OBLICZENIA W TECHNICE WODOCIĄGÓW I KANALIZACJI

Instrukcja obsługi programu komputerowego 
do prowadzenia obliczeń technicznych 
przy wymiarowaniu wodociągów i kanalizacji 
1.wprowadzenie.

Program komputerowy „Obliczenia w technice wodociągów i kanalizacji”  składa się z trzech części:
I.	Obliczenia Bilansowe
II.	Obliczenia Hydrauliczne
III.	Obliczenia Technologiczne

Część I – Obliczenia Bilansowe, prowadzi do ustalenia charakterystycznych przepływów obliczeniowych niezbędnych do zwymiarowania podstawowych elementów sieci wodno-kanalizacyjnych i zawiera trzy podstawowe opcje:
Opcja : WODOCIĄGI
Opcja : KANALIZACJA SANITARNA
Opcja : KANALIZACJA DESZCZOWA.
Obliczenia bilansowe, w zależności od celu i etapu projektowania, można prowadzić czterema metodami:
•	wg przeciętnych norm zużycia wody ( sieci wodociągowe i kanalizacja sanitarna)
•	wg zainstalowanych przyborów sanitarnych ( instalacje wodociągowe i kanalizacyjne)
•	wg scalonych wskaźników zapotrzebowania wody ( sieci wodociągowe i kanalizacja sanitarna)
•	wg sumy powierzchni zlewni cząstkowych i parametrów deszczu miarodajnego ( kanaliza-cja deszczowa)

Część II – Obliczenia Hydrauliczne, umożliwia zwymiarowanie kanałów i rurociągów oraz  
ustalenie parametrów hydraulicznych przepływów miarodajnych ( prędkości, spadki, napełnienie), 
w zależności od rodzaju przyjętego materiału i przekroju kanału.
Program przewiduje obliczenia dla trzech grup kanałów:
•	rurociągi ciśnieniowe
•	kanały grawitacyjne kołowe
•	kanały grawitacyjne niekołowe

Część III – Obliczenia Technologiczne, to otwarty, systematycznie uzupełniany zbiór wytycznych 
i metod obliczania podstawowych urządzeń, które najczęściej znajdują zastosowanie w systemach wodociągowych i kanalizacyjnych.

część I 
obliczenia bilansowe
1. słowniczek skrótów i symboli

Wodociągi

Qwj	dm3/d	jednostkowe zapotrzebowanie wody	
Qwdsr	m3/d	średnie dobowe zapotrzebowanie wody	
Qwdmax	m3/d	maksymalne dobowe zapotrzebowanie wody	
Qwhmax	m3/h	maksymalne godzinowe zapotrzebowanie wody	
qw	dm3/s	sekundowy rozbiór wody	
qzw	dm3/s	sekundowy rozbiór zimnej wody	
qcw	dm3/s	sekundowy rozbiór ciepłej wody	
Qppoz	dm3/s	zapotrzebowanie wody do celów przeciwpożarowych	
Qzw	%	potrzeby własne zakładu wodociągowego	
Qstr	%	straty wody w sieci ( instalacji) wodociągowej	
alfa		współczynnik przyrostu ludności	
 	 	 	
Kanalizacja Sanitarna

Qsj	dm3/d	jednostkowy odpływ ścieków	
Qdsr	m3/d	średnia dobowa ilość ścieków	
Qdmax	m3/d	maksymalna dobowa ilość ścieków	
Qhmax	m3/h	maksymalna godzinowa ilość ścieków	
qs	dm3/s	sekundowy odpływ ścieków	
Qinf	m3/d	wody infiltracyjne	
Qwp	m3/d	wody przypadkowe	
alfa		współczynnik przyrostu ludności	
Qsdop	dm3/s	dopływ ścieków z innej zlewni	
 	 	 	
Kanalizacja Deszczowa
 	
F	ha	rzeczywista powierzchnia zlewni	
Fzr	ha	zredukowana powierzchnia zlewni	
		współczynnik spływu	
		współczynnik opóźnienia odpływu	
T1,T2,T3	min	czas trwania deszczu miarodajnego	
p	%	prawdopodobieństwo pojawienia się deszczu	
c		częstotliwość występowania deszczu	
H	mm	średnia roczna wysokość opadów	
q1, q2, q3	dm3/sxha	natężenie deszczu miarodajnego	
Q1, Q2, Q3	dm3/s	obliczeniowy przepływ ścieków deszczowych	
Qr	m3/rok	średnia roczna objętość wód opadowych	
Qd	m3/d	średnia dobowa objętość wód opadowych w dni deszczowe	
Qinf	m3/d	wody infiltracyjne	
Qdop	dm3/s	dopływ ścieków deszczowych z innej zlewni	

2.podstawy przyjętych metod obliczeniowych.

•	Obliczenia bilansowe wg przeciętnych norm zużycia wody

- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002 r w sprawie określania przeciętnych norm  
  zużycia wody ( DZ.UN r Nr 8, Poz.70),
- współczynniki nierównomierności dobowej wg danych literaturowych,

•	Obliczenia bilansowe wg zainstalowanych przyborów sanitarnych

- Polska Norma PN-92/B-01706 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu.
- Polska Norma PN-92/B-01707 Instalacje kanalizacyjne. Wymagania w projektowaniu.
-  Polska Norma PN-EN 752-4 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne

•	Obliczenia bilansowe wg scalonych wskaźników zapotrzebowania wody ( sieci wodociągowe i kanalizacja sanitarna)

-  Polska Norma PN-EN 752-4 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne
- współczynniki nierównomierności dobowej wg danych literaturowych,

•	Obliczenia bilansowe wg sumy powierzchni zlewni cząstkowych i parametrów deszczu miarodajnego 

- Roman Edel: Odwodnienie dróg. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa 2000.
- Wolfgang Geiger , Herbert dreiseitl: Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych. Poradnik.
  Projprzem-EKO Bydgoszcz 1999
- Wacław Błaszczyk, Marek Roman, Henryk Stamatello: Kanalizacja. Wydawnictwo Arkady. Warszawa 1974.
- Polska Norma PN-EN 752-4 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne

•	Obliczenia bilansowe - obliczenie maksymalnego sekundowego przepływu wody (ścieków) 
      do wymiarowania rurociągów zewnętrznych sieci wod-kan.

Określenie wartości maksymalnego sekundowego przepływu wody lub ścieków wymaga głębszej analizy.
Oczywiście najlepszą metodą ustalenia tych wartości jest pomiar bezpośredni, ale z długoletniej praktyki
projektanta mogę z całą pewnością stwierdzić, że ta metoda rzadko znajduje zastosowanie.
W dostępnej literaturze fachowej nie znalazłem uniwersalnej metody obliczeniowej, która w sposób najbardziej przybliżony opisałaby to zjawisko, a przecież jest to elementarna wielkość niezbędna do wymiarowania zarówno kanałów i rurociągów jak i niektórych urządzeń stosowanych na sieciach wodno-kanalizacyjnych. 

Dla potrzeb programu „ Obliczenia w technice wodociągów i kanalizacji”  zaproponowałem metody obliczeniowe, którymi sam posługuję się w codziennej pracy. Parametry i wyniki tych obliczeń pojawią się w okienkach jako „domyślne”. Jeżeli na podstawie własnej analizy stwierdzisz, że należy je skorygować, możesz to zrobić sam, wpisując z klawiatury odpowiednie wartości. Możesz to zresztą zrobić ze wszystkimi innymi danymi umieszczonymi w bazach danych, możesz także rozbudować bazy danych o własne grupy informacji.
Poniżej przedstawiam sposoby obliczeń, które zastosowane zostały w programie.

WODOCIĄGI 
•	gdy liczba obsługiwanych mieszkańców nie przekracza 600 M

qws = 1,7 •  ( M • 0,37)0,21 – 0,70 [ l/s] 

     przedstawiony wzór jest pochodną wzoru (2) z normy PN-92/B-01706 Instalacje wodociągowe.   
     Wymagania w projektowaniu, w którym wyrażenie ( M • 0,37)0,21 występuje pod postacią ( Σqn)0,21.
     Przyjęto, że Σqn dla jednego przeciętnego mieszkańca ( M ) wynosi 0,37.

•	gdy liczba obsługiwanych mieszkańców zawiera się w przedziale od  600 do 25 000 M

qws = (Qwdśr)0,82 /  8,64  [ l/s] 
      podstawą powyższej zależności jest powszechnie znany wzór: 
Qhmax = Qdśr • Nog / 24 [ m3/ h ] ,    i     qs = Qhmax / 3,6 [ l/s] , 
      gdzie Nog obliczamy ze wzoru opracowanego przez „Instytut Zaopatrzenia w Wodę i Budownictwa     
      Wodnego Politechniki Warszawskiej” :
Nog = 10 • (Qdś )-0,18

•	gdy liczba obsługiwanych mieszkańców  przekracza 25 000  M

Przy tej wielkości aglomeracji wskazana jest metoda pomiarów bezpośrednich lub analiza wyników pomiarów dostępnych w zakładzie wodociągowym. 

ROZDZIELCZA SIEĆ KANALIZACJI SANITARNEJ  

•	dla bardzo małych zlewni, gdy liczba obsługiwanych mieszkańców nie przekracza 2 000  M

Występuje dość poważny problem z ustaleniem wartości qs dla tak małych zlewni. Bezkrytyczne zastosowanie wzoru przedstawionego dla małych zlewni , może prowadzić do dużego błędu. Opiera się on bowiem na prostym przekształceniu wartości maksymalnego przepływu godzinowego wyrażonego w  [m3/godz] na [ l/s ], co moim zdaniem jest słuszne tylko w tych przypadkach, gdy czas przepływu ścieków na rozpatrywanym odcinku kanału jest równy lub większy niż 1 godz.
Przykład:  dla liczby obsługiwanych mieszkańców 150 M wartość qs wyniesie 1,40 l/s, a przecież podobną wartość odpływu odnotujemy przy obliczeniu przykanalika dla jednego domku jednorodzinnego wg metody sumowania równoważników odpływu.
Wynik byłby miarodajny tylko wtedy, gdy długość kanału ściekowego obsługującego 150 M wynosi ok. 2,5 km, co przy przeciętnej prędkości przepływu ścieków 0,7 m/s w kanale Ф 200 mm o spadku 0.5 %, daje czas przepływu ok. 1 godz.
Jak zatem ustalić miarodajną wartość qs dla liczby mieszkańców 150 M, gdy długość kanału wynosi 300, 500 czy 1000 m ? Metoda sumowania równoważników odpływu może prowadzić do przewymiarowania kanału, z kolei metoda obliczenia wartości qs jako pochodnej Qhmax może ustalić wartości dużo niższe od rzeczywistego zjawiska sekundowego przepływu ścieków.
W swojej praktyce zawodowej przy projektowaniu bardzo małych zlewni stosuję zasadę szacunku proporcjonalnego ( nazwa własna), która polega na tym, że szukaną wartość qs obliczam najpierw metodą sumowania równoważników odpływu (1), a następnie metodą Qhmax / 3,6 ( 2).
Otrzymuję dwa skrajne wyniki, które idąc za przykładem, dla 150 M osiągną wartości :
-w metodzie (1) – 6,79 l/s ( wartość miarodajna przy t< 10 min
- w metodzie (2) – 1,4 l/s ( wartość miarodajna przy t = 1 godz.) 
Następnie ustalam tabelę wartości qs w zależności czasu przepływu, obliczając wartości pośrednie przy zastosowaniu zasady interpolacji liniowej:
Czas przepływu	10 min	20 min	30min	40 min	50 min	60 min	
qs [ l/s ]	6,8	5,7	4,6	3,6	2,5	1,4	

Przystępując do obliczeń musisz wstępnie ustalić prognozowany czas przepływu ścieków.
Dla uproszczenia procedury obliczeniowej przy metodzie sumowania równoważników odpływu można przyjąć, że  ΣAWs ( wg PN-92/B-01707) lub ΣDU ( wg PN-EN 752-4 ) w odniesieniu do jednego mieszkańca obliczeniowego w gospodarstwie domowym wynosi 1,25, a wartość qs = 0,5 • √ 1,25  

•	dla małych zlewni, gdy liczba obsługiwanych mieszkańców nie przekracza 3 500 M

qws = (Qwdśr)0,8 /  8,64  [ l/s] 
      
     podobnie jak w przypadku sieci wodociągowej podstawą powyższej zależności jest wzór: 
Qhmax = Qdśr • Nog / 24 [ m3/ h ] ,    i     qs = Qhmax / 3,6 [ l/s] , 
      gdzie Nog obliczamy ze wzoru :  Nog = 10 • (Qdś )-0,20
 
      Różnica wartości wykładników potęgi  ( –0.18)  i (–0,20)  koryguje wartość współczynnika    
      nierównomierności godzinowej, który w przypadku systemów kanalizacyjnych jest zazwyczaj niższy 
      do ok. 5 - 20 %. 

•	gdy liczba obsługiwanych mieszkańców  przekracza 3 500  M

qs = 0,005 l/s • M 
wartość wskaźnika 5 l/s na 1000 M stosuje się w krajach Unii Europejskiej, co zawarte jest w tablicy B.2  Polskiej Normy PN-EN 752-4 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne

•	obliczenia kanalizacji deszczowej wg sumy powierzchni zlewni cząstkowych przy stałym natężeniu deszczu miarodajnego.

Metodę tą można z powodzeniem zastosować w większości tematów projektowych, których obszar zlewni nie przekracza 200 hektarów. Zlewnie o większym obszarze należy obliczać metodą natężeń granicznych, ale tej metody nasz program nie obejmuje. 

Podstawowym wzorem do obliczenia sekundowego spływu wód opadowych jest wzór:

Q = Σ( F1-n • Ψ1-n)  • φ • q [ l/s],  gdzie
F1-n :	rzeczywista powierzchnia n-tej zlewni cząstkowej
Ψ1-n :	współczynnik spływu n-tej zlewni cząstkowej
φ :	współczynnik opóźnienia odpływu
q :	natężenie deszczu miarodajnego

    Natężenie deszczu miarodajnego ( z wyjątkiem zlewni górskich i podgórskich) program oblicza 
    wg zadanego wzoru  :

q =[  l/sxha ],  gdzie

		c : 	częstotliwość występowania deszczu
		T :	czas trwania deszczu miarodajnego

   Współczynnik opóźnienia odpływu obliczany będzie wg wzoru:

φ =,  gdzie

		n : współczynnik zależny od kształtu zlewni

Program umożliwia obliczenie trzech wartości Q : Q1, Q2 i Q3 z tej samej zlewni, dla trzech wybranych parametrów deszczu, co może okazać się przydatne do zwymiarowania także innych niż średnica kanału wielkości, np. pojemność zbiornika retencyjnego, osadnika do redukcji zawiesiny czy też separatora produktów ropopochodnych

część II 
obliczenia hydrauliczne
1. słowniczek skrótów i symboli

2.podstawy przyjętych metod obliczeniowych.

•	Obliczenia hydrauliczne – rurociągi ciśnieniowe

•	Obliczenia hydrauliczne – kanały grawitacyjne kołowe.

Dla rur o przekroju kołowym przy całkowitym napełnieniu prędkość przepływu wyraża wzór Colebrooka-White,a :
V = - 2 ▪  ▪  [ m/s] , gdzie 

		V:	prędkość strumienia w przekroju poprzecznym przewodu,
		g:	stała grawitacji w [m/s2],
		D:	średnica wewnętrzna rury w [m],
		i :	spadek hydrauliczny,
		k:	współczynnik chropowatości hydraulicznej w [m],
		ν:	kinematyczny współczynnik lepkości w [m2/s]

•	Obliczenia hydrauliczne – kanały grawitacyjne niekołowe

część III 
obliczenia technologiczne

•	Obliczenia hydrauliczne – rurociągi ciśnieniowe.