автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Прогнозирование и оценка утечек воды из водопроводных сетей

Вологодский политехнический институт

- 9 Ш 1ЯЯ7

На правах рукописи УДК 628.179

ИВАНОВ СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА УТЕЧЕК ВОДЫ ИЗ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Вологда 1997

Работа выполнена на предприятии "Уфаводоканал"

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, действительный член Жилищно-коммунальной академии РФ Курганов Анатолий Матвеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, действительный член Жилищно-коммунальной академии РФ Шуберт Сергей Александрович,

кандидат технических наук, член-корреспондент Жилищно-коммунальной академии РФ и Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, доцент Соколов Леонид Иванович

Ведущая организация: АО "НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды"

Защита диссертации состоится " 4 " июня 1997 года в 10 часов на заседании диссертационного совета К 064.86.01 в Вологодском политехническом институте по адресу: 160035 г.Вологда, ул. Ленина, 15, Большой актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Вологодского политехнического института.

Автореферат разослан " 4 " ¿.¿ЮЛ- 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к. т. н

• г

доцент Мезенева Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Удовлетворение нужд населения и промышленности в воде требуемого качества в необходимом количестве является социально-экономической задачей, связанной с необходимостью дальнейшего развития коммунального хозяйства страны, а также более рационального использования водных и иных природных ресурсов, как отмечено в статье 16 Закона РФ "Об охране окружающей природной среды".

Решение поставленной задачи возможно только путем проведения широкомасштабных работ по совершенствованию всех элементов систем водоснабжения, включая добычу воды, ее обработку и подачу потребителям. Процессы подготовки и транспортирования питьевой воды в системах коммунального водоснабжения сопровождаются ее убылью на каждом этапе еще до поступления непосредственно потребителю, т.е. до водосчетчика. Это связано не только с полезным расходом воды на технологические и собственные нужды водопроводного предприятия, на пожаротушение, полив и другие, но и с непроизводительными расходами и потерями воды из водопроводной сети и сооружений на ней.

В балансовой и статистической отчетности все эти виды расходов, включая утечки, суммарно отражаются показателем "неучтенные расходы и утечки воды", который представляет собой разницу между объемами подачи воды в водопроводную сеть города и объемами реализации воды потребителям.

До последнего времени этот показатель в Российской Федерации не нормировался, а устанавливался по фактическим данным. Размер его в различных водоканалах вне всякой зависимости от каких-либо объективных показателей колеблется от б до 20% от объема подачи воды в водопроводную сеть.

Отсутствие в настоящее время единой методики и критериев объективной оценки объема неучтенных расходов и утечек воды и возможности их нормативного обоснования не стимулирует предприятия водопроводно-канализационно-го хозяйства сокращать непроизводительные потери воды, т.к. и технологически необходимые расходы воды на сети (промывки сети, противопожарные нужды и т.п.), и непроизводительные потери (утечки) воды включаются в себестоимость услуг и оплачиваются потребителями.

Кроме того,- если учесть, что из-за недостаточной обеспеченности потребителей водомерами, значительная часть объема реализации воды определяется не по приборному учету, а по расчету, который зачастую превышает в несколько раз фактическое водопотребление, то становится ясно, что показываемый в отчетности показатель "неучтенные расходы и утечки воды" не отражает его реальную величину. Для правильной его оценки необходимо применение статистических методов исследований. Поэтому прогнозирование и достоверная оценка утечек воды в водопроводных сетях является актуальной не только практической но и научной задачей.

Диссертационная работа выполнялась на материале натурных исследований на водопроводе г. Уфы в рамках комплексной программы ГКНТ "оценить фактическое водопотребление и разработать нормы водопотребления" и целевых федеральных программ РФ "Экономия воды" и "Инженерные сети".

Цель и задачи исследований.

Целью работы является исследование структуры и размеров и обоснование нормативов "неучтенных расходов и утечек воды" на водопроводной сети.

В соответствии с поставленной целью конкретными задачами исследования являются:

обоснование теоретических положений по выявлению размера утечек воды из водопроводных сетей;

разработка методов прогнозирования и оценки потерь воды на основе статистического, гидравлического и имитационного моделирования системы подачи и распределения воды (ПРВ);

проведение натурных исследований на действующих системах водоснабжения с последующей обработкой экспериментальных данных на ЭВМ;

определение реального объема утечек воды на сети и разработка мероприятий по их сокращению;

практическое использование результатов исследования.

Научная новизна работы состоит:

в разработке научных методов оценки утечек воды из водопроводных сетей и их практической апробации;

в научном обосновании установления норматива показателя "неучтенные расходы и потери воды" на предприятиях водопроводно-канализационного хозяйства;

в разработке методик натурных экспериментальных исследований для получения необходимой информации по прогнозированию и оценке утечек в производственно-эксплуатационных условиях действующих систем ПРВ.

Практическая ценность работы состоит:

в возможности объективно оценивать деятельность предприятий водопроводно-канализационного хозяйства по эксплуатации водопроводных сетей;

в выявлении резервов экономии питьевой воды в системах транспортировки ее потребителям;

в возможности обоснованного планирования необходимой последовательности работ по выявлению, оценке и устранению утечек воды из водопроводных сетей.

Апробация работа.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались:

на международном конгрессе "Вода: экология и технология", проходившем в Москве в 1994 году;

на 50-й Международной конференции молодых ученых, проходившей в СПбГАСУ в апреле 1996 года;

на 51-й Научно-технической конференции, проходившей в СПбГАСУ в 1997 году;

на межрегиональном научно-практическом семинаре по проблемам договорных отношений в водопроводно-канализационном хозяйстве, проходившем в г.Уфе в январе 1996 года;

на региональных научно-практических семинарах, ведомственных научно-технических советах и технических совещаниях, проходивших в г.Уфе в Министерстве жилищно-коммунального хозяйства Республики Башкортостан, администрации г. Уфы и на предприятии "Уфаводоканал" в период с 1988 года по 1997 год.

Реализация результатов исследований.

Основные результаты исследований реализованы на предприятиях водопроводно-канализационного хозяйства России и включены в "Инструкцию по оценке и нормированию уровня неучтенных расходов воды" Департамента жилищно-коммунального хозяйства Минстроя России.

Достоверность полученных результатов оценена с помощью современных математических методов, при постановке экспериментов использованы общепринятые методики, оборудование и приборы.

Результаты ■ работы отвечают последним научно-техническим достижениям в данной области техники и подтверждаются данными других исследователей. Экспериментальные данные соответствуют результатам, полученным в производственных условиях.

На защиту выносится:

научное обоснование методики установления норматива неучтенных расходов и потерь воды на предприятиях водо-проводно-канализационного хозяйства;

методы прогнозирования и оценки утечек воды из водопроводных сетей;

методика и технологические приемы получения натурных экспериментальных данных для прогнозирования и оценки утечек воды в производственно-эксплуатационных условиях действующих систем ПРВ.

Публикации.

По теме диссертации опубликована одна монография, один инструктивно-нормативный документ и четыре статьи.

Объем и структуры диссертации.

Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, включает 26 таблиц, 28 рисунков и состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 91 наименования и 22 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе приведен анализ современных литературных источников по вопросам утечек воды из водопроводных сетей, методов их оценки и технических средств поиска мест утечек воды из водопроводных сетей.

Коммунальные предприятия водоснабжения относятся к той группе предприятий, которые обслуживают потребителей не в своих производственных помещениях, а за их пределами - через водопроводную сеть и водоразборные устройства. При этом из-за большой протяженности водопроводной сети города при оценке эффективности ее эксплуатации особую роль играет установление реальной величины потерь воды на сети и сравнение ее с нормативно

обоснованной. Для правильного понимания рассматриваемой проблемы и удобства анализа потерь воды в системах водоснабжения все неучтенные расходы и утечки воды при ее транспортировке до потребителей следует разделять на технологически необходимые (т.е. обоснованные) и непроизводительные .

На рис.1 показана структура расходования воды в % от реализации ее потребителям.

о.

о

140 -г

_ - потери воды на водозаборе (1-5%)

- потери воды на оч. сооружениях (3-15%)

120- -—-г

- потери воды на водосети (10-25%)

100- -—...............

8060 -

- реализация воды потребителям

40 -

20 -

о-ДО-Ц

Рис. 1. Структура расходования воды в % от объема реализации ее потребителями.

Экономической комиссией (ЭК) ООН для оценки количества воды, подлежащего забору из источника водоснабжения, предлагается использовать выражение:

0ааб.=К1-К2-К3- (Ксут.-Ч-Ы+10±)/1000, [куб.м/сут.] (1)

где:

Кх - коэффициент, характеризующий потери воды между источником водоснабжения и очистными сооружениями, его значение не должно превышать 1,04-1,05 (нормальная величина К1=1,01). В России этот показатель не нормируется;

Кг - коэффициент, характеризующий величину технологических расходов воды на водопроводных очистных сооружениях. По данным ЭК ООН К2=1,06-1,1. По данным СНиП 2.04.02-84 К2=1,03-1,04 при наличии повторного использования воды и К2=1,1-1,14 без повторного использования воды.

Кз - коэффициент, характеризующий потери воды между насосной станцией второго подъема и потребителями, т.е. в сети. По данным ЭК ООН в зависимости от различных факторов Кз колеблется в пределах от 1,1 до 1,4. Считается, что для распределительной сети, которая правильно и хорошо содержится, значение К3 не должно превышать 1,15 - 1,2. В России этот показатель до последнего времени не нормировался, по данным статистической отчетности эти расходы относятся к показателю "неучтенные расходы и утечки воды". До 1990 года этот показатель обычно не превышал 1,06-1,08 (из-за отсутствия нормального учета воды, потребляемой из коммунальной сети) , в последние годы при улучшении учета потребляемой воды его размер стал расти и в различных водоканалах России составляет от 1,08 до 1,2.

Ксут. ~ коэффициент суточной неравномерности водопо-требления. По данным ЭК ООН Ксут-=1, 3-1, 6. В России по данным СНиП 2.04.02-84 Ксут.=1,1-1,3 .

q - среднесуточная норма водопотребления населением в л/сут. на одного жителя,

N - число жителей, чел.

XQi - другие виды водопотребления (промышленность, коммунально-бытовые предприяти и др.), л/сут.

Таким образом, суммарные технологические расходы и потери воды на всех этапах ее добычи, водоподготовки и доведения до потребителей могут нормироваться в пределах от 22 до 35% по отношению к объему реализации воды потребителям. Фактически эти расходы и потери могут значительно превышать нормативные и составлять до 50% объема реализации воды.

Вопросами изучения размеров утечек воды из водопроводных сетей , методов определения и локализации мест утечек , разработок технических средств и приемов их обнаружения, а также выявления причин и негативных последствий занимались различные организации и специалисты. Это прежде всего, д.т.н., проф. Абрамов H.H., д.т.н., проф. Ильин Ю.А., к.т.н. Кожинов И.В., к.т.н. Майзельс М.И., к.т.н. Вербицкий A.C., д.т.н., проф.

Курганов A.M. и др. За рубежом в этой области исследования проводятся национальными и международными организациями и многими фирмами США, Японии, Англии, ФРГ, Швеции, Финляндии, Франции, Австрии и др. По зарубежным данным неизбежные утечки воды на 1 км водопроводной сети населенного пункта в зависимости от различных факторов составляют от 2,4 до 7,1 куб.м/сут. Однако систематических исследований величины утечек воды из сети и влияния на них различных факторов практически не проводилось .

Исследование проблемы "неучтенных расходов и потерь воды" имеет специфическую особенность, которая состоит в том, что указанные расходы не могут быть полностью смоделированы и изучены в лабораторных условиях. Разовое определение всех видов неучтенных расходов, включая утечки воды из сети, непосредственно на водопроводах невозможно и не позволяет оценить достоверность прогноза об их дальнейшем уровне, т.к. при таком определении случайные, нехарактерные значения имеют большую вероятность и такой прогноз может иметь значительную погрешность . Поэтому единственно методически правильным способом оценки и прогнозирования объема потерь воды и неучтенных расходов для конкретной системы водоснабжения является применение расчетных методов, базирующихся на вероятностно-статистических подходах.

С учетом изложенного, была разработана программа экспериментальных исследовании в натурных условиях водопровода г.Уфы, позволяющих обеспечить накопление представительных фактических данных о водопотреблении в течение продолжительного времени с последующей их рас-четно-статистической обработкой по специальной методике с использованием вычислительной техники.

Во второй главе приведен учет и анализ технологически необходимых расходов воды на водопроводной сети, входящих в показатель "неучтенные расходы и утечки воды", с регистрацией и оценкой их фактической величины за достаточно продолжительный период времени.

На основании обобщения и анализа выполненных исследований, а также применения действующих СНиП и других норм определены и обоснованы нормативы технологически необходимых расходов воды, обеспечивающие поддержание надлежащего уровня эксплуатации системы хозяйственно-питьевого водоснабжения для условий города Уфы.

Технологически необходимые расходы воды на водопроводной сети можно разделить на следующие основные виды:

- расходы, обеспечивающие хозяйственно-бытовые нужды работающих;

- технологические расходы воды на эксплуатацию водопроводной сети;

- расходы воды на противопожарные нужды.

При обосновании указанных расходов были использованы СНиП 2.04.01-85 "Внутренний водопровод и канализация зданий", СНиП 2.04.02-84 "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения", СНиП 2.04.03-85 "Канализация. Наружные сети и сооружения", СНиП 3.05.01-85 "Внутренние сани-тарно-технические системы", СНиП 3.05.04-85 "Наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации", а также данные статистического учета расходов воды на технологические нужды на водосети предприятия "Уфаводоканал" и нужды пожаротушения и пожароучения Управления пожарной охраны МВД Республики Башкортостан.

Нормативы технологически необходимых расходов воды на водопроводной сети приведены в табл. 1

Таблица 1.

Нормативы технологически необходимых расходов воды на водопроводных сетях (для условий г.Уфы)

№ п/п Виды расходов воды Расход воды в % от объема подачи в сеть

1. ХОЗЯЙСТВЕННО-БЫТОВЫЕ НУЖДЫ РАБОТНИКОВ: 0,2%

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НУЖДЫ НА ВОДОСЕТИ: 4,9%

2.1. Технологические нужды лаборатории 0,2%

2.2. Технологические нужды насосных станций 0, 8%

2.3. Промывка и дезинфекция резервуаров 0,5%

2.4. Технологические промывки водосетей 2, 6%

2.5. Потери воды при производстве врезок 0,8%

3. ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ НУЖДЫ НА ВОДОСЕТИ: 0,4%

3.1. Проверка пожарных гидрантов и учения 0,1%

3.2. Проверка участков сети на водоотдачу 0,1%

3.3. Пожаротушение 0,2%

ВСЕГО: 5,5%

Третья глава посвящена определению величины скрытых утечек воды на водопроводных сетях и расходов воды, не учитываемых водомерами у потребителей.

В процессе эксплуатации водопроводной сети за счет ее повреждений, вызванных различными причинами, вода не всегда выходит на поверхность земли и во многих случаях фильтруется в грунт. Величина скрытой утечки зависит от очень большого количества факторов (грунтовые условия, наличие близлежащих коммуникаций, плотность застроек, продолжительность эксплуатации, напорного режима, материала труб, качества строительства и других причин и непосредственному измерению в масштабах всего города не подлежит. Однако величину скрытой утечки можно оценить косвенными методами.

Рассмотрены три метода для оценки размера утечек воды из сети: балансовый, гидравлических расчетов системы ПРВ, и метод имитационного моделирования.

Сущность балансового метода основана на составлении баланса подачи-расхода воды и определении размера неучтенных расходов и утечек, как разности между подачей воды в сеть и всеми видами ее расходов. В общем баланс поступления воды в систему ПРВ и потребления из нее воды абонентами ХОао. может быть представлен выражением:

20 = 10аб. + ЕОнеучт. (2)

В свою очередь,

£0аб. = 2<Ьк.ф. + Хчк.б. + ^Чпр.; (3)

где: Чж.ф., Чк.б., Чпр. -расходы воды соответственно в жилищном фонде, на коммунально-бытовых и промышленных предприятиях города.

Неучтенные расходы воды £0Неучт. составят:

■ Н. ож. (4)

где:

Чутч ~~ утечки воды из сети;

Чн.в.- расходы воды, не учитываемые водосчетчиками;

Чх.б.'Чт.н. и Чаож.г - расходы воды соответственно на хозяйственно-бытовые нужды работников водоканала, технологические нужды водосети и противопожарные цели.

Процесс водопотребления является случайным и неуправляемым. Поэтому целью натурных исследований процесса водопотребления является определение законов распределения расходов. Поскольку физически нереально ус-

тановить почасовую запись расходов всех потребителей, основой для прогнозирования размера утечек воды является составление баланса подачи и распределения воды в ночные часы суток (с 1 до 5 часов) , когда разбор воды обладает меньшей дисперсией. Структура ночного расхода в это время состоит из небольшого регистрируемого водомерами активного расхода и утечек через водоразборную арматуру, расхода, неучитываемого водосчетчиками потребителей, а также утечек воды из водопроводной сети. При этом подача воды в город определялась по показаниям расходомеров, размещенных на водопитателях.

Для определения объема отпуска воды потребителям в ночные часы в разных районах города были выбраны водо-потребители с различными характеристиками работы (работа в 1, 2 и 3 смены) , и организована почасовая регистрация объемов их водопотребления.

Было установлено, что для промышленного сектора ввиду жесткого лимитирования их водопотребления и усиления в связи с этим контроля за техническим состоянием системы водоснабжения предприятия ночное водопотребление было зафиксировано в основном только на предприятиях с трехсменной работой. Поэтому ночное водопотребление в промышленном секторе фиксировалось по показаниям водо-счетчиков предприятий с 3-х сменной работой в период с 1 до 5 часов ночи.

В то же время в жилом секторе были выявлены две основные группы зданий: 1 группа - здания 9-12 этажной застройки, ночное водопотребление которых было примерно одинаковым и 2 группа - здания 4-5 этажной застройки, ночные расходы которых различались в 1,5 - 2 раза.

Как показало обследование системы водоснабжения этих зданий и состояния внутридомовых водопроводных сетей в них, на ночной расход оказывали влияние 2 основных фактора: техническое состояние внутридомовых водопроводных сетей и водоразборной арматуры и наличие циркуляционной системы горячего водоснабжения.

Незначительный разброс значений ночного расхода в зданиях первой группы объясняется относительно небольшим (до 10 лет) сроком их эксплуатации и наличием в них в большинстве случаев системы циркуляционного горячего водоснабжения. И наоборот, в зданиях второй группы увеличение срока эксплуатации и физического износа водопроводных систем и отсутствие циркуляционной системы горячего водоснабжения ведет к значительной разнице в них ночного расхода.

Применение дисперсионного анализа при обработке результатов исследований у контрольной группы потребителей позволило установить у них с достаточной степенью точности удельный ночной расход в зависимости от различных факторов и применить результаты исследований для определения ночного расхода у остальных водопотребите-лей города.

Поскольку расходование воды неравномерно в течение суток, имеет во многом случайный характер и его анализ проводился методами математической статистики - конечный результат носит вероятностный характер. В связи с этим, определение величины утечек воды из водопроводных сетей носит характер математического ожидания с доверительным интервалом его вариации.

Определение утечек воды на основе сохранения баланса расходов затруднено наличием долгосрочного систематического измерения водопотребления и сезонными колебаниями. К тому же, за период наблюдений возможно выявление других непредвиденных расходов, не подлежащих регистрации.

Для более надежного обоснования величины утечки и планирования мероприятий по их устранению целесообразно параллельно применять методику, базирующуюся на гидравлических испытаниях, и расчетах системы подачи и распределения воды. Сущность этого метода состоит в проведении традиционных гидравлических расчетов действующей водопроводной сети с коррекцией на величину утечек воды из нее. Предварительно производится оценка утечек воды на основе гидравлических испытаний (путем опрессовок) на характерной выборке участков трубопровода, последующей обработки результатов испытаний методами математической статистики и их распространения на всю действующую водопроводную сеть. Как и при использовании балансового метода, оценку величины скрытых утечек воды по данному методу получают в вероятностной форме.

При одинаковом техническом состоянии водопроводной сети размер скрытых утечек зависит от напоров в сети и может быть определен по формуле:

где: С - параметр, характеризующий техническое состояние данного участка сети, он определяется расчетом по приведенной в диссертации методике на основе гидравлических испытаний участков сети на утечку воды.

(5)

Гидравлический расчет сети проводится при условии, что узловые расходы считаются состоящими из двух слагаемых :

Чуэл.— Чузл. ф. + ЧуЗл. (Н) (6)

где:

Чузл.ф. _ фиксированный узловой отбор, полученный на основании фактических замеров водосчетчиками объемов потребления воды на участках сети, примыкающих к узлу;

Чуэл.ф. = 1/2 акт. л.. (7)

Чузл. (н) ~ зависящие от напора утечки воды на участках водосети, приведенные к данному узлу:

ЧУЭЛ.(Н)= 1/2 72дн (8)

где:

11 - длина участков сети, прилегающих к данному узлу;

С^ - параметр, характеризующий техническое состояние данного участка сети;

Н - напор в узле.

Учет зависимости расходов от напоров осуществляется методом последовательных приближений. Первый расчет проводится для ЧуЗЛ.= Чузл.ф. Затем в каждом узле сети находится свободный напор и определяется цузл_ (н). Вторая итерация выполняется по скорректированным узловым расходам. После чего снова находятся узловые напоры, расходы и цикл повторяется до тех пор, пока не обеспечивается выполнение условия:

<£ (9)

где:

1 - номер итерации;

ш - число узлов сети;

£ - заданная точность.

Увязка осуществляется методом последовательного внесения поправок во все контуры сети. Для расчета составлена программа для персональной ЭВМ.

Изложенные выше методы базируются на оценке скрытых утечек воды для ночных часов суток, когда они наряду с послеводомерными утечками составляют существенную долю

в общем расходе воды. Вместе с тем, суточное изменение характера водопотребления и, как следствие, напоров в сети, вызывает перераспределение доли утечек в общем балансе подачи воды.

Так как состояние системы ПРВ в каждый момент времени характеризуется набором случайных величин - расходами и потерями напора в участках сети, скрытыми утечками, величинами водопотребления и т.д., для исследования динамики работы системы водоснабжения с учетом утечек воды из сети может быть применен метод имитационного моделирования. В его основе положен численный метод Монте-Карло, с помощью которого многократно имитируется процесс функционирования сложной системы водоснабжения с последующей обработкой методами математической статистики. Оценка утечек воды из сети методом имитационного моделирования имеет аналогию с методом, основанном на натурном эксперименте, с той разницей, что эксперимент проводится с применением ЭВМ, которая обеспечивает необходимое число испытаний в гораздо более короткие сроки. Сущность метода состоит в разработке модели случайного процесса водопотребления для любого фиксированного интервала времени, на основе которой можно рассчитать для этого же интервала времени гидродинамические характеристики системы (подачу воды, расходы и потери напоров на участках сети, величину скрытых утечек) . Последовательный переход к следующему интервалу времени позволяет получить оценки скрытых утечек воды в суточном разрезе.

Поскольку отбор воды потребителями в каждый момент времени является случайной величиной, то принята гипотеза о нормальном распределении нагрузок потребителями.

Для использования указанных методов определены объем и показатели необходимой исходной информации, учитывающие реальность ее изучения на действующих системах водоснабжения, составлены алгоритмы и программы расчета для персональной ЭВМ.

В четвертой главе представлена методика измерения и результаты экспериментального исследования в производственно-эксплуатационных условиях действующей системы ПРВ г.Уфы.

Непосредственное измерение утечек воды на всей коммунальной водопроводной сети невозможно, они могут быть измерены только для отдельных ее участков, а в целом для сети оценены лишь расчетным путем. Однако, определенный расчетным путем уровень утечек воды на основе

теоретических предпосылок еще не дает гарантий того, что этот уровень соответствует реальному размеру утечек воды из сети.

Параллельное применение для одной и той же системы ПРВ нескольких альтернативных методов расчета позволяет провести как сопоставление надежности с точки зрения достоверности получаемой оценки утечек воды из сети, так и подтвердить правильность самой оценки. Критерием для оценки определения утечек воды и уровня утечек является сходимость результатов оценки размеров утечек, определяемых альтернативными методами. Поэтому основными целями проведения экспериментальных исследований являются проверки возможности применения ' разработанных методов в реальных условиях, оценка их достоверности и трудоемкости, и оценка уровней утечек из конкретных сетей .

На основе экспериментальных результатов исследований производится оценки ущерба от утечек воды, общая оценка экономической эффективности работ по их выявлению и устранению, разрабатываются предложения по организации исследований для определения утечек воды на конкретных водопроводных системах и рекомендации по организации работ для устранения утечек воды из сети.

Методически работа строилась на сборе, обработке и обобщении результатов изучения расходно-напорных характеристик систем ПРВ экспериментальных объектов, а также режимов водопотребления в жилом фонде, на коммунально-бытовых и промышленных предприятиях. Обработка и обобщение экспериментальных данных проводилась на основе методов математического моделирования и математической статистики с использованием ЭВМ. Для этой цели разрабатывались специальные алгоритмы и программы. Предложения по организации работ по оценке утечек и их устранению для конкретных систем ПРВ разрабатывались на основе опыта выполнения исследований на экспериментальных объектах .

Для круглосуточной регистрации расходов при натурных измерениях был применен самопишущий манометр МТС-712 с приставкой для автоматической регистрации расходов воды. Для получения достоверных данных на всех объектах были установлены новые водосчетчики с подобранными калибрами .

Обработка диаграмм с синхронной записью напоров и расходов воды на вводах позволила получить необходимую информацию о часовых и суточных расходах воды, о средних и суточных давлениях на вводах. Контроль за процес-

сом записи расходов воды осуществлялся 2 раза в течение суток.

Водопотребление в жилом доме определялось на основе сбора и обработки статистической информации по расходам воды, зарегистрированным на водопроводных вводах в жилые здания. Режимы водопотребления показали, что в течение суток прослеживался период между 1-5 часами ночи стабильного расходования воды, ночные расходы минимальны и определяются в основном прямыми утечками. На вводах в здания в ночные часы наблюдается стабилизация напоров. Построенные графики водопотребления для рабочих и выходных дней характеризуются значительной часовой неравномерностью.

Исходя из гипотезы и том, что в дневные часы размер утечек воды измеряется пропорционально изменению напоров на вводе в здание, для оценки суточной утечки воды было использовано выражение:

ч:

+ 0,85

20

Е

= 1

„Ж/н,)1

0,15

(Ю)

4

где:

ЧсуТут.- суточная удельная утечка в жилом фонде, л/сут.чел.;

- среднечасовой удельный ночной расход воды;

Чн.пол. ~ среднечасовой полезный ночной расход, принятый равным 0,2 л/час.чел.

Нд_ и Нн — напор на вводе в здание в л.-тый час и средний за ночной период.

Наряду с изменением водопотребления в течение суток имеет место его значительные вариации в течение одного и того же часа разных суток. Для их выявления каждая суточная реализация водопотребления рассматривалась как одно значение 24-х мерного случайного вектора. Каждая компонента этого вектора (водопотребление и давление в определенный час) обрабатывалась статистическими методами и были построены эмпирические формулы распределения изменения часовых расходов и напоров.

В отличии от водопотребления в жилом фонде, где режим расходования воды определяется случайным потоком "заявок" на воду отдельными жителями, расходование воды в промышленности на производственные цели имеет более детерминированный характер.

Интегральная кривая водопотребления коммунально-бытовыми и другими потребителями вполне удовлетворительно описывается уравнением вида:

О = Ооут • X • к (11)

где:

<2 - суммарный расход воды за t часов;

£>сут - суточное потребление воды;

X = 1;/24

к - коэффициент часовой неравномерности водопотребления за время 1:.

Анализ процесса водопотребления показывает, что он имеет ярко выраженную суточную повторяемость, что позволяет разложить его на детерминированную и случайную составляющие. В качестве детерминированного процесса принимался осредненный суточный график часовых расходов .

Для оценки размера утечек воды из сети методом гидравлических расчетов, проводились гидравлические испытания выборки участков трубопровода. С целью обеспечения рандомизации выборки участки выбирались в разных частях города с различных сроком укладки труб.

В пятой главе на основе результатов экспериментальных исследований дано прогнозирование и непосредственная оценка размеров утечек воды из сети.

На основе обработки данных по регистрации подачи воды от насосных станций 11-го подъема составлены функции распределения подающих расходов 0Под. и ее основные характеристики.

По критерию согласия

CAO/1 VS2 - 0,7979

0,4/л/п (12)

где :

CAO - средние абсолютные отклонения,

-2

S - дисперсия;

п - число замеров каждого ряда; принимался нормальный закон распределения.

Были выявлены факторы, влияющие на удельный ночной расход. Проверялась гипотеза о независимости удельного ночного расхода от конкретного здания многоэтажной застройки. На основании использования аппарата дисперси-

онного анализа результаты замеров контрольной группы зданий распространялись на весь город.

В результате общее ночное водообеспечение в жилищном фонде определялось через общее число жителей Ы:

Ож. = Ян.уд.-Н <13>

где: Чн.уд. - удельный ночной расход, осредненный по контрольной группе зданий.

Исследования показали что на большинстве предприятий ночной расход не регистрировался водосчетчиками (был ниже порога их чувствительности), поэтому при расчете был принят равным максимальному неучитываемому установленными у них водосчетчиками расходу, исходя из калибра и числа водосчетчиков.

Расчеты скрытых утечек по балансовому методу были выполнены на ЭВМ и составили от 16 до 21% от средней подачи воды в ночное время.

Для оценки величины утечек методом гидравлических расчетов предварительно проводились испытания на участках сети с диаметром труб от 100 до 300 мм для определения величины С в формуле [5] .

Величина скрытых утечек определялась как разность сумм фиксированных узловых отборов и подсчитанных по формуле [10] после окончания итерационного процесса:

Расчеты проводились для нескольких характерных часов суток 0-1, 3-4 - минимального водопотребления и 9-10, 15-16 - максимального водопотребления.

Анализ расчетов при С=1,57-10 7 показал, что утечки воды в ночное время имеют максимальное значение (до 28%), с увеличением водопотребления в городе в период с 9 до 10 часов уменьшается до 16% (рис.2). Минимального значения (до 15%) величина утечек достигает в час максимального водопотребления (15-16 час.). Водопроводная сеть на "отдельных участках оказалась слабонагруженной вследствие завышения диаметров. В результате потери напора на этих участках сети незначительные, напоры в узлах завышены, что вызывает увеличение скрытых утечек воды. Это позволило предложить частичную реконструкцию системы подачи и распределения воды и сократить величину утечки до 16%. В целом расчеты для двух крайних зна-

-7 -7

чений С=0,8-10 и С=1,23-10 показали, что величина

утечки воды находится в интервале от 12 до 17% от пода-

чи воды в ночное время, что согласуется с данными, полученными методом баланса расходов.

По данным экспериментальных исследований была реализована на ЭВМ имитационная модель функционирования системы ПРВ с учетом утечек воды из сети. Пакет прикладных программ включал в себя четыре блока.

1. Блок решения задачи потокораспределения в сети для каждой случайной реализации нагрузок потребителей. Учитывая, что увязку сети необходимо производить для многих шагов во времени и на каждом временном шаге добиваться сходимости узловых расходов, основное внимание уделялось скорости сходимости. Кроме того, для каждого расчета необходимо автоматически выбирать начальное приближение. Были проанализированы основные методы увязки сети и различные варианты метода Лобачева-Кросса. Был выбран вариант последовательного внесения поправок во все контуры сети метода Лобачева-Кросса как обладающий хорошей сходимостью и требующий минимальных затрат машинного времени на каждой итерации и сравнительно небольшой оперативной памяти. Однако начальное приближение для него должно удовлетворять первому закону Кирхгофа. Начальное приближение вычислялось решением системы линеаризованных уравнений с заменой квадратичного закона сопротивления на линейный при точном соблюдении балансов расходов в узлах.

2. Блок нагрузок потребителей. Моделирование изменения отборов воды производилось с использованием розыгрыша многомерной случайной величины.

3. Блок обработки данных, который обеспечивает вычисление средних значений, дисперсий, среднеквадратичных отклонений параметров, характеризующих процессы функционирования ПРВ.

4. Блоки, играющие вспомогательную роль и обеспечивающие нормальное функционирование алгоритма. В них входят программы решения линейной системы уравнений, моделирования псевдослучайных величин, блок ввода-вывода и др.

Результаты имитационного моделирования показали, что максимальные утечки достигают в 3-4 часа 25% (при напоре в сети 28 м) и 29% (при напоре в сети 48м), а минимум утечек в 15-16 час. составляет 15%.

Доверительные интервалы величины утечки, полученные при расчетах с использованием различных независимых методов, перекрывают друг друга, что подтверждает правильность определения размера утечек воды, сходимость методов и достаточность использования для общей оценки

утечек воды из сети любого из разработанных методов применительно к поставленной задаче.

л

415

ш

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Рис.2. Распределение величины утечек воды по часам суток

Расходы, не учитыв. водомерами 22%

Скрытые утечки 33%

Хоз.бытовые

нужды работников 1%

Технологичес кие расходы 26%

Противопожа рные нуады 2% Аварии и видимые утечки 16%

Рис. 3. Структура показателя "неучтенные расходы и утечки воды (в % от общего объема неучтенных расходов и утечек воды на водосети)

В шестой главе рассмотрена экономическая эффективность и организационное обеспечение работ по оценке и устранению утечек воды из водопроводной сети. Расчет эффекта от сокращения и устранения потерь требует четкого определения понятий "результаты" и "затраты". Оценка экономического эффекта от сокращения и устранения утечек воды из сети принципиально возможна на трех уровнях.

Первый - это оценка прямого экономического эффекта на уровне водопроводно-канализационного предприятия (ВКП) по издержкам на производство и транспортировку воды и проведение работ по оценке размеров утечек воды, поиску мест повреждений и их устранению.

Экономическая целесообразность проведения работ по поиску и устранению утечек воды из сети определяется неравенством:

Уут.-3 > 0 (15)

где:

уут_ - ущерб от утечки (издержки предприятия), равный:

Уут. = Vyт,.•Cп.в. (16)

Уут. - объем утечек воды,

Сп.в.- себестоимость питьевой воды, руб./куб.м в

год,

3 - затраты на поиск и устранение утечек, руб./год, равные

3 = Зп + Зр.т. (17)

Зп - затраты на поиск утечек, руб./год,

Зр.т.- затраты на ремонт труб, руб.год.

Второй - это оценка расчета экономической эффективности также на уровне ВКП с учетом расчетных затрат (капиталовложений и текущих расходов) на строительство и эксплуатацию сооружений водопровода и канализации и дополнительных мощностей водозаборных и очистных сооружений и водопроводной сети, компенсирующих утечки воды. Здесь же должны быть также оценены дополнительные текущие затраты на увеличенный объем ремонтных работ на сети вследствие наличия утечек воды. Экономическая эффективность в этом случае определяется выражением:

Э = . (Кп.в.+Кст.+Сп.в.+53) (18)

где:

Кп.в. - соответственно удельные капвложения по водопроводным и канализационным сооружениям, руб./куб.м суточной производительности;

§3 - дополнительные затраты на производство ремонтных работ по устранению утечек на сети, руб./год.

Третий - это общая хозяйственная эффективность сокращения утечек воды с учетом влияния сопряженных затрат в экономике страны (подтопление территории, коррозия сооружений, осадка зданий, карсты, оползни, загрязнение вод, удорожание строительных и ремонтных работ) , которая является задачей специальных экономических исследований .

В результате проведенных исследований разработана общая структура, последовательность и взаимосвязь работ по выявлению, оценке и устранению утечек воды из сети, которые разделяются на несколько этапов. На первом этапе производится оценка общего размера утечки воды любым методом, оценивается экономическая целесообразность проведения работ по поиску и устранению утечек. Если затраты на поиск ниже причиняемого утечками ущерба, то

необходимо провести анализ по выявлению районов и уча-. стков сети с повышенным уровнем утечек и в последующем в этих районах организовать работы по поиску и обнаружению мест повреждений труб любым из предложенных в данной работе способов, что относится к третьему этапу работ.

При определении утечки методом гидравлического расчета можно выявить участки сети с повышенными значениями потерь напора, что может указывать на наличие скрытых утечек на этих участках. Особенно эффективным средством для выделения участков сети с аномально высокими значениями потерь является последовательное выключение из работы ряда участков сети.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В условиях дефицита водных ресурсов и поиска путей его преодоления оценка скрытых утечек воды из сети является актуальной задачей коммунального водного хозяйства .

Выполненный анализ состояния вопроса показал, что несмотря на значительные объемы утечек воды из водопроводных сетей, вопросам оценки их величины, проведения работ по их обнаружению и ликвидации уделяется недостаточное внимание.

Основные выводы проведенных научных исследований можно сформулировать следующим образом.

1. Определена структура расходов, входящих в показатель "неучтенные расходы и потери воды", произведена оценка фактических величин каждой составляющей этого показателя и обоснованы их нормативные значения.

В вероятностной форме был составлен баланс "подача-расход". Предложенный метод может быть положен в основу при разработке методики нормирования показателя "неучтенные расходы и потери воды".

2. Впервые разработаны и доведены до практической реализации методы оценки размеров утечек воды из сети, которые базируются на изучении фактических данных эксплуатации систем ПРВ и современных способах их обработки методами математической статистики и моделирования с применением ЭВМ.

3. Проведенные экспериментальные исследования в производственных условиях на действующих системах ПРВ г. Уфы подтвердили правильность теоретических разработок и возможность применения методов в практических условиях эксплуатации для оценки размера утечек воды из сети.

Одновременно показана сопоставимость методов и достаточность использования любого из них применительно к поставленной задаче.

4. Расчет утечек воды дан в вероятностной форме с определением основных характеристик распределения.

5. В результате экспериментальных работ доказана возможность получения необходимой информации в требуемом объеме на основе данных учета, определенного нормативными требованиями и условиями эксплуатации, без проведения значительных объемов дополнительных работ и без существенного оборудования системы ПРВ дополнительными специальными приборами.

6. Полученные данные о величине утечек воды из сети позволяют дать оценку ущерба для водопроводно-канализационного предприятия и рассчитать экономическую эффективность. Оценка эффективности и ущерба выполнена без учета побочного влияния утечек воды на подтопление, карстовые явления, оползни, загрязнение вод, удорожание строительных и ремонтных работ и других факторов, влияние которых из-за недостаточной изученности не поддается на данном этапе стоимостной оценке.

7. Разработана технология комплекса работ по оценке общего размера утечек воды и поиску мест повреждения трубопроводов на базе сбора и обработки информации с применением предложенных методов.

8. Основные результаты исследований положены в основу разработанного для утверждения Департаментом жилищно-коммунального хозяйства Минстроя России нормативного документа "Инструкции по оценке и нормированию уровня неучтенных расходов воды".

ПЕРЕЧЕНЬ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Правила пользования системами водоснабжения и канализации в Российской Федерации / И.В.Кожинов, Г.Л.Железнова, Н.Н.Жуков, Е.В.Вахрушев, А.И.Хрупов, С.Г.Иванов, Э.В.Левушкин, В.Н.Сибиряков. М. : Минстрой РФ, 1995. - 53 с.

3. Иванов С. Г. Методика и результаты исследований неучтенных расходов и потерь, воды на водопроводе. / Материалы 50-й международной научно-технической конференции молодых ученых (ч.Ш) Спб: СПбГАСУ, 1996.

4. Иванов С. Г. Оценка утечек воды в водопроводные сетях / Материалы 51-й. научно-технической конференщ» Спб: СПбГАСУ, 1997.

5. Иванов С.Г. Методы оценки размеров утечек воды и; водопроводных сетей / Материалы международной конференции по проблемам водоснабжения. Кашалин (Польша), 1997.

6. Иванов С.Г., Кожинов И.В., Курганов A.M. Неучтенные расходы и потери воды в системах коммунального водоснабжения / Уфа: "Экономика и право", 1997. - 108 с.

7. Иванов С.Г., Кожинов И. В. Выявление неучтенны> расходов и потерь воды в водопроводных сетях./ Москва: Водоснабжение и санитарная техника (в печати).

Диссертант

С.Г.Иванов