Сеть водоснабжения или система водоснабжения представляет собой систему инженерных гидрологических и гидравлических компонентов, которые обеспечивают водоснабжение . Система водоснабжения обычно включает в себя следующее:
Сети водоснабжения часто находятся в ведении коммунальных служб водного хозяйства .
Сырая вода (неочищенная) берется из поверхностного источника воды (например, водозабора на озере или реке ) или из источника грунтовых вод (например, скважины, берущей воду из подземного водоносного горизонта ) в пределах водораздела , который обеспечивает водные ресурсы .
Неочищенная вода транспортируется на водоочистные сооружения с использованием открытых акведуков, крытых туннелей или подземных водопроводов .
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 этого (когда он снова сбрасывается). Очистка воды обычно происходит вблизи конечных точек доставки, чтобы снизить затраты на перекачку и вероятность загрязнения воды после очистки.
Традиционные очистные сооружения поверхностных вод обычно состоят из трех этапов: осветление, фильтрация и дезинфекция. Осветление относится к отделению частиц (грязи, органических веществ и т. д.) от потока воды. Химическое добавление (например, квасцы, хлорид железа) дестабилизирует заряды частиц и подготавливает их к осветлению либо путем осаждения, либо путем всплытия из потока воды. Фильтры из песка, антрацита или активированного угля очищают поток воды, удаляя более мелкие твердые частицы. Хотя существуют и другие методы дезинфекции, предпочтительным методом является добавление хлора. Хлор эффективно убивает бактерии и большинство вирусов и поддерживает остаток для защиты водоснабжения через сеть водоснабжения.
Продукт, доставленный к месту потребления, называется питьевой водой , если он соответствует стандартам качества воды, необходимым для потребления человеком.
Вода в сети водоснабжения поддерживается под положительным давлением, чтобы гарантировать, что вода достигает всех частей сети, что достаточный поток доступен в каждой точке забора и чтобы гарантировать, что неочищенная вода из-под земли не может попасть в сеть. Вода обычно нагнетается под давлением путем закачивания воды в резервуары для хранения, построенные в самой высокой локальной точке сети. Одна сеть может иметь несколько таких резервуаров обслуживания .
В небольших бытовых системах давление воды может быть повышено с помощью сосуда под давлением или даже с помощью подземной цистерны (последняя, однако, требует дополнительного повышения давления). Это исключает необходимость в водонапорной башне или любом другом повышенном резерве воды для обеспечения давления воды.
Эти системы обычно принадлежат местным органам власти, таким как города или другие государственные организации, и обслуживаются ими, но иногда ими управляет коммерческое предприятие (см. приватизация водоснабжения ). Сети водоснабжения являются частью генерального планирования сообществ, округов и муниципалитетов. Их планирование и проектирование требуют опыта городских планировщиков и инженеров-строителей , которые должны учитывать множество факторов, таких как местоположение, текущий спрос, будущий рост, утечка, давление, размер трубы, потеря давления, потоки пожаротушения и т. д. — с использованием анализа трубопроводной сети и других инструментов.
При прохождении воды через распределительную систему качество воды может ухудшаться из-за химических реакций и биологических процессов. Коррозия металлических труб в распределительной системе может привести к выбросу металлов в воду с нежелательными эстетическими и медицинскими последствиями. Выделение железа из необлицованных железных труб может привести к сообщениям клиентов о «красной воде» из крана. Выделение меди из медных труб может привести к сообщениям клиентов о «синей воде» и/или металлическом привкусе. Выделение свинца может происходить из припоя, используемого для соединения медных труб, или из латунных приспособлений . Уровни меди и свинца в кране потребителя регулируются для защиты здоровья потребителя.
Коммунальные службы часто корректируют химический состав воды перед распределением, чтобы минимизировать ее коррозионную активность. Простейшая корректировка включает контроль pH и щелочности для получения воды, которая имеет тенденцию пассивировать коррозию путем осаждения слоя карбоната кальция . Ингибиторы коррозии часто добавляются 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 в распределении воды. Обычно дезинфицирующее средство на основе хлора , такое как гипохлорит натрия или монохлорамин, добавляется в воду, когда она покидает очистную установку. В распределительной системе могут быть размещены бустерные станции, чтобы гарантировать, что все области распределительной системы имеют адекватные устойчивые уровни дезинфекции .
Подобно линиям электропередач, дорогам и сетям микроволновой радиосвязи, водные системы могут иметь топологию кольцевой или разветвленной сети или их комбинацию. Трубопроводные сети бывают круглыми или прямоугольными. Если какой-либо участок распределительной магистрали воды выходит из строя или нуждается в ремонте, этот участок можно изолировать, не нарушая работу всех пользователей сети.
Большинство систем делятся на зоны. [1] Факторы, определяющие протяженность или размер зоны, могут включать гидравлику, системы телеметрии , историю и плотность населения. Иногда системы проектируются для определенной области, а затем модифицируются для адаптации к развитию. Рельеф влияет на гидравлику и некоторые формы телеметрии. Хотя каждая зона может работать как автономная система, обычно существует некоторая договоренность о соединении зон для управления отказами оборудования или отказами системы.
Сети водоснабжения обычно представляют большую часть активов водоканала. Систематическое документирование работ по техническому обслуживанию с использованием компьютеризированной системы управления техническим обслуживанием (CMMS) является ключом к успешной работе водоканала. [ почему? ]
Устойчивая городская сеть водоснабжения охватывает все виды деятельности, связанные с поставкой питьевой воды. Устойчивое развитие приобретает все большее значение для водоснабжения городских территорий. Внедрение инновационных технологий водоснабжения в системы водоснабжения улучшает водоснабжение с точки зрения устойчивости. Развитие инновационных технологий водоснабжения обеспечивает гибкость системы водоснабжения, создавая фундаментальные и эффективные средства устойчивости на основе комплексного подхода реальных опционов . [2]
Вода является важнейшим природным ресурсом для человеческого существования. Она необходима в каждом промышленном и природном процессе, например, она используется для очистки нефти , для экстракции жидкости жидкостью в гидрометаллургических процессах, для охлаждения, для очистки в металлургической промышленности и для ряда операций на предприятиях по переработке пищевых продуктов .
Необходимо принять новый подход к проектированию городских сетей водоснабжения; в ближайшие десятилетия ожидается дефицит воды , а экологические нормы в области водопользования и утилизации сточных вод становятся все более строгими.
Для создания устойчивой сети водоснабжения необходимо разрабатывать новые источники воды и снижать загрязнение окружающей среды.
Цена на воду растет, поэтому меньше воды должно тратиться впустую, и необходимо принимать меры для предотвращения утечек из трубопроводов. Отключение подачи воды для устранения утечек все меньше и меньше терпимо для потребителей. Устойчивая система водоснабжения должна контролировать скорость потребления пресной воды и скорость 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 в городах проживало всего 13% населения мира. К 2005 году в городских районах проживало 49% населения мира . К 2030 году прогнозируется, что эта статистика вырастет до 60%. [3] Попытки правительств расширить водоснабжение обходятся дорого и часто недостаточны. Строительство новых незаконных поселений затрудняет картирование и подключение к водоснабжению и приводит к неадекватному управлению водными ресурсами. [4] В 2002 году 158 миллионов человек имели недостаточное водоснабжение . [5] Все больше людей живут в трущобах , в неадекватных санитарных условиях и, следовательно, подвергаются риску заболеваний .
Питьевая вода неравномерно распределена в мире. По данным ВОЗ , ежегодно 1,8 миллиона смертей связаны с небезопасным водоснабжением . [6] Многие люди не имеют доступа или не имеют доступа к качественной и количественной питьевой воде, хотя сама вода в изобилии. Бедные люди в развивающихся странах могут жить близко к крупным рекам или находиться в районах с большим количеством осадков, но при этом вообще не иметь доступа к питьевой воде. Есть также люди, живущие там, где нехватка воды ежегодно приводит к миллионам смертей.
Там, где система водоснабжения не может достичь трущоб, люди умудряются использовать ручные насосы , чтобы добраться до колодцев, рек , каналов , болот и любых других источников воды. В большинстве случаев качество воды непригодно для потребления человеком. Основной причиной нехватки воды является рост спроса. Вода берется из отдаленных районов, чтобы удовлетворить потребности городских районов. Еще одной причиной нехватки воды является изменение климата : изменился характер осадков , сократился сток рек, озера высыхают, а водоносные горизонты опустошаются.
В развивающихся странах многие правительства коррумпированы и бедны, и они реагируют на эти проблемы часто меняющейся политикой и неясными соглашениями. [7] Спрос на воду превышает предложение, а бытовое и промышленное водоснабжение имеет приоритет над другими видами использования, что приводит к водному стрессу . [8] Питьевая вода имеет цену на рынке; вода часто становится бизнесом для частных компаний, которые получают прибыль , устанавливая более высокую цену на воду, что создает барьер для людей с низкими доходами. Цели развития тысячелетия предлагают необходимые изменения.
Цель 6 Целей устойчивого развития Организации Объединенных Наций заключается в том, чтобы «Обеспечить наличие и устойчивое управление водными ресурсами и санитарией для всех». [9] Это является признанием права человека на воду и санитарию, которое было официально признано на Генеральной Ассамблее Организации Объединенных Наций в 2010 году, что «чистая питьевая вода и санитария имеют важное значение для признания всех прав человека». [10] Устойчивое водоснабжение включает в себя обеспечение наличия, доступности, финансовой доступности и качества воды для всех людей.
В развитых экономиках проблемы связаны с оптимизацией существующих сетей поставок. Эти экономики обычно имели непрерывную эволюцию, что позволило им построить инфраструктуру для снабжения людей водой. Европейский союз разработал набор правил и политик для преодоления ожидаемых будущих проблем.
Существует множество международных документов с интересными, но не очень конкретными идеями, и поэтому они не реализуются на практике. [11] Организация Объединенных Наций дала рекомендации , такие как Дублинское заявление о водных ресурсах и устойчивом развитии .
Выход системы может быть измерен либо ее стоимостью, либо ее чистой выгодой. Для системы водоснабжения истинная стоимость или чистая выгода — это надежная служба водоснабжения с достаточным количеством и хорошим качеством продукта. Например, если существующее водоснабжение города необходимо расширить для снабжения нового муниципалитета , воздействие новой ветви системы должно быть спроектировано для удовлетворения новых потребностей, сохраняя при этом снабжение старой системы.
Проектирование системы регулируется несколькими критериями, одним из которых является стоимость. Если выгода фиксирована , то наименее затратная конструкция приводит к максимальной выгоде. Однако подход наименьшей стоимости обычно приводит к минимальной пропускной способности для сети водоснабжения. Модель минимальной стоимости обычно ищет наименее затратное решение (по размерам труб), удовлетворяя при этом гидравлическим ограничениям, таким как: требуемые выходные давления, максимальный расход трубы и скорости потока в трубе. Стоимость является функцией диаметров труб; поэтому задача оптимизации состоит в поиске минимально затратного решения путем оптимизации размеров труб для обеспечения минимально приемлемой пропускной способности.
Однако, по мнению авторов статьи под названием «Метод оптимизации проектирования и восстановления систем распределения воды», «наименьшая пропускная способность не является желательным решением для устойчивой сети водоснабжения в долгосрочной перспективе из-за неопределенности будущего спроса». [12] Предпочтительно обеспечить дополнительную пропускную способность труб, чтобы справиться с неожиданным ростом спроса и перебоями в подаче воды. Проблема меняется от задачи оптимизации с одной целью (минимизация затрат) к задаче оптимизации с несколькими целями (минимизация затрат и максимизация пропускной способности).
Чтобы решить задачу многокритериальной оптимизации, необходимо преобразовать задачу в задачу оптимизации с одной целью, используя корректировки, такие как взвешенная сумма целей или метод ε-ограничения. Подход взвешенной суммы дает определенный вес различным целям, а затем учитывает все эти веса, чтобы сформировать единую целевую функцию, которая может быть решена с помощью однофакторной оптимизации. Этот метод не совсем удовлетворителен, поскольку веса не могут быть выбраны правильно, поэтому этот подход не может найти оптимальное решение для всех исходных целей.
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 предопределенных пределов ограничений.
Многоцелевые задачи оптимизации включают вычисление компромисса между затратами и выгодами, что приводит к набору решений, которые можно использовать для анализа чувствительности и тестировать в различных сценариях. Но не существует единого оптимального решения, которое будет удовлетворять глобальной оптимальности обеих целей. Поскольку обе цели в некоторой степени противоречивы, невозможно улучшить одну цель, не жертвуя другой. В некоторых случаях необходимо использовать другой подход (например, анализ Парето ) и выбирать наилучшую комбинацию.
Возвращаясь к целевой функции стоимости, она не может нарушать никаких эксплуатационных ограничений. Обычно эта стоимость определяется стоимостью энергии для перекачки. «Эксплуатационные ограничения включают стандарты обслуживания клиентов , такие как: минимальное подаваемое давление, в дополнение к физическим ограничениям, таким как максимальный и минимальный уровень воды в резервуарах для хранения, чтобы предотвратить перелив и опорожнение соответственно». [13]
Для оптимизации эксплуатационных показателей сети водоснабжения и одновременной минимизации затрат на электроэнергию необходимо прогнозировать влияние различных настроек насосов и клапанов на работу сети.
Помимо линейного и нелинейного программирования существуют и другие методы и подходы к проектированию, управлению и эксплуатации сети водоснабжения для достижения устойчивости, например, принятие соответствующей технологии в сочетании с эффективными стратегиями эксплуатации и обслуживания. Эти стратегии должны включать эффективные модели управления, техническую поддержку домохозяйств и отраслей, устойчивые механизмы финансирования и разработку надежных цепочек поставок . Все эти меры должны обеспечивать следующее: срок службы системы; цикл обслуживания; непрерывность функционирования; время простоя для ремонта; водоотдача и качество воды.
В неустойчивой системе недостаточное обслуживание водопроводных сетей, особенно в крупных трубопроводах в городских районах. Система приходит в упадок и нуждается в восстановлении или обновлении.
Домовладельцы и очистные сооружения могут сделать водопроводные сети более эффективными и устойчивыми. Значительные улучшения в экологической эффективности достигаются за счет систематического разделения осадков и сточных вод. Мембранная технология может использоваться для переработки сточных вод.
Муниципальное правительство может разработать «Систему повторного использования муниципальной воды», которая является современным подходом к управлению дождевой водой. Она применяет схему повторного использования воды для очищенных сточных вод в муниципальном масштабе для обеспечения непитьевой воды для промышленности, домохозяйств и муниципальных нужд. Эта технология заключается в отделении фракции мочи из санитарных сточных вод и сборе ее для переработки ее питательных веществ . [14] Фракция фекалий и серой воды собирается вместе с органическими отходами из домохозяйств с помощью системы гравитационной канализации , непрерывно промываемой непитьевой водой. Вода очищается анаэробно , а биогаз используется для производства энергии .
Одним из эффективных способов достижения устойчивого управления водными ресурсами является смещение акцента в сторону децентрализованных проектов по водоснабжению, таких как распространение капельного орошения в Индии. [15] Этот проект охватывает большие пространственные площади, полагаясь на индивидуальные решения по внедрению технологий, предлагая масштабируемые решения, которые могут смягчить дефицит воды и повысить производительность сельского хозяйства.
Другой метод, который можно использовать, — это содействие вовлечению сообщества и сопротивлению неустойчивым проектам водной инфраструктуры. Низовые движения, как это наблюдалось в протестах против плотин в разных странах, играют решающую роль в оспаривании доминирующих нарративов развития и отстаивании более социально и экологически справедливых методов управления водными ресурсами. [15]
Муниципалитеты и другие формы местного самоуправления должны также инвестировать в инновационные технологии, такие как мембранная технология для переработки сточных вод, и разрабатывать политические рамки, которые стимулируют экологически эффективные методы. Муниципальные системы повторного использования воды, как продемонстрировано в ходе внедрения, предлагают многообещающие пути для интеграции очистки сточных вод и восстановления ресурсов в городские водопроводные сети. [15]
Устойчивая система водоснабжения представляет собой интегрированную систему, включающую забор воды, водопользование, сброс и очистку сточных вод и защиту водной среды . Она требует сокращения использования пресной воды и грунтовых вод во всех секторах потребления. Разработка устойчивых систем водоснабжения является растущей тенденцией, поскольку она служит долгосрочным интересам людей. [16] 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 воде и устойчивом развитии является хорошим примером новой тенденции преодоления проблем водоснабжения. Это заявление, предложенное развитыми экономиками, выдвинуло некоторые принципы, имеющие большое значение для городского водоснабжения. Это:
Из этих заявлений, разработанных в 1992 году, были созданы несколько политик, чтобы придать важность воде и перевести управление городскими водными системами в сторону устойчивого развития. Водная рамочная директива Европейской комиссии является хорошим примером того, что было создано там из прежних политик.
Существует большая потребность в более устойчивых системах водоснабжения. Для достижения устойчивости необходимо одновременно решать несколько вопросов: изменение климата, рост стоимости энергии и рост населения. Все эти факторы вызывают изменения и оказывают давление на управление доступными водными ресурсами. [18]
Препятствием к трансформации традиционных систем водоснабжения является количество времени, необходимое для достижения трансформации. Более конкретно, трансформация должна осуществляться муниципальными законодательными органами, которым также всегда нужны краткосрочные решения. [ необходима цитата ] Еще одним препятствием к достижению устойчивости в системах водоснабжения является недостаточный практический опыт работы с требуемыми технологиями и отсутствие ноу-хау в отношении организации и процесса перехода.
Городская водная инфраструктура сталкивается с рядом проблем, которые подрывают ее устойчивость и стойкость. Одной из важнейших проблем, выявленных в недавних исследованиях, является уязвимость водопроводных сетей к изменчивости климата и экстремальным погодным явлениям. Скудные сезонные дожди, как это наблюдалось в случае шлюза и плотины Панамского канала, служат примером того, как недостаточное водоснабжение может нагружать водоемкую инфраструктуру, поднимая вопросы о легитимности проектирования и надежности водных систем. [19]
Другой ключевой проблемой является неравное развитие, связанное с крупномасштабными проектами водной инфраструктуры, такими как плотины и каналы. Такие проекты, хотя и направлены на содействие экономическому росту, часто фактически воспроизводят социальное и экономическое неравенство, вытесняя сельские общины и маргинализируя коренное население. [19] Этот феномен «накопления путем лишения собственности» еще больше подчеркивает необходимость более справедливых и инклюзивных подходов к развитию водной инфраструктуры. [19]
Возможными способами улучшения этой ситуации являются моделирование сети, реализация пилотных проектов , изучение связанных с этим затрат и полученных выгод.
{{cite book}}: CS1 maint: others (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )CS1 maint: others (link)