Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного господарства

та природокористування

Вовк Леся Іванівна

УДК 628.334.6

Удосконалення методів

гідравлічного розрахунку

збірників атмосферних стічних вод

05.23.16 – Гідравліка та інженерна гідрологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рівне 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті "Львівська політехніка"

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: к.т.н., доцент Жук Володимир Михайлович, Національний університет "Львівська політехніка", завідувач кафедри гідравліки та сантехніки

Офіційні опоненти: д.т.н., професор Хлапук Микола Миколайович, Національний університет водного господарства та природокористування, завідувач кафедри гідротехнічних споруд;

к.т.н., професор Василенко Олексій Анатолійович, Київський Національний університет будівництва та архітектури, професор кафедри гідравліки та водовідведення.

Провідна установа: Національний транспортний університет Міністерства освіти і науки України (м.Київ).

Захист дисертації відбудеться “8” червня 2007 р. о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .104.01 при Національному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33028, м. Рівне, вул. Соборна,11.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету водного господарства та природокористування за адресою 33028, м.Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий “3” травня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент В.П. Востріков

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зростаючі вимоги до надійності роботи і до екологічної безпеки систем водовідведення в Україні та в світі, а також широке впровадження у водопровідно-каналізаційну практику сучасних енергоощадних технологій спричинили підвищений інтерес до використання у водовідвідних системах збірників атмосферних стічних вод (ЗАСВ). ЗАСВ – це спеціальні споруди для збору дощових вод, регулювання їх витрати та попереднього чи повного очищення атмосферного стоку. Завдяки встановленню ЗАСВ підвищується надійність роботи та екологічна безпека систем водовідведення. Тому особливої актуальності набуває удосконалення методів гідравлічного розрахунку ЗАСВ, адже визначення їх конструктивних параметрів у кожному конкретному випадку становить відповідальну техніко-економічну задачу.

На сьогоднішній день у вітчизняній і закордонній інженерній практиці немає єдиного підходу до виконання гідравлічного розрахунку ЗАСВ. Існуючі методики базуються на суттєвих спрощеннях або мають вузький діапазон застосування. актуальною задачею є отримання загальних розрахункових формул для визначення гідравлічних параметрів ЗАСВ, які б враховували кліматичні особливості регіону, розрахункові параметри дощу, особливості басейна каналізування, конструктивні характеристики збірника та відвідного трубопроводу та інші дотичні фактори.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає положенням Закону України “Про Загальнодержавну програму розвитку водного господарства” № від 17.01.2002 р., постанові Кабінету Міністрів України № “Про затвердження Комплексної програми ліквідації наслідків підтоплення територій в містах і селищах України” від 15.02.2002 р., науковому напрямку кафедри гідравліки та сантехніки Національного університету “Львівська політехніка”, а також тематиці господарсько-договірних робіт на кафедрі (тема "Обстеження міської дощової водовідвідної мережі міста Трускавець, визначення її технічного стану та розробка рекомендацій щодо можливості очистки стічних вод", номер державної реєстрації 0103U008171, 2004 р.).

Мета і задачі досліджень. Метою є удосконалення методів гідравлічного розрахунку дощових водовідвідних мереж та збірників атмосферних стічних вод з урахуванням конфігурації басейна каналізування в плані, закону зміни інтенсивності випадання дощу та змінної швидкості руху відкритого потоку.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі досліджень:

1) вивчити і проаналізувати відомі методи гідравлічного розрахунку дощової водовідвідної мережі та збірників атмосферних стічних вод;

2) виконати теоретичні дослідження впливу конфігурації басейна стоку та характеристик дощу на величину розрахункової витрати дощових стічних вод і регулювальний об’єм ЗАСВ в умовах міської забудови;

3) спланувати і реалізувати фізичний експеримент з метою дослідження впливу характеристик дощу, а також конструктивних параметрів збірника та відвідного колектора на величину регулювального об’єму ЗАСВ;

4) за результатами теоретичних і експериментальних досліджень розробити удосконалену методику гідравлічного розрахунку збірників атмосферних стічних вод з урахуванням конфігурації басейна каналізування, закону зміни інтенсивності дощу, конструктивних параметрів ЗАСВ і відвідного трубопроводу;

5) виконати оцінку техніко-економічної ефективності влаштування ЗАСВ з використанням результатів досліджень та запропонованих технічних рішень.

Об’єктом досліджень є процес відведення атмосферних стічних вод водовідвідними мережами міст зі ЗАСВ.

Предметом досліджень є методи гідравлічного розрахунку дощових водовідвідних мереж міст та збірників атмосферних стічних вод.

Методи досліджень. Теоретичні – проводились із застосуванням методів математичного аналізу (диференційні та інтегральні обчислення) та математичної статистики. Експериментальні – ґрунтуються на результатах визначення фактичної витрати насоса, зміни в часі наповнення води у змодельованому ЗАСВ, похилу відвідного трубопроводу тощо.

Наукова новизна одержаних результатів:

1) отримано нові теоретично обґрунтовані розрахункові формули для визначення витрат дощових стоків у водовідвідних мережах міст, для радіальної моделі концентрації поверхневого стоку;

2) удосконалено математичну модель притоку дощових стічних вод, в якій враховується зміна швидкості руху поверхневого стоку;

3)

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено спрощені методи визначення розрахункової витрати дощових стічних вод і регулювального об’єму зАСВ, які не вимагають використання ЕОМ та графічних чи табличних даних.

Отримані результати рекомендуються до застосування при проектуванні водовідвідних дощових мереж та споруд на них: ЗАСВ, приймальних камер каналізаційних насосних станцій, розділювальних камер. Застосування запропонованих методів розрахунку вплине на безперебійність роботи мереж водовідведення, що в свою чергу має значний екологічний, соціальний та економічний ефекти.

Результати дисертаційної роботи знайшли впровадження при реконструкції існуючих дощових водовідвідних мереж м. Трускавець та м. Буськ Львівської області.

Особистий внесок здобувача. Виконано аналіз літературних джерел щодо методів гідравлічного розрахунку та конструктивних особливостей ЗАСВ, які використовуються у вітчизняній та світовій інженерній практиці. Розроблено методику чисельного розрахунку коефіцієнта регулювального об’єму ЗАСВ від визначальних параметрів: відносної тривалості дощу, коефіцієнта початкового регулювання та коефіцієнта зміни напору. Виконано математичне планування фізичного експерименту, запроектовано і налагоджено експериментальну установку для дослідження регулювального об’єму ЗАСВ. Виконано експериментальні дослідження на фізичній моделі ЗАСВ, математична обробка і узагальнення отриманих результатів. Отримано розрахункові формули для визначення коефіцієнта регулювального об’єму ЗАСВ залежно від визначальних параметрів для дощів з різними законами зміни інтенсивності для лінійної та радіальної моделей концентрації стоку.

Апробація результатів дисертації. Результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень доповідалися та обговорювалися на VІ Міжнародному конгресі “Вода. Экология и технология. ЭКВАТЭК-2004” (м. Москва, Росія, 2004); ІХ Міжнародній науково-практичній конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 2004); ІХ Міжнародній науковій конференції “Aktualne problemy budownictwa i inzynierii srodowiska”(м. Жешів, Польща, 2004); VІІ Міжнародному практичному семінарі “Економіка. Екологія. Комфорт” (м. Львів, 2004); Х Міжнародній науковій конференції “State of Art, Trends of Development and Challenges in Civil Engineering” (м. Кошице, Словаччина, 2005); VI Міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП “Промислова гідравліка і пневматика” (м. Львів, 2005); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми водного господарства: проектування, дослідження, будівництво та експлуатація гідротехнічних споруд для гідроенергетики, меліорації та водопостачання” (м. Рівне, 2006); міжкафедральному фаховому науковому семінарі за спеціальністю “Гідравліка та інженерна гідрологія” в УНУВГП (м. Рівне, 2006).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 12 робіт, з них 9 – у фахових виданнях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг дисертації: 154 сторінки, включаючи список літератури із 101 назви на 9 сторінках, з них 41 назва іноземною мовою, 7 таблиць, 46 рисунків і 8 додатків на 23 сторінках.

Зміст роботи

У першому розділі дисертації розглянуті схеми та конструкції ЗАСВ, які найчастіше використовуються у вітчизняній та закордонній практиці, а також проаналізовано їх роботу. Подано класифікацію ЗАСВ за функціональним призначенням та за схемою протікання. Показано, що застосування ЗАСВ має значний економічний, соціальний та екологічний ефекти. На рис. 1 представлено відомі конструктивні схеми ЗАСВ.

Рис. . Типи ЗАСВ за конструктивними рішеннями: а) односекційний; б) двосекційний; в) з послідовним приєднанням камер; г) з паралельним приєднанням камер; д) дворівневий; е) типу Stormceptor; Qо , Qc ,en, Qex – об’ємна витрата стічних вод відповідно в підвідному і відвідному трубопроводах, на вході та на виході зі збірника; 1 – переливна камера; 2 – акумуляційна камера; 3 – підвідний трубопровід; 4 – відвідний трубопровід; 5 – переливна стінка; 6 – затвор; 7– труба з кришкою для збору та видалення олив і нафтопродуктів; 8 – гребінь; 9 – впускна труба; 10 – відвідна трубка

Найважливішими вихідними даними при проектуванні мереж дощового водовідведення та споруд на них є максимальна секундна витрата стічних вод та графік зміни в часі об’ємної витрати у даному перерізі. Розглянуто існуючі вітчизняні та закордонні методики визначення максимальної витрати дощових вод та побудови гідрографів стоку. Проаналізовано нормативну модель концентрації стоку, що базується на формулі (1) для розрахункової витрати дощових вод, зазначеної у СНиП 2.04.03-85 “Канализация. Наружные сети и сооружения”; та лінійну модель, запропоновану вченими СПбГАСУ (м. Санкт_Петербург) для визна-чення регулювального об’єму ЗАСВ з розрахунковою витратою за формулою (2):

,(1)

, | (2)

де tr – час концентрації поверхневого стоку, рівний тривалості протікання дощових стічних вод по поверхні землі і трубам до розрахункового перерізу; zmid – коефіцієнт поверхні басейна стоку; F –  повна площа басейна стоку даного розрахункового перерізу; А, n – параметри, що залежать від географічного розташування об’єкта та періоду одноразового перевищення розрахункової інтенсивності дощу Р.

Виконано аналіз існуючих методик визначення регулювального об’єму ЗАСВ. Наведено узагальнену формулу для визначення коефіцієнта регулювального об’єму ЗАСВ Крег залежно від показника степеня n в спадному степеневому законі зміни інтенсивності дощу для різних схем підключення ЗАСВ до мережі.

В Україні дослідженням закономірностей формування дощового стоку та розрахунком водовідвідної мережі та ЗАСВ займалися Константінов Ю.М., Науменко І.І., Хлапук М.М., Василенко О.А., Китаєв А.Л., Ярошенко Ю.В. та ін. Свій внесок в теоретичне та експериментальне дослідження формування та регулювання стоку дощових вод зробили Абрамов Л.Т., Алексєєв М.І., Бєлов М.М., Горбачев П.Ф., Дикаревский В.C.,  Каліцун В.І., Курганов А.М., Молоков М.В., НечаевА.П. та ін. За кордоном цією проблемою займалися Й. Дзьопак, В. Джеймс, В. Хубер, Е. Інгман, М. Мідовс, Д. Овертоп, Т. Шулер та ін. На основі критичного аналізу опублікованих праць за темою роботи сформульовані задачі досліджень.

У другому розділі обґрунтовано нову радіальну модель концентрації стоку, яка базується на тих самих спрощеннях, що і нормативна та лінійна моделі: інтенсивність дощу змінюється за спадним степеневим законом, а коефіцієнт поверхні басейна стоку та швидкість течії поверхневого потоку постійні по площі басейна та незмінні в часі. Проте в радіальний моделі басейн стоку приймається у вигляді кругового сектора, що зумовлює квадратичний закон зміни площі стоку на 1 і 3 етапах гідрографа.

Для порівняння гідрографів стоку, що випливають з розглянутих вище моделей, було виконано розрахунок безрозмірних витрат Q', віднесених до розрахункової витрати, визначеної для лінійної моделі за формулою (2).

Отримано залежності безрозмірних витрат для трьох характерних етапів гідрографа та максимальної секундної витрати дощових стічних вод для нормативної, лінійної та радіальної моделей стоку. Нижче наведено безрозмірні витрати для трьох етапів гідрографа та максимальну розрахункову витрату для радіальної моделі стоку:

1 етап (при t?tr): | (3)

2 етап (при tr<t? tд): | (4)

3 етап (при tд <t?(tд+ tr)): |

(5)

. | (6)

де x – безрозмірний час, x=t /tr; xд – безрозмірна тривалість дощу, xд=tд /tr.

Основним і найбільш практично важливим результатом порівняння гідрографів притоку є те, що радіальна модель концентрації поверхневого стоку дає значно більшу за значенням розрахункову витрату стічних вод у контрольному перерізі, ніж це випливає з лінійної чи нормативної моделей:

,

що для умов рівнинних областей України (n=0,71) дає:

У всіх розглянутих випадках розрахункова витрата за нормативною моделлю не перевищує відповідну величину для лінійної моделі і значно менша за розрахункову витрату для радіальної моделі.

Для перевірки теоретичних результатів, отриманих для лінійної та радіальної моделей концентрації стоку, було виконано серію чисельних експериментів для прямокутних в плані басейнів стоку з різним співвідношенням довжин сторін L та В. Розроблено програму для чисельного розрахунку притоку дощових стічних вод до розрахункового перерізу у будь-який момент часу. Досліджувалися басейни зі співвідношеннями сторін L/В в інтервалі від 0,25 до 2. За отриманими даними були побудовані відповідні гідрографи (рис. 2).

Рис. . Гідрографи притоку дощових стічних вод для: 1 – лінійної, 2 – радіальної моделі концентрації стоку; прямокутних басейнів стоку з відношенням сторін L/B: 3 – ,25; 4 – 0,5; 5 – 1; 6 – 2; 7 – крива дощу; (n=0,71; A=838,9; tд/tr=2)

Суттєві відмінності у поведінці гідрографів спостерігаються при t/tr<1. При t/tr>1,1 всі гідрографи виходять практично на одну криву, яка співпадає з гідрографом для лінійної моделі (рис.2). Для пояснення відмінностей у поведінці розрахункових гідрографів при t/tr<1 було введено поняття ефективного та повного радіусів концентрації (відповідно Ref, Rr) та ефективного часу концентрації поверхневого стоку tef=Ref/V. Для басейнів прямокутної форми Ref=B/2 при L>B/2; Ref=L при L<B/2.

При t?tef гідрографи для прямокутних басейнів стоку (криві 3, 4, 5, 6 на рис. ) подібні до теоретичного гідрографа для радіальної моделі концентрації стоку, при цьому стиснення по осі абсцис чисельно дорівнює відношенню ефективного та розрахункового часу концентрації, а по осі ординат – відношенню ефективної та розрахункової витрати:

; . (7)

Загалом для гідрографів поверхневого стоку з басейнів прямокутної форми в плані можна виділити п’ять характерних етапів. Максимальна витрата має місце в момент часу tmax, який, на відміну від гідрографів радіальної та лінійної моделей, не співпадає з часом повної концентрації tr.

Розглянуто також лінійний закон зміни інтенсивності випадання дощу для лінійних в плані басейнів стоку. Теоретично виведені формули для опису гідрографів притоку дощових вод для дощів з однаковою висотою шару опадів та однаковою тривалістю tд. Виконано порівняння отриманих гідрографів для лінійного закону зміни інтенсивності з гідрографом, одержаним за лінійною моделлю (рис. ).

Рис. 3. Гідрографи притоку дощових вод при різних законах зміни інтен-сивності дощу: 1 – степеневому ; 2 – лінійному при k1=kmin=-1,61; 3 – те ж, при k1=0; 4 – те ж, при k1=kmax=1,61 (n=0,71; А=838,9; tд=120 хв.; tд/ tr=2; , qmid – середня в часі інтенсивність “лінійного” дощу)

Показано, що розрахункова витрата для дощів зі степеневим законом зміни інтенсивності є більшою, ніж відповідна витрата для дощів з лінійним законом зміни інтенсивності. Лише при tд=tr (тобто Хд=1) вони рівні, що підтверджується аналітичним виразом:

. | (8)

Розглянуто зміну в часі притоку дощових вод до розрахункового перерізу для лінійного в плані басейна стоку з врахуванням збільшення швидкості поверхневого потоку вниз за течією відповідно до формули Шезі з коефіцієнтом Шезі, який задається формулою Павловського.

Теоретично виведено формулу для визначення часу концентрації поверхневого стоку для лінійного в плані басейна стоку у випадку дощу постійної в часі інтенсивності:

. | (9)

де z – показник степеня; L, i – відповідно довжина і похил басейна стоку; n1 – коефіцієнт шорсткості поверхні; qo – постійна в часі інтенсивність дощу.

Оскільки витрата дощового стоку для дощу з постійною в часі інтенсивністю прямопропорційна до довжини лінійного басейна (), то . Залежність витрати в розрахунковому перерізі від часу для трьох етапів в безрозмірних координатах (рис. 4):

Q'2=1; . (10)

Рис. . Гідрографи притоку і відтоку в безрозмірних координатах для дощів постійної в часі інтенсивності та лінійних басейнів стоку: 1 – гідрограф при V=const; 2 – гідрограф при V=V(x); 3 – крива відтоку дощових вод зі збірника

Регулювальний об’єм за фізичною суттю – це інтегральна різниця в часі притоку стічних вод у збірник та відтоку з нього:

, | (11) | де Qo – витрата дощового стоку, що надходить у збірник, графічно описується гідрографом стоку; Qс – витрата у відвідному трубопроводі; to – час початку наповнення збірника; tf – час максимального наповнення ЗАСВ.

Другою важливою характеристикою при визначенні регулювального об’єму ЗАСВ є витрата у відвідному трубопроводі збірника, яка в загальному випадку залежить від гідравлічних характеристик відвідного трубопроводу, конструктивних особливостей збірника та схеми його приєднання до мережі. Нехтуючи нестаціонарністю руху рідини у відвідному трубопроводі при змінному в часі напорі витікання Н, з рівняння Бернуллі отримано формулу для визначення витрати у відвідному трубопроводі Qc:

, | (12)

або в безрозмірному вигляді:

, | (13)

де Dc, Lс – відповідно внутрішній діаметр та довжина трубопроводу;  – коефіцієнт гідравлічного тертя; – сума коефіцієнтів місцевого опору;  с –коефіцієнт кінетичної енергії; Qc,о – величина, що чисельно дорівнює витраті рідини в трубопроводі в момент часу, коли режим течії в ньому стає напірним, тобто при h = ; – безрозмірне наповнення ЗАСВ; h – висота наповнення збірника; hc=iLc – перепад відміток відвідного трубопроводу.

Початковий коефіцієнт регулювання o:

. | (14)

Розроблено математичну модель чисельного розрахунку регулювального об’єму ЗАСВ, згідно якої збільшення глибини води в резервуарі за час :

, | (15)

тоді безрозмірне збільшення глибини:

, | (16)

де – безрозмірна витрата притоку до резервуара; W – площа ЗАСВ у плані; Dх=/ – безрозмірний проміжок часу; b – безрозмірний коефіцієнт зміни напору:

. | (17)

Як показали теоретичні дослідження, динаміка зміни рівня рідини в резервуарі, а відтак і значення його регулювального об’єму залежать від безрозмірного параметра b. Чим більшою є величина b, тим меншим є потрібний регулювальний об’єм ЗАСВ (рис. ).

За описаною методикою було розроблено комп’ютерну програму для розрахунку коефіцієнта регулювального об’єму ЗАСВ залежно від значень початкового коефіцієнта регулювання o, безрозмірної тривалості дощу xд і коефіцієнта зміни напору витікання b. Чисельні експерименти були виконані в діапазоні о= …0,9; xд =1…10 та b= …10. Похибка обчислень коефіцієнта регулювального об’єму становила 0,1%.

Результати чисельного експерименту та їх порівняння з результатами, отриманими за діючою методикою визначення регулювального об’єму ЗАСВ, представлені на рис. 5.

Рис. 5. Коефіцієнти регулювального об’єму ЗАСВ при n=0,71: 1, – за методикою СПбГАСУ відповідно для ЗАСВ проточного типу та з розділювальною камерою; 3 – – за запропонованою методикою; для лінійних басейнів стоку: 3 – при b=0; 4 – при b=5; 5 – при b=10; для радіальних басейнів стоку: 6 – при b=0; 7 – при b=5; 8 – при b=10

З високим ступенем точності накладаються між собою крива 2 для ЗАСВ із розділювальною камерою (РК) за методикою СПбГАСУ та крива 3 для лінійного басейна стоку і коефіцієнта зміни напору b=0 за запропонованою методикою. Це закономірно, оскільки вони отримані для тих самих умов: для лінійної моделі концентрації поверхневого стоку та для b=0, оскільки схема розташування ЗАСВ з РК еквівалентна проточному збірнику, для якого коефіцієнт регулювання незмінний в часі і дорівнює початковому коефіцієнту регулювання о, що відповідає b=0. Слід вважати надто завищеною криву 1 для коефіцієнта об’єму ЗАСВ проточного типу. Це пояснюється тим, що за методикою СПбГАСУ в регулювальний об’єм включається об’єм збірника від лотка відвідного трубопроводу, а в запропонованій методиці – від шелиги, що є більш раціональним з конструктивних міркувань. Методика СПбГАСУ не враховує також збільшення напору витікання по мірі заповнення ЗАСВ проточного типу, що приводить до значного завищення потрібного регулювального об’єму збірника (рис. ). Збільшення коефіцієнта зміни напору від b=0 до b=10 зумовлює значне (до 2 разів) зменшення коефіцієнта регулювального об’єму ЗАСВ. З іншого боку, виявлено значний вплив на регулювальний об’єм конфігурації басейна стоку в плані: при всіх однакових безрозмірних параметрах коефіцієнт об’єму для радіальних басейнів більший, ніж для лінійних. Цією різницею можна нехтувати на практиці лише при о<0,2, коли вона не перевищує 5%. При о>0,2 потрібно враховувати форму басейна стоку в плані при визначенні регулювального об’єму ЗАСВ. Так при n=0,71 і о=0,4 коефіцієнт об’єму для радіальних басейнів на % більший, ніж для лінійних басейнів, тоді як при о=0,6 – на %, а при о=0,8 – вже на %. Особливо велика різниця між лінійним та радіальним басейнами при великих значеннях о: так для лінійного басейна стоку при о>1 коефіцієнт об’єму дорівнює нулю за визначенням, тоді як для радіальних басейнів внаслідок наявності значно більшої пікової витрати на гідрографі притоку (рис. ) при о=1 коефіцієнт регулювального об’єму все ще досить значний: від Крег=0,08 для b=0 до Крег=0,053 для b=10.

Отримано узагальнені розрахункові залежності Крег=f(о, b).

Для лінійних в плані басейнів стоку:

Крег = (0,0482 ln b – 0,421)  ln o – 0,002b – 0,023 ; | (18)

для радіальних басейнів стоку:

Крег = (0,0375 ln b – 0,339)  ln o – 0,0033b + 0,092. | (19)

Для дослідження запропонованої теоретичної моделі концентрації поверхневого стоку при змінній швидкості течії і для моделювання поверхневого стоку в умовах фізичного експерименту було досліджено залежність регулювального об’єму ЗАСВ для лінійних басейнів стоку і дощів з постійною в часі інтенсивністю при змінній швидкості течії. Було складено відповідну програму, з допомогою якої отримано залежність Крег від , xд, b. Значення показника степеня z в розрахунках приймалося постійним і рівним z=0,6546. Отримано узагальнену формулу:

Крег = [(0,0172 ln b – 0,3219)Хд – ,0884 – 0,0358 b]  ln o ––

(0,0042+0,0578 b)  Хд+ 0,0268+0,0335 b. | (20)

У третьому розділі виконано планування фізичного експерименту. При проектуванні фізичної моделі ЗАСВ за основний критерій динамічної подібності взято критерій Фруда. Виконано розрахунок розподільчого трубопроводу, що імітував дощ, коефіцієнт нерівномірності роздачі води становив 0,98.

Детально описано методику експериментальних досліджень, які виконувалися в два етапи: визначення зміни в часі витрати дощового стоку та знаходження регулювального об’єму ЗАСВ. Математична обробка результатів експериментів виконувалась автоматизовано в середовищі Мicrosoft Excell.

Виконано планування дослідів на фізичній моделі ЗАСВ з використанням повного факторного експерименту (ПФЕ), при реалізації якого знаходили значення параметрів оптимізації при всіх можливих поєднаннях факторів. За визначуваний параметр взято безрозмірний коефіцієнт регулювального об’єму Kрег; за визначальні параметри – початковий коефіцієнт регулювання о, безрозмірна тривалість дощу Хд та коефіцієнт зміни напору b. Одержано рівняння регресії в кодованих змінних:

Y = 4,8130,123Х1 – 0,274Х2 + 0,406Х3 – 0,17Х1Х2 – –

0,16 Х1Х3 + 0,357 Х2Х3 – 0,389 Х1Х2Х3. | (21)

Виконано оцінку похибок фізичного експерименту. Відносна похибка експериментального визначення Kрег не перевищувала 7,5

У четвертому розділі отримано експериментальні графіки притоку дощових вод до модельного збірника в часі в розмірних та безрозмірних координатах, як залежність безрозмірного об’єму W'=w/(Qrtr) від безрозмірного часу Х (рис. 6).

Рис. 6. Зміна в часі наповнення модельного ЗАСВ в безрозмірних координатах: 1 – для першого етапу гідрографа; 2 – для другого етапу гідрографа

За експериментальними даними було отримано наступні апроксимації. Для першого етапу випадання дощу (Х?1):

W'1 = 0,763Х1,792 ; (R2 = 0,92), | (22)

для другого етапу (Х >1):

W'2 = 1,055Х - 0,294 ; (R2 = 0,99). | (23)

Отримані результати якісно відповідають теоретичним залежностям (10). На другому етапі отримано відносну похибку 5,5порівняно з теоретичним Q'2=1.

Основною задачею експериментальних досліджень на фізичній моделі ЗАСВ було встановлення експериментальних залежностей коефіцієнта Kрег від безрозмірних параметрів, теоретично обґрунтованих в розділі 2. Кореляція результатів фізичного та чисельного експериментів подана на рис. 7.

Рис. 7. Узагальнені результати фізичних та чисельних експериментів

Для представлення залежності коефіцієнта регулювального об’єму від визначальних безрозмірних параметрів у графічному вигляді, було виконано ряд фізичних експериментів при фіксованому значенні безрозмірної тривалості дощу хд = . Результати фізичного експерименту оброблялися комп’ютерною програмою Grapher .0, відповідний тривимірний графік Крег =f(о, b) представлений на рис. 8.

Рис. 8. Залежність коефіцієнта регулювального об’єму від визначальних безрозмірних параметрів Крег =о, при хд=7

У діапазоні значень початкового коефіцієнта регулювання o < ,5 результати фізичного експерименту добре узгоджуються з чисельними результатами (похибка не перевищує 7,5При значеннях початкового коефіцієнта регулювання o>0,55 значення коефіцієнта регулювального об’єму, отримані на модельному ЗАСВ, завищені порівняно з чисельними результатами. Це пояснюється тим, що в цих випадках на фізичній моделі має місце доквадратична зона опору при русі дощових вод по басейну стоку, а математична модель та відповідні чисельні розрахунки виконані для квадратичної зони опору.

Слід зазначити, що на практиці початковий коефіцієнт регулювання ЗАСВ приймається, як правило, у межах від 0,2 до 0,5. У цьому діапазоні запропонована методика обчислення регулювального об’єму ЗАСВ добре узгоджується з результатами фізичного експерименту.

У п’ятому розділі викладена удосконалена методика гідравлічного розрахунку ЗАСВ та дощової водовідвідної мережі на базі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень.

Запропоновано критерій техніко-економічної ефективності влаштування на дощовій водовідвідній мережі ЗАСВ, з метою зменшення діаметра відвідного трубопроводу з D1 до D2. В загальному випадку співвідношення капітальних затрат за першим і другим варіантом влаштування знаходиться за формулою: |

(24)

де k1, k2 – питома капітальна вартість відповідно водовідвідного трубопроводу та ЗАСВ; L – довжина трубопроводу; x1, x2 – показники степеня, які залежать від виду об’єкта.

Результати роботи знайшли практичне впровадження на підприємствах водопровідно_каналізаційного господарства. Очікуваний економічний ефект від впровадження результатів роботи в м. Буськ становить 25 тис. грн., в м. Трускавець –  тис. грн. Крім того, впровадження результатів має значний екологічний та соціальний ефект: підвищення надійності роботи та екологічної безпеки систем водовідведення міст.

Загальні висновки

1. В дисертаційній роботі вирішено науково-практичну задачу, яка полягає у вдосконаленні методів гідравлічного розрахунку ЗАСВ з врахуванням закону зміни інтенсивності дощу, особливостей басейна каналізування в умовах міської забудови, конструктивних параметрів ЗАСВ та відвідного трубопроводу, що підтверджується результатами чисельних та фізичних експериментів.

2. Запропоновано радіальну модель концентрації поверхневого стоку, для якої отримано якісно та кількісно відмінні гідрографи притоку дощових вод, порівняно з відомими моделями.

3. Аналіз гідрографів притоку дощових вод для різних моделей показав, що максимальна витрата дощового стоку у розрахунковому перерізі для радіальних в плані басейнів стоку в 2/(2-n) раз більша за відповідну витрату для лінійних басейнів та на 55-80переважає розрахункову витрату, визначену за основним діючим в Україні нормативним документом СНиП 2.04.03-85.

4. Виконаний чисельний експеримент з моделювання поверхневого стоку з прямокутних в плані басейнів стоку підтвердив обгрунтованість запропонованої радіальної моделі, а також показав, що гідрографи для прямокутних басейнів стоку є проміжними між гідрографами для лінійної та радіальної моделей, але на відміну від них складаються з 5 характерних етапів.

5. У математичній моделі концентрації поверхневого стоку для дощів постійної в часі інтенсивності та лінійних в плані басейнів стоку враховано збільшення швидкості течії поверхневого стоку по довжині басейна. Отримано уточненні розрахункові формули для визначення витрат дощових вод та розрахункового часу дощу для даних характеристик басейну стоку та дощу.

6. Для врахування  зміни напору витікання, при визначенні регулювального об’єму ЗАСВ, введено теоретично обґрунтований коефіцієнт b, який чисельно характеризує зміну пропускної здатності відвідного трубопроводу в процесі наповнення ЗАСВ.

7. Уточнено розрахункову формулу для визначення коефіцієнта регулювального об’єму ЗАСВ Крег як функції початкового коефіцієнта регулювання о, коефіцієнта зміни напору b, безрозмірної тривалості дощу xд для n=0,71, що відповідає кліматичним умовам рівнинних областей України. Аналогічно отримано узагальнену розрахункову формулу коефіцієнта регулювального об’єму Крег як функції о, b, xд та показника степеня z, для дощів постійної в часі інтенсивності при врахуванні змінної швидкості притоку по довжині басейну.

8. Експериментальні дослідження на фізичній моделі ЗАСВ показали, що при значеннях початкового коефіцієнта регулювання о?0,5 розбіжність між результатами чисельного та фізичного експериментів не перевищує 7,5що підтверджує достовірність запропонованих методів визначення регулювального об’єму ЗАСВ для дощів постійної в часі інтенсивності та лінійних в плані басейнів стоку.

9. Удосконалено методи гідравлічного розрахунку регулювального об’єму ЗАСВ з врахуванням конфігурації басейна каналізування в плані, закону зміни інтенсивності випадання дощу, та змінної швидкості течії поверхневого стоку. Практичне значення мають отримані узагальнені залежності для визначення коефіцієнта регулювального об’єму ЗАСВ для лінійної та радіальної моделей концентрації поверхневого стоку, які рекомендуються до використання в практиці проектування ЗАСВ.

10. Виконаний аналіз техніко-економічної ефективності влаштування на дощовій водовідвідній мережі ЗАСВ регулювального типу дозволяє в кожному конкретному випадку знайти оптимальне зменшення діаметра ділянок водовідвідної мережі вниз за течією від збірника.

11. Результати дисертаційної роботи знайшли промислове впровадження в Буському міському водопровідно-каналізаційному підприємстві та в ТзОВ “Трускавецький водоканал”.

Список опублікованих праць

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.  

12.

АНоТАЦІЯ

Вовк Л.І. Удосконалення методів гідравлічного розрахунку збірників атмосферних стічних вод. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 – гідравліка та інженерна гідрологія. – Національний університет водного господарства та природокористування, Рівне, 2007.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі забезпечення надійності роботи дощової водовідвідної мережі та збірників атмосферних стічних вод.

Отримано теоретично обґрунтовані і експериментально підтверджені удосконалені методики гідравлічного розрахунку максимальної витрати дощових вод та регулювального об’єму ЗАСВ з врахуванням конфігурації басейна каналізування в плані, закону зміни інтенсивності випадання дощу та змінної швидкості течії поверхневого стоку. Запропоновано коефіцієнт зміни напору b, який враховує змінний напір витікання з регулювального резервуара. Встановлено техніко-економічний критерій влаштування ЗАСВ.

Результати роботи впроваджені на підприємствах водопровідно-каналізаційних господарств м. Трускавець та м. Буськ Львівської області.

Ключові слова: збірник атмосферних стічних вод, гідрограф притоку, коефіцієнт регулювального об’єму.

АНHоТАЦИЯ

Вовк Л.И. Усовершенствование методов гидравлического| расчета| сборников| атмосферных сточных вод. – Рукопись.

Диссертация на соискание| ученой| степени| кандидата технических| наук по специальности| 05.23.16 – гидравлика| и инженерная| гидрология|. – Национальный университет| водного хозяйства и природопользования|, Ровно, 2007.

В диссертационной работе решена научно-практическая задача, которая|какая| заключается в совершенствовании методов гидравлического расчета сборников атмосферных сточных вод (CАСВ)| с учетом закона изменения|смены| интенсивности дождя, особенностей бассейна| канализирования в условиях городской застройки, конструктивных параметров CАСВ| и отводного трубопровода, что подтверждается результатами численных и физических экспериментов.

Предложена радиальная модель концентрации поверхностного стока, для которой|какой| получен гидрограф притока| дождевых вод, качественно и количественно отличающийся от гидрографов, построенных по известным моделям.

Выполнен|исполнен,проделан| численный эксперимент по|с| моделированию поверхностного стока из|с| прямоугольных в плане бассейнов стока. Разработана математическая модель концентрации поверхностного стока для дождей постоянной во времени интенсивности и линейных в плане бассейнов стока с учетом увеличения скорости течения поверхностного стока по длине бассейна, получены теоретически обоснованные зависимости для расчета гидрографа притока.

Введен теоретически обоснованный безразмерный коэффициент изменения|смены| напора b, который|какой| численно характеризует изменение|смену| пропускной способности отводного трубопровода в процессе наполнения CАСВ|.

Разработана компьютерная программа для определения коэффициента регулировочного объема CАСВ| Крег как функции начального коэффициента регулирования aо, коэффициента изменения|смены| напора b, безразмерной длительности дождя xд и показателя степени n для дождей со степенным нисходящим законом изменения|смены| интенсивности. Получена расчетная формула для n=0,71, что соответствует климатическим условиям равнинных областей Украины. Аналогично получен массив значений коэффициента регулировочного объема Крег как функции aо, b, xд и показателя степени z, для дождей постоянной во времени интенсивности при учете переменной|изменяемой,меняющейся,обменной,сменной| скорости поверхностного потока.

Спроектирована и смонтирована опытная установка – физическая модель CАСВ| с отводным трубопроводом. Экспериментальные исследования на физической модели CАСВ| выполнялись|исполнялись| с целью верификации разработанной математической модели концентрации поверхностного стока для дождей постоянной во времени интенсивности для линейных бассейнов стока при учете переменной|изменяемой,меняющейся,обменной,сменной| скорости течения поверхностного стока. При значениях начального коэффициента регулирования aо < ,5 расхождение|расхождение| между результатами численного и физического экспериментов не превышает 7,5что подтверждает достоверность предложенной методики определения регулировочного объема CАСВ|.

Выполнен|исполнен,проделан| также анализ технико-экономической эффективности строительства САСВ на дождевых водоотводящих сетях CАСВ|.

Ключевые слова: сборник атмосферных сточных вод, гидрограф притока, коэффициент регулировочного объема.

annotation

Vovk L.I. Improvement of the methods of hydraulic calculation of the storm-water storage tanks . – Manuscript.

Thesis for academic degree of candidate of technical science of speciality 05.23.16 – hydraulics and engineering hydrology. – National university of water management and nature resources use, Rivne, 2007.

Thesis are devoted ещ the decision of actual scientific-practical task of providing the reliable work of rain sewerage and storm-water storage tanks (SWST).

In the thesis are described improvement of the hydraulic calculation methods of the maximal storm-waters inflow and of the regulative volume of the storm-water storage tanks depending on the scheme of the run-off concentration, the law of rainfall intensity, the variable speed of the surface flow, the endurance of the rain. These methods are theoretically substantiated and were experimentally verified.

The new dimensionless coefficient is introduced - coefficient of the variable head. Physical model of the storm-water storage tank with the outlet duct was projected and installed. The experimental investigation of the regulative volume verified the results of the numerical solutions. The analysis of technical and economic efficiency of construction of the storm water storage tanks is fulfilled also.

The results of investigation were adopted on water and sewerage