Оценка надежности водообеспечения эксплуатируемых систем подачи и распределения воды

ным наполнителем, что позволило избежать кольма-тации, повысило эффект обезвоживания и исключило образование уплотненного слоя осадка перед водоприемными колодцами.

В течение пяти теплых месяцев осадок и активный ил обезвоживались на рабочих иловых картах. Летний эксперимент подтвердил вывод о том, что флокулянт

ускоряет выделение из осадка и активного ила связанной воды, что позволяет сократить количество одновременно эксплуатируемых карт.

Благодаря использованию флокулянта удалось повысить производительность иловых карт в 2,5 раза без строительства новых карт.

УДК 628.1

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ВОДООБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СИСТЕМ ПОДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ

В.Р.Чупин1, А.С.Душин2

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обоснована необходимость комплексной оценки надежности систем подачи и распределения воды. Предложена методика по исследованию надежности водообеспечения каждого потребителя в отдельности и системы в целом.

Ил. 5. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: оценка надежности; водообеспечение; водоснабжение; система подачи и распределения воды.

THE ASSESSMENT OF RELIABILITY OF WATER PROVISION OF WATER SUPPLY AND DISTRIBUTION SYSTEMS UNDER OPERATION V.R. Chupin, A.S. Dushin

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The authors substantiate the necessity of complex assessment of the reliability of systems of water supply and distribution. They offer a procedure to study the reliability of water provision both of every single consumer and the system on the whole.

5 figures.2 tables. 4 sources.

Key words: reliability assessment; water provision; water supply; the system of water supply and distribution.

Как любая система массового обслуживания, система подачи и распределения воды (СПРВ) должна обладать определенными свойствами - выполнять функции водообеспечения, сохраняя во времени установленные технологические параметры в пределах, соответствующих заданным режимам и условиям эксплуатации, а также регламентам технического обслуживания и ремонта.

Сохранение первоначальных свойств надежности водообеспечения СПРВ является одной из основных задач, стоящих перед эксплуатирующими организациями. Вместе с тем, как показал анализ существующих СПРВ, многие из них эти свойства потеряли. Причиной этому явились не всегда обоснованные решения по выбору схем зонирования сетей, выводу из работы отдельных магистралей, несвоевременные восстановительные работы и др.

Задача оценки надежности водообеспечения эксплуатируемых СПРВ является весьма сложной по следующим причинам. Имеющиеся нормативы по

обеспечению надежности, а также подходы и методы ее оценки базируются в основном на детерминистическом подходе. Вместе с тем как сам процесс водопо-требления, так и возникновение аварийных ситуаций являются случайными факторами, наложение которых друг на друга дает реальную картину водообеспече-ния потребителей. Если рассматривать водопотреб-ление по времени, то оно представляет собой случайные величины, обусловленные сочетанием самых различных случайных событий. При этом водопотреб-ление претерпевает следующие изменения во времени:

- ежегодное увеличение расхода воды в процессе эксплуатации (тренд), обусловливаемое как постепенным ростом числа жителей, так и улучшением сани-тарно-технического оборудования жилищ ,появлением посудомоечных, стиральнах и др. машин;

- циклические (периодические) изменения суточных расходов, связанные с сезонами года, температурой, погодой, сезонной миграцией населения и обу-

1Чупин Виктор Романович, доктор технических наук, профессор, декан факультета строительства и городского хозяйства, тел.: (3952)405145.

Chupin Victor Romanovich, a doctor of technical sciences, a professor, the Dean of the Faculty of Civil Engineering and Municipal Economy, tel.: (3952)405145.

2Душин Алексей Сергеевич, аспирант, тел.: 451747, e-mail: sk_irkut@bk.ru Dushin Alexey Sergeevich, a postgraduate, tel.: 451747, e-mail: sk_irkut@bk.ru

словленные ростом как удельного водопотребления, так и числа потребителей; суточный объем водопотребления меняется также в отдельные дни недели (праздничные и предпраздничные дни);

- колебания часовых расходов воды в течение отдельных суток; обусловливаются режимом жизни населения, режимом работы промышленных предприятий, степенью индустриализации города, режимом работы всех видов транспорта и такими случайными событиями, как изменение погоды, программы радио-и телевизионных передач и т.п.

Для примера на рис.1 представлена гистограмма расходов воды одного из жилых микрорайонов. Данная гистограмма построена на основании фактических значений потребления воды по часам суток в течение года в безаварийных режимах работы СПРВ. Из гистограммы видно, что величины расходов, условно принятые за расчетные значения имеют различные вероятности в различные часы суток. Это объясняется тем, что функция распределения расхода воды в пределах каждого часа имеет различные значения среднего и дисперсии, обусловливающие колебательный характер водопользования. Зная такие распределения по каждому потребителю, нетрудно обосновать график водопотребления в качестве расчетного (например, наиболее вероятный - график, показанный на рис.1 сплошными линиями). Можно такие графики построить для любого периода времени.

Механизм формирования и регулирования водо-потребления населением на сегодняшний день до конца не раскрыт. Ни водопроводно-канализационные предприятия, ни органы местной власти не могут указать населению (а главное - не могут практически реализовать подобное указание), сколько воды следует ему использовать для своих домашних нужд (водо-

q, л/час

потребление является неуправляемым процессом). Люди, в основном, и сами не осознают тех реальных психологических сил, которые формируют их поведение. В то же время, несмотря на то, что действия каждого потребителя представляют собой случайное событие по отношению к системе водоснабжения, а поток множества событий - случайный процесс, водопо-требление имеет свои устойчивые закономерности. По представленной гистограмме определяется наиболее вероятный график водопотребления, определяется дисперсия и т.д. Анализ структуры хозяйственно-бытового водопотребления позволяет составить прогноз, таким образом, планировать работу системы, ее ремонты и т.д.

Все это подтверждает, что требования к надежности системы водоснабжения должны устанавливаться исходя из интересов потребителей. Очевидно, СПРВ должны быть устроены таким образом, чтобы любые случайные события не повлекли нарушения в обеспечении каждого потребителя водой ниже допустимых значений.

Методика комплексной оценки этих случайных событий в настоящее время отсутствует, отсутствуют также и допустимые нормативы по этим случайным процессам.

В настоящей работе сделана попытка разработать такую методику, которая заключается в оценке объемов подачи воды потребителям за определенный интервал времени функционирования СПРВ в условиях случайных процессов водопотребления и возникновения аварийных ситуаций, их восстановления. Суть данной методики заключается в следующем. В качестве расчетных принимаются наиболее вероятные графики потребления воды в безаварийных режимах работы СПРВ. Далее моделируются различные ава-

3 1 1

3 1 1

2 3 3 1 1

1 3 4 4 1 1 6

4 5 9 5 2 1 1 1 1 6 15

2 1 10 21 5 6 6 3 1 1 6 11 15 30 1

6 3 11 7 11 12 9 7 4 3 4 14 24 27 36 5 1

13 9 21 17 15 14 14 14 15 12 20 40 59 55 66 22

36 5 25 30 20 20 28 21 12 19 39 ИЛ 68 | 61 4

3 42 36 46 48 44 47 37 26 34 49 63 | 60 65 58 57 8М 5

12 1 та 1 39 , 54 6^ 53 52 52 52 ^70 68 51 48 49 39 71 1 13

1 Л 32 Ы пт 53 52 72 73 85 1 66 | 69 62 47 31 27 15 44 | 30

2 2 ШШ 65 1 1 32 на 79 1 57 50 59 52 58 1 82 ы 67 1 45 37 31 24 23 16 31 | 54

5 4 36 44 52 23 24 41 36 35 48 39 39 34 25 23 15 6 19 75

8 10 42 36 30 13 15 20 23 25 38 40 29 22 10 9 1 1 12 64

15 1 1 1 6 35 14 22 7 8 5 9 12 10 17 11 11 7 3 3 2 8 53

38 6 2 2 4 8 36 21 8 1 3 7 5 3 6 5 6 3 1 2 23

54 56 10 6 5 6 21 26 10 5 1 1 2 3 2 1 1 1 8

16 6 3 7 24 18 11 1 1 8

48 26 12 5 10 36 19 9 1 1 1 10

53 37 31 24 28 54 21 2 1 1 1 1 1 2 4

37 87 80 70 76 | Пб 14 1 5

26 102 118 132 121 62 4

17 72 101 116 104 43 5

22,49 21,68 20,67 19,78 18,84 17,93 17,02 16,10 15,19

14,28

13,37

12,45

11,54

10,63

9,71 8,80 7,89 6,98 6,06

5,15 4,24 3,32

2,41

1,50 0,59

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рис. 1. Гистограмма расходов воды по часам суток в течении года

2

3

4

5

6

7

8

9

рииные ситуации и с учетом их вероятностного характера определяются фактические графики потребления воды по часам суток в течении года.

Для оценки воздействия любой аварийной ситуации на потребителей в работе была использована методика моделирования потокораспределения в сети с нефиксированными отборами воды [1]. Сущность этой методики заключается в решении нелинейной системы уравнений и логических условий:

\лх=е

Б = 0, к = / (И,; х),

р = Р* _ я х к

] 7 J -

е, =

е х (р), прир < р < р 0, приР , < I, ех, прир, > р,

где А - матрица инцеденции линейно независимых узлов и участков схемы; В - матрица совпадения контуров и участков схемы; х - вектор участковых расходов воды; О - вектор узловых отборов воды; И - вектор потерь напора по участкам сети; Н - вектор действующих напоров по участкам сети (напоров насосных станций и дросселирующих устройств); Р - вектор пьезометрических отметок воды по узлам схемы; е -единичный вектор; Р] - заданный напор (напор в насосной станции в источнике); ^ - матрица путей, ведущих из заданного узла во все остальные;

В результате решения системы уравнений (1)-(3) вычисляются значения расходов воды по участкам сети XI и отборы воды у потребителей О].

Выход любого участка сети является случайным событием, характеризующимся вероятностью отказа : р = 1 _ £-М1, Л)хТ

где

А(1, Л) -

интенсивность отказа,

, (4) величина,

зависящая от протяженности участка и его диаметра, определяется на основании обработки статистики аварийных ситуаций конкретной СПРВ; Т - время функционирования СПРВ.

С учетом вышеизложенного методика определения нагрузок у потребителя воды будет заключаться в следующем:

1. Разыгрывается аварийная ситуация на I участке и на основе решения (1)-(3) определяются расходы воды, получаемые у каждого потребителя. При этом аварийные ситуации рассматриваются в следующих аспектах. За момент аварии принято время поиска и обнаружения аварии. В этот момент происходит истечение воды из трубопровода в грунт. Объем истекае-мой воды также определяется по модели (1)-(3). После обнаружения аварии участок отключается. При

отключенном участке опять же по модели 1-3 вычисляются узловые отборы воды для каждого потребителя. Среднестатистические данные, приводимые в литературе, свидетельствуют о том, что среднее время поиска аварии составляет 6 часов, а время восстановления - 24 часа, то есть сутки. Любая аварийная ситуация на участке будет характеризоваться своей интенсивностью отказа. Авария может происходить на любом участке. Поэтому в качестве аварийных рассматривается каждый участок сети.

2. На основании полученных расчетных данных строится гистограмма фактического потребления воды каждым потребителем. При построении гистограммы учитывается интенсивность отказов каждого участка. В итоге определяются фактические графики потребления воды с учетом возникающих случайным образом аварийных ситуаций по участкам сети.

3. Полученные графики потребления воды сопоставляются с желаемыми (или требуемыми) графиками. На основании этих графиков вычисляются объемы, которые потребители не дополучат за исследуемый период времени Т. Эти объемы также сравниваются с нормативными и делается вывод о надежности водообеспечения каждого потребителя. При этом вычисляются следующие показатели: вероятности подачи воды каждому потребителю, коэффициенты готовности, время понижения нагрузки и т.д.

Для иллюстрации предлагаемой методики составлена схема системы подачи и распределения воды -СПРВ (рис. 2). Данная СПРВ включает в себя 24 узла, 38 участков. На основании статистических данных об авариях получены следующие интенсивности отказов (количество аварий на 1 км трубопроводов в год):

Диаметр участка, мм Интенсивность отказа

500 0,1

250 0,2

200 0,3

150 0,4

100 0,5

На основании показаний водомерных приборов в течение года для каждого потребителя построены их наиболее вероятные графики в безаварийных режимах работы СПРВ (рис. 3, 4, 5, штриховые линии).

Согласно вышеизложенной методике разыграны всевозможные аварийные ситуации и с учетом принятых интенсивностей отказов построены наиболее вероятные графики потребления воды для каждого потребителя. На рис. 3, 4, 5 эти графики представлены жирными линиями. Сопоставляя графики в аварийных и безаварийных режимах можно сделать выводы, что отдельные потребители будут не дополучать в часы наиболшего водопотребления. К ним относятся потребители 9, 21, 23. Все другие потребители будут получать расчетный расход при любой аварийной си-

Рис.2. Схема системы подачи и распределения воды

туации. Среднесуточная недоподача в отношении потребителей 9, 21, 23 и системы в целом представлена в таблице:

Наименование потребителя Среднесуточный расчетный расход Среднесуточный объем не-доподачи, м3 Среднесуточный объем не- доподачи, %

9 233,15 6,39 2,91

21 233,15 22,83 10,40

23 233,15 39,27 17,88

В целом по району 5595,60 68,49 1,22

Как видно из таблицы, выход любого участка из строя (при ординарном потоке отказов) на водообес-печении района в целом не скажется. Однако некоторые потребители при этом будут испытывать значительную недоподачу. В отношении этих потребителей нужны дополнительные меры по бесперебойному обеспечению их водой. Такие мероприятия могут быть следующими:

- увеличение диаметров магистралей, ведущих от источника к этим потребителям;

- прокладка дополнительных резервных магистралей;

- устройство регулирующих емкостей в чердачных помещениях этих потребителей.

22,49

1 1 2

2 2 3 1 1

2 5 7 1 1 3

1 1 8 13 5 5 5 3 1 1 1 4 4 7

2 3 11 7 10 6 7 7 2 1 1 5 8 11 11 1

4 9 18 17 12 12 10 3 9 8 11 21 31 21 25 7

11 5 20 28 18 14 23 7 8 12 21 41 38 32 31 11 1

18 28 35 38 32 20 31 14 21 25 33 45 ~8™ 41 41 37 ~Г 21 1

5 19 35 44 42 42 47 43 21 38 45 41 47 ГБТ 35 3

13 22 40 51 49 44 53 51 26 45 48 45 | рл 58 р7 44 9

23 35 1 48 1 51 57 61 53 52 51 39 | 54 65 61 43 71 21

1 36 | | 65 28 46 63 69 85 || 33 [ | 69 51 41 41 43 31 63 35

2 2 65 45 79 21 18 28 36 45 82 73 43 41 21 23 25 20 42 46

5 4 43 27 41 9 9 6 23 28 48 29 28 23 17 15 14 11 27 67

8 10 36 29 15 1 4 9 9 9 38 15 16 11 9 9 5 7 21 51

15 1 1 1 6 31 12 7 1 2 5 3 10 11 9 7 8 5 2 3 13 35

38 6 2 2 4 8 21 13 3 1 2 6 4 5 4 5 2 1 1 7 24

54 10 6 5 6 21 19 10 1 1 2 3 3 2 1 1 1 2 19

56 16 6 3 7 24 25 3 1 1 1 2 1 1 2 1 11

48 26 12 5 10 36 19 1 1 1 1 1 1 1 1 7

53 37 31 24 28 54 9 1 1 2

37 87 80 70 76 7 1

26 102 118 132 121 62 7 1

17 72 101 116 104 43 7 1

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Рис.3. График водопотребления для узла 9

1

2

3

4

5

q, л/час на одного человека

22,49

21,68

20,67 1 1 2

19,78 2 2 3 1 1

18,84 2 5 7 1 1 3

17,93 1 1 8 13 5 5 5 3 1 1 1 4 4 7

17,02 2 3 11 7 10 6 7 7 2 1 1 5 8 11 11 1

16,10 4 9 18 17 12 12 10 3 9 8 11 21 31 21 25 7

15,19 11 5 20 28 18 14 23 7 8 12 21 41 38 32 31 11 1

14,28 18 28 35 38 32 20 31 14 21 25 33 45 41 41 37 21 1

13,37 5 19 35 44 42 42 47 43 21 38 45 41 ы 47 53 51 35 ^ 3

12,45 13 I-" 22 40 51 49 44 |53 51 26 45 48 45 | | 58 | 67 69 1 44 1 9

11,54 1 23 35 51 57П р1 бЛ [б1 53 52 1 1 51 зП 54 65 61 43 ЧЯ 1

10,63 2 2 36 48 65 | рб 28 46 63 69 85 33 69 51 41 41 43 31 63 |35

9,71 5 4 65 45 79 21 18 28 36 45 1 82  73 43 41 21 23 25 20 42 Мб

8,80 8 10 43 27 41 9 9 6 23 28 48 29 28 23 17 15 14 11 1 27 67

7,89 15 1 1 1 6 36 29 15 1 4 9 9 9 38 15 16 11 9 9 5 7 21 51

6,98 38 6 2 2 4 8 31 12 7 1 2 5 3 10 11 9 7 8 5 2 3 13 35

6,06 54 10 6 5 6 21 21 13 3 1 2 6 4 5 4 5 2 1 1 7 24

5,15 56 16 6 3 7 24 19 10 1 1 2 3 3 2 1 1 1 2 19

4,24 48 26 12 5 10 36 25 3 1 1 1 2 1 1 2 1 11

3,32 53 37 31 24 28 54 19 1 1 1 1 1 1 1 1 7

2,41 37 87 80 70 76 | 9 1 1 2

1,50 26 102 118 132 121 62 7 1

0,59 17 72 101 116 104 43 7 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Рис.4. График водопотребления для узла 21

q, л/час на одного человека 22,49 21,68 20,67 19,78 18,84 17,93 17,02 16,10 15,19 14,28 13,37 12,45 11,54 10,63 9,71 8,80 7,89 6,98 6,06

5,15

4,24

3,32

2,41

1,50 0,59

Рис.5. График водопотребления для узла 23

1 1 2

2 2 3 1 1

2 5 7 5 1 3

1 1 8 13 5 6 5 3 1 1 1 4 4 7

2 3 11 7 10 12 7 7 2 1 1 5 8 11 11 1

4 9 18 17 12 14 10 14 9 8 11 21 31 21 25 7

11 5 20 28 18 20 23 21 8 12 21 | 41 | 38 | 32 31 | 11 1

18 28 35 38 32 47 31 26 21 25 33 | 45 41 41 37 21 | 1

5 19 35 44 42 42 [^3 43 51 52 38 45 41 48 47 53 51 35 | 3

1 13_ 23 22 1 40 51 Г 49 44 бЛ 61 85 45 1 48 45 | рл | 58 | 67 69 4 9

2 2 35 Г51 57 | рТ 63 53 82 51 39 | 54 65 61 43 - 35

5 4 36 | пл | 65 | рб 28 46 36 69 48 | 33 | р9 51 41 41 43 31 63

8 10 65 45 79 21 18 28 23 45 38 73 43 41 21 23 25 20 42 46

15 1 1 1 6 43 27 41 9 9 6 9 28 10 29 28 23 17 15 14 11 1 27 67

38 6 2 2 4 8 36 29 15 1 4 9 5 9 6 15 16 11 9 9 5 7 21 51

54 10 6 5 6 21 31 12 7 1 2 3 2 11 9 7 8 5 2 3 13 35

56 16 6 3 7 24 21 13 3 1 2 1 4 5 4 5 2 1 1 7 24

48 26 12 5 10 36 19 10 1 1 1 3 3 2 1 1 1 2 19

53 37 31 24 28 54 25 3 1 1 1 2 1 1 2 1 11

37 87 80 70 76 19 1 1 1 1 1 1 1 7

26 102 118 132 121 62 9 1 2

17 72 101 116 104 43 7 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Для наиболее эффективного из этих мероприятий требуется проведение технико-экономических расчетов.

Таким образом, предлагаемая методика позволяет исследовать надежность водообеспечения каждого потребителя в отдельности и системы в целом, а также на основании полученных расчетов наметить мероприятия по обеспечению бесперебойного водоснабжения.

Библиографический список

1. СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».

2. Ильин Ю.А. Расчет надежности подачи воды. М. Строй-издат, 1987.

3. Абрамов Н.Н. Надежность систем водоснабжения. М. Стройиздат, 1979.

4. Чупин В.Р., Майзель И.В., Малевская М.Б. Теория графов и ее применение в задачах проектирования и эксплуатации трубопроводных систем жилищно-коммунального хозяйства: учеб. пособие. Иркутск:Изд-во ИрГТУ, 2006.164 с.