Projektowanie sieci wodociągowych

W  ramach sieci wodociągowej rozróżniamy rurociągi wodociągowe technologiczne, tranzytowe, magistralne i rozdzielcze oraz przyłącza wodociągowe [6]. Rurociągi technologiczne przeznaczone są do transportu wody w obrębie ujęcia oraz stacji uzdatniania wody.

Rurociągi tranzytowe nie wydatkują i nie zbierają wody po drodze i transportują ją na duże odległości, łącząc poszczególne jednostki osadnicze lub zbiornik wodociągowy z rurociągiem magistralnym. Ten ostatni wydatkuje wodę po drodze i doprowadza ją do rurociągów rozdzielczych dostarczających wodę do poszczególnych odbiorców za pomocą przyłącza wodociągowego.

Przeczytaj także: Dobór materiałów do budowy sieci wod-kan. Sieci wodociągowe >>

Przyłącze wodociągowe wyposażone jest w opaskę wodną (gdy nie jest budowane razem z siecią wodociągową), zasuwę odcinającą i dwa zawory odcinające, pomiędzy którymi zamontowany jest wodomierz (rys. 1: Przyłącze wodociągowe).

Układ sieci wodociągowej może być otwarty (rozgałęzieniowy) bądź zamknięty (pierścieniowy), uzależnione jest to od zabudowy danej jednostki osadniczej. W warunkach polskich [5] małe miejscowości (wsie) w przeważającej większości mają zabudowę liniową bądź gałęziową, natomiast miasta zabudowę kratową bądź pasmową. W związku z tym, w małych jednostkach osadniczych buduje się najczęściej sieć wodociągową rozgałęzieniową (rys. 2a Sieć wodociągowa rozgałęzieniowa - rys górny), a w dużych – sieć wodociągową obwodową (rys. 2b Sieć wodociągowa pierścieniowa - rys dolny).

Trasowanie sieci wodociągowej

Do projektowania sieci wodociągowej niezbędne są następujące dokumenty i dane:

• mapa zasadnicza jednostki osadniczej z istniejącą i projektowaną siecią ulic oraz istniejącą i projektowaną zabudową terenu,

• projekty istniejącego uzbrojenia terenu jednostki osadniczej,

• dane hydrogeologiczne, geotechniczne.

Projektowanie sieci wodociągowej polega na:

• zaprojektowaniu układu sieci wodociągowej w planie – trasowaniu sieci wodociągowej,

• ustaleniu wydatków odcinkowych i węzłowych oraz przepływów obliczeniowych na poszczególnych odcinkach sieci wodociągowej,

• doborze średnic rurociągów,

• obliczeniu strat hydraulicznych ciśnienia wody dla poszczególnych odcinków sieci wodociągowej,

• ustaleniu położenia linii ciśnień i sprawdzeniu, czy w każdym węźle sieci wodociągowej zapewniona będzie niezbędna wysokość ciśnienia ze względu na cele komunalne, gospodarcze i przeciwpożarowe; jeżeli nie, konieczna jest korekta średnic, ponowne przeliczenie strat hydraulicznych i ostateczne ustalenie linii ciśnień w sieci wodociągowej.

Trasowanie sieci wodociągowej sprowadza się w pierwszej kolejności do wytyczenia tras rurociągów tranzytowych, potem magistralnych, a na końcu rozdzielczych. Przy trasowaniu sieci wodociągowej należy spełnić następujące warunki:

• rurociągi wodociągowe powinny być projektowane wzdłuż linii regulacyjnych (np. wzdłuż  drogi) i prowadzone najkrótszą trasą, żeby straty hydrauliczne ciśnienia były w nich jak najmniejsze,

• rurociągi wodociągowe nie mogą kolidować z innymi przewodami w przekroju ulicy (np. przewodami gazowymi, energetycznymi, telekomunikacyjnymi, ciepłowniczymi, kanalizacyjnymi itp.),

• trasa rurociągów wodociągowych powinna być tak dobrana, by do każdego punktu sieci wodociągowej możliwy był dostęp (dojazd) o każdej porze roku,

• rurociągi wodociągowe powinny być zaprojektowane powyżej wód gruntowych i zabezpieczone przed obciążeniami zewnętrznymi, a profil podłużny trasy rurociągu wodociągowego nie powinien mieć ostrych załamań,

• w ulicach zabudowanych jednostronnie rurociągi rozdzielcze powinny być projektowane po stronie zabudowy, a rurociągi tranzytowe i magistralne – po stronie niezabudowanej,

• rurociągi magistralne powinny być prowadzone przez jednostki osadnicze trasami, wzdłuż których układają się środki ciężkości rozbioru wody,

• rurociągi magistralne powinny przebiegać w miarę możliwości trasami po grzbietach wzniesień terenowych (wzdłuż warstwic o największych rzędnych terenu), żeby unikać zbyt dużych strat hydraulicznych ciśnienia lub nadmiernych ciśnień w rurociągach magistralnych i rozdzielczych,

• układ rurociągów rozdzielczych powinien być dostosowany do rozmieszczenia poszczególnych odbiorców,

• powinny być zachowane zgodnie z wymaganiami normowymi odległości rurociągów wodociągowych od budynków, urządzeń podziemnych i naziemnych.

Wyznaczanie przepływów obliczeniowych

W sieci wodociągowej rozgałęzieniowej w rurociągach rozdzielczych występują skupione rozbiory wody. W związku z tym do wyznaczenia przepływów obliczeniowych na poszczególnych odcinkach sieci wodociągowej można zastosować metodę Krotowa [8] lub program komputerowy: EPANET, WATERPAC, WODOCIĄGOWIEC-CAD GAMRAT 4,0, NET, CFD itp. Idea metody Krotowa polega na wyznaczeniu takiego przepływu zastępczego QZ (rys. 3 Schemat obliczeniowy do metody Krotowa), dla którego straty hydrauliczne ΔH są równe sumie strat hydraulicznych w poszczególnych odcinkach rurociągu (A–B, B–C, C–D) dla przepływów, które występują w tych odcinkach (Q1, Q2, Q3):

   (1)

Przepływ zastępczy QZ (rys. 3) wyznacza się, przenosząc jednostkowe rozbiory wody na danym odcinku rurociągu do jego końcowego węzła.

Najpierw jednostkowy rozbiór q₁ z punktu B należy przenieść do punktu C, wyznaczając przepływ zastępczy w punkcie C q_ZC ze wzoru [8]:

q_zc = q₂ + β₁· q₁                        (2)

Współczynnik β₁ to zależność funkcyjna:

             (3)

gdzie:

a – stosunek długości odcinków rurociągów wg rys. 3.

Następnie wyznaczony przepływ q_ZC z punktu C należy przenieść do węzła D, wyznaczając ostatecznie przepływ zastępczy Q_Z dla odcinka rurociągu A–D:

                       (4)

Współczynnik β2 to zależność funkcyjna:

  (5)

gdzie:

a – stosunek długości odcinków rurociągów wg rys. 3.

Współczynnik β wyznacza się z nomogramu (rys. 4 Nomogram do wyznaczania współczynnika β [2]) lub ze wzoru:

                    (6)

W przypadku zabudowy bardzo zwartej i gdy rozbiory z sieci rurociągów rozdzielczych są zbliżone do siebie, do wyznaczenia przepływów obliczeniowych na poszczególnych odcinkach sieci wodociągowej można zastosować wzór [7]:

                                       (7)

gdzie:
Q – przepływ obliczeniowy na danym odcinku rurociągu wodociągowego, m³ • s^–1;
Q_k – przepływ na końcu obliczanego odcinka rurociągu wodociągowego, m³ • s^–1;
q – rozbiór wody na długości obliczanego odcinka rurociągu wodociągowego, m³ • s^–1.

Natomiast przepływ na końcu obliczanego odcinka rurociągu wodociągowego można obliczyć ze wzoru:

                                       (8)

gdzie:
Q_p – przepływ na początku obliczanego odcinka rurociągu wodociągowego, m³ • s^–1;
q – rozbiór wody na długości obliczanego odcinka rurociągu wodociągowego, m³ • ^s–1.

Obliczenia hydrauliczne i wyznaczanie linii ciśnień

Po wyznaczeniu obliczeniowych przepływów dla poszczególnych odcinków sieci wodociągowej należy obliczyć średnice rurociągów i dobrać je z odpowiedniego katalogu. Średnice rurociągów oblicza się ze  ­wzoru [2]:

                                             (9)

gdzie:
Q – przepływ wody, m³ • s^–1;
V – prędkość przepływu wody, m³ • s^–1;
d – średnica rurociągu, m.

Należy przy tym pamiętać, że ze względu na spełnienie warunków przeciwpożarowych średnica wewnętrzna rurociągu nie może być mniejsza niż [9]:

• 0,125 m dla sieci rozgałęzieniowej,

• 0,100 m dla sieci pierścieniowej (obwodowej).

Do obliczania średnicy rurociągu wodociągowego zaleca się przyjmować prędkość 1,0 m • s^–1, a rzeczywista prędkość w projektowanym rurociągu powinna się zawierać w przedziale od 0,5 do 3,0 m • s^–1 [7].

Następnie dla wyznaczonych przepływów obliczeniowych i dobranych średnic rurociągów wodociągowych należy obliczyć straty hydrauliczne ciśnienia ze wzoru (10), traktując rurociągi wodociągowe jako hydraulicznie długie, czyli w obliczeniach nie uwzględniamy sumy współczynników oporów miejscowych Σζ [2]:

                    (10)

W powyższym wzorze współczynnik oporów liniowych λ to zależność funkcyjna:

                                   (11)

Wartości Re i ε obliczamy ze wzorów:

                              (12)

                                                 (13)

gdzie:
ΔH – straty hydrauliczne ciśnienia, m;
Σζ – suma współczynników oporów miejscowych;
λ – współczynnik oporów liniowych;
g – przyspieszenie ziemskie, m • s^–1;
L – długość rurociągu, m;
Re – liczba Reynoldsa;
ε – chropowatość względna;
ν – współczynnik lepkości kinematycznej wody, m² • s^–1;
Q – przepływ wody, m³ • s^–1;
V – prędkość przepływu wody, m • s^–1;
k – chropowatość bezwzględna, m;
d – średnica rurociągu, m.

Znając wartości Re i ε, parametr λ obliczamy z jawnego wzoru aproksymacyjnego Phama [2]:

        (14)

Po obliczeniu strat hydraulicznych dla poszczególnych rurociągów sieci wodociągowej należy obliczyć linie ciśnień i sprawdzić, czy w każdym węźle sieci wodociągowej zapewniona jest niezbędna wysokość ciśnienia ze względu na cele komunalne, gospodarcze i przeciwpożarowe.

Warto przeczytać: Czynniki mające wpływ na odnowę przewodów wodociągowych (cz. 1) >> 

Przed rozpoczęciem wyznaczania linii ciśnień należy na sieci wodociągowej znaleźć węzeł najbardziej niekorzystnie położony pod względem hydraulicznym, tak zwany węzeł kontrolny. W węźle kontrolnym należy założyć minimalne ciśnienie p_wmin. = H_d ze względu na zabudowę miejscowości i spełnienie warunków przeciwpożarowych.

Wysokość ciśnienia dostatecznego H_d ze względu na zabudowę podano w tabeli 1 (Zestawienie orientacyjnych ciśnień dostatecznych H_d ze względu na zabudowę [1]). Jest to ciśnienie niezbędne do zapewnienia dostawy wody do najbardziej niekorzystnego punktu poboru.

Na wielkość tego ciśnienia składa się wysokość geometryczna położenia kontrolnego punktu czerpalnego przyjmowana jako wielokrotność średniej wysokości kondygnacji równej 4 m, wysokość strat ciśnienia na odcinku od miejsca połączenia z przewodem ulicznym do kontrolnego punktu czerpalnego i wysokość ciśnienia wypływu z kontrolnego punktu czerpalnego.

Żeby spełnić wymogi przeciwpożarowe, w każdym węźle sieci wodociągowej ciśnienie nominalne powinno wynosić 0,20 MPa (20 m H₂O) przy wydajności [9]:

• dla hydrantu nadziemnego o średnicy nominalnej 0,08 m – 10 dm³ • s^–1,

• dla hydrantu nadziemnego o średnicy nominalnej 0,10 m – 15 dm³ • s^–1,

• dla hydrantu podziemnego o średnicy nominalnej 0,08 m – 10 dm³ • s^–1.

Wymagany przepływ wody w sieci wodociągowej do celów przeciwpożarowych w zależności od liczby mieszkańców w jednostce osadniczej zestawiono w tabeli 2 (Wymagana ilość wody do celów przeciwpożarowych dla jednostek osadniczych [9]).

Przyjmowane minimalne ciśnienie w węźle (kontrolnym) najbardziej niekorzystnym pod względem hydraulicznym powinno spełniać warunek:

                                        (15)

gdzie:

p_wmin. – wysokość minimalnego ciśnienia w węźle kontrolnym, m H₂O;
H_d – wysokość ciśnienia dostatecznego, m H₂O.

W przypadku rurociągów obliczenia rzędnych linii ciśnień rozpoczyna się od punktu kontrolnego (rys. 5).

Rzędną linii ciśnienia w danym węźle oblicza się w kierunku przeciwnym do przepływu wody, dodając do rzędnej w węźle poprzednim wysokość strat ciśnienia na odcinku między nimi, a zgodnie z przepływem wody – odejmując:

Rz.l.c.₁ = Rz.p.r.₁ + p_wmin.                    (16)

Rz.l.c.₂ = Rz.l.c.₁ + ΔH_2–1                   (17)

Rz.l.c.₃ = Rz.l.c.₂ + ΔH_3–2                   (18)

Rz.l.c.₄ = Rz.l.c.₃ + ΔH_4–3                   (19)

Rz.l.c.₅ = Rz.l.c.₂ – ΔH_2–5                   (20)

Rz.l.c.₆ = Rz.l.c.₃ – ΔH_3–6                   (21)

gdzie:
Rz.l.c._1…6 – rzędna linii ciśnienia w węźle, m H₂O;
p_wmin. – wysokość minimalnego ciśnienia w węźle kontrolnym, m H₂O;
ΔH_{2–1…3–6} – strata ciśnienia na odcinku rurociągu wodociągowego, m H₂O.

Wymagane ciśnienie w węźle oblicza się ze wzoru:

                  (22)

gdzie:
p_w – wysokość ciśnienia w węźle, m;
Rz.l.c. – rzędna linii ciśnienia w węźle, m;
Rz.p.r. – rzędna spągu przykrycia rurociągu, m.

Do obliczania sieci wodociągowej obwodowej (pierścieniowej) wykorzystuje się metodę Crossa [8], w której przyjmuje się założenia, że:

• suma dopływów i odpływów wody Q dla dowolnie przyjętego węzła równa się zero – pierwsze prawo Kirchhoffa:

                                       (23)

• suma algebraiczna strat ciśnienia ΔH w każdym obwodzie pierścieniowym jest równa zeru – drugie prawo Kirchhoffa:

                                      (24)

Żeby było spełnione pierwsze i drugie prawo Kirchhoffa, w trakcie obliczeń hydraulicznych dla określonych średnic rurociągu w kolejnych przybliżeniach należy uwzględniać poprawki ΔQi w odniesieniu do wielkości przepływu wody Q_i w poszczególnych rurociągach. Poprawkę przepływu oblicza się ze wzoru:

                        (25)

gdzie:
ΔQ – poprawka przepływu wody, m³ • s^–1;
ΔH_i – wysokość strat ciśnienia w poszczególnych odcinkach rurociągów, m H₂O;
Q_i – wielkość przepływu wody w poszczególnych odcinkach rurociągów, m³ • s^–1.

Sieć wodociągowa pierścieniowa (obwodowa) charakteryzuje się tym, że poszczególni odbiorcy mogą być zasilani z kilku kierunków. W związku z tym w poszczególnych pierścieniach sieci wodociągowej ustalenie kierunku natężeń przepływu wody może być trudne.

W obliczanym pierścieniu zakłada się wartości natężeń i kierunki przepływu wody w poszczególnych odcinkach rurociągów w sposób dowolny, ale taki, który będzie spełniać I prawo Kirchhoffa, czyli suma natężeń wody dopływającej do węzła będzie równa sumie natężeń wody wypływającej z węzła. Warunek ten musi być spełniony w każdym węźle pierścienia sieci wodociągowej.

Warto wiedzieć: Instalacje wody pitnej wg EN 806-4:2010 >>

Dla założonych natężeń przepływów wody oblicza się straty hydrauliczne ΔH ze wzoru (10), które sumuje się algebraicznie i sprawdza, czy spełnione zostało II prawo Kirchhoffa, czyli algebraiczna suma strat hydraulicznych w pierścieniu jest równa zeru.

Jeżeli tak, to obliczenia można zakończyć, ponieważ oznacza to, że dobrano rzeczywiste natężenia przepływów wody.

Jeżeli nie, należy obliczyć poprawkę przepływów wody ΔQ ze wzoru (25) i skorygować natężenia przepływów, dla których ponownie oblicza się sumę strat hydraulicznych ΣΔH.

Obliczenia są powtarzane, aż uzyska się wystarczającą dokładność dla sumy strat hydraulicznych ΣΔH, czyli wartość mniejszą niż 0,05 m.

W programach komputerowych do obliczania obwodowych sieci wodociągowych wykorzystuje się metodę Newtona [10], w której oblicza się poprawkę rzędnych linii piezometrycznych w węzłach. Jest to metoda szybko zbieżna, czyli wymaga mniejszej liczby iteracji w porównaniu do metody Crossa. W związku z tym znacznie skraca czas hydraulicznych obliczeń.

Podsumowanie

Większą niezawodnością dostawy wody i mniejszymi średnicami (przy tych samych przepływach wody) charakteryzują się sieci wodociągowe pierścieniowe (obwodowe), ponieważ możliwy jest w nich dopływ wody do odbiorcy z dwóch kierunków. Taki układ sieci wodociągowych preferowany jest w miastach, gdzie układ zabudowy jest różnoraki. Natomiast na terenach wiejskich układ często determinuje linowa zabudowa i preferowana jest raczej budowa sieci wodociągowych rozgałęzieniowych.

Zgodnie z rozporządzeniem [9] w czasie gaszenia pożaru zaprojektowana sieć wodociągowa powinna mieć wydajność zapewniającą łącznie wymaganą ilość wody na potrzeby: przeciwpożarowe, bytowo-gospodarcze – ograniczone do 15% i przemysłowe – ograniczone do niezbędnej obsługi urządzeń technologicznych.

Literatura

1. Chudzicki J., Sosnowski S., Instalacje wodociągowe. Projektowanie, wykonanie, eksploatacja, Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Warszawa 2005.

2. Kalenik M., Zaopatrzenie w wodę i odprowadzanie ścieków, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2009.

3. Kalenik M., Badanie współczynników oporów miejscowych ζ w kolankach żeliwnych i PVC, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2013.

4. Kalenik M., Projektowanie i eksploatacja układów ­hydroforowo-pompowych, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2014.

5. Mrozowski E., Pogodziński Z., Więckowicz Z., Planowanie przestrzenne i projektowanie terenów wiejskich, PWN, Warszawa 1988.

6. PN-EN 805 Zaopatrzenie w wodę. Wymagania dotyczące systemów zewnętrznych i ich czę?ci sk?adowychści składowych, PKN, Warszawa 2002.

7. PN-76 M-34034 Rurociągi. Zasady obliczeń strat ciśnienia, Wydawnictwa Normalizacyjne ALFA 1987.

8. Petrozolin W., Projektowanie sieci wodociągowych, Arkady, Warszawa 1974.

9. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 lipca 2009 roku w sprawie przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych (DzU nr 124, poz. 1030).

10. Szymaczek E., Metoda Newtona hydraulicznego obliczania sieci wielopierścieniowych przez poprawę rzędnych linii piezometrycznej w węzłach, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 4, tom L.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!