Vattenförsörjningsnät - Water supply network
Ett vattenförsörjningsnät eller vattenförsörjningssystem är ett system av konstruerade hydrologiska och hydrauliska komponenter som tillhandahåller vattenförsörjning . Ett vattenförsörjningssystem innehåller vanligtvis följande:
- Ett dräneringsbassäng (se vattenrening - dricksvattenkällor )
- En råvattenuppsamlingspunkt (över eller under marken) där vattnet ackumuleras, till exempel en sjö , en flod eller grundvatten från en underjordisk akvifer . Råvatten kan överföras med användning av otäckta marknära akvedukter , säkerställda tunnlar eller underjordiska vattenledningarna till vattenreningsfaciliteter.
- Vattenreningsanläggningar . Behandlat vatten överförs med hjälp av vattenledningar (vanligtvis under jord).
- Vattenlagringsanläggningar som reservoarer , vattentankar eller vattentorn . Mindre vattensystem kan lagra vattnet i cisterner eller tryckkärl . Höga byggnader kan också behöva lagra vatten lokalt i tryckkärl för att vattnet ska nå de övre våningarna.
- Ytterligare vattentryckskomponenter som pumpstationer kan behöva placeras vid utloppet av underjordiska eller ovanjordiska reservoarer eller cisterner (om tyngdkraftsflödet är opraktiskt).
- Ett ledningsnät för distribution av vatten till konsumenter (som kan vara privata hus eller industriella, kommersiella eller institutionella anläggningar) och andra användningsställen (t.ex. brandposter )
- Anslutningar till avlopp (underjordiska rör eller dike över marken i vissa utvecklingsländer) finns i allmänhet nedströms vattenkonsumenterna, men avloppssystemet anses vara ett separat system, snarare än en del av vattenförsörjningssystemet.
Vattenförsörjningsnät drivs ofta av allmänna företag inom vattenindustrin .
Vattenuttag och råvattenöverföring
{ {Huvud | Vatten abstraktion}} Råvatten (obehandlad) är colWDWEDWEFGWERFGEElec; LKDFLOPIEJTFIJQWEOFKWP; RJFE [Q'EPDLKWPEOJPQ; ODPWIRJFOLEJRFW Bold te xt ted från en ytvattenkälla (såsom ett intag på en sjö eller en flod ) eller från en grundvatten källa (t.ex. en vattenbrunn som hämtas från en underjordisk akvifer ) inom vattendelen som tillhandahåller vattenresursen .
Råvattnet överförs till vattenreningsanläggningarna med hjälp av otäckta vattenledningar, täckta tunnlar eller underjordiska vattenledningar .
Vattenbehandling
Nästan alla stora system måste behandla vattnet; ett faktum som är hårt reglerat av globala, statliga och federala myndigheter, till exempel Världshälsoorganisationen (WHO) eller United States Environmental Protection Agency (EPA). Vattenrening måste ske innan produkten når konsumenten och efteråt (när den laddas ur igen). Vattenrening sker vanligtvis nära de slutliga leveranspunkterna för att minska pumpkostnaderna och chansen att vattnet blir förorenat efter behandling.
Traditionella ytvattenbehandlingsanläggningar består i allmänhet av tre steg: förtydligande, filtrering och desinfektion. Förtydligande avser separering av partiklar (smuts, organiskt material, etc.) från vattenströmmen. Kemisk tillsats (dvs. alun, järnklorid) destabiliserar partikelladdningarna och förbereder dem för klarning antingen genom att de lägger sig eller flyter ut ur vattenströmmen. Sand-, antracit- eller aktivt kolfilter förfinar vattenströmmen och tar bort mindre partiklar. Medan andra desinfektionsmetoder finns, är den föredragna metoden via klortillsats. Klor dödar effektivt bakterier och de flesta virus och behåller en rest för att skydda vattentillförseln via försörjningsnätet.
Vattendistributionsnät
Produkten, levererad till förbrukningspunkten, kallas dricksvatten om den uppfyller de vattenkvalitetsstandarder som krävs för livsmedel.
Vattnet i försörjningsnätet hålls under positivt tryck för att säkerställa att vatten når alla delar av nätet, att ett tillräckligt flöde finns tillgängligt vid varje startpunkt och för att säkerställa att obehandlat vatten i marken inte kan komma in i nätet. Vattnet sätts normalt under tryck genom att pumpa vattnet i lagringstankar som är konstruerade vid den högsta lokala punkten i nätverket. Ett nät kan ha flera sådana servicereservoarer .
I små hushållssystem kan vattnet sättas under tryck av ett tryckkärl eller till och med av en underjordisk cistern (den senare behöver dock ytterligare trycksättning). Detta eliminerar behovet av ett vattentorn eller någon annan förhöjd vattenreserv för att leverera vattentrycket.
Dessa system ägs och underhålls vanligtvis av lokala myndigheter, till exempel städer eller andra offentliga enheter, men drivs ibland av ett kommersiellt företag (se vattenprivatisering ). Vattenförsörjningsnät är en del av huvudplaneringen av samhällen, län och kommuner. Deras planering och utformning kräver expertis från stadsplanerare och civilingenjörer , som måste beakta många faktorer, till exempel plats, nuvarande efterfrågan, framtida tillväxt, läckage, tryck, rörstorlek, tryckförlust, brandströmmar, etc. - med hjälp av rörnät analys och andra verktyg.
När vatten passerar genom distributionssystemet kan vattenkvaliteten försämras genom kemiska reaktioner och biologiska processer. Korrosion av metallrörsmaterial i distributionssystemet kan orsaka utsläpp av metaller i vattnet med oönskade estetiska och hälsoeffekter. Utsläpp av järn från ofoljerade järnrör kan resultera i kundrapporter om "rött vatten" vid kranen. Släpp av koppar från kopparrör kan resultera i kundrapporter om "blått vatten" och/eller metallsmak. Frisättning av bly kan ske från lod används för att förbinda kopparröret tillsammans eller från mässing fixturer . Koppar och blyhalter vid konsumentens kran regleras för att skydda konsumenternas hälsa.
Verktyg kommer ofta att justera vattnets kemi före distribution för att minimera dess korrosivitet. Den enklaste justeringen innebär kontroll av pH och alkalinitet för att producera ett vatten som tenderar att passivera korrosion genom att avsätta ett lager av kalciumkarbonat . Korrosionshämmare tillsätts ofta för att minska utsläpp av metaller i vattnet. Vanliga korrosionshämmare som tillsätts i vattnet är fosfater och silikater .
Underhåll av ett biologiskt säkert dricksvatten är ett annat mål för vattendistribution. Vanligtvis tillsätts ett klorbaserat desinfektionsmedel , såsom natriumhypoklorit eller monokloramin, till vattnet när det lämnar reningsverket. Boosterstationer kan placeras i distributionssystemet för att säkerställa att alla delar av distributionssystemet har tillräcklig långvarig desinfektion .
Topologier
Som elektriska kraftledningar, vägar och mikrovågsugn radionät, kan vattensystem har en slinga eller gren nätverkstopologi, eller en kombination av båda. Ledningsnäten är cirkulära eller rektangulära. Om någon del av vattendistributionsledningen misslyckas eller behöver repareras, kan den sektionen isoleras utan att störa alla användare i nätverket.
De flesta system är indelade i zoner. Faktorer som bestämmer omfattningen eller storleken på en zon kan innefatta hydraulik, telemetrisystem , historia och befolkningstäthet. Ibland är system utformade för ett specifikt område sedan modifierade för att rymma utveckling. Terräng påverkar hydraulik och vissa former av telemetri. Även om varje zon kan fungera som ett fristående system, finns det vanligtvis ett arrangemang för att sammankoppla zoner för att hantera utrustningsfel eller systemfel.
Underhåll av vattennät
Vattenförsörjningsnät representerar vanligtvis majoriteten av tillgångarna i ett vattenföretag. Systematisk dokumentation av underhållsarbeten med hjälp av ett datoriserat underhållshanteringssystem (CMMS) är nyckeln till en framgångsrik drift av ett vattenföretag.
Hållbar vattenförsörjning i städerna
Ett hållbart stadsnät för vattenförsörjning täcker alla aktiviteter som rör dricksvattenförsörjning . Hållbar utveckling är av allt större betydelse för vattenförsörjningen till tätorter. Att införliva innovativ vattenteknik i vattenförsörjningssystem förbättrar vattenförsörjningen ur hållbara perspektiv. Utvecklingen av innovativ vattenteknik ger vattenförsörjningssystemet flexibilitet och skapar ett grundläggande och effektivt hållbarhetsmedel baserat på en integrerad strategi för verkliga alternativ .
Vatten är en viktig naturresurs för människans existens. Det behövs i varje industriell och naturlig process, det används till exempel för oljeraffinering , för vätske-vätskeextraktion i hydro-metallurgiska processer, för kylning, för att skrubba i järn- och stålindustrin och för flera livsmedelsoperationer bearbetningsanläggningar .
Det är nödvändigt att anta ett nytt tillvägagångssätt för att utforma urbana vattenförsörjningsnät. vattenbrist förväntas under de kommande årtiondena och miljöbestämmelserna för vattenutnyttjande och avloppsvatten blir allt hårdare.
För att uppnå ett hållbart vattenförsörjningsnät behöver nya vattenkällor utvecklas och minska miljöföroreningar.
Priset på vatten ökar, så mindre vatten måste slösas bort och åtgärder måste vidtas för att förhindra läckage av rörledningar. Att stänga av leverantörstjänsten för att åtgärda läckor tolereras allt mindre av konsumenterna. Ett hållbart vattenförsörjningsnät måste övervaka sötvattenförbrukningshastigheten och avloppsvattnet.
Många av de urbana vattenförsörjningsnäten i utvecklingsländer har problem relaterade till befolkningsökning , vattenbrist och miljöföroreningar .
Befolkningstillväxt
År 1900 bodde bara 13% av världens befolkning i städer. År 2005 bodde 49% av världens befolkning i tätorter. År 2030 förutses att denna statistik kommer att stiga till 60%. Försök att utöka vattenförsörjningen av regeringar är kostsamma och ofta inte tillräckligt. Byggandet av nya olagliga bosättningar gör det svårt att kartlägga och göra anslutningar till vattenförsörjningen och leder till otillräcklig vattenhantering. År 2002 fanns det 158 miljoner människor med otillräcklig vattenförsörjning . Allt fler människor bor i slummen , under otillräckliga sanitära förhållanden, och riskerar därför att bli sjuk .
Vattenbrist
Dricksvatten är inte bra fördelat i världen. 1,8 miljoner dödsfall tillskrivs osäkra vattenförsörjningar varje år, enligt WHO . Många människor har inte tillgång, eller har inte tillgång till kvalitet och kvantitet av dricksvatten, även om själva vattnet är rikligt. Fattiga människor i utvecklingsländer kan vara nära stora floder eller befinna sig i områden med mycket regn, men har inte tillgång till dricksvatten alls. Det finns också människor som lever där brist på vatten skapar miljontals dödsfall varje år.
Där vattenförsörjningssystemet inte kan nå slummen, lyckas människor använda handpumpar , för att nå gropbrunnar, floder , kanaler , träsk och andra vattenkällor. I de flesta fall är vattenkvaliteten olämplig som livsmedel. Den främsta orsaken till vattenbrist är ökad efterfrågan. Vatten tas från avlägsna områden för att tillgodose behoven i stadsområden. En annan orsak till vattenbrist är klimatförändringarna : nederbördsmönstren har förändrats; floder har minskat sitt flöde; sjöar torkar ut; och akviferer töms.
Statliga frågor
I utvecklingsländer är många regeringar korrupta och fattiga och de svarar på dessa problem med ofta ändrade policyer och otydliga avtal. Vattenbehovet överstiger utbudet, och hushålls- och industriella vattenförsörjningar prioriteras framför andra användningsområden, vilket leder till vattenstress . Dricksvatten har ett pris på marknaden; vatten blir ofta ett företag för privata företag, som tjänar en vinst genom att sätta ett högre pris på vatten, vilket utgör ett hinder för personer med lägre inkomst. De Millenniemålen föreslå förändringar som krävs.
Mål 6 i FN: s mål för hållbar utveckling är att "säkerställa tillgänglighet och hållbar hantering av vatten och sanitet för alla". Detta är ett erkännande av den mänskliga rätten till vatten och sanitet, som formellt erkändes på FN: s generalförsamling 2010, att "rent dricksvatten och sanitet är avgörande för erkännandet av alla mänskliga rättigheter". I hållbar vattenförsörjning ingår att säkerställa tillgänglighet, tillgänglighet, prisvärdhet och kvalitet på vatten för alla individer.
I avancerade ekonomier handlar problemen om att optimera befintliga försörjningsnät. Dessa ekonomier har vanligtvis haft en fortsatt utveckling, vilket gjorde det möjligt för dem att bygga infrastruktur för att leverera vatten till människor. Den Europeiska unionen har utvecklat en uppsättning regler och strategier för att övervinna förväntade framtida problem.
Det finns många internationella dokument med intressanta, men inte särskilt specifika, idéer och därför genomförs de inte i praktiken. Rekommendationer har gjorts av FN , till exempel Dublin -uttalandet om vatten och hållbar utveckling .
Optimering av vattenförsörjningsnätet
Avkastningen för ett system kan mätas antingen med dess värde eller dess nettofördel. För ett vattenförsörjningssystem är det verkliga värdet eller nettofördelen en pålitlig vattenförsörjningstjänst med tillräcklig mängd och god kvalitet på produkten. Till exempel, om den befintliga vattentillförseln i en stad måste utökas till att försörja en ny kommun , måste effekten av den nya grenen av systemet utformas för att tillgodose de nya behoven, samtidigt som försörjningen till det gamla systemet bibehålls.
Enstaka måloptimering
Utformningen av ett system styrs av flera kriterier, varav ett är kostnad. Om fördelen är fast , resulterar den lägsta kostnadsdesignen i maximal nytta. Men metoden med lägsta kostnad leder normalt till en minimikapacitet för ett vattenförsörjningsnät. En lägsta kostnadsmodell söker vanligtvis efter den billigaste lösningen (i rörstorlekar), samtidigt som den uppfyller de hydrauliska begränsningarna som: erforderliga utgångstryck, maximal rörflödeshastighet och rörflödeshastigheter. Kostnaden är en funktion av rördiametrar; därför består optimeringsproblemet av att hitta en minimikostnadslösning genom att optimera rörstorlekar för att ge minsta acceptabla kapacitet.
Multimålsoptimering
Men enligt författarna till artikeln ”Metod för optimering av design och rehabilitering av vattenfördelningssystem” är ”minst kapacitet inte en önskvärd lösning på ett hållbart vattenförsörjningsnät på lång sikt, på grund av osäkerheten i framtida efterfrågan ”. Det är att föredra att tillhandahålla extra rörkapacitet för att klara oväntad efterfrågetillväxt och vattenavbrott. Problemet ändras från ett enda objektivt optimeringsproblem (minimering av kostnader), till ett problem med flera måls optimering (minimering av kostnad och maximering av flödeskapacitet).
Vägd summetod
För att lösa ett flerobjektoptimeringsproblem är det nödvändigt att omvandla problemet till ett enda objektivt optimeringsproblem genom att använda justeringar, till exempel en vägd summa mål , eller en ε-begränsningsmetod. Metoden med vägd summa ger en viss vikt åt de olika målen, och sedan faktorer i alla dessa vikter för att bilda en enda objektivfunktion som kan lösas genom enfaktoroptimering. Denna metod är inte helt tillfredsställande, eftersom vikterna inte kan väljas korrekt, så detta tillvägagångssätt kan inte hitta den optimala lösningen för alla de ursprungliga målen.
Begränsningsmetoden
Det andra tillvägagångssättet (begränsningsmetoden), väljer en av objektivfunktionerna som det enda målet, och de andra objektivfunktionerna behandlas som begränsningar med ett begränsat värde. Den optimala lösningen beror dock på de fördefinierade begränsningsgränserna.
Känslighetsanalys
De multipla objektiva optimeringsproblemen innebär att beräkna avvägningen mellan kostnaderna och fördelarna, vilket resulterar i en uppsättning lösningar som kan användas för känslighetsanalys och testas i olika scenarier. Men det finns ingen enda optimal lösning som kommer att tillfredsställa den globala optimaliteten för båda målen. Eftersom båda målen till viss del är motsägelsefulla är det inte möjligt att förbättra det ena målet utan att offra det andra. Det är nödvändigt att i vissa fall använda ett annat tillvägagångssätt. (t.ex. Pareto Analysis ) och välj den bästa kombinationen.
Operativa begränsningar
När vi återgår till kostnadsobjektets funktion kan den inte bryta mot någon av de operativa begränsningarna. I allmänhet domineras denna kostnad av energikostnaden för pumpning. "Driftsbegränsningarna inkluderar standarderna för kundservice , t.ex. oss: det lägsta avgivna trycket, förutom de fysiska begränsningarna som oss, högsta och lägsta vattennivå i lagertankar för att förhindra överhoppning och tömning."
För att optimera vattenförsörjningsnätets driftsprestanda, samtidigt som energikostnaderna minimeras, är det nödvändigt att förutsäga konsekvenserna av olika pump- och ventilinställningar för nätets beteende.
Förutom linjär och icke-linjär programmering finns det andra metoder och metoder för att designa, hantera och driva ett vattenförsörjningsnät för att uppnå hållbarhet-till exempel antagande av lämplig teknik i kombination med effektiva strategier för drift och underhåll. Dessa strategier måste inkludera effektiva förvaltningsmodeller, tekniskt stöd till hushållen och industrier, hållbara finansieringsmekanismer och utveckling av pålitliga leveranskedjor . Alla dessa åtgärder måste säkerställa följande: systemets livslängd; underhållscykel; kontinuitet i funktionen; stilleståndstid för reparationer; vattenutbyte och vattenkvalitet.
Hållbar utveckling
I ett ohållbart system finns det otillräckligt underhåll av vattennäten, särskilt i de större ledningarna i tätorter. Systemet försämras och behöver sedan rehabilitering eller förnyelse.
Hushåll och avloppsreningsverk kan både göra vattenförsörjningsnäten mer effektiva och hållbara. Stora förbättringar av ekoeffektiviteten uppnås genom systematisk separation av nederbörd och avloppsvatten. Membranteknik kan användas för återvinning av avloppsvatten.
Kommunstyrelsen kan utveckla ett ”Municipal Water Reuse System” som är en aktuell metod för att hantera regnvattnet. Den tillämpar ett system för återanvändning av vatten för renat avloppsvatten, i kommunal skala, för att tillhandahålla icke-dricksvatten för industri, hushåll och kommunala ändamål. Denna teknik består i att separera urin bråkdel av sanitets avloppsvatten, och samla det för återvinning sina näringsämnen . Den avföring och graywater fraktionen samlas, tillsammans med organiskt avfall från hushåll, med användning av ett gravitations avloppssystem , kontinuerligt spolas med annat vatten än dricksvatten. Vattnet behandlas anaerobt och biogasen används för energiproduktion .
Den hållbart vattenförsörjning är ett integrerat system innefattande vattenintag, vattenutnyttjande, urladdning avloppsvatten och behandling och vatten miljöskydd . Det kräver minskad användning av sötvatten och grundvatten inom alla förbrukningssektorer. Att utveckla hållbara vattenförsörjningssystem är en växande trend, eftersom det tjänar människors långsiktiga intressen. Det finns flera sätt att återanvända och återvinna vattnet, för att uppnå långsiktig hållbarhet, t.ex. oss:
- Återanvändning och behandling av grått vatten : grått vatten är avloppsvatten från bad , duschar , handfat och handfat . Om detta vatten behandlas kan det användas som vattenkälla för andra ändamål än att dricka. Beroende på typen av grått vatten och dess behandlingsnivå kan det återanvändas för bevattning och toalettspolning. Enligt en undersökning om effekterna av återanvändning av inhemskt gråvatten på folkhälsan, som utfördes av New South Wales Health Center i Australien år 2000, innehåller grått vatten mindre kväve och fekala patogena organismer än avloppsvatten och det organiska innehållet av grått vatten sönderfaller snabbare.
- Ekologiska behandlingssystem använder lite energi: det finns många applikationer för återanvändning av gråvatten, till exempel oss vassbäddar , markreningssystem och växtfilter. Denna process är idealisk för återanvändning av gråvatten på grund av enklare underhåll och högre avlägsnande av organiskt material, ammoniak , kväve och fosfor .
Andra möjliga tillvägagångssätt för omfattande modeller för vattenförsörjning, tillämpliga på alla stadsområden, inkluderar följande:
- Hållbart dräneringssystem
- Extrahering av borrhål
- Intercluster grundvattenflöde
- Kanal- och floduttag
- Lagring av vattendrag
- En mer användarvänlig inomhusvattenanvändning
Den Dublin uttalande om vatten och hållbar utveckling är ett bra exempel på den nya trenden att lösa problem vattenförsörjning. Detta uttalande, som föreslagits av avancerade ekonomier, har kommit med några principer som har stor betydelse för stadens vattenförsörjning. Dessa är:
- Färskvatten är en begränsad och sårbar resurs, avgörande för att upprätthålla liv, utveckling och miljö.
- Vattenutveckling och -hantering bör baseras på ett deltagande tillvägagångssätt som involverar användare, planerare och beslutsfattare på alla nivåer.
- Kvinnor spelar en central roll i tillhandahållande, hantering och skydd av vatten. Institutionella arrangemang bör återspegla kvinnors roll när det gäller vattenförsörjning och skydd.
- Vatten har ett ekonomiskt värde i alla konkurrerande användningsområden och bör erkännas som en ekonomisk nytta.
Från dessa uttalanden, som utvecklats i 1992 har flera strategier skapats för att ge betydelse för vatten och för att flytta stads vattensystemet management mot en hållbar utveckling. I ramdirektivet för vatten från EU-kommissionen är ett bra exempel på vad som skapats där av tidigare politik.
Framtida tillvägagångssätt
Det finns ett stort behov av ett mer hållbart vattenförsörjningssystem. För att uppnå hållbarhet måste flera faktorer hanteras samtidigt: klimatförändringar, stigande energikostnader och ökande befolkning. Alla dessa faktorer framkallar förändringar och sätter press på hanteringen av tillgängliga vattenresurser.
Ett hinder för att omvandla konventionella vattenförsörjningssystem är den tid som krävs för att uppnå transformationen. Mer specifikt måste transformationen genomföras av kommunala lagstiftningsorgan , som också alltid behöver kortsiktiga lösningar. Ett annat hinder för att uppnå hållbarhet i vattenförsörjningssystem är otillräcklig praktisk erfarenhet av den teknik som krävs och det saknade kunnandet om organisationen och övergångsprocessen.
Möjliga sätt att förbättra denna situation är att simulera nätverket, genomföra pilotprojekt , lära av kostnaderna och de uppnådda fördelarna.
Se även
- Akvedukt
- Civilingenjör
- Ledningens vattenkraft
- Hushållsvattensystem
- Hardy Cross -metod
- Hydrologisk optimering
- Hydrologi
- Infrastruktur
- VVS
- Flod
- Kranvatten
- Vatten