Водопроводная сеть или система водоснабжения — это система инженерных гидрологических и гидравлических элементов, обеспечивающих водоснабжение . Система водоснабжения обычно включает в себя следующее:
Сети водоснабжения зачастую находятся в ведении коммунальных предприятий водного хозяйства .
Сырая вода (неочищенная) поступает из источника поверхностных вод (например, водозабора в озере или реке ) или из источника подземных вод (например, колодца , добываемого из подземного водоносного горизонта ) в пределах водораздела , обеспечивающего водные ресурсы .
Сырая вода подается на водоочистные сооружения по открытым акведукам, закрытым тоннелям или подземным водопроводам .
Практически все крупные системы должны очищать воду; этот факт жестко регулируется глобальными, государственными и федеральными агентствами, такими как Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) или Агентство по охране окружающей среды США (EPA). Очистка воды должна происходить до того, как продукт попадет к потребителю, и после него (при его повторном сливе). Очистка воды обычно происходит вблизи конечных точек доставки, чтобы снизить затраты на перекачку и снизить вероятность загрязнения воды после очистки.
Традиционные очистные сооружения поверхностных вод обычно состоят из трех этапов: осветления, фильтрации и дезинфекции. Осветление означает отделение частиц (грязи, органических веществ и т. д.) из потока воды. Химические добавки (например, квасцы, хлорид железа) дестабилизируют заряды частиц и подготавливают их к осветлению либо путем осаждения, либо всплывания из потока воды. Фильтры из песка, антрацита или активированного угля очищают поток воды, удаляя более мелкие частицы. Хотя существуют и другие методы дезинфекции, предпочтительным является добавление хлора. Хлор эффективно убивает бактерии и большинство вирусов, а также поддерживает остаточную концентрацию, защищая подачу воды через водопроводную сеть.
Продукт, доставленный к месту потребления, называется питьевой водой , если он соответствует стандартам качества воды , необходимым для потребления человеком.
Вода в водопроводной сети поддерживается под положительным давлением, чтобы гарантировать, что вода достигает всех частей сети, чтобы был достаточный поток в каждой точке отбора и чтобы неочищенная вода из грунта не могла попасть в сеть. Вода обычно находится под давлением путем перекачивания воды в резервуары для хранения, построенные в самой высокой точке сети. В одной сети может быть несколько таких сервисных резервуаров .
В небольших бытовых системах давление воды может создаваться с помощью сосуда под давлением или даже подземной цистерны (однако последняя требует дополнительного повышения давления). Это устраняет необходимость в водонапорной башне или любом другом резервуаре повышенного уровня воды для обеспечения давления воды.
Эти системы обычно принадлежат и обслуживаются местными органами власти, такими как города или другие государственные организации, но иногда ими управляют коммерческие предприятия (см. Приватизация воды ). Сети водоснабжения являются частью генерального планирования сообществ, округов и муниципалитетов. Их планирование и проектирование требуют опыта градостроителей и инженеров-строителей , которые должны учитывать множество факторов, таких как местоположение, текущий спрос, будущий рост, утечки, давление, размер труб, потеря давления, потоки пожаротушения и т. д. — с использованием трубопроводной сети. анализ и другие инструменты.
Когда вода проходит через распределительную систему, ее качество может ухудшиться из-за химических реакций и биологических процессов. Коррозия материалов металлических труб в распределительной системе может вызвать выброс металлов в воду с нежелательными последствиями для эстетики и здоровья. Выброс железа из железных труб без покрытия может привести к сообщениям клиентов о «красной воде» в кране. Выделение меди из медных труб может привести к сообщениям клиентов о «голубой воде» и/или металлическом привкусе. Выделение свинца может произойти из припоя , используемого для соединения медных труб, или из латунных креплений . Уровни меди и свинца в кране потребителя регулируются для защиты здоровья потребителей.
Коммунальные предприятия часто корректируют химический состав воды перед подачей, чтобы свести к минимуму ее коррозионную активность. Самая простая регулировка включает в себя контроль pH и щелочности для получения воды, которая имеет тенденцию пассивировать коррозию путем отложения слоя карбоната кальция . Ингибиторы коррозии часто добавляют для уменьшения выброса металлов в воду. Обычными ингибиторами коррозии, добавляемыми в воду, являются фосфаты и силикаты .
Поддержание биологически безопасной питьевой воды является еще одной целью распределения воды. Обычно дезинфицирующее средство на основе хлора , такое как гипохлорит натрия или монохлорамин , добавляется в воду, когда она покидает очистные сооружения. В распределительной системе можно разместить бустерные станции, чтобы гарантировать, что все зоны распределительной системы имеют адекватный устойчивый уровень дезинфекции .
Подобно линиям электропередач, дорогам и микроволновым радиосетям, системы водоснабжения могут иметь топологию кольцевой или разветвленной сети или их комбинацию. Трубопроводные сети бывают круглыми или прямоугольными. Если какой-либо участок водопроводной магистрали выйдет из строя или потребует ремонта, этот участок можно изолировать, не нарушая работу всех пользователей сети.
Большинство систем разделены на зоны. [1] Факторы, определяющие протяженность или размер зоны, могут включать гидравлику, системы телеметрии , историю и плотность населения. Иногда системы разрабатываются для конкретной области, а затем модифицируются с учетом развития. Местность влияет на гидравлику и некоторые виды телеметрии. Хотя каждая зона может работать как автономная система, обычно существует некоторая договоренность о взаимном соединении зон для управления сбоями оборудования или сбоями системы.
Сети водоснабжения обычно представляют собой большую часть активов предприятия водоснабжения. Систематическое документирование работ по техническому обслуживанию с использованием компьютеризированной системы управления техническим обслуживанием (CMMS) является залогом успешной работы предприятия водоснабжения. [ почему? ]
Устойчивая городская сеть водоснабжения охватывает все виды деятельности, связанные с обеспечением питьевой водой. Устойчивое развитие приобретает все большее значение для водоснабжения городских территорий. Внедрение инновационных технологий водоснабжения в системы водоснабжения улучшает водоснабжение с точки зрения устойчивого развития. Развитие инновационных технологий водоснабжения обеспечивает гибкость системы водоснабжения, создавая фундаментальные и эффективные средства устойчивости, основанные на комплексном подходе, основанном на реальных возможностях . [2]
Вода является важнейшим природным ресурсом для существования человека. Он необходим во всех промышленных и природных процессах, например, его используют при нефтепереработке , для жидкостно-жидкостной экстракции в гидрометаллургических процессах, для охлаждения, для очистки в черной металлургии, а также для некоторых операций в пищевой промышленности . перерабатывающие мощности.
Необходимо принять новый подход к проектированию городских сетей водоснабжения; в ближайшие десятилетия ожидается нехватка воды , а экологические нормы использования воды и удаления сточных вод становятся все более строгими.
Для создания устойчивой сети водоснабжения необходимо развивать новые источники воды и уменьшать загрязнение окружающей среды.
Цена на воду растет, поэтому необходимо тратить меньше воды и принимать меры по предотвращению протечек из трубопровода. Отключение службы снабжения для устранения утечек все меньше и меньше терпят потребители. Устойчивая сеть водоснабжения должна контролировать уровень потребления пресной воды и уровень образования сточных вод.
Многие городские сети водоснабжения в развивающихся странах сталкиваются с проблемами, связанными с ростом населения , нехваткой воды и загрязнением окружающей среды .
В 1900 году всего 13% населения мира проживало в городах. К 2005 году 49% мирового населения проживало в городских районах. В 2030 году прогнозируется, что эта цифра вырастет до 60%. [3] Попытки правительства расширить водоснабжение обходятся дорого и часто недостаточны. Строительство новых незаконных поселений затрудняет картографирование и подключение к водоснабжению, а также приводит к неадекватному управлению водными ресурсами. [4] В 2002 году 158 миллионов человек имели недостаточное водоснабжение . [5] Все большее число людей живет в трущобах , в ненадлежащих санитарных условиях и поэтому подвергается риску заболеваний .
Питьевая вода не очень хорошо распространена в мире. По данным ВОЗ , ежегодно 1,8 миллиона смертей происходят из-за небезопасного водоснабжения . [6] Многие люди не имеют никакого доступа или не имеют доступа к качественной и количестве питьевой воды, хотя самой воды в изобилии. Бедные люди в развивающихся странах могут проживать вблизи крупных рек или в районах с большим количеством осадков, но при этом вообще не иметь доступа к питьевой воде. Есть также люди, живущие там, где нехватка воды приводит к миллионам смертей каждый год.
Там, где система водоснабжения не может достичь трущоб, людям удается использовать ручные насосы , чтобы добраться до колодцев, рек , каналов , болот и любого другого источника воды. В большинстве случаев качество воды непригодно для потребления человеком. Основной причиной дефицита воды является рост спроса. Вода забирается из отдаленных районов для удовлетворения потребностей городских территорий. Еще одной причиной нехватки воды является изменение климата : изменился характер осадков ; реки уменьшили свой сток; озера высыхают; и водоносные горизонты опорожняются.
В развивающихся странах многие правительства коррумпированы и бедны, и они реагируют на эти проблемы часто меняющейся политикой и нечеткими соглашениями. [7] Спрос на воду превышает предложение, а бытовое и промышленное водоснабжение имеет приоритет над другими видами использования, что приводит к водному дефициту . [8] Питьевая вода имеет рыночную цену; вода часто становится бизнесом для частных компаний, которые получают прибыль за счет установления более высоких цен на воду, что создает барьер для людей с низкими доходами. Цели развития тысячелетия предлагают необходимые изменения.
Цель 6 Целей устойчивого развития Организации Объединенных Наций - «Обеспечить доступность и устойчивое управление водными ресурсами и санитарией для всех». [9] Это признание права человека на воду и санитарию, которое было официально признано на Генеральной Ассамблее Организации Объединенных Наций в 2010 году: «чистая питьевая вода и санитария необходимы для признания всех прав человека». [10] Устойчивое водоснабжение включает обеспечение наличия, доступности, доступности и качества воды для всех людей.
В странах с развитой экономикой проблемы заключаются в оптимизации существующих сетей поставок. Экономика этих стран, как правило, постоянно развивалась, что позволяло им создавать инфраструктуру для снабжения людей водой. Европейский Союз разработал набор правил и политики для преодоления ожидаемых будущих проблем.
Есть много международных документов, в которых есть интересные, но не очень конкретные идеи, поэтому они не реализуются на практике. [11] Рекомендации были сделаны Организацией Объединенных Наций , такие как Дублинское заявление по водным ресурсам и устойчивому развитию .
Доходность системы можно измерить либо ее стоимостью, либо ее чистой выгодой. Для системы водоснабжения истинная ценность или чистая выгода – это надежная услуга водоснабжения, обеспечивающая достаточное количество и хорошее качество продукции. Например, если существующее водоснабжение города необходимо расширить для снабжения нового муниципалитета , воздействие новой ветви системы должно быть рассчитано на удовлетворение новых потребностей, сохраняя при этом подачу в старую систему.
Проектирование системы регулируется множеством критериев, одним из которых является стоимость. Если выгода фиксирована , то проект с наименьшими затратами приведет к максимальной выгоде. Однако подход с наименьшими затратами обычно приводит к минимальной пропускной способности сети водоснабжения. Модель с минимальной стоимостью обычно ищет решение с наименьшими затратами (по размерам труб), при этом удовлетворяя гидравлическим ограничениям, таким как: требуемое выходное давление, максимальный расход в трубе и скорости потока в трубе. Стоимость зависит от диаметра труб; поэтому задача оптимизации состоит в поиске решения с минимальными затратами путем оптимизации размеров труб для обеспечения минимально приемлемой производительности.
Однако, по мнению авторов статьи, озаглавленной «Метод оптимизации проектирования и восстановления систем водоснабжения», «наименьшая мощность не является желательным решением для устойчивой сети водоснабжения в долгосрочной перспективе из-за неопределенности будущий спрос». [12] Предпочтительно предусмотреть дополнительную пропускную способность трубопроводов, чтобы справиться с неожиданным ростом спроса и перебоями в водоснабжении. Проблема меняется от одноцелевой задачи оптимизации (минимизация стоимости) к многокритериальной задаче оптимизации (минимизация стоимости и максимизация пропускной способности).
Чтобы решить задачу многокритериальной оптимизации, необходимо преобразовать ее в задачу одноцелевой оптимизации, используя корректировки, такие как взвешенная сумма целей или метод ε-ограничений. Подход с взвешенной суммой придает определенный вес различным целям, а затем учитывает все эти веса, чтобы сформировать единую целевую функцию, которую можно решить с помощью однофакторной оптимизации. Этот метод не является полностью удовлетворительным, поскольку веса не могут быть правильно выбраны, поэтому этот подход не может найти оптимальное решение для всех исходных задач.
Второй подход (метод ограничений) выбирает одну из целевых функций в качестве единственной цели, а другие целевые функции рассматриваются как ограничения с ограниченным значением. Однако оптимальное решение зависит от заранее определенных пределов ограничений.
Многоцелевые задачи оптимизации включают вычисление компромисса между затратами и выгодами, в результате чего получается набор решений, которые можно использовать для анализа чувствительности и тестировать в различных сценариях. Но не существует единого оптимального решения, которое бы удовлетворяло глобальной оптимальности обеих целей. Поскольку обе цели в некоторой степени противоречивы, невозможно улучшить одну цель, не жертвуя другой. Необходимо в некоторых случаях использовать другой подход. (например, анализ Парето ) и выберите лучшую комбинацию.
Возвращаясь к целевой функции затрат, она не может нарушить ни одно из эксплуатационных ограничений. Обычно в этой стоимости преобладают затраты энергии на перекачку. «Эксплуатационные ограничения включают в себя стандарты обслуживания клиентов , такие как: минимальное подаваемое давление, а также физические ограничения, такие как максимальный и минимальный уровни воды в резервуарах для хранения, чтобы предотвратить перелив и опорожнение соответственно». [13]
Чтобы оптимизировать эксплуатационные характеристики сети водоснабжения и одновременно минимизировать затраты на электроэнергию, необходимо прогнозировать влияние различных настроек насоса и клапанов на поведение сети.
Помимо линейного и нелинейного программирования, существуют другие методы и подходы к проектированию, управлению и эксплуатации сети водоснабжения для достижения устойчивости — например, внедрение соответствующих технологий в сочетании с эффективными стратегиями эксплуатации и технического обслуживания. Эти стратегии должны включать эффективные модели управления, техническую поддержку домохозяйств и промышленности, устойчивые механизмы финансирования и развитие надежных цепочек поставок . Все эти меры должны обеспечить: срок службы системы; цикл технического обслуживания; непрерывность функционирования; время простоя на ремонт; Производительность и качество воды.
В неустойчивой системе водопроводные сети недостаточно обслуживаются, особенно основные трубопроводы в городских районах. Система приходит в упадок и затем нуждается в реабилитации или обновлении.
Домохозяева и очистные сооружения могут сделать сети водоснабжения более эффективными и устойчивыми. Значительное повышение экологической эффективности достигается за счет систематического разделения осадков и сточных вод. Мембранную технологию можно использовать для переработки сточных вод.
Муниципальное правительство может разработать «Муниципальную систему повторного использования воды», которая представляет собой современный подход к управлению дождевой водой. Он применяет схему повторного использования очищенных сточных вод в муниципальном масштабе для обеспечения непитьевой водой промышленных, бытовых и муниципальных нужд. Эта технология заключается в отделении фракции мочи из бытовых сточных вод и сборе ее для переработки ее питательных веществ . [14] Фекалии и фракция сточных вод собираются вместе с органическими отходами домашних хозяйств с помощью самотечной канализационной системы , непрерывно промываемой непитьевой водой. Вода очищается анаэробно , а биогаз используется для производства энергии .
Устойчивая система водоснабжения представляет собой комплексную систему, включающую водозабор, водопользование, сброс и очистку сточных вод, а также охрану окружающей среды . Это требует сокращения использования пресной и подземной воды во всех секторах потребления. Развитие устойчивых систем водоснабжения является растущей тенденцией, поскольку оно служит долгосрочным интересам людей. [15] Существует несколько способов повторного использования и переработки воды для достижения долгосрочной устойчивости, например:
Другие возможные подходы к определению моделей водоснабжения, применимые к любой городской территории, включают следующее:
Дублинское заявление о водных ресурсах и устойчивом развитии является хорошим примером новой тенденции к решению проблем водоснабжения. Это заявление, предложенное странами с развитой экономикой, привело к появлению некоторых принципов, которые имеют большое значение для городского водоснабжения. Это:
На основе этих заявлений, разработанных в 1992 году, было разработано несколько стратегий, призванных придать большое значение воде и продвинуть управление городской системой водоснабжения в сторону устойчивого развития. Рамочная директива Европейской комиссии по воде является хорошим примером того, что было создано на основе прежней политики.
Существует большая потребность в более устойчивых системах водоснабжения. Для достижения устойчивости необходимо одновременно решать несколько факторов: изменение климата, рост стоимости энергии и рост населения. Все эти факторы провоцируют изменения и оказывают давление на управление имеющимися водными ресурсами. [17]
Препятствием для преобразования традиционных систем водоснабжения является количество времени, необходимое для достижения преобразования. Точнее, трансформацию должны осуществлять муниципальные законодательные органы, которым тоже всегда нужны краткосрочные решения. [ нужна цитата ] Еще одним препятствием на пути к достижению устойчивости в системах водоснабжения является недостаточный практический опыт работы с необходимыми технологиями, а также отсутствие ноу-хау об организации и переходном процессе.
Возможные способы улучшить эту ситуацию — моделирование сети, реализация пилотных проектов , изучение связанных с этим затрат и достигнутых выгод.
{{cite book}}: CS1 maint: others (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )CS1 maint: others (link)