WODOCIĄGOWEJ W GMINIE CZARNA BIAŁOSTOCKA Podstawowe elementy modelu sieci wodociągowej w Czarnej Białostockiej: - sto dwadzieścia jeden przewodów wodociągowych, - sto pięć węzłów, - trzy ujęcia wody, średnia dobowa produkcja wody: 747, 110 i 52 m 3 /d. Maksymalna prędkość przepływuwody w przewodach modelowanej sieci wynosi 0,57 m/s (Rys. 5 i 6.)

5 Komputerowe modelowanie sieci wodociągowych jako narzędzie do analizy problemu 297 Rys. 5. Rozkład procentowy prędkości w przewodach wodociągowych w gminie Czarna Białostocka. Rys. 6. Prędkości przepływu wody w przewodach wodociągu w gminie Czarna Białostocka 3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Model systemu wodociągowego pozwala na odwzorowanie stanu istniejącego i przewidywanie zachowania się określonego obiektu w sieci w różnych wariantach na podstawie wykonanych obliczeń. Ułatwia to analizę systemu wodociągowego oraz proces rozwiązywania problemów.

6 298 W. KRUSZYNSKI Na podstawie analizy otrzymanych wyników obliczeń hydraulicznych stwierdzono, że badane systemy dystrybucji wody projektowane były na dużo większe zapotrzebowania na wodę. Surowe normy przeciwpożarowe, które musiały spełniać budowane dawniej wodociągi, spowodowały wraz ze spadkiem zapotrzebowania na wodę, że obecnie wodociągi tego typu są przewymiarowane [4]. Analiza prędkości przepływu wody,wykonana na modelach stanu istniejącego badanych sieci wodociągowych wykazała, iż w większości przewodówwartościprędkości są mniejsze od zalecanego poziomu 0,5 m/s [1,5]. W ponad połowie przewodów panują wartości zbliżone do stagnacji wody prędkości poniżej 0,1 m/s. Zwiększenie prędkości przepływu wody przy zmniejszającym się zapotrzebowaniu na wodę uzyskać można poprzez: -zmniejszenie ilość istniejących ujęć wodnych, -wykonanie dodatkowe spięć głównych przewodów magistralnych. Lokalizacja ujęć oraz nowe połączenia muszą być poprzedzone wykonaniem szeregu symulacji na modelach komputerowych Ostateczna decyzja o wyborze wariantu funkcjonowania systemu nie musi pokrywać się z decyzją stanowiącą wynik modelowania [2,3,4], jej zadaniem jest pomoc w procesie podejmowania decyzji przy uwzględnieniu szeregu innych czynników, jak np. ekonomicznych. Zwiększenie przepływów i prędkości wody zmniejszy ryzyko nadmiernego gromadzenia się osadów w przewodach, wpłynie także pozytywnie na jakość dostarczanej wody do odbiorców. LITERATURA [1] DENCZEW S., KRÓLIKOWSKI A., Podstawy nowoczesnej eksploatacji układów wodociągowych i kanalizacyjnych, Arkady, [2] DENCZEW S. Podstawy modelowania systemów eksploatacji wodociągów i kanalizacji: teoria i praktyka. Monografia. Polska Akademia Nauk. Komitet Inżynierii Środowiska [3] KNAPIK K., Czasoprzestrzenna symulacja działania systemu dystrybucji wody. Monografia. Kraków, Wyd. Politechniki Krakowskiej, [4] KULBIK M., Zastosowanie komputerowego modelu systemu dystrybucji wody do oceny zjawiska przewymiarowania sieci wodociągowej. II Międzynar. Konf. N-T Współczesne problemy gospodarki wodno-ściekowej, Koszalin-Kołobrzeg, 1997 [5] MIELCARZEWICZ, E. W., Obliczanie systemów zaopatrzenia w wodę, Warszawa : "Arkady", 2000

7 Komputerowe modelowanie sieci wodociągowych jako narzędzie do analizy problemu 299 COMPUTER MODELLING WATER SUPPLY AS A ANALYSIS TOOL FOR A LOW-SPEED WATER FLOW IN WATER DISTRIBUTION SYSTEMS The dynamic model of water supply network is a powerful tool for the observation and control of water flow and pressure, which allows to make informed decisions regarding operation, modernization and expansion of the water supply system of the city or municipality. Water distribution systems in previous years, were designed for much greater demand for water. Fire stringent standards that have to comply built aqueducts, and caused a decline in demand for water, the current water supply of this type are oversized. Velocity distribution analysis performed on the model of the existing water supply test showed that in most of the lines are less than the required speed tration number as required. This paper presents the results of calculations of flow in water networks made using computer modeling of water supply systems in selected cities of Podlaskie province.