Технический аудит системы водоснабжения г. Амурска Хабаровского края

С октября 2015 года по ноябрь 2015 года была проведена работа по гидравлическому расчету водопроводной сети города Амурска Амурского муниципального района Хабаровского края с разработкой мероприятий по повышению надежности работы системы водоснабжения и ее энергоэффективности. Работа выполнялась в соответствии с методикой, разработанной Академией коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, применяемой для проведения гидравлических расчетов городов и населенных пунктов.

Город Амурск расположен на северо-востоке Среднеамурской низменности на левом берегу реки Амур, в пересечении его левобережных проток Старый Амур, Падалинская, Галбон и Сандинская. Город находится в 328 км к северу от Хабаровска. Амурск вытянут на 14 км вдоль протоки Сандинская и состоит из двух почти равных районов, фактически является спутником г. Комсомольск-на- Амуре. Город - административный центр Амурского района Хабаровского края с населением около 41,1 тыс. человек.

Город имеет сложный рельеф с перепадами отметок земли от 25,0 до 120,00 м. Жилая застройка состоит преимущественно из 5-10-ти этажных многоквартирных жилых домов.

Проектная производительность водозабора, который был введен в эксплуатацию в 1965 году, составляет 576000 м3/сут.

Из приемной камеры вода насосной станцией 1-го подъема по водоводам подается на две станции по очистке питьевой воды: участок фильтровально-очистных сооружений (ФОС) и участок «Водоподготовка».

Очистные сооружения водоснабжения «ФОС» расположены в шести километрах от города Амурска. ФОС введены в эксплуатацию в 1974 году, их проектная производительность составляет 20 тыс. м3/сут. Значительных работ по капитальному ремонту либо реконструкции данной станции не проводилось.

В состав водозабора входят: смесительное устройство, реагентное хозяйство, горизонтальные отстойники, скорые фильтры, насосная станция второго подъема с резервуарами чистой воды (РЧВ). Всего на станции расположен один РЧВ объемом 500 м3 и четыре РЧВ объемом 2000 м3 каждый.

Очистка воды производится путем введения в исходную воду коагулянта с последующим ее отстаиванием в отстойниках горизонтального типа и фильтрованием. В качестве коагулянта применяется оксихлорид алюминия (ОХА). Обеззараживание очищенной воды осуществляется жидким хлором. Качество очищенной воды соответствует нормативным требованиям, согласно СаНПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода» по всем показателям.

Зона санитарной охраны строгого режима водозабора ограждена.

Очищенная вода рабочими насосами по двум водоводам диаметром 500 мм подается в насосную станцию 3-го подъема (НС-3), которая питает водой Верхнюю зону города. Фактическая среднесуточная производительность колеблется в пределах 7,0-7,10 тыс. м3/сут.

Очистные сооружения водоснабжения «Водоподготовка», введенные в эксплуатацию в 1965 году, расположены в двух километрах от города Амурска. Проектная производительность сооружений составляет 58 тыс. м3/сут. Значительных работ по капитальному ремонту либо реконструкции станции не проводилось.

В состав водозабора входят: смесительное устройство, реагентное хозяйство, горизонтальные отстойники, скорые фильтры, резервуары чистой воды (РЧВ) с насосной станцией 2-го подъема. Всего на станции расположено два РЧВ объемом 800 м3 и один РЧВ объемом 800 м3 (для накопления воды на промывку фильтров).

Очистка воды производится путем введения в исходную воду коагулянта (ОХА) с последующим ее отстаиванием в отстойниках горизонтального типа и фильтрованием. Очищенная вода рабочими насосами по двум водоводам диаметрами 250 мм и 325 мм подается в зону «Центр» и зону «Юг» Нижней зоны системы водоснабжения города.

Зона санитарной охраны строгого режима водозабора ограждена.

Фактическая среднесуточная производительность колеблется в пределах 7,5 - 7,60 тыс. м3/сут.

Качество очищенной воды в целом соответствует нормативным требованиям согласно СаНПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода» по всем основным показателям.

В период - с декабря по март исходная вода р. Амур имеет повышенное исходное содержание марганца, равное 0,3 - 0,35 мг/литр, при нормативной величине согласно СаНПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода» - 0,1 мг/л.

Существующая на участках ФОС и «Водоподготовка» технологическая схема очистки воды не предназначена для удаления марганца, вследствие чего его содержание в подаваемой воде превышает нормативные требования.

Подсчет узловых расходов воды был выполнен на основе данных производственно-технического и экологического отдела ООО «Водоканал». Все дома города Амурск были распределены по узлам схемы водопроводной сети. Также по узлам водопроводной сети были распределены все крупные и средние абоненты.

На основе показаний общедомовых приборов учета воды (водомеров), количества жителей и средних удельных норм водопотребления были рассчитаны секундные расходы. Далее, с учетом суточной неравномерности водопотребления, средне-нормативных утечек и неучтенных расходов, а также величины свободного напора были получены расчетные узловые расходы, на основе которых выполнялись гидравлические расчеты на ПК. Полученные величины узловых расходов были увязаны с производительностью работающих насосных станций 2-го и 3-го подъемов.

Для выполнения гидравлических расчетов на ПК и определения гидравлических параметров водопроводной сети службой эксплуатации ООО «Водоканал» была проведена манометрическая съемка напоров в системе водоснабжения. Манометрическая съемка проводилась 15.10.2015 г. с 17-00 до 19-00 час. Замеры напоров производились через пожарные гидранты, установленные в водопроводных колодцах.

Данные по водопроводной сети: длины участков, диаметры, отметки земли, узловые расходы и т.д. были обработаны в специальной программе ПК, в результате чего была получена идеальная модель работы водопроводной сети. Далее в введенную информацию были внесены корректировки на основе данных манометрических замеров. В результате была составлена так называемая эквивалентная модели водопроводной сети, т.е. модель сети на ПК, совпадающая с фактическими параметрами работающей водопроводной сети. Величины замеренных напоров в сети приведены в таблице 1.

Таблица 1. Величины замеренных напоров в сети

Результаты гидравлического расчета показали, что величины свободных напоров в водопроводной сети города распределены крайне неравномерно и колеблются в широком диапазоне от 40 до 110 м. Такая разница в напорах обусловлена существенной разностью отметок земли в различных зонах города.

Минимальные напоры (38,0 - 45,0 м) наблюдаются в водопроводной сети Верхней зоны, особенно в районе МКД по улице Комсомольский проспект. Это обусловлено тем, что эти дома расположены на максимально высоких отметках земли (80,0-107,0 м).

Максимальные свободные напоры (70,0 - 100,0 м) наблюдаются в водопроводной сети центральных районах города по ул. Проспект Строителей, проспект Октябрьский, где отметки земли минимальные (30,0-45,0 м). Такие напоры в обеих зонах сети существенно превышают нормативные требования по водообеспечению 5-10- этажных жилых домов.

Согласно п. 5.11 СП 31.13330.2012 (Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения») минимальный свободный напор в сети водопровода населенного пункта при максимальном хозяйственно-питьевом водопотреблении на вводе в здание над поверхностью земли должен приниматься при одноэтажной застройке не менее 10 м, при большей этажности на каждый этаж следует добавлять 4 м.

Следовательно, для 5-этажной застройки нормативный напор составляет 26.0 м, для 9-этажного здания - 42.0 м, для 10-этажного - 46.0 м. Соответственно максимально рациональные напоры в водопроводной сети г. Амурска должны составлять 45,0 - 50,0 м.

Фактические напоры в основной части города существенно превышают нормативные. Величины основных превышений составляют 20,0- 40,0 м. Максимальные превышения достигают 40,0 - 55,0 м. Наличие избыточных напоров свидетельствует о задействовании избыточных резервов мощности системы водоснабжения в подаче воды от водоочистных станций и повысительных насосных станций. Задействование избыточных мощностей приводит к нерациональным затратам на эксплуатацию системы водоснабжения.

В рассматриваемом случае для водообеспечения домов, расположенных в наиболее высоких точках водопроводной сети, насосные станции работают с высокими напорами и в микрорайонах, расположенных на низких отметках, поддерживаются избыточные сверхнормативные давления. Из-за того, что водопроводная сеть эксплуатируется с сверхнормативными свободными напорами, увеличивается ее эксплуатационный износ, повышается аварийность, идет перерасход электроэнергии на насосных станциях.

Разница между величиной пьезометрических напоров в каждой зоне является незначительной и свидетельствует о достаточной закольцованности водопроводной сети, о взаимосвязи свободных напоров в различных районах (одной зоны), хорошей пропускной способности водопроводной сети города. Существенная разница в пьезометрических напорах обеих зон является нормальным явлением, обусловленным разницей в отметках земли.

В целом трубопроводы системы водоснабжения имеют коэффициент гидравлического сопротивления равный 1,1-1,3. Такой коэффициент соответствует среднему сопротивлению трубы, находящейся много лет в эксплуатации, но не подвергшейся существенным отложениям коррозии и иным загрязнениям на своей внутренней поверхности. Соответственно пропускная способность трубопроводов является нормальной и находится в пределах допустимых величин.

Гидравлические расчеты показали, что скорости движения воды в магистральных трубопроводах не имеют четко обозначенных границ, но колеблются в пределах 0,1 - 0,4 м/сек. при экономически обоснованных параметрах для закольцованной сети в 0,6- 0,8 м/сек.

На основе полученной модели фактической работы водопроводной сети города Амурск на ПК были произведены расчеты различных вариантов, моделирующих изменения режимов водоснабжения города.

На ПК были смоделированы три варианта работы сети.

Вариант 1: соединение двух водопроводных зон - Верхней и Нижней.

На ПК была смоделирована прокладка трубопроводов диаметром 250 мм между Верхней и Нижней зоной в районе проспекта Строителей.

Моделирование данного варианта показало следующее.

В результате соединения зон свободные напоры в Нижней зоне в среднем возрастут на 15-20 м до 80,0-90,0 м, а в Верхней зоне снизятся на 17,0- 20,0 м до 22,0 - 60,0 м (при нормативной величине 45,0 м). При этом появятся узлы с еще большим сверхнормативным напором и узлы, в которых образуется дефицит напора, и, следовательно, возникнет дефицит воды у потребителей.

Вывод: закольцовка Верхней и Нижней зоны путем прокладки между ними трубопровода диаметром 250 мм нецелесообразна.

Вариант 2: водоснабжение г. Амурска осуществляется от станции «Водоподготовка», а станция водоочистки ФОС выводится из эксплуатации (консервируется).

Данное мероприятие может осуществляться с целью оптимизации финансовых затрат на эксплуатацию системы водоснабжения. Производительности одной станции водоподготовки будет достаточно для водообеспечения населения и абонентов г. Амурска.

Максимальное хозяйственно питьевое водоснабжение города при подаче воды от ФОС и участка «Водоподготовка» составляет 17,0-19,0 тыс. м3/сут. Проектная производительность станции «Водоподготовка» в 57,0 тыс. м3/сут. достаточна для водообеспечения всех потребителей города в нормативном режиме. Вместе с тем для решения этой задачи необходимо строительство дополнительных трубопроводов системы подачи и распределения воды. Вода от станции «Водоподготовка» должна подаваться по вновь проложенной системе труб до действующих водоводов от ФОС. Далее вода по этим водоводам будет поступать в Верхнюю зону города, которую ранее обеспечивала водой ФОС через НС-3.

На ПК моделируем прокладку полиэтиленового водовода диаметром 400 мм от насосной станции 2-го подъема «Водоподготовки» до водоводов, подающих воду от ФОС в резервуары чистой воды НС-3. Трассировка водовода должна быть выбрана с учетом действующей застройки и расположения иных объектов на местности. Объект ФОС выводится из эксплуатации, а производительность станции «Водоподготовка» увеличивается до 16,0 - 18,0 тыс. м3/сут.

Моделирование данного варианта показало следующее.

При увеличении производительности участка «Водоподготовка» на величину производительности ФОС подача воды по отдельному полиэтиленовому водоводу диаметром 400 мм до водоводов от ФОС, подающих воду в резервуары чистой воды НС-3, водоснабжение Верхней зоны будет происходить в обычном режиме. Никаких изменений гидравлики в трубопроводах Верхней зоны не произойдет. В этом случае для водообеспечения Верхней зоны необходимо задействовать дополнительный рабочий насос в насосной станции 2-го подъема участка «Водоподготовка». Зонирование системы водоснабжения г. Амурска остается прежним, при том что в работе задействована только одна станция водоочистки «Водоподготовка».

Вывод: выведение из работы ФОС и подача воды в Верхнюю зону города на НС-3 от станции «Водоподготовка» не изменяет гидравлический режим водоснабжения г. Амурска. Такое мероприятие возможно с инженерно- технической точки. Вместе с тем планирование такого мероприятия должно иметь серьезное технико-экономическое обоснование с учетом степени надежности водообеспечения. Его осуществление возможно только после реализации других мероприятий, связанных с стабилизаций давлений в системе водоснабжения, в частности, установки регуляторов давления воды на вводах в дома и на участки домов.

Вариант 3: водоснабжение г. Амурска осуществляется только от станции ФОС, а станция «Водоподготовка» консервируется.

Для водоснабжения нижней зоны моделируем дополнительные мероприятия:
- прокладка полиэтиленового во- довода диаметром 300 мм от стального водовода № 2 Д 300 мм до стального водовода № 3 Д 300 мм;
- прокладка двух водоводов в районе проспекта Строителей из полиэтилена диаметром 250 мм, которыми соединяются Нижняя и Верхняя зоны водоснабжения города.

Моделирование данного варианта показало следующее.

При увеличении производительности станции ФОС до проектной величины, которое компенсирует объемы воды от станции «Водоподготовка», и прокладки выше указанных тру- бопроводов в г. Амурск будет действовать единая система водоснабжения без зонирования. Для предотвращения сверхнормативных напоров в зоне с наименьшими отметками земли (в Нижней зоне ) необходима установка на водоводах по улицам Октябрьский проспект, проспект Строителей регуляторов давления воды. Пропускной способности существующей водопроводной сети с учетом прокладки дополнительных участков будет достаточно для водо- снабжения отдаленных потребителей расположенных в нижней зоне.

Вывод: выведение из работы участка «Водоподготовка» и снабжение от станции ФОС полностью изменяет гидравлический режим водоснабжения г. Амурска. С учетом прокладки трубопроводов и установки на них регуляторов давления это позволит обеспечивать водоснабжения населения в нормативном режиме. Вместе с тем, учитывая потребность в дополнительной воде для обеспечения технического водоснабжения, проектной производительности ФОС может быть недостаточно.

По результатам гидравлического расчета на ПК системы подачи и распределения воды города Амурска, а также на основе анализа системы водоснабжения в целом были сделаны следующие выводы:
1. Система магистральных и квартальных трубопроводов подачи и распределения воды города Амурска имеет существенный (более чем на 40-50%) резерв по пропускной способности.
2. В водопроводной сети города практически отсутствуют участки сети со сверхнормативными потерями напора, вызванными малыми диаметрами трубопроводов либо неисправной запорной арматурой.
3. Отсутствуют сезонные гидрологические и гидрохимические влияния на работу водозабора, при которых возникает дефицит воды. Водозабор и водоочистные станции имеют существенный резерв мощности.
4. Водопроводная сеть не требует регулирования потоков распределения воды с помощью задвижек.
5. Суммарная проектная мощность двух существующих водозаборов (ФОС и «Водоподготовка») выше существующей потребности города в воде ориентировочно в 3 - 4 раза.
6. Свободные напоры в водопроводной сети города превышают нормативные величины в среднем на 20- 40 м. Водопроводная сеть работает с избыточными свободными напорами. Такие величины свободных напоров являются отрицательным фактором работы сети, повышающим эксплуатационный износ трубопроводов и увеличивающим потери. В результате происходит перерасход электроэнергии на насосных станциях «Водоподготовка» и НС-3 -го подъема.
7. Объединение Верхней и Нижней зон водоснабжения путем устройства закольцовок по проспекту Строителей нецелесообразно.

Журнал «Вода Magazine» №5 (105), 2016 г.