Prof. dr. sc. Živko Vuković, dipl. ing. građ.
OPSKRBA VODOM I ODVODNJA I.
ZAGREB, siječanj 2012.
1
2
3
4
Ova blistava voda što teče brzacima i rijekama nije samo voda, već krv naših predaka. Ako vam prodamo zemlju, morate se sjetiti da je ova voda sveta morate reći svojoj djeci da je sveta, sveta, sveta da svaki odraz u blistavom jezeru kazuje događaje i uspomene iz života moga naroda. Žubor vode glas je oca moga oca. (Poglavica Seattlea, 1854)
1. OPSKRBA VODOM 1.1. UVOD
Opskrba vodom, vodoopskrba ili vodovod je sustav objekata i mjera za osiguranje potreba vodom raznih potrošača.
Među mnogim granama suvremene tehnike usmjerenih na povećanje životnog standarda, urbanizaciju naselja i razvoj industrije, vodoopskrba zauzima istaknuto mjesto. Opskrba stanovništva čistom (kvalitetnom) vodom ima prvenstveno veliku higijensku važnost, jer štiti ljude od raznih oboljenja koja se prenose vodom. 5
Osiguranjem i dovođenjem dovoljne količine vode u naseljeno mjesto omogućuje se podizanje općeg životnog standarda čovjeka i uređenje njegovog okoliša. Potrošnja vode utoliko je veća ukoliko je voda dostupnija. Da bi se zadovoljile potrebe suvremenih višemilijunskih gradova, gradova potrebne su znatne količine vode, koje se dnevno mjere milijunima kubnih metara. Radi osiguranja potrebne količine vode, kao i visoke zdravstvene (sanitarne) kvalitete pitke vode, naročita pažnja se posvećuje izboru prirodnih izvorišta, izvorišta njihovoj zaštiti od zagađenja, te eventualnoj potrebi poboljšanja kvalitete vode (kondicioniranja vode) na vodovodnim uređajima. uređajima
6
Danas je u svijetu zdrave i čiste vode sve manje, uglavnom zbog kontinuiranog zagađivanja. S druge strane, sve je veća potražnja i potrošnja novih količina vode, zbog povećanja broja stanovnika i k kapaciteta it t industrije, i d t ij poljoprivrede, lj i d energetike tik i dr. d Za definiranje potrebnih količina vode neophodno je što potpunije uzimanje u obzir svih mogućih potrošača (pa i samih gubitaka vode iz vodoopskrbne mreže), koji vodu troše za najrazličitije potrebe. Međutim, pretežni se dio potrošnje vode može svesti na tri naredne kategorije: (1) potrošnja vode za kućanske potrebe (opskrbu stanovništva) (2) potrošnja t š j vode d za industrijske i d t ij k (tehnološke) (t h l šk ) potrebe t b (3) potrošnja vode za (3a) gašenje požara i (3b) vlastite potrebe vodovoda (1) Potrošnja vode za kućanske potrebe obuhvaća utrošak vode koja se koristi za podmirenje životnih potreba stanovništva: piće, pripremu hrane (kuhanje), proizvodnju namirnica, pranje rublja i posuđa, održavanje osobe higijene i stana, zalijevanje vrtova i sl., kao i potrošnju vode koja se koristi u komunalne svrhe: pranje ulica i dvorišta, polijevanje parkova i travnjaka te sitnu industriju, zanatstvo i javne ustanove. Potrošnja vode kod ove kategorije potrošača ovisi o nizu činilaca, od kojih su najutjecajniji: (a) klimatski uvjeti, (b) životni standard i mentalitet potrošača, (c) aktivnost stanovništva, (d) cijena vode, (e) postojanje kanalizacije, kanalizacije (f) kvaliteta i količina vode, vode (g) osobine vodoopskrbnog sustava i (h) mjerenje vode i gubici.
7
(2) Potrošnja vode za industrijske potrebe odnosi se na potrošnju vode u industrijskim pogonima (kao sirovina za izradu raznih proizvoda, proizvodnju i kondenzaciju vodene pare, hlađenje, ispiranje i sl.), za transport t t te t u energetici, ti i poljoprivredi lj i di itd. itd Udio industrije u ukupnoj potrošnji vode kod visoko razvijenih zemalja je dominantna i, općenito možemo reći, raste s razvojem zemlje, regije ili grada. (3a) Potrošnja vode za gašenje požara sastoji se od požarnih količina vode koje se u svijetu tretiraju j ili više s velikim mjerama j opreza p različito,, manje zbog značaja ovog problema u pogledu zaštite ljudskih života i materijalnih dobara. (3b) Potrošnja vode za vlastite potrebe vodovoda odnosi se na potrošnju potrošnj vode ode poduzeća pod eća koje upravlja vodovodom (vodoopskrbnim sustavom) i to za potrebe održavanja tehnološkog procesa kondicioniranja vode, kao i cjelokupnog sustava. U praksi ne postoje normativi koji propisuju ove količine, već se one određuju sukladno primijenjenoj tehnologiji kondicioniranja vode i p sustava,, ili se koriste osobinama vodoopskrbnih iskustva sa sličnih sustava.
Svaka od navedenih kategorija potrošača ima posebne zahtjeve u pogledu vodenih količina količina, kvalitete i režima potrošnje, koje kod rješavanja vodoopskrbe treba detaljno razmotriti.
8
Tako npr. zahtjevi koji se postavljaju u smislu kvalitete vode ovise od karaktera njenog korištenja. Vodi koju stanovništvo troši za piće postavljaju se u prvom redu zahtjevi sanitarnog karaktera, jer j za zdravlje, j tj.j ne smije j sadržavati p patogene g mikroorganizme, g takova voda mora biti neškodljiva mora biti bistra i bez boje i mirisa. Kod industrijskih poduzeća o količini i kvaliteti korištene vode, te organizaciji vodoopskrbe, u znatnoj mjeri ovisi kvaliteta i cijena proizvoda. Time pravilna organizacija opskrbe vodom industrijskih poduzeća ima i veliki ekonomski značaj. značaj Pretežan dio ove kategorije potrošača (npr. termoelektrane, željezare, rafinerije nafte) obično ne postavljaju visoke zahtjeve u pogledu kvalitete vode. Za gašenje požara se može koristiti praktički voda bilo koje kvalitete. kvalitete Sve ove činjenice ukazuju na osjetnu složenost rješavanja vodoopskrbe, odnosno njezin prioritet kao vodnogospodarske grane. 9
1.2. VODOOPSKRBNI SUSTAVI Vodoopskrbni sustav je sustav objekata i mjera povezanih u j s osnovnim ciljem j osiguranja g j dovoljne j količine funkcionalnu cjelinu kvalitetne vode na što ekonomičniji način.
Vodoopskrbni sustav, slika 1.2::01, čine sljedeće glavne grupe objekata: (1) vodozahvati, kojima se voda zahvaća (kaptira) iz prirodnih izvorišta; (2) crpne stanice t i ( (pumpne stanice), t i ) kojima k ji se voda d crpii i potiskuje ti k j ili od d izvorišta i išt do d mjesta j t kondicioniranja, spremanja, potrošnje i sl., ili između pojedinih objekata vodoopskrbnog sustava; ((3)) uređajij za kondicioniranje j vode,, kojima j se p postiže zahtijevana j kvaliteta vode;; (4) vodospreme (rezervoari), koje imaju ulogu regulacijskih i pospremnih objekata u sustavu vodoopskrbe; ((5)) glavna g ((magistralna) g ) i razdjelna j ((distributivna)) vodoopskrbna p ili vodovodna mreža,, s p pratećim objektima, kojima se voda transportira između pojedinih objekata vodoopskrbnog sustava (glavna mreža) i distribuira potrošačima (razdjelna mreža). 10
Cjevovodi glavne mreže mogu biti dovodni (između izvorišta i uređaja za kondicioniranje vode ili između uređaja i vodospreme) i opskrbni (između vodospreme i naselja, odnosno distributivne mreže) te dovodno – opskrbni (za slučaj vodoopskrbnog sustava s protuvodospremom mreže), (kontrarezervoarom).
Slika 1.2::01 Definicijska shema vodoopskrbnog sustava 1 - vodozahvat; 2(a) ( ) – niskotlačna crpna p stanica; 2(b) ( ) – visokotlačna crpna p stanica; 3 - uređajj za kondicioniranje j vode; 4 - sabirni bazen; 5(a) – glavni dovodni cjevovod; 5(b) – glavni opskrbni cjevovod; 6 – vodosprema; 7- razdjelna mreža; 8 – potrošači; 9 – linija hidrostatičkog tlaka; 10 – linija hidrodinamičkog ili pogonskog tlaka
11
Slika 1.2::01 je načelnog karaktera, tako da u konkretnom slučaju (ovisno o visinskom položaju vodozahvata, odnosno topografskim osobinama vodoopskrbnog područja) redoslijed objekata u sustavu može biti i drukčiji od prikazanog. Isti tako neki od navedenih objekata mogu izostati, izostati kao npr. npr uređaj za kondicioniranje, ako izvorišna voda zadovoljava tražene standarde kvalitete, ili npr. vodosprema, kada se voda crpkama (nakon ili bez kondicioniranja) izravno potiskuje u razdjelnu mrežu. mrežu Ovi elementi reguliraju odnose u sustavu, koji su definirani tehničkim i ekonomskim razlozima pogona vodoopskrbnog sustava, i zajedno čine osnovnu shemu vodoopskrbnog sustava. Glavni činioci koji uvjetuju podjelu vodoopskrbnih sustava u pogledu dovođenja vode u vodoopskrbno područje jesu: (a) pogonske osobine sustava: (a1) gravitacijski, (a2) potisni i (a3) kombinirani sustavi, (b) vrsta vodoopskrbe: (b1) sustavi s otvorenom vodoopskrbom ili sustavi s jednokratnim korištenjem vode i (b2) sustavi sa zatvorenom (cirkulacijskom) vodoopskrbom ili sustavi s višekratnim korištenjem vode. Podjelu P dj l na potisne ti i kombinirane k bi i sustave t t b shvatiti treba h titi dosta d t uvjetno, j t j jedan jer j d sustav t može ž u određenim uvjetima rada biti samo potisni, a u drugima kombinirani, dakle gravitacijsko – potisni. Zato je u praksi ponekad prikladno takve sustave analizirati zajedno. 12
1.2.1. VODOOPSKRBNI SUSTAVI PREMA POGONSKOM REŽIMU
1.2.1 – 1. Gravitacijski vodoopskrbni sustavi Kod gravitacijskih vodoopskrbnih sustava zbog djelovanja sile teže tečenje vode se primarno odvija pod tlakom, slika 1.2::02, ili kombinirano (pod tlakom i sa slobodnim vodnim licem). Dakle, tlačni režim je kod gravitacijskih vodoopskrbnih sustava najčešći i mora se iz funkcionalnih razloga osigurati kod glavnih opskrbnih i razdjelnih cjevovoda, dok kod glavnih dovodnih cjevovoda, ako topografske prilike omogućuju, tečenje može biti i sa slobodnim vodnim licem (mada iz zdravstvenih razloga, pogotovo ako se radi o otvorenim kanalima, nije poželjno). Prednosti gravitacijskog sustava su pouzdanost u radu i minimalni pogonski troškovi (bez utroška električne energije). energije) Kod prikaza sheme ovakvog sustava (što će važiti i za naredne), nije ucrtan uređaj za kondicioniranje vode, jer bi se zbog višestrukih mogućnosti njegovog smještaja broj prikaza vodoopskrbnih sustava samo multiplicirao, ali bez bitnih pogonskih razlika. Lokacija uređaja za kondicioniranje je diktirana topografskim prilikama i veličinom (kapacitetom) uređaja, a obavezna je prije rezervoara čiste vode.
13
Ovisno o visinskim odnosima u sustavu, slika 1.2::02(b), mogu se radi reguliranja tlačnih odnosa (ako bi tlak prelazio dopušteni) interpolirati prekidne komore, između vodozahvata i vodospreme, ili između vodospreme i potrošača. potrošača Tada se dobije sustav s više visinskih zona, zona tj. tj zonirani vodoopskrbni sustav. U gravitacijskom sustavu se može pojaviti i slučaj da su potrošači (naselje) između vodozahvata i vodospreme, slika 1.2::02(c). Tada se dobije sistem s protuvodospremom, gdje voda u vodospremu dotječe i iz vodospreme otječe istim cjevovodom. Kao što sa spomenute slike vidimo, i u ovome je slučaju moguć vodoopskrbni sustav bez prekidne komore, slika 1.2::02(c1), ili s prekidnom komorom, slika 1.2::02(c2).
14
Slika 1.2::02 Sheme gravitacijskih vodoopskrbnih sustava (a) tipični gravitacijski sustav; (b) zonirani gravitacijski sustav; (c) gravitacijski sustav s protuvodospremom 1 – vodozahvat; 2 – glavni dovodni cjevovod; 2(a) – glavni dovodno – opskrbni cjevovod; 3 – prekidna komora; 4 - vodosprema; 4(a) ( )–p protuvodosprema; p ;5–g glavni opskrbni p cjevovod; j ; 6 - razdjelna j mreža;; 7 – p potrošači;; 8 – linija j hidrostatičkog g tlaka;; 9 – linija hidrodinamičkog tlaka; 9(a) – linija hidrodinamičkog tlaka u satu najmanje potrošnje; 9(b) – linija hidrodinamičkog tlaka u satu najveće potrošnje
15
1.2.1 – 2. Potisni vodoopskrbni sustavi Kod potisnog sustava, slika 1.2::03, voda se crpkama izravno (iz izvorišta) potiskuje potrošačima. Ovi se sustavi uglavnom primjenjuju za manja naselja, izuzetno rijetko za veća, prvenstveno zbog znatnih pogonskih troškova uvjetovanih gotovo neprekidnim radom crpki.
Slika 1.2:03 Shema potisnog sustava 1 – vodozahvat; 2 – crpna stanica; 3 – glavni opskrbni cjevovod; 4 - razdjelna mreža; 5 – potrošači; 6 - linija hidrodinamičkog tlaka u satu najmanje potrošnje; 7 – linija hidrodinamičkog tlaka u satu najveće potrošnje
16
1.2.1 – 2. Kombinirani vodoopskrbni sustavi K d kombiniranih Kod k bi i ih su sustava, slika lik 1.2::04, 1 2 04 mogući ći različiti liči i podsustavi, d i alili tečenje č j vode d je j uvijek ij k pod d tlakom. l k
Slika 1.2::04 Sheme kombiniranih vodoopskrbnih sustava (a) kombinirani sustav s vodotornjem; (b) kombinirani sustav s protuvodospremom; (c) zonirani kombinirani sustav; (d) kombinirani indirektni sustav; (e) zonirani kombinirani indirektni sustav; (f) kombinirani indirektni sustav s protuvodospremom 1 – vodozahvat; 2 – crpna stanica; 3 – glavni dovodni cjevovod; 3(a) glavni dovodno – opskrbni cjevovod; 4 – vodotoranj; 5 – vodosprema; 5(a) protuvodosprema; 6 – glavni opskrbni cjevovod; 7 – prekidna komora; 8 – razdjelna mreža; 9 – potrošači; 10 – linija hidrostatičkog tlaka; 11 – linija hidrodinamičkog tlaka; 11(a) – linija hidrodinamičkog tlaka u satu najmanje potrošnje; 11(b) linija hidrodinamičkog tlaka u satu najveće potrošnje 17
U praksi je česta kombinacija potisnog i gravitacijskog sustava s vodotornjem, slika 1.2::04(a), gdje p ,p pošto jje vodozahvat na nižim kotama od naselja. j Primarna funkcija j sve vodne količine treba crpsti, vodotornja je izravnanje potrošnje u odnosu na odabrani režim rada crpne stanice. Ovo je pouzdanija shema u odnosu na prethodnu, jer se iz vodotornja može osigurati (kratkotrajna) vodoopskrba u slučaju kvara crpki. Osim toga, ovakav je sustav i jeftiniji od potisnoga, jer se zbog j g izravnanja j p potrošnje j vode iz vodotornja j smanjuje j j p potrebni kapacitet p crpne p stanice i djelomičnog omogućava njezin ekonomičniji pogon u razdobljima jeftinije električne energije. Jedan od sustava je kombinacija potisnog i gravitacijskog sustava s protuvodospremom, slika 1.2::04(b). Dotok u naselje je moguć istovremeno s obje strane ili odvojeno, ovisno o varijacijama u potrošnji i režimu rada crpne stanice. stanice Pogonske osobine ovoga sustava istovjetne su osobinama kombiniranog sustava s vodotornjem. U odnosu na prethodnu shemu vodoopskrbnog sustava moguće je u slučaju nepovoljnih visinskih j sustava s dvije j ili više crpnih p stanica i vodosprema, p slika 1.2::04(c). ( ) odnosa zoniranje U praksi se javlja i kombinirani indirektni vodoopskrbni sustav, slika 1.2::04(d), kod kojega je vodozahvat odvojen od potrošača prirodnom preprekom (viši teren) na kojoj je (u načelu) vodosprema. Potisni dio vodoopskrbnog sustava je dovod vode do vodospreme, dok je opskrba gravitacijska. gravitacijska Sukladno visinskim odnosima može se pojaviti potreba za interpolacijom crpnih stanica na potisnom dovodnom cjevovodu (višestupanjsko crpljenje) i prekidnih komora na opskrbnom cjevovodu (zoniranje), slika 1.2::04(e). U odnosu na ovaj vodoopskrbni sistem moguća je i kombinacija s protuvodospremom, slika 1.2::04(f). Prijedlog sheme vodoopskrbnog sistema je prvi korak u rješavanju vodoopskrbne problematike nekog područja. Konačan odabir treba provesti tek nakon svestrane analize svih činilaca, prvenstveno ekonomskih, koji mogu utjecati na usvojeno rješenje. 18
1.2.2. VODOOPSKRBNI SUSTAVI PREMA VRSTI VODOOPSKRBE
1.2.2 – 1. Vodoopskrbni sustavi s otvorenom vodoopskrbom Pod vodoopskrbnim sustavima s otvorenom vodoopskrbom, odnosno s jednokratnim korištenjem vode, podrazumijevamo sustave kod kojih voda namijenjena potrošačima ulazi samo jednom u sustav vodoopskrbe. vodoopskrbe To su svi prethodno analizirani vodoopskrbni sustavi, slike 1.2::01 do 1.2::04, čiji će funkcionalni elementi biti naknadno razmatrani. Primjena ovih sustava je češća kod vodoopskrbe stanovništva, stanovništva dok se kod određenih vrsta industrije koriste i cirkulacijski sustavi.
19
1.2.2 – 2. Vodoopskrbni sustavi sa zatvorenom vodoopskrbom Kod sistema sa zatvorenom vodoopskrbom, slika 1.2::05, potrebe za vodom osiguravaju se cirkulacijom već korištene vode, dok se ona iz vodozahvata koristi samo radi nadoknađivanja izgubljene vode u procesu cirkulacije.
Slika 1.2::05 Shema sustava sa zatvorenom vodoopskrbom 1 – vodozahvat; 2 - crpna stanica svježe vode; 3 – dovod svježe vode; 4 – crpna stanica za pročišćenu i svježu vodu; 5 – dovod pročišćene i svježe vode; 6 – industrijski pogon; 7 – odvod korištene vode; 8 – uređaj za pročišćavanje
20
Ovakvi se sustavi, kao što je istaknuto, češće primjenjuju u industriji nego u vodoopskrbi stanovništva, odnosno kod korištenja vode za kućanske potrebe. Naime, u slučaju vodoopskrbe stanovništva cirkulacijskim sistemima potrebno je već korištenu vodu prije njene ponovne distribucije potrošačima obavezno podvrći višestruko složenim i vrlo skupim procesima pročišćavanja, što u znatnoj mjeri sužava mogućnost široke primjene ovakvih vodoopskrbnih sustava. Osnovni razlozi primjene cirkulacijskih vodoopskrbnih sustava, prvenstveno u industrijske svrhe, jesu: (a) nedovoljna izdašnost izvorišta za neprekidnu opskrbu, (b) zahtjevi kvalitete vode koja cirkulira u proizvodnom procesu, (c) pogonske osobine vodoopskrbnog sustava. (a) Prvi se razlog odnosi na industrijske pogone koji koriste velike količine tehnološke vode, npr. u rashladne svrhe, a koje količine izdašnost prirodnih izvorišta (u svrhu kontinuirane vodoopskrbe) ne može osigurati. (b) Drugi se razlog odnosi na kvalitetu vode koja se ispušta iz tehnološkog procesa. Ako je kvaliteta korištene (otpadne) vode loša, a uvjeti ispuštanja (zakonska regulativa) strogi, tada pokazuje j ekonomski p povoljnije j j djelomično j pročišćavanje p j korištene vode i njezino j vraćanje j se p u tehnološki ciklus, nego pročišćavanje do zahtjevnih kriterija i ispuštanje u prijemnik. To se posebno odnosi na slučajeve kada je iz korištene vode moguće dobiti odgovarajuće sekundarne sirovine i/ili kada tehnološki proces ne zahtijeva visoku kvalitetu vode.
21
(c) Treći se razlog odnosi se na sisteme kod kojih se cjelokupne količine vode osiguravaju crpljenjem, što u slučaju velike udaljenosti vodozahvata i znatnih visinskih razlika, a s time i j pogonskih p g troškova,, može uvjetovati j opravdanost p primjene p j cirkulacijskog j g sustava. osjetnih Dakle, ponekad je čak ekonomski povoljnije pročišćavanje korištene vode, nego li stalno crpljenje svježe vode iz udaljenijeg izvorišta. U svakom slučaju, odgovarajuće tehničko – ekonomske analize trebaju pokazati opravdanost primjene ovakvog sustava vodoopskrbe. 1.2.3. PROJEKTNO RAZDOBLJE Bitan parametar prilikom projektiranja vodoopskrbnih sustava je odabir projektnog razdoblja (projektnog perioda), kao razdoblja za koje projektiramo sustav i u kojemu će sustav uz ispravno upravljanje i potrebna redovita održavanja tehnički funkcionirati. Projektno razdoblje ovisi o nizu činilaca od kojih su najznačajniji: (a) vijek trajanja pojedinih objekta i/ili opreme vodoopskrbnog sustava (koji u načelu nisu i t j t i) istovjetni), (b) mogućnost eventualno potrebnog proširenja (faznost izgradnje) objekata vodoopskrbnog sustava, ( ) ponašanje (c) š j sustava t u početnom č t razdoblju, d blj kad k d nije ij potpuno t i k išt iskorišten, (d) porast broja stanovnika i potrošnje, (e) kamate i otplata investicijskog duga, (f) promjena vrijednosti novca. Za praksu se mogu usvojiti orijentacijski podaci iz tablice 1.2::I. 22
VRSTA OBJEKATA
OSOBINE
PROJEKTNO RAZDOBLJE Rp [godina]
Glavni cjevovodi, cjevovodi tuneli i otvoreni kanali
Skupo i teško povećanje kapaciteta
25 do 50
Vodozahvati, crpne stanice, vodospreme, uređaji za kondicioniranje vode
Uz pretpostavku manjeg porasta stanovništva i manje kamate (≤ 3 [%] godišnje)
20 do 25
Vodoopskrbni cjevovodi profila preko 300 [mm]
Zamjena manjih cijevi je kroz dulja razdoblja skuplja
20 do 25
Tablica 1.2::I Projektna razdoblja za objekte vodoopskrbnog sustava
Dulja projektna razdoblja se ne preporučuju, preporučuju jer se tada planski parametri vezuju za prognoze koje teško da se temelje na konkretnim i preciznim podacima.
23
1.3. POTROŠNJA VODE
Potrošnja vode je količina (utrošak) vode po pojedinim kategorijama potrošača, ili ukupno, izražena u vremenskoj jedinici.
Dakle, analiza potrošnje vode odnosi se na definiranje potrebnih količina vode pojedinih kategorija potrošača, tj.: (1) za kućanske potrebe (opskrba stanovništva), stanovništva) (2) za industrijske (tehnološke) potrebe, (3) za (3a) gašenje požara i (3b) vlastite potrebe vodovoda. Zato će se u nastavku prikazati metodologija proračuna potrošnje vode za sve tri kategorije potrošača.
24
1.3.1. POTROŠNJA VODE ZA KUĆANSKE POTREBE
Kao osnovni podaci kod određivanja potrošnje vode za kućanske potrebe koriste se: ((1)) norma p potrošnje j vode izražena specifičnom p potrošnjom p j vode,, (2) broj stanovnika.
(1) Specifičnu potrošnju vode, qsp [l stanovnik-1 d-1], definiramo kao utrošak vode po jednom stanovniku u jednim danu (24 [h]). Ta se količina vode sastoji od utroška za najrazličitije potrebe i ovisi o stupnju sanitarno – tehničke opremljenosti stanova, stanova kvaliteti i cijeni vode, vode uređenju naselja, naselja postojanju kanalizacije, kanalizacije klimatskim prilikama i sl. Specifična potrošnja vode vodoopskrbnog sustava.
je
osnovna
veličina
za
funkcionalno
dimenzioniranje
O pravilnosti njenog određivanja ovisi i to da li će projektirani vodovod tokom svog projektnog razdoblje zadovoljiti tražene potrebe. Određuje se prvenstveno na osnovi iskustva u eksploataciji postojećih vodovoda. U većini zemalja se regulira zakonskim propisima u skladu s veličinom naselja (grada). ( ) Kako kod nas takvi propisi ne postoje, u praksi se koriste strane preporuke, kao npr. ruske, prema kojima je u tablici 1.3::I prikazana specifična potrošnja vode ovisno o karakteru opreme zgrade sanitarno – tehničkim uređajima. Ove vrijednosti treba, dakako, shvatiti orijentacijski, jer su u konkretnim slučajevima moguća ć znatna t odstupanja. d t j
25
Karakter opreme zgrade sanitarno - tehničkim uređajima
Specifična potrošnja qsp [l stanovnik-1 d-1]
Naselja N lj sa zgradama d kkoje j nisu i opremljene lj vodovodima d di i kanalizacijom
30 do 50
Naselja sa zgradama opremljenim vodovodom i kanalizacijom bez kupaonice Naselja sa zgradama opremljenim kanalizacijom i kupaonicom
unutarnjim vodovodom,
Naselja sa zgradama opremljenim unutarnjim vodovodom, kanalizacijom i sistemom centralne opskrbe toplom vodom
125 do 150 150 do 230 250 do 400
Tablica 1.3::I Specifična potrošnja vode
Navedimo da su u literaturi dosta često specifičnom potrošnjom vode obuhvaćeni utrošci vode i za ostale kategorije potrošača. Međutim, takvo poimanje specifične potrošnje vode je više stvar metodološkog pristupa nego nekih bitnih koncepcijskih razlika. razlika Jedino je bitno da se kod određivanja specifične potrošnje vode jasno istakne da li je u njoj sadržana samo potrošnja vode za stanovništvo ili su obuhvaćeni utrošci vode i za ostale kategorije potrošača, ponajprije industrije (poljoprivrede).
26
(2) Broj stanovnika vodoopskrbnog područja ovisi o lokalnim i općim socijalno – ekonomskim faktorima, te vremenski nije stalan. Kao što je istaknuto, projektiranje vodoopskrbnog sustava se provodi za neko projektno razdoblje koje obično iznosi 20 do 25 (50) godina i gdje se najčešće pretpostavlja prirast stanovništva. Dakle, problem se svodi na definiranje broja stanovnika vodoopskrbnog područja za usvojeno projektno razdoblje, odnosno za konačnu fazu razvoja. Do ovoga se podatka prvenstveno dolazi iz prostornog plana, a u slučaju da on ne postoji, ili se u pogledu prognoze broja stanovnika ocijeni nerealnim, primjenjuje se neki od postupaka prognoziranja broja stanovnika. Tako npr. pretpostavljajući geometrijski prirast, broj stanovnika, Nk, na kraju projektnog razdoblja definiran je izrazom: p ⎤ ⎡ N k = N o ⎢1 + ⎣ 100 ⎥⎦
Rp
(1.3-01)
gdje su: No - sadašnji broj stanovnika, [stanovnik], p – godišnji diš ji postotak t t k prirasta, i t [%] [%]. Ovaj O j parametar t ovisi i i o veličina liči naselja, lj razvijenosti ij ti privrede i d (prvenstveno industrije i turizma), migracijskim kretanjima i sl., Rp – projektno razdoblje, [godina].
27
Na osnovi osno i podataka o specifičnoj potrošnji vode, ode qsp, i broju broj stanovnika, stano nika Nk, moguće mog će je odrediti -1 srednju dnevnu potrošnju vode, Qsr [l d ], primjenom izraza: Qsr = qsp N k
(1 3 02) (1.3-02)
i srednju satnu potrošnju vode, qsr [l h-1], pomoću izraza: qsr =
Qsr qsp N k = 24 24
(1.3-03)
Međutim, očito je da za hidrauličko dimenzioniranje pojedinih objekata vodoopskrbnog sustava Međutim (kapacitet vodozahvata i crpki, volumen rezervoara, kapacitet uređaja za kondicioniranje vode, dimenzije glavnih i razdjelnih cjevovoda) treba poznavati i režim potrošnje vode. povezanih s režimom života i djelatnošću j ljudi. j Radi toga g varira Ova veličina ovisi o nizu činilaca p potrošnja vode, tj. oscilira (na više ili manje) od ranije iznijetih srednjih vrijednosti, slika 1.3::01.
28
Slika 1.3::01 Varijacija potrošnje vode tokom dana 1 – manje naselje; 2 – veći grad bez industrije; 3 – veći grad s industrijom
Ta je činjenica izraženija ukoliko se razdoblje smanjuje s npr. godine ili mjeseca na dan ili sat i ukoliko je manje naselje, odnosno manji broj stanovnika. Tako se u manjim naseljima (uglavnom prigradskog i seoskog karaktera) znatno manje vode troši noću nego li danju, a i u samome je danu veća potrošnje u jutarnjim, popodnevnim i kasnim poslijepodnevnim lij d i satima ti nego li u ranim i dopodnevnim d d i i ranim i poslijepodnevnim lij d i satima. ti N Nasuprot t tome, u velikim je gradovima ta oscilacija manja, ne samo danju, nego i u komparaciji s noćnom potrošnjom vode.
29
Količinu vode koja se godišnje troši u danima najveće potrošnje nazivamo najveća (maksimalna) potrošnja j vode,, Qmax [[l d-1]]. Dana jje izrazom: dnevna p (1.3-04)
Qmax = K d Qsr = 24 K d qsr
gdje g j jje Kd [[l]] koeficijent j neravnomjernosti j najveće j dnevne p potrošnje. j Iskustvene vrijednosti ovog koeficijenta prikazane u tablici 1.3::II u funkciji veličine naselja, j stanovnika. odnosno broja Količinu vode koja se troši u satu najveće potrošnje nazivamo najveća (maksimalna) satna potrošnja p j vode,, qmax [[l h-1]]. Dobije j se p prema izrazu: qmax = K h
q N Qmax = K d K h qsr = K d K h sp k 24 24
(1.3-05)
gdje je Kh [l] koeficijent neravnomjernosti najveće satne potrošnje, tablica 1.3::II.
30
Koeficijent neravnomjernosti Veličina naselja j (potrošača) (p )
Kd [1]
Kh [1]
Ljetovališta i toplice
1.6 do 1.7
2.5
Sela i manja naselja
1.5 do 1.6
2.0
Gradovi ispod 25 000 stanovnika
1.4 do 1.3
1.6
Gradovi od 25 000 do 50 000 stanovnika
1.3 do 1.4
1.4
Gradovi od 50 000 do 100 000 stanovnika
1.3
1.3
Gradovi preko 100 000 stanovnika
1.2
1.2
Tablica 1.3::II Vrijednosti koeficijenata neravnomjernosti najveće dnevne i najveće satne potrošnje vode Fedorov (1968) je analizirajući varijacije satne i dnevne potrošnje vode došao do empirijskog izraza kojime definira ukupni (dnevni i satni) koeficijent neravnomjernosti potrošnje, K [1], kao: K=
2.69 0.121 Qsr
(1.3-06)
gdje je srednja dnevna potrošnja vode, Qsr, izražena u [l s-1]. Vidljivo je da vrijednost koeficijenta, K, opada povećanjem potrošnje, i obrnuto, što je sukladno i s vrijednostima koeficijenata Kd i Kh iz tablice 1.3::II. 31
1.3.2. POTROŠNJA Š VODE ZA INDUSTRIJSKE POTREBE
Kod određivanja potrošnje vode za industrijske potrebe samo iz literature treba biti veoma obazriv, jer potrošnja vode po jedinici proizvoda znatno varira i često je vrlo različita čak i u analognim poduzećima, budući da ovisi od tipa primijenjene opreme, sheme tehnološkog procesa i lokalnih uvjeta. Zato se potrošnja vode u industriji najbolje određuje anketom kod proizvodnih tehnologa, tehnologa dakle, dakle na licu mjesta (posebno od slučaja do slučaja), respektirajući konkretne zahtjeve, jer razlike u odnosu na uobičajene prosječne vrijednosti mogu biti višestruke. Također se često količine vode potrebne za industriju moraju računati za pojedine grupe poduzeća koja postavljaju različite zahtjeve u smislu kvalitete vode. Zato je (pogotovo ako se radi o velikim količinama) ekonomski neprihvatljivo i vodu za industrijsku potrošnju kondicionirati do zahtijevanih standarda za pitku vodu, ako taj stupanj kvalitete nije potreban. Za ilustraciju potrošnje vode u tehnološke svrhe navest će se podatak iz literature da npr. npr tvornica crne metalurgije na 1 [kg] gotovog proizvoda prosječno troši 150 do 165 [l] vode, tvornica papira na 1 [kg] fina papira prosječno troši 700 do 1000 [l] vode, a tvornica automobila potroši za proizvodnju jednog automobila oko 150 000 [l] vode.
32
1 3 3 POTROŠNJA VODE ZA GAŠENJE POŽARA I ZA V 1.3.3. VLASTITE ASTITE POTREBE VODOVODA 1.3.3 - 1. Potrošnja vode za gašenje požara Načelo određivanja potrebne količine vode za gašenje požara bitno se razlikuje od načela normiranja prethodno analiziranih potrošnji vode. Kod suvremenih sustava za gašenje požara predviđa se njegovo gašenje (a) vanjskom hidrantskom mrežom i (b) unutarnjom hidrantskom mrežom. Zahtjevi za hidrantske mreže za gašenje požara i slučajevi u kojima se za požara obvezatno p primjenjuje j j j hidrantska mreža za g gašenje j p požara zaštitu p propisano je Pravilnikom o hidrantskoj mreži za gašenje požara (NN 8/06). Ovime se Pravilnikom, između ostaloga, propisuju tri temeljna parametra za gašenje požara hidrantskom mrežom: (1) potrebna količina vode (protok) za gašenje požara hidrantskom mrežom, koja je u funkciji specifičnog požarnog opterećenja, (2) najmanji tlak kod potrebne požarne količine vode, vode (3) najmanje trajanje za koje je potrebno osigurati propisani protok i tlak.
33
Specifično požarno opterećenje, Psp [J m-2], je izraženo toplinom koja se može razviti u nekoj elementarnoj jedinici – prostoriji (npr. (npr sobi, sobi hali, hali skladištu), skladištu) svedeno na 1 [m2] tlocrtne površine te prostorije. Određuje se sukladno HRN U. J1. 030, ovisno o karakteristikama gorivih materijala od kojih je izvedena i opremljena građevina, te materijala za koje je građevina namjenski izgrađena. Potrebna količina vode za gašenje požara hidrantskom mrežom mora se osigurati neovisno o drugim d i potrošačima t š či k ji se opskrbljuju koji k blj j vodom d i istog iz i t izvora i ( d (vodospreme). ) (a) Vanjska hidrantska mreža za gašenje požara izvodi se izvan građevine i/ili prostora koji se štiti, a završava (a1) nadzemnim ili (a2) podzemnim hidrantom. Za zaštitu građevine i/ili prostora vanjskom hidrantskom mrežom za gašenje požara potrebno je osigurati najmanje protok, ovisno o (i) specifičnom požarnom opterećenju i (ii) tlocrtnoj površini objekta koji se štiti, čije su vrijednosti prikazane u tablici 1.3::III, a u trajanju od najmanje 2 [h]. Najmanji protok, [l s-1], ovisno o tlocrtnoj površini objekta, [m2], koji se štiti
Specifično požarno opterećenje [MJ m-2]
≤ 100
101 do 300
301 do 500
501 do 1 000
1 001 do 3 000
3 001 do 5 000
5 001 do 10 000
≤ 200
10
10
10
10
10
10
10
15
≤ 500
10
10
10
10
15
20
20
25
≤ 1 000
10
10
10
15
20
20
25
30
≤ 2 000
10
10
15
20
25
30
35
*
> 2 000
10
15
20
30
30
35
*
*
› 10 000
Legenda:*- potrebno proračunati protok za svaki pojedini objekt
Tablica 1.3::III Potrebna količina vode za gašenje požara vanjskom hidrantskom mrežom
34
Za propisani minimalni protok i trajanje, najmanji tlak na izlazu iz bilo kojeg nadzemnog ili podzemnog hidranta ne smije biti manji od 2.5 [bara]. Pri navedenom tlaku i trajanju, za zaštitu naseljenih mjesta vanjskom hidrantskom mrežom za gašenje požara, potrebno je osigurati protok od najmanje 10 [l s-1]. (b) Unutarnja hidrantska mreža za gašenje požara izvodi se u objektu koji se štiti, štiti a završava (b1) bubnjem s namotanim cijevima stalnog presjeka i mlaznicom ili (b2) vatrogasnom cijevi sa spojnicama i mlaznicom. Na najnepovoljnijem j p j j mjestu j svakog gp požarnog g sektora unutarnja j hidrantska mreža za g gašenje j p požara mora imati najmanje protok, ovisno o specifičnom požarnom opterećenju, prema tablici 1.3::IV, a u trajanju od minimum 1 [h]. Specifično požarno opterećenje [MJ m-2]
≤ 300
≤ 400
≤ 500
≤ 600
≤ 700
≤ 800
≤ 1 000
≤ 2 000
Najmanji protok mlaznicom [l min-1]
25
30
40
50
60
100
150
300
> 2 000
450
Tablica 1.3::IV Potrebne količine vode za gašenje požara unutarnjom hidrantskom mrežom Najmanji tlak na mlaznici kod propisanog minimalnog protoka i trajanja trajanja, također kao i kod vanjske hidrantske mreže, ne smije biti manji od 2.5 [bara].
35
1.3.3 – 2. Potrošnja vode za vlastite potrebe vodovoda Ova se potrošnja odnosi na količinu vode koje svaki vodoopskrbni sustav troši na pranje (ispiranje) i izvedbu (rekonstrukciju) vodovodnih objekata. Kao što je istaknuto, u praksi ne postoje odgovarajući normativi koji propisuju ove količine, već se one određuju sukladno iskustvu. Orijentacijski, ova potrošnja iznosi 5 do 10 [%] srednje dnevne potrošnje, Qsr.
36
1.3.4. PROJEKTNE KOLIČINE VODE
Prilikom hidrauličkog dimenzioniranja vodoopskrbnih objekata razmatraju se slijedeće količine vode: (1) najveća dnevna potrošnja, Qmax, za hidrauličko dimenzioniranje: (a) vodozahvata, (b) crpnih stanica (za sve vodoopskrbne sustave osim potisnih), ((c)) uređaja j za kondicioniranje j vode,, (d) vodosprema, (e) glavnih dovodnih cjevovoda koji povezuju ove objekte. objekte (2) najveća satna potrošnja, qmax, za hidrauličko dimenzioniranje: (a) crpnih stanica (kod potisnih sustava), (b) glavnih opskrbnih cjevovoda, (c) glavnih dovodno – opskrbnih cjevovoda, cjevovoda (d) razdjelnih mreža. 37
1.4. IZVORIŠTA Izvorište je lokacijski definiran dio prostora s kojega se mogu dobiti određene količine vode namijenjene vodoopskrbi.
U načelu, izbor izvorišta je jedan od najsloženijih i najodgovornijih zadataka kod rješavanja vodoopskrbe, budući da on u velikoj mjeri određuje karakter vodoopskrbnog sustava, a time i njegove investicijske i pogonske troškove. Svako vodoopskrbno izvorište treba osigurati: (a) potrebne količine kvalitetne vode, uzimajući u obzir porast broja stanovnika, odnosno porast potrošnje vode, (b) neprekidnost vodoopskrbe, (c) sanitarno – higijensku sigurnost kvalitete vode, (d) što manje investicijske i pogonske troškove dobivanja vode, (e) uklapanje u vodno gospodarenje šireg područja. Osnovni pokazatelji vrijednosti izvorišta su kvaliteta i količina vode.
38
Po prirodi porijekla vode, uobičajena je podjela izvorišta na: (1) atmosferska izvorišta, (2) površinska izvorišta, (3) podzemna izvorišta.
(1) Porijeklo vode atmosferskih izvorišta je od oborina, u prvom redu kiše, a u nekim slučajevima i snijega. U načelu, atmosferska se izvorišta koriste u nedostatku drugih izvorišta, uglavnom za manja naselja. (2) U površinska izvorišta ubrajamo: (a) rijeke, (b) jezera (prirodne akumulacije), umjetne akumulacije i kanale, (c) mora (oceane).
39
U osnovi, prve dvije skupine ove vrste izvorišta (rijeke, jezera, akumulacije i kanale) karakteriziraju relativno velike oscilacije kvalitete vode koja izravno ovisi o jačini oborina (kiše i snijega), površinskom onečišćenju koje oborine slijevanjem ponesu sa sobom, te količini otpadnih voda naselja i industrijskih pogona koje se mogu upuštati u pojedino površinsko izvorište. Uz ove opće osobine površinskih izvorišta postoje i neke posebne. Tako je karakteristično svojstvo riječne vode njena relativno visoka mutnoća (naročito u vrijeme velikih voda), veliki sadržaj organskih tvari i bakterija, a često je prisutna i obojenost. Vode jezera, umjetnih akumulacija i kanala imaju u pravilu nizak sadržaj lebdećih čestica, dakle nisku mutnoću, izuzev priobalnih zona gdje se u određenim meteorološkim prilikama (vjetar) mutnoća pojavljuje kao posljedica valovanja. Jezera mogu biti vrlo kvalitetna izvorišta, naročito ako su planinskog porijekla. Morska voda se zbog sadržaja znatnih količina mineralnih soli može u nekondicioniranom obliku jedino koristiti u tehnološkim procesima (npr. za hlađenje), za rekreacijske potrebe ili za gašenje požara. U slučaju korištenja morske vode za opskrbu stanovništva potrebno ju je podvrći vrlo skupim procesima kondicioniranja (desalinizaciji). 40
Prema tome, očito je da vodu dobivenu iz površinskih izvorišta treba (u pravilu) prije njezine distribucije potrošačima podvrći kondicioniranju, tako da su pored investicijskih prisutni i relativno visoki pogonski troškovi. (3) U podzemna izvorišta ubrajamo: (a) podzemne vode sa slobodnim vodnim licem, (b) podzemne vode pod tlakom (arteške i subarteške vode), (c) izvorske vode. Podzemna izvorišta se općenito za vodoopskrbu smatraju najprikladnijim, tako da ih je zbog slijedećih razloga potrebno preferirati: (i)
vodonosi su slojevi najčešće površinski zaštićeni debljim slojem od izravnih onečišćenja,
(ii) (načelno) izdašne količine podzemnih voda su vrlo često prirodno filtrirane (bezbojne i bez mutnoće), tj. kvaliteta vode (fizikalno – kemijska i mikrobiološka svojstva) je daleko bolja u odnosu na površinske vode, tako da obično ne zahtijevaju višestruke i skupe faze kondicioniranja, (iii) podzemne vode često izbijaju na površinu, zbog čega zahvatne građevine nisu skupe, (iv) lokacija nalazišta podzemnih voda je najčešće povoljna (visinski i po udaljenosti) spram potrošača, tako da se voda uglavnom transportira bez većih pogonskih troškova.
41
Jedino su u pogledu kvalitete problematične podzemne vode kraških izvora u slučaju kada one predstavljaju izlaz ponornica, koje su u stvari površinska (lažna podzemna) voda. Neovisno o kojoj se vrsti izvorišta radi, potrebno je kod njegovog konačnog odabira u svrhu vodoopskrbe prikupiti opsežne geološke, hidrogeološke i geomehaničke podloge, kako bi se raspolagalo s bitnim podacima o iskoristivosti i uvjetima izgradnje vodozahvatnog objekta određenog izvorišta. Kod analize izvorišta svakako treba spomenuti i problem koji je danas, zbog stalnog povećanja onečišćenja, sve prisutniji, a to je problem zaštite izvorišta. Zaštita izvorišta ostvaruje se organiziranjem zona zdravstvene zaštite izvorišta na slivnim područjima. Te zone predstavljaju posebno izdvojene prostore koji obuhvaćaju vodoprijemnik (koji se koristi kao izvorište) i dio slivnog područja koje ga napaja. Na takvom je prostoru propisan zdravstveni režim koji garantira zaštitu izvorišta od onečišćenja (zagađenja) i održavanje potrebne kvalitete vode. Zato svaka projektna dokumentacija vodoopskrbe mora u skladu sa zakonskom regulativom kao sastavni dio sadržavati i projekt zaštite izvorišta – Elaborat zona sanitarne zaštite, čija je izrada propisana Pravilnikom o uvjetima za utvrđivanje zona sanitarne zaštite izvorišta (NN 66/11).
42
1.5. VODOZAHVATI
Vodozahvati su građevine kojima se zahvaća vode iz izvorišta i usmjerava prema potrošačima. j Vrsta vodozahvata ovisi o karakteru izvorišta,, tako da razlikujemo: (1) vodozahvate atmosferskih izvorišta, (2) vodozahvate površinskih izvorišta, (3) vodozahvate podzemnih izvorišta.
1.5.1. VODOZAHVATI ATMOSFERSKIH IZVORIŠTA Primjena ovih vodozahvata je najčešća na krškim terenima i primjerena za manja naselja. građevina čija j jje p površina obrađena da Osnovu vodozahvata atmosferskih izvorišta čini zahvatna g prihvati i usmjeri pale oborine prema jednoj točki, slika 1.5::01.
43
Slika 1.5::01 Vodozahvat atmosferskih izvorišta (a) zahvatna građevina; (b) cisterna 1 – sabirna površina; 2 – odvod sakupljene vode; 3 – muljni ispust; 4 – ograda; 5 – obodni kanal; 6 – sabirna komora (vodosprema); 7 – dovod sakupljene vode; 8 – zahvatna komora; 9 – pješčani filtar
44
Izraz čatrnja ili gustirna upotrebljava se kao sinonim za vodozahvat koji se sastoji od zahvatne građevine (sabirne površine) i cisterne za vodu. Cisternom se rješava varijacija u potrošnji vode u odnosu na prispjelu količinu palih oborina. Funkcionalne dimenzije ovih građevina načelno se određuju pomoću računa vjerojatnosti za najdužu sušu i najmanje godišnje oborine u projektnom razdoblju (15 do 30 godina). No, u praksi se pristup pojednostavljuje pretpostavljajući da najdulja suša traje m [d] (obično m = 90 [d]), a podatak o najmanjoj godišnjoj visini oborina, Hg,min [mm], za usvojeno projektno razdoblje dobije se obradom podataka s najbliže kišomjerne stanice. Ako je Nk [stanovnik] broj stanovnika na kraju projektnog razdoblja, qsp [l stanovnik-1 d-1] specifična potrošnja t š j vode d i c [1] koeficijent k fi ij t otjecanja tj j sa sabirne bi površine, ši onda d je j njezina j i minimalno i i l potrebna t b 2 veličina, Ap [m ], definirana izrazom: Ap =
365 N k qsp
(1.5-01) (1.5 01)
c H g ,min
Volumen cisterne, Vc [m3], treba biti dostatan za cjelokupnu potrošnju u vrijeme suše, tj. m [d], tako da je definiran izrazom: Vc = 10 −3 N k qsp m
(1.5-02)
45
Sabirne površine i cisterne izvode se od vodonepropusnog betona. Također je potrebno sabirnu površinu zaštiti ogradom visine barem 1.5 1 5 [m], [m] a cisternu zatvoriti (iz zdravstvenih razloga) i ugraditi pješčani filtar ispred zahvatne komore (radi dobivanja filtrirane vode). Kod cisterne se izvodi i termička izolacija koja se uglavnom postiže nasipavanjem sloja zemlje debljine cca 0.5 [m].
1.5.2. VODOZAHVATI POVRŠINSKIH IZVORIŠTA Vodozahvate površinskih izvorišta možemo klasificirati na: (1) vodozahvate na rijekama (prirodnom ili reguliranom stanju), (2) vodozahvate na (2a) jezerima (prirodnim akumulacijama), akumulacijama) (2b) umjetnim akumulacijama i (2c) kanalima, (3) vodozahvate na morima. Pored ovih postoje i vodozahvati površinskih izvorišta koji se u samoj tehnici zahvaćanja vode vrlo malo razlikuju od navedenih, ali sadrže određene specifičnosti, kao npr.: (i)
vodozahvati na planinskim potocima, potocima koji su u pravilu nezagađeni i predstavljaju idealna rješenja za opskrbu vodom. Nedostatak im je što su često vrlo udaljeni od potrošača,
(ii) vodozahvati na plitkim riječnim tokovima.
46
1.5.2 – 1. Vodozahvati na rijekama Kod projektiranja riječnih vodozahvata potrebno je da uz prethodno navedene opće značajke: (i)
položaj vodozahvata osigurava ravnomjerno optjecanje vode oko samog objekta, objekta
(ii) suženje korita rijeke uvjetovano prisustvom vodozahvata bude minimalno, kako ne bi dolazilo do deformacija riječnog korita, (iii) vodozahvat bude smješten uzvodno od mjesta upuštanja otpadnih voda u vodotok, vodotok (iv) vodozahvat bude izveden na mjestu u riječnom koritu na kojemu se ne primjećuje intenzivno taloženje riječnog nanosa i ne dešava rušenje obale (kao rezultat odronjavanja ili klizanja), (v) vodozahvat ne bude lociran na mjestu gdje se formira ili nagomilava led, led (vi) vodozahvat na plovnim rijekama bude smješten izvan plovnog puta. Prema tome, tome pravilan izbor riječnog vodozahvata moguć je jedino na osnovi detaljne analize spomenutih značajki i njihovom kompleksnom sagledavanju. Danas još ne postoji sasvim određena i opće prihvaćena klasifikacija vodozahvata na rijekama. g tome leži u činjenici j što p postoje j značajne j specifičnosti p projektiranih p j i izvedenih riječnih j Razlog vodozahvata. Međutim, generalno se ipak mogu nazrijeti četiri osnovne vrste riječnih vodozahvata:
47
(1) fiksni priobalni vodozahvati, (2) vodozahvati u riječnom koritu, (3) plovni vodozahvati, (4) pokretni priobalni vodozahvati. U praksi su najčešći slučajevi prve dvije vrste vodozahvata. (1) Fiksni piobalni vodozahvati, vodozahvati slika 1.5::02, 1 5::02 lociraju se na obalnom pokosu i zahvaćaju vodu neposredno iz riječnog korita. Crpke, pomoću kojih se voda transportira do uređaja za kondicioniranje vode, mogu biti smještene u posebnoj zgradi crpne stanice, kao što je prikazano na slici 1.5::02(a), ili u samom vodozahvatu, slika 1.5::02(b), (c), i (d).
48
Slika 1.5::02 Sheme fiksnih priobalnih vodozahvata (a) sa crpkama u posebnoj zgradi; (b), (c) i (d) sa crpkama u vodozahvatu 1 – zahvatna komora; 2 – ulazni otvori s rešetkama; 3 – mreža; 4 – pregrada; 5 – usisna cijev; 6 – crpni spremnik; 7 – crpka; 8 – zgrada crpne stanice; 9 – potisni cjevovod; NV – niski vodostaj; VV – visoki vodostaj; Hst,us – usisna statička visina dizanja
Osnovni dio ove vrste vodozahvata je zahvatna komora, obično armiranobetnoska, čiji prednji zid zalazi neposredno u riječno korito. korito U zahvatnu komoru voda ulazi kroz otvore s rešetkama, rešetkama smještenim u prednjem zidu, i zahvaća crpljenjem kroz usisnu cijev. Rešetke su ugrađene radi sprečavanja ulaska u zahvatnu komoru relativno krupnijih predmeta koje pronosi rijeka. 49
Time se istovremeno obavlja i prethodno grubo mehaničko čišćenje vode. Također, radi zadržavanja nečistoća koja se nalazi u vodi (npr. planktoni, vodno bilje), odnosno zbog zaštite usisnih cijevi i crpnih agregata, agregata u pregradi koja dijeli zahvatnu komoru od crpnog spremnika (crpnog bazena) dodatno se ugrađuju mreže. Fiksni priobalni vodozahvati s crpkama u samom vodozahvatu, slika 1.5::02 (b), (c), i (d), primjenjuju se u slučaju povoljnih geomehaničkih prilika. Zgrada crpne stanice može biti prislonjena uz vodozahvat, slika 1.5::02(b), ili s njima konstrukcijski činiti cjelinu, slika 1.5::02(c) i (d). Da bi se osigurala neprekidna opskrba vodom potrebne su barem dvije zahvatne komore s po dva crpna bazena s crpkama. crpkama Kod rješenja vodozahvata prikazanih na slici 1.5::02(c) i (d) potrebno je za smještaj crpki izvesti vodonepropusne komore. Primjena vertikalnih (centrifigalnih) crpki, crpki slika 1.5::02(d), 1 5::02(d) omogućuje znatno smanjenje volumena objekta. (2) Vodozahvati u riječnom koritu, slika 1.5::03, karakterizirani su lociranjem zahvatne građevine (vodozahvatne glave) u riječnom koritu. Ova vrsta vodozahvata najčešće se primjenjuje kod relativno blago nagnutih obala, gdje se potrebne dubine za zahvaćanje vode nalaze na većoj udaljenosti od obale.
50
Slika 1.5::03 Shema vodozahvata u riječnom koritu (a) vodozahvat; (b) detalj vodozahvatne betonske glave 1 – vodozahvatna glava; 2 – gravitacijski tlačni cjevovod; 3 – sabirna komora; 4 – usisna cijev; 5 – crpni spremnik; 6 – crpna stanica; 7 – potisni cjevovod; 8 – rešetka; 9 – ulazni difuzor (difuzor = završni, prorupčani ili rešetkom opremljeni dio cjevovoda)
U koritu rijeke, na odabranom mjestu zahvaćanja vode, izvodi se vodozahvatna glava na koju se (do sabirne komore) nastavlja gravitacijski tlačni cjevovod. Cjelokupna konstrukcija i oprema vodozahvata ove vrste je u biti istovjetna fiksnom priobalnom vodozahvatu sa slike 1.5::02, s razlikom što voda ne ulazi kroz otvore nego gravitacijskim cjevovodom. Radi neprekidnosti vodoopskrbe potrebna su barem dva gravitacijska cjevovoda s po dvije crpke.
51
U određenim uvjetima (obalni profil, amplitude vodnih razina) moguće je kod visokih vodostaja vodu zahvaćati i kroz otvore predviđene u prednjem zidu sabirne komore, slika 1.5::04, dakle, kao i kod fiksnog priobalnog vodozahvata.
Slika 1.5::04 Shema kombiniranog vodozahvata u riječnom koritu (a) vodozahvat; (b) detalj armiranobetonske vodozahvatne glave 1 – vodozahvatna glava; 2 – gravitacijski tlačni cjevovod; 3 – sabirna komora; 4 – usisna cijev; 5 – crpni spremnik; 6 – ulazni otvor s rešetkom; 7 – rešetka; 8 – ulazni difuzor
(3) Plovni vodozahvati, slika 1.5::05, sastoje se od crpki postavljenih na baržu ili ponton, tako da se visinski položaj crpki mijenja s oscilacijama vodostaja, pri čemu usisna visina ostaje stalna, dok se potisna visina mijenja promjenom vodostaja (niži vodostaj – veća potisna visina, i obrnuto). Ove vodozahvate O d h t treba t b uz načelu č l smjestiti j titi u riječnim ij č i zaljevima lj i gdje dj su eliminirana li i i moguća ć oštećenja vodozahvata prouzrokovana udarom leda ili balvana koje pronosi voda. 52
Slika 1.5::05 Shema plovnog vodozahvata 1 – usisna cijev; 2 – crpna stanica; 3 – barža ili ponton; 4 – elastični potisni cjevovod
Radi zadržavanja plovne crpne stanice na jednom mjestu potrebno je njeno osiguranje sidrima. (4) Pokretni priobalni vodozahvati su rješenja tipa uspinjače, uspinjače slika 1.5::06. 1 5::06 Crpke su smještene na kolicima ili vagonu koji se u granicama promjene vodostaja kreću po kolosijeku položenom okomito na riječni tok. Voda se zahvaća crpkama iz rijeke kroz krajeve usisnih cijevi zaštićenih sitima. Uzduž kolosijeka se polaže fiksni potisni cjevovod s vertikalnim odvojcima na koje se priključuje elastični potisni cjevovod. Pri potiskivanju vode u jedan od odvojaka, ostali su zatvoreni. 53
Slika 1.5::06 Shema pokretnog priobalnog vodozahvata 1 – pokretna crpna stanica; 2 – vitlo; 3 – usisna cijev; 4 – fiksni potisni cjevovod; 5 – vertikalni odvojci; 6 – elastični potisni cjevovod; 7 – kolosijek
Vrijeme zadržavanja vagona ili kolica na jednom mjestu vertikalne pozicije istovjetno je trajanju pripadnog vodostaja. 1.5.2 – 2. Vodozahvati na jezerima, umjetnim akumulacijama i kanalima Kod zahvaćanja vode iz jezera, umjetnih akumulacija i kanala (voda stajaćica) mogu se u načelu koristiti vodozahvati većine vrsta ranije opisanih. Određene posebnosti su uvjetovane spoznajama da kod ovih vodozahvata treba izbjegavati njihovo lociranje na mjestima (zonama):
54
(i)
naglih promjena obalnih pokosa,
(ii) nepovoljnih geomehaničkih uvjeta, uvjeta (iii) intenzivnog taloženja nanosa, (iv) pojave leda, (v) skupljanja naplavina i akvatičnog bilja, (vi) izraženijih temperaturnih oscilacija vode, ((vii)) onečišćenja j ((zagađenja) g j ) vodnog g bazena otpadnim p vodama, u kom slučaju j treba p pažljivo j analizirati strujanja vodnih masa koja nastaju u bazenima i izazivaju nepovoljno premještanje onečišćenja koje dospijeva u vodu. Dakle, vodozahvat se nastoji smjestiti tamo gdje je moguće dobiti najčistiju (najkvalitetniju) vodu. Općenito, voda u jezerima, umjetnim akumulacijama i kanalima je u odnosu na riječnu vodu karakterizirana manjom mutnoćom, ali zato često puta izraženijom bojom i mirisom (kao posljedica biljnog i životinjskog svijeta) (1) Vodozahvati na jezerima se u odnosu na riječne vodozahvate uglavnom razlikuju po rješenju zahvatne građevine. Za manje cjevovode je na slici 1.5::07(a) prikazana vodozahvatna glava izvedena od čeličnih ili plastičnih cijevi, zaštićena rešetkom i izdignuta od dna 5 do 6 [m].
55
Kod zahvaćanja većih količina vode moguće je kao zahvatnu građevinu koristiti vodozahvatni toranj, slika 1.5::07(b), gdje su ulazna okna za vodu postavljena na nekoliko visina kako bi se u svako doba godine mogla zahvaćati najkvalitetnija voda. Ovakva vrsta zahvatne građevine koristi se i kod akumulacija. (2) Vodozahvati V d h ti na akumulacijama k l ij t k đ mogu biti zasnovanii na nekoliko također k lik načela č l zahvaćanja h ć j vode, od kojih su najčešći prikazani na slici 1.5::07(b) i (c). Ovaj potonji princip zahvaćanja vode odnosi se na slučaj kada je zahvatna građevina izvedena u sklopu betonske pregrade (brane). (3) Vodozahvati na kanalima su po konstrukcijskim osobinama većinom analogni s riječnim vodozahvatima. Zahvatne građevine su najčešće obalnog tipa, slika 1.5::07(d1), ili smještene na dnu kanala, slika 1 5::07(d2) 1.5::07(d2).
56
Slika 1.5::07 Shema zahvatnih građevina ((a)) na jezeru; j ((b)) na jjezeru i akumulaciji; j (c) ( ) na akumulaciji; j ((d)) na kanalu 1 – gravitacijski tlačni ili usisni cjevovod; 2 – ulazna okna s rešetkama; 3 – rešetka; 4 – ulazni difuzor NV – niski vodostaj; SV – srednji vodostaj; VV – visoki vodostaj 57
1.5.2 – 3. Vodozahvati na morima Prilikom izbora načina zahvaćanja morske vode neophodno je sagledati specifičnosti morskog priobalja: ((i))
utjecaj j j djelovanja j j morskih valova,, morskih struja j ip promjena j morskih razina,,
(ii) geološke i geomehaničke prilike priobalnog pojasa i eventualni donos nanosa, (iii) prisustvo akvatične flore i faune u morskoj vodi (obraštanje), (iv) korozivno djelovanje morske vode. vode Zahvat morske vode može biti smješten na: (a) otvorenoj obali, (b) prirodno zaštićenom zaljevu, (c) unutar (lučkog) akvatorija zaštićenog građevinom tipa lukobranom ili valobran. U pogledu sigurnosti konstrukcije vodozahvata (dinamičko djelovanje morskih valova i struja), najveće pogodnosti pruža smještaj morskih vodozahvata u akvatoriju. Međutim, ako se radi o lučkom akvatoriju, to su u pravilu i zone najveće koncentracije zagađenja, što može biti eliminatornim u smislu korištenja takve lokacije za vodoopskrbu. Bez obzira koja se vrsta i mjesto morskog vodozahvata odabire, dobro poznavanje tehnologije izvođenja pomorskih radova i ponašanja objekta u uvjetima eksploatacije (s obzirom na specifični karakter morske sredine), ostaju temeljni parametri uspješnog zahvaćanja morske vode.
58
1 5 3 VODOZAHVATI PODZEMNIH IZVORIŠTA 1.5.3.
Vrsta građevine za zahvaćanje podzemnih voda prvenstveno ovisi o dubini njihovog rasprostiranja, dubini (toka) podzemne vode i njegovoj izdašnosti. izdašnosti Sukladno ovim pokazateljima, vodozahvati podzemnih izvorišta se mogu svrstati u tri skupine: (1) horizontalni vodozahvati, (2) vertikalni vodozahvati: (2a) kopani, (2b) bušeni i (2c) zabijeni zdenci, (3) građevine za kaptažu izvora.
1.5.3 – 1. Horizontalni vodozahvati Ova vrsta vodozahvata, slika 1.5::08, se koriste kada je tok podzemne vode sa slobodnim vodnim licem relativno plitko (5 do 7 [m] ispod površine terena ) i manje dubine (toka) podzemne vode.
59
Slika 1.5::08 Definicijska shema horizontalnog vodozahvata 1 – površina terena; 2 – vodonosni sloj; 3 – vodonepropusni sloj; 4 – statička razina podzemne vode; 5 – horizontalni vodozahvat; 6 – sabirni zdenac; 7 – razina vode u sabirnom zdencu; 8 – usisna cijev; 9 – crpka; 10 – potisni cjevovod; 11 – smjer strujanja podzemne vode
Horizonatlni vodozahvati se prvenstveno izvode kao drenažne cijevi i vodozahvatne galerije, položene u donjoj zoni vodonosnog sloja (obično neposredno na podinu) i najčešće okomito na smjer strujanja podzemne vode. U cijevi i galerije voda dotječe gravitacijski i otječe sa slobodnim vodnim licem u sabirni zdenac, odakle se dalje potiskuje crpkama. Oko drenažnih cijevi i vodozahvatnih galerija ugrađuje se pješčano – šljunčani filtar. Njegova je zadaća da spriječi unošenje (u cijevi i galerije) čvrstih čestica iz vodonosnog sloja.
60
Konstrukcije horizontalnih vodozahvata možemo klasificirati na: (1) rovovske vodozahvate, (2) cijevne vodozahvate, (3) vodozahvatne d h galerije l ij ili galerijske l ij k vodozahvate. d h (1) Rovovski vodozahvati, slika 1.5::09(a), su horizontalni vodozahvati s kamenom (tucaničkom) ispunom filtarskim pješčano – šljunčanim zasipom i nepropusnim glinenim slojem (ekranom), ispunom, (ekranom) koji ima funkciju zaštite vodozahvata od onečišćenja s površine terena. (2) Cijevni vodozahvati, slika 1.5::09(b), se najčešće izvode od keramičkih, betonskih, armiranobetonskih ili plastičnih cijevi, prorupčanih na gornjoj polovini. Cijevi su kružnog ili jajolikog profila, s filtarskim pješčano – šljunčanim zasipom i glinenim ekranom. ( ) Vodozahvatne g (3) galerije j se obično izvode od betona i armiranog g betona. Služe za zahvaćanje j relativno većih količina vode. Uglavnom su prohodne, kružnog ili jajolikog profila. Stoga su minimalne dimenzije jajolikih profila, B/H = 700/1 600 [mm], a kružnih, D = 1 000 [mm]. Na slici 1.5::09 (c) prikazan je poprečni presjek prohodne, jajolike, armiranobetonske galerije s b č i otvorima bočnim t i u stjenkama. tj k U visini i i i otvora t j izveden je i d filtarsko filt k – šljunčani šlj č i zasip, i a po po potrebi t bi se ugrađuje i nepropusni glineni ekran.
61
Slika 1.5::09 Sheme horizontalnog vodozahvata (a) rovovski vodozahvat; (b) cijevni vodozahvat; (c) vodozahvatna galerija 1 – površina terena; 2 – vodonosni sloj; 3 – vodonepropusni sloj; 4 – kamena (tucanička) ispuna; 5 – prorupčana cijev; 6 – galerija; 7 – bočni otvori; 8 – šljunčani zasip; 9 – pješčani zasip; 10 – nepropusni glineni sloj; 11 – materijal od iskopa
Proračun dotoka u horizontalne vodozahvate (galerije) položene na vodoravnom vodonepropusnom sloju, odnosno u donjoj zoni toka podzemne vode sa slobodnim vodnim licem, slika 1.5::10, zasniva se na Dupuitovoj postavci i analizi ustaljenog strujanja kada je količina crpljenja u ravnoteži s dotokom.
62
Slika 1.5::10 Strujanje podzemne vode prema galeriji 1 – površina terena; 2 – vodonosni sloj; 3 – vodonepropusni sloj; 4 – statička razina podzemne vode; 5 – depresijska ploha (dinamička razina podzemne vode)
Tada je dotok, Q [m3 s-1], u horizontalnu galeriju pravokutnog poprečnog profila za slučaj njenog dvoranskog prihranjivanja dan izrazom: Q = Qdvo
H o2 − ho2 = k Lg Bo
(1.5-03)
a za slučaj jednostranog prihranjivanja izrazom: Q = Qdvo
H o2 − ho2 = k Lg 2 Bo
(1.5-04)
63
gdje su: k - koeficijent procjeđivanja, procjeđivanja [m s-1], ] Lg - duljina galerije, [m], Ho - dubina (toka) podzemne vode, [m], ho - dubina vode u galerijskom vodozahvatu, [m], Bo - širina utjecaja galerije, [m]. 1.5.3 – 2. Vertikalni vodozahvati Ovi se vodozahvati izvode kao: (1) kopani zdenci, (2) bušeni zdenci, (3) zabijeni zdenci. Za javne je vodovode najraširenija primjena bušenih zdenaca, a u nekim slučajevima i kopanih zdenaca. Zato će se ovdje analizirati ove dvije skupine zdenaca. Zabijeni zdenci su primjereni za individualnu vodoopskrbu.
64
(1) Kopani zdenci se obično koriste radi dobivanja podzemne vode sa slobodnim vodnim licem j se nalazi na dubinama do 20 ((iznimno do 40)) [[m]. ] koja Samo u rijetkim slučajevima ovi se zdenci koriste za dobivanje arteških i subarteških voda pod manjim tlakom. p zdenci se p pretežno izvode kao nepotpuni, p p , tako da jje dotok kroz dno i kroz otvore u Kopani stjenkama zdenca, slika 1.5::11.
Slika 1.5::11 1 5::11 Shema nepotpunog kopanog zdenca 1 – površina terena; 2 – vodonosni sloj; 3 – vodonepropusni sloj; 4 – statička razina podzemne vode; 5 – dinamička razina podzemne vode; 6 – nož; 7 – pješčano–šljunčani filtar; 8 – popločenje; 9 – glinena brtva; 10 - otvori
65
Unutarnji promjer zdenca, D [m], uglavnom ne prelazi 3 do 4 [m], dok dubina vode u zdencu, ho [[m], ], treba ((radi njenog j g zahvaćanja) j ) iznositi najmanje j j 1 ((bolje j 2)) [[m]. ] Kod manjih dubina podzemne vode izvode se i potpuni zdenci. Ako izdašnost jednog zdenca ne zadovoljava, umjesto povećanja njegovoga promjera povećava grupa p zdenaca. se brojj zdenaca,, dakle,, izvodi se g Tada se zdenci obično raspoređuju uzduž linije okomito na smjer strujanja podzemne vode, slika 4.5::11, i međusobno spajaju: ((i))
sifonskim cjevovodom j ((ako jje do razine vode u zdencu najviše j 7 [[m]), ]),
(ii) gravitacijskim tlačnim cjevovodom (za slučaj arteških i subarteških voda), (iii) potisnim cjevovodom (posredstvom podvodnih crpki, ako je do razine vode u zdencu više g što jje usisna visina sifonskog g cjevovoda). j ) nego Promjer dovodnog cjevovoda se idući prema sabirnom zdencu sukcesivno povećava. Radi samočišćenja profila, sifonski se cjevovodi polažu s neznatnim usponom prema sabirnom zdencu, d a gravitacijski it ij ki i potisni ti i s neznatnim t i padom. d Zahvaćanje prispjele vode ostvaruje se u pravilu iz sabirnog zdenca, koji se često koristi i kao objekt u kojemu su smještene crpke za daljnje potiskivanje vode, slika 1.5::12. Pri tome položaj sabirnog zdenca i crpne stanice može biti rubno (na kraju grupe zdenaca), slika 1.5::12(A) ili centralno, slika 1.5::12(B).
66
Slika 1.5::12 Situacijska shema spojenih kopanih zdenaca (A) rubni položaj sabirnog zdenca i crpne stanice; (B) središnji položaj sabirnog zdenca i crpne stanice (a) spajanje zdenaca pomoću sifonskih ili gravitacijskih tlačnih cjevovoda (b) spajanje zdenaca pomoću potisnih cjevovoda i podvodnih crpki ( 1) (b1) s crpkom (a1), k u sabirnom bi zdencu; d ((a2), 2) (b2) sa zasebnom b crpnom stanicom t i 1 – kopani zdenac; 2 – kopani zdenac s podvodnom crpkom; 3 – sabirni zdenac; 4 – sabirni zdenac sa crpkom; 5 – zasebna crpna stanica; 6 – sifonski ili gravitacijski tlačni cjevovod; 7 – dovodni potisni cjevovod; 8 – usisna cijev; 9 – odvodni potisni cjevovod 67
Kopani zdenci se mogu izvoditi: (a) na licu mjesta, (b) montažno. (a) Izvedba kopanih zdenaca na licu mjesta je primjerena ako podzemna voda nije duboko, ako kod iskopa nema obrušavanja materijala i u slučaju većih promjera zdenaca. zdenaca Nakon iskopa zidanje se vrši mjesnim materijalom (lomljenim kamenom ili opekom), u gornjem dijelu u mortu, a u donjem dijelu, koji prima vodu, u suho, slika 1.5::13(a). Kopani zdenci se na licu mjesta mogu izvoditi i od kalupnog betona i armiranog betona. betona (b) Izvedba kopanih zdenaca montažno predstavlja suvremeni način gradnje ovih zdenaca. Sastoji se u spuštanju gotovih (montažnih) betonskih ili armiranobetonskih prstenova, najčešće postupkom potkopavanja,
Slika 1.5::13 Izvedba kopanih zdenaca (a) na licu mjesta; (b) montažno 1 – površina terena; 2 – vodonosni sloj; 3 – vodonepropusni sloj; 4 – zidanje u suho; 5 – zidanje u mortu; 6 – betonski prsten; 7 – nož 68
Ovaj se postupak sastoji u tome da se na mjestu izvedbe zdenca postavi prvi (najdonji) prsten, koji na donjem d j obodu b d ima i i izveden d lij lijevanoželjezni, ž lj i čelični č lič i ili armiranobetonski i b t ki nož, ž čija čij je j funkcija f k ij lakše prodiranje prstenova u tlo. Zatim se zdenac po cijelom unutarnjem obodu lagano i ravnomjerno potkopava tako da postavljeni prsten polagano tone uslijed vlastite težine. Kada prvi prsten bude potpuno utisnut u tlo, nad njim se postavlja slijedeći i postupak se ponavlja sve dok se ne postigne projektirana dubina. Ako prilikom izvedbe kopanog zdenca sile trenja nadvladaju opterećenje vlastitom težinom prstenova,, p p postavlja j se dodatno opterećenje p j ((npr. p vrećama cementa,, čeličnim p profilima i sl.)) U prstenovima koji su u zoni toka podzemne vode izvode se otvori za ulazak vode u zdenac. Duljina prstenova je obično 1 [m]. postavljanja j j filtra i g glinene brtve istovjetni j su onima kod horizontalnih vodozahvata. Razlozi p (2) Bušeni zdenci se primjenjuju za dobivanje podzemne vode na većim dubinama rasprostiranja njezinog toka, od desetak do nekoliko stotina metara, i njegove veće dubine (debljine). Ova se vrsta zdenaca može koristiti za dobivanje podzemnih voda sa slobodnim vodnim licem i pod tlakom (arteških i subarteških voda). U oba slučaja zdenci mogu biti izvedeni kao potpuni i nepotpuni.
69
Prednosti bušenih zdenaca pred ostalim zahvatima podzemnih voda su između ostalog: (i)
(praktički) neograničena dubina zahvaćanja vode,
(ii) neovisnost o geološkom sastavu tla, (iii) dobivanje relativno većih količina vode uz maksimalnu pogonsku sigurnost, sigurnost (iv) besprijekornost u sanitarnom pogledu zbog vrlo male mogućnosti vanjskog onečišćenja vode, (v) ekonomičnost. Bušeni zdenci se izvode bušenjem u tlu vertikalnih cilindričnih bušotina zaštićenih (najčešće) čeličnim cijevima koje automatski formiraju zdenac. Promjer bušenih zdenaca je reda veličine 0.3 do 1.0 [m]. Osnovni dijelovi bušenog zdenca, slika 1.5::14, jesu: (a) glava zdenca, (b) tijelo zdenca, (c) filtar.
70
Slika 1.5::14 Osnovni dijelovi bušenog zdenca 1 – glava; 2 – tijelo; 3 – filtar 71
(a) Glava zdenca u konstrukcijskom pogledu predstavlja vezu ušća bušotine s tijelom zdenca pri površinu tla. Njena j jje temeljna j zadaća zaštita zdenca od p prodiranja j p površinskih izlazu na p onečišćenja u zdenac. U širem smislu pod glavom zdenca podrazumijevamo i ostale elemente koji služe za mjerenje i kontrolu (razine vode, tlaka, temperature, uzimanje uzoraka) te za odvod vode (potisne cijevi, fasonski komadi, crpni agregati). (b) Tijelo zdenca se sastoji od jednog ili više koncentričnih nizova cijevi, cijevi čija je glavna zadaća da omoguće dovod vode na površinu terena. Dodatno, tijelo zdenca pruža efikasnu zaštitu protiv obrušavanja stijenki bušotine, štiti usisnu cijev i kućište podvodne crpke te sprječava gubitak vode u druge (suhe) slojeve na njenom putu do površine. (c) Filtar je dio zdenca koji ima zadaću da prihvati podzemnu vodu iz vodonosnog sloja i istovremeno onemogući unošenje čvrstih čestica tla u zdenac. To je najvažniji i najosjetljiviji dio zdenca o kojemu bitno ovisi izdašnost (kapacitet) i pogonska trajnost zdenca. U konstrukcijskom pogledu filtre možemo podijeliti na: ▪ mrežaste filtre, koji se sastoje od prorupčane cijevi omotane specijalnim mesinganim, bakrenim, (nehrđajućim) čeličnim ili plastičnim mrežama. Perforacije su kružne, ovalne ili četvrtaste, a gustoća mreže je u funkciji dominantnog promjera čvrstih čestica vodonosnog sloja, ▪ prorupčane filtre, koji se sastoje od prorupčanih čeličnih cijevi. Ovisno o konstrukciji prorupčanja postoji više vrsta ovih filtara, ▪ šljunčane filtre, koji se sastoje od prorupčane cijevi oko koje je postavljen šljunčani omotač odgovarajuće granulacije, izveden u jednom ili više slojeva. Odnos srednjeg promjera zrna šljunka i materijala vodonosnog sloja treba iznositi 5 do 10. Ovaj se odnos primjenjuje i za susjedne slojeve šljunčanog omotača, čija debljina ne smije biti manja od 50 [mm].
72
Prilikom odabira konstrukcije filtra treba voditi računa da hidraulički otpor filtra bude što manji. manji Načini izvedbe bušenih zdenaca, slika 1.5::15, ponajviše ovise o dubini rasprostiranja podzemne vode, karakteru geoloških slojeva kroz koje prolazi bušotina i od potrebne dubine zdenca.
Slika 1.5::15 Shema izvedbe bušenih zdenaca (a) s jednom zaštitnom cijevi; (b) s nizom zaštitnih cijevi (a1) nakon spuštanja zaštitne i radne cijevi; (a2) nakon ugradnje filtra i izvlačenja radne cijevi (b1) nakon spuštanja niza zaštitnih cijevi; (b2) nakon ugradnje filtra i odsijecanja zaštitnih cijevi 1 – površina terena; 2 – statička razina podzemne vode; 3 – zaštitna cijev; 4 – radna cijev; 5 – filtar; 6 – brtva; 7 – vodonepropusni sloj 73
U slučaju manjih dubina (40 do 50 [m]), koriste se relativno jednostavne konstrukcije poput one na slici 1.5::15(a), 1 5::15(a) gdje se cilindrična bušotina učvršćuje čeličnom zaštitnom cijevi. cijevi Ta se cijev približno spušta do gornje granice toka podzemne vode. Nakon toga se u bušotinu spušta radna cijev manjeg promjera, koja seže do donje granice vodonosnog sloja i donekle se utiskuje u vodonepropusni sloj. Zatim se spušta jedan od tipova filtra, manjeg promjera od radne cijevi. Poslije ugradnje filtra uklanja se iz bušotine radna cijev, cijev a prstenasti prostor između filtarske cijevi i zaštitne cijevi brtvi s pomoću ugrađenih brtvi. Pri većim dubinama rasprostiranja podzemne vode, uslijed povećanja otpora pobijanju zaštitnih cijevi, koristi se niz zaštitnih cijevi s postupno sve manjim promjerom, slika 1.5::15(b). Nakon što se s cijevi promjera D1 [mm] dosegne najveća moguća dubina h1 [m], spušta se u bušotinu cijev najbližeg manjeg promjera D2 na dubinu h2, koja trpi otpor zemljišta samo na visini h2 - h1. Ako potrebna dubina nije dosegnuta drugom cijevi, nastavlja se trećom cijevi još manjeg promjera D3, itd. Na kraju, na donjem dijelu posljednje cijevi postavlja se filtar, a cijev se povlači prema gore na visinu koja odgovara visini filtra. Preostale zaštitne cijevi, izuzev vanjske, odsijecaju se iznutra sjekačem cijevi, a prstenasti prostor između susjednih cijevi se brtvi. Pojedinačna visina zaštitnih cijevi ovisi o načinu bušenja i sastavu tla, tako da pri udarnom bušenju iznosi 20 do 25 [m], [m] a pri rotacijskom bušenju i do 500 [m]. [m] Prilikom zahvaćanje većih količina vode izvodi se grupa zdenaca i objedinjuje u jedinstveni sustav vodozahvatnih objekata, međusobnog rasporeda kao što je za slučaj kopanih zdenaca prikazano na slici 1.5::12. Naravno, raspored zdenaca se može razlikovati od prikazanog. Načini spajanja bušenih zdenaca su također istovjetni načinima spajanja kopanih zdenaca.
74
Proračun dotoka u p pojedinačne j vertikalne vodozahvate ((zdence)) ovisi o osnovnim slučajevima strujanja podzemne vode prema zdencima, a koji se razlikuju prema: (I) vrsti strujanja: (Ia) zdenci u strujanju sa slobodnim vodnim licem (obični zdenci), (Ib) zdenci d i u strujanju t j j pod d tlakom tl k ( t ški ili subarteški (arteški b t ški zdenci). d i) (II) dubini prorupčanog dijela zdenca: (IIa) potpuni zdenci, (IIb) nepotpuni zdenci. ▪ Dotok prema običnom zdencu promatra se kao dotok prema (a) potpunom običnom zdencu i prema
(b) nepotpunom običnom zdencu, slika 1.5::16.
75
Slika 1.5::16 Strujanje podzemne vode prema običnom zdencu (a) potpuni zdenac; (b) nepotpuni zdenac 1 – površina terena; 2 – vodonosni sloj; 3 – vodonepropusni sloj; 4 – statička razina podzemne vode; 5 – depresijska ploha
(a) Dotok, Qpo [m3 s-1], prema potpunom običnom zdencu, slika 1.5::16(a), dobiven je pod analognim pretpostavkama (Dupuit) kao i dotok u galeriju. Dan je izrazom: Q = Q po = π k
H o2 − ho2 R ln o ro
(1.5-05) (1.5 05)
gdje su: Ro – radijus utjecaja zdenca, [m], ro – unutarnji radijus zdenca, [m]. 76
(b) Dotok, Qno [m3 s-1], prema nepotpunom običnom zdencu, slika 1.5::16(b), ne može biti dobiven na temelju Dupuitove postavke, jer postoji strujanje i s izrazitim vertikalnim komponentama brzine, j nije j zanemarivo. Radi toga g jje izvod formula za dotok p prema ovome tipu p zdenca vrlo složen koje (može se npr. upotrijebiti teorija potencijalnog strujanja), tako da se za praktične potrebe koristi gotovim formulama kao npr. formulom Girinskog: Q = Qno = π k
(2 ho − so ) so 2h − s ln o o 1.2ro
(1 5 06) (1.5-06)
gdje je so [m] sniženje razine podzemne vode u zdencu. Formula vrijedi ako je ho < Ho/3. također se promatra kao dotok prema (a) potpunom arteškom ili subarteškom zdencu i prema (b) nepotpunom arteškom ili subarteškom zdencu, slike 1.5::17. ▪ Dotok
vode
prema
arteškom
ili
subarteškom
77
zdencu
Slika 1.5::17 Strujanje podzemne vode prema arteškom ili subarteškom zdencu ((a)) potpuni p p zdenci; (b) ( ) nepotpuni p p zdenac (a1) i (b1) arteški zdenac; (a2) i (b2) subarteški zdenac 1 – površina terena; 2 – vodonepropusni krovinski sloj; 3 – vodonosni sloj; 4 – vodonepropusni sloj; 5 – statička razina podzemne vode; 6 – depresijska ploha 78
Naime, N i sa slike lik 1.5::17 1 1 je j očito či da d je j za hidraulički hid lički proračun č arteškog šk ili subarteškog b šk zdenca d sasvim nevažno da li je razina podzemne vode u zdencu iznad površine terena (arteški zdenac) ili unutar visine krovinskog vodonepropusnog sloja (subarteški zdneac). Zato će se naredne analize odnositi na oba ova tipa zdenaca. (a) Dotok, Qpas [m3 s-1], prema potpunom arteškom, slika 1.5::17(a1), ili potpunom subarteškom zdencu, slika 1.5::17(a2), analogno kao i kod potpunog običnog zdenca, dan je izrazom: Q = Q pas = 2 π k M
H o − ho R ln o ro
(1.5-07)
gdje je M [m] debljina sloja podzemne vode pod tlakom, a Ho [m] označava visinu koja odgovara tlaku podzemne vode u vodonosnom sloju. (b) Dotok, Qnas [m3 s-1], prema nepotpunom arteškom, slika 1.5::17(b1), ili nepotpunom subarteškom zdencu, slika 1.5::17(b2), također ne može biti dobiven na temelju Dupuitove postavke, tako da se za proračun takovog zdenca može koristiti npr. formula Babuškina: Q = Qnas = 2 π k
a so 1.26 ln ro
(1.5-08) (1.5 08)
gdje je a [m] dubina uronjenja prorupčanog dijela zdenca u vodonosnom sloju. Formula vrijedi ako je a < M/3.
79
▪▪▪ Naglasimo da svi prethodni izrazi vrijede za proračun dotoka samo prema jednom zdencu, pri čemu je kod zdenaca pod tlakom sniženje razine podzemne vode linearno proporcionalno s dotokom, dok je kod zdenaca u strujanju sa slobodnim vodnim licem ta veza nelinearna. Ova je činjenica bitna za proračun dotoka prema grupi zdenaca, jer se u slučaju linearne ovisnosti dotoka i sniženja može primijeniti načelo superpozicije na kojemu se onda dalje izvode formule za dotok prema zdencima. Međutim, kod nelinearne ovisnosti proračun dotoka prema grupi zdenaca je osjetno složeniji.
80
1.5.3 – 3. Građevine za kaptažu izvora Izvori predstavljaju prirodno izlaženje podzemnih voda na površinu terena. terena Zbog (u pravilu) visoke zdravstvene kvalitete izvorske vode, kao i relativno jednostavnog načina njenog zahvaćanja, nastoji se uvijek za vodoopskrbu, ako je ikako moguće, koristiti izvorsku vodu. Najopćenitije, postoje dvije vrste izvora: (1) uzlazni izvori, (2) silazni izvori. izvori (1) Uzlazni izvori se formiraju probijanjem u površinske slojeve tla podzemnih voda pod tlakom, a kao rezultat narušavanja čvrstoće vodonepropusnih krovinskih slojeva. (2) Silazni izvori nastaju kao rezultat isklinjavanja na površinu tla vodonosnih slojeva koji leže na vodonepropusnoj podlozi i sadrže vodu bez tlaka. Građevine za zahvaćanje izvorske vode nazivaju se kaptaže, a proces sakupljanja izvorske vode naziva se kaptiranje izvora.
81
Ove građevine se različito izvode, ovisno o vrsti izvora. (a) Kaptiranje uzlaznih izvora, slika 1.5::18(a), se provodi kaptažnom građevinom u vidu vodne komore (vodospreme) koja se izvodi nad mjestom najjačeg izviranja vode. Ako voda izvire kroz ispucali stjenski površinski sloj, tada taj sloj treba očistiti i u slučaju iznošenja čvrstih čestica ugraditi filtar. filtar Filtar treba izvesti i ako voda izvire kroz površinski pjeskovito–šljunčani sloj. sloj
Slika 1.5::18 Sheme kaptiranja (a) uzlaznog izvora; (b) silaznog izvora 1 – vodna komora; 2 – zasunska komora; 3 – filtar; 4 – kosa krila; 5 – ventilacijska cijev; 6 – normalna (radna) razina vode; 7 – najviša dozvoljena razina vode; 8 – odvodni cjevovod; 9 – preljevna cijev; 10 – ispusno–preljevna cijev; 11 - otvori; 12 – površina terena; 13 – nepropusni glineni sloj 82
(b) Kaptiranje silaznih izvora također se ostvaruje posredstvom vodne komore smještene na j najjačeg jj g izviranja j vode. U većini slučajeva, j , radi što p potpunijeg p j g zahvaćanja j vode,, izvode se mjestu građevine u obliku brana ili uspornih zidova, okomito na osnovni smjer strujanja podzemne vode. Na slici 1.5::18(b) prikazan je primjer kaptažne građevine za zahvaćanje vode silaznih izvora. Voda ulazi u vodnu komoru kroz otvore u prednjem zidu, zasute s vanjske strane (šljunčanim) filtrom Prema vodnoj komori se obostrano priključuju kosa krila koja pregrađuju vodni tok. filtrom. tok Radi odvođenja vode potrošačima, mogućnosti njenog prelijevanja i pražnjenja vodne komore, predviđena je kod obje kaptažne građevine izvedba zasunske komore, komore opremljena cijevima i vodovodnim armaturama. Mogućnost prelijevanja vode iz vodne komore je potrebno osigurati da bi se isključilo eventualno j uspora p vode, jjer bi to moglo g izazvati smanjenje j j izdašnosti izvora, a u nepovoljnijem p j j formiranje slučaju čak i pojavu da izvor nađe drugi izlaz na površinu, zaobilazeći kaptažnu građevinu. ▪▪▪ j kaptažnih g građevina mogu g imati, u odnosu na prethodno opisane, i brojne j Konstrukcije posebnosti, pošto lokalni geološki, hidrogeološki i topografski uvjeti u svojim kombinacijama nalažu u pojedinačnim slučajevima posebne mjere kod njihove izvedbe.
83
1.6. CRPNE STANICE
Crpna stanica je građevina s pripadnom elektrostrojarskom opremom, kojom se voda crpi i podiže (potiskuje) na tlačnu visinu potrebnu za osiguranje zahtijevane raspodjele vode potrošačima.
Crpne se stanice koriste ako izvorište nema energijskog potencijala u odnosu na vodoopskrbno područje, ili je raspoloživi nedovoljan, pa ga treba postići (osigurati) na umjetni način. Su ad o s Sukladno slikama a a 1.2::03 03 do 1.2::05, 05, po položaj o aj c crpnih p stanica s a ca i njihova j o a izvedba edba su, između eđu os ostaloga, a oga, diktirani položajem i kapacitetom vodozahvata, položajem vodoopskrbnog područja i vodospreme (vodotornja), mogućnostima proširenja vodoopskrbnog sustava te imovinsko - pravnim odnosima. Osnovne dijelove crpne stanice, stanice slika 1.6::01, 1 6::01 čine: (1) crpke (crpni agregati), (2) crpni spremnik, spremnik (3) strojarnica, (4) komandna prostorija. Crpne stanice u pravilu sadrže i opremu za eliminiranje i ublažavanje vodnog udara.
84
1.6.1. CRPKE Crpke su osnovni element crpne stanice, kojima je podređena njena cjelokupna konfiguracija i konstrukcija. Crpka, odgovarajućeg kapaciteta i visine dizanja, s pogonskim strojem (u pravilu elektromotorom) određene snage i postoljem, postoljem zajedno čine crpni agregat. agregat U vodoopskrbi se uglavnom koriste centrifugalne crpke, koje rade na principu transmisije centrifugalne sile na masu vode u energiju njenog strujanja (dizanja) kroz cjevovod. Kapaciteti centrifugalnih crpki su od nekoliko do više stotina litara u sekundi, s visinom dizanja također do nekoliko k lik stotina i metara. Podjela centrifugalnih crpki moguća je po različitim kriterijima, kao npr. prema: (i) broju okretnih kola: jednostupanjske i višestupanjske, (ii) priključku usisne cijevi: radijalne, aksijalne i mješovite, (iii) položaju elektromotora: u suhom (suhe izvedbe) i u mokrom (mokre izvedbe, potopljene, uronjene ili podvodne), (iv) položaju osi crpke: horizontalne i vertikalne, (v) visini dizanja vode, H [m]: niskotlačne, H < 80 [m], srednjetlačne, 80 < H < 200 [m] i visokoltlačne, i k ltl č H > 200 [m]. [ ]
85
Neke od spomenutih vrsta i načina ugradnje centrifugalnih crpki prikazani su na slici 1.6::01.
Slika 1.6::01 Dijelovi crpne stanice s vrstama centrifugalnih crpki i načinima ugradnje (a) vertikalna crpka suhe izvedbe; (b) vertikalna crpka mokre izvedbe; (c) horizontalna radijalna crpka suhe izvedbe; (d) horizontalna aksijalna crpka suhe izvedbe 1 – crpka; 2 – crpni spremnik; 3 – strojarnica; 4 – komandna prostorija
U biti, proračun crpke (ili crpki) svodi se na definiranje snage elektromotora, kojime se masa vode s jedne točke (npr. izvorišta) crpi i potiskuje na drugu (npr. vodospremu). Izraz za snagu, P [kW], na os crpke proizlazi iz energije potrebne za obavljanje određenoga rada u jedinici vremena i savladavanje unutarnjih otpora crpke. Ako se radi o vodi (ρ = 1000 [kg m-3]), tada izraz za snagu poprima oblik:
86
P=
((1.6-01))
9.81Q H man
η
gdje su: Q
- protok (količina crpljenja), [m3 s-1],
Hman - manometarska visina dizanja (vode), [m], η
- koeficijent korisnog djelovanja crpke, [1].
Gornji izraz daje teoretsku snagu crpke. Za savladavanje tromosti sistema (polazni otpori) potrebno je još oko 15 [%] rezervne snage. Iznos rezerve ovisi, kako o veličini sistema, tako i od uvjeta rada. Snaga crpke koja uključuje i rezervnu snagu, naziva se instalirana snaga crpke, Pi. (1) Protok, odnosno količina crpljenja, Q, ovisi s jedne strane o potrebnim količinama vode, a s d druge strane t o režimu ži rada d crpki, ki odnosno d t j j crpljenja. trajanju lj j Iz dosadašnjih se analiza vodoopskrbnih sustava, slike 1.2::03 do 1.2::04, uočavaju dva osnovna položaja crpnih stanica prema ostalim građevinama u vodoopskrbnom sustavu. (a) crpne stanice s izravnim potiskivanjem vode (glavnim dovodnim cjevovodom) od vodozahvata do vodospreme, slika 1.2::04(d) do (f), ili s potiskivanjem vode (glavnim dovodno – opskrbnim cjevovodom) u razdjelnu mrežu i/ili vodospremu, slika 1.2::04(a) do (c). (b) crpne stanice t i s izravnim i i potiskivanjem ti ki j vode d u glavni l i opskrbni k b i cjevovod j d i razdjelnu dj l mrežu, ž slika 1.2::03. 87
Ako u vodoopskrbnom sustavu postoji i uređaj za kondicioniranje vode, tada se u prvom slučaju voda najprije potiskuje do uređaja, uređaja a zatim (ako je s obzirom na lokalne visinske odnose potrebno) od uređaja do vodospreme, ili od uređaja u glavni dovodno – opskrbni cjevovod, a posredstvom njega i u vodospremu. U drugom slučaju voda se također najprije potiskuje do uređaja za kondicioniranje vode, a potom u glavni opskrbni cjevovod i razdjelnu mrežu. Prema tome, u prvom će slučaju količina crpljenja iznositi: Q=
(1 6 02) (1.6-02)
Qmax tp
a u drugom, u satu najveće potrošnje: (1.6-03)
Q = qmax
gdje su: Qmax - najveća dnevna potrošnja vode, [m3 d-1], qmax - najveća satna potrošnja vode, [m3 s-1], tp
- vrijeme crpljenja [s d-1].
Vrijeme crpljenja je kod proračuna crpnih stanica vrlo značajan ekonomski faktor, za koji treba nastojati da ne prijeđe ukupno 16 [h] dnevno, a samo iznimno 20 [h] dnevno.
88
(2) Manometarska visina dizanja, Hman, je visina koju crpka treba savladati da bi se voda mogla prepumpavati, slika 1.6::02.
Slika 1.6::02 Definicijska shema manometarske visine dizanja
89
Definirana je izrazom: H man = H st + ΔH = H st ,us + H st ,tl + ΔH us + ΔH tl
(1.6-04)
gdje su: Hst
- statička visina dizanja, [m ],
ΔH
- ukupni hidraulički gubici zbog tečenja vode kroz usisnu cijev i tlačni cjevovod, [m],
Hst,us
- usisna statička visina dizanja, j [m], jjednaka g geodetskojj visinskojj razlici između najniže j razine vode u crpnom bazenu (vodozahvatu) i osi crpke,
Hst,tl
- tlačna statička visina dizanja, [m], jednaka geodetskoj visinskoj razlici između osi crpke i najviše razine vode u vodospremi,
ΔHus
- hidraulički gubici (linijski i lokalni) zbog tečenja vode kroz usisnu cijev, [m],
ΔHtl
- hidraulički gubici (linijski i lokalni) zbog tečenja vode kroz tlačni cjevovod, [m].
Dakle, statička visina dizanja, Hst, i ukupni hidraulički gubici , ΔH, prikazani su kao: H st = H st ,us + H st ,tl
(1.6-05)
ΔH = ΔH us + ΔH tl
(1.6-06)
Hidraulički gubici, ΔHus, definirani su izrazom: m
(1 6 07) (1.6-07)
ΔH us = ΔH lin ,us + ∑ ΔH lok ,us i =1
90
a hidraulički gubici, ΔHtl, izrazom: m
(1.6-08)
ΔH tl = ΔH lin ,tl + ∑ ΔH lok ,tl i =1
gdje g j jje m [[1]] brojj mjesta j lokalnih g gubitaka na usisnojj cijevi j i tlačnom cjevovodu. j Uz ove, pojedine oznake sa slike 1.6::02 imaju slijedeće značenje: vus - brzina vode u usisnoj cijevi, [m s-11], Lst - duljina usisne cijevi, [m], Ltl - duljina tlačnog cjevovoda, [m], Dst - unutarnji promjer usisne cijevi, [mm], Dtl - unutarnji promjer tlačnog cjevovoda, [mm]. Pošto je najčešće: (1.6-09)
Dus = Dtl ⇒ vus = vtl
gdje je vtl brzina vode u tlačnom cjevovodu, [m s-1]. U praktičnim se problemima obično izostavljaju lokalni gubici u tlačnom cjevovodu, zbog njihovog neznatnog doprinosa manometarskoj visini dizanja.
91
Isto tako,, ne treba smetnuti s uma da jje zbog g eliminacije j diskontinuiteta toka u usisnojj cijevi j i pojave kavitacije praktički potrebno osigurati: vus2 H st ,us + ΔH us + ≤7 2g
[m]
(1.6-10)
U prethodnim je analizama potisni cjevovod od crpne stanice do rezervoara nazvan tlačnim. To je učinjeno stoga što se u inženjerskoj praksi potisni cjevovodi češće nazivaju tlačnima, dakle, prema prema uzroku tečenja, j , jjer jje ((za razliku od g gravitacijskih) j ) kod p potisnih sustava tečenje j načinu a ne p uvijek pod tlakom. Radi toga se i ovdje priklonilo, za praksu uobičajenijem, načinu imenovanja i označavanja Kod veće duljine, naročito tlačnog cjevovoda, njegov unutarnji promjer je bitna ekonomska k t kategorija, ij koji k ji proizlazi i l i na bazi b i analize li troškova t šk i izgradnje d j i održavanja dž j (pogona) ( ) crpnog sistema. i t Za praktične potrebe može se kod preliminarnih analiza uzeti da je ekonomičan promjer, D [mm]: D = Kp Q
(1.6-11) (1.6 11)
gdje je Kp [1] koeficijent ovisan o trajanju crpljenja, tp, a Q količina crpljenja u [m3 s-1]. Orijentacijski se obično uzima Kp = 1.50.
92
(3) Koeficijent korisnog djelovanja, η, je promjenljiva veličina za pojedine odnose Q i Hman crpnih agregata slika 1.6::03, agregata, 1 6::03 i bitno ovisi o njihovoj konstrukciji. konstrukciji Naime, svaki agregat ima svoje unutarnje gubitke uslijed trenja, tako da se uvijek unijeta energija ne iskoristi 100 [%], već reducirano na koeficijent korisnog djelovanja, η. Najsvrsishodnije je koristiti crpne agregate kod ηmax.
Slika 1.6::03 Odnos Q – H, Q – P i Q – η Krivulje Q – H, H Q – P i Q – η sa slike 1.6::03 1 6::03 su tri osnovne krivulje karakteristika crpke. crpke
93
Osim ovih krivulja, kod analize rada crpki često je od interesa i krivulja crpnog sustava. Ova se krivulja dobije računanjem manometarske visine dizanja za različite protoke, slika 1.6::04. Njeno je ishodište u statičkoj visini dizanja, Hst, za protok Q = 0. Ako se na isti graf nacrta i Q – H krivulja crpke, dobije se sjecište ovih dviju krivulja. Točka sjecišta je radna točka crpnog sustava koja pokazuje ostvareni kapacitet i visinu njegovog dizanja. dizanja
Slika 1.6::04 Krivulja crpnog sustava i radna točka
94
Kod projektiranja crpnih stanica izbor crpki provodi se iz proizvodnih kataloga na temelju karakteristika crpki, tj. Q – H, Q – P i Q – η krivulja, budući da su svi crpni agregati tipizirani. Jedan takav dijagram karakteristika podvodnih crpki, primjerenih za crpljenje vode iz bušenih zdenaca, prikazan je na slici 1.6::05. g dijagrama j g možemo očitati da jje npr. p za količinu crpljenja p j j Q = 30 [[l s-1]], i manometarsku S ovoga visinu dizanja Hman = 50 [m], potrebna crpka tipa PC 125 – 2 ili dvije crpke (svaka za Q = 15 [l s-1]) tipa PC 100 – 5, spojene u paralelnom radu.
Slika 1.6::05 Dijagram karakteristika podvodnih crpki 95
Kod izbora veličine i broja crpki treba respektirati činjenicu da je u pogonskom pogledu sigurnije, iako skuplje, skuplje odabrati više crpki manjeg kapaciteta, kapaciteta nego samo jednu potrebne veličine. veličine Ovakav je pristup naročito opravdan za slučaj fazne izgradnje vodoopskrbnog sustava, kada početne potrebe za vodom, u odnosu na konačne, iznose samo dio. I kod najmanjih pogona uvijek predviđamo barem dvije crpke istih karakteristika, od kojih je jedna radna a jedna rezervna.
1.6.2. CRPNI SPREMNIK,, STROJARNICA I KOMANDNA PROSTORIJA (1) Crpni spremnik je prostor koji služi za sakupljanje i zadržavanje (retenciju) vode koja se prepumpava, slike 1.5::02 i 1.6::01. Veličina mu bitno ovisi o režimu rada crpki i dotoka, pa se stoga on posebno dimenzionira. dimenzionira Kod većih crpnih stanica izvodi se više crpnih spremnika međusobno odvojenih, kako bi se omogućila revizija i popravci bez prekida rada crpki. Voda u crpni spremnik ulazi kroz jedan ili više otvora (dovoda), direktno ili kroz rešetke i mreže. Na otvorima treba također postaviti zasune kako bi se crpni spremnik mogao povremeno prazniti. Kod crpnih stanica s uronjenim crpkama, slika 1.6::01(b), prostor crpnog spremnika treba prilagoditi i gabaritima crpki. U slučaju crpki suhe izvedbe, u crpnom spremniku se postavlja početak usisne cijevi opskrbljene usisnom košarom, slika 1.6::01(a), (c) i (d). Crpni spremnik mora imati otvor i elemente za komunikaciju (reviziju), ventilacijski otvor i preljev koji se aktivira kod visine punjenja koja prelazi dopuštenu. Također, dno crpnog spremnika se i izvodi di u padu d do d najniže j iž kote k t (točke) (t čk ) gdje dj se (radi ( di pražnjenja ž j j spremnika) ik ) izvodi i di muljni lj i ispust. i t
96
(2) Strojarnica služi za smještaj crpnih agregata, kontrolnih instrumenata, krajeva usisnih cijevi i početaka potisnih cjevovoda s pripadajućim fasonskim komadima i vodovodnim armaturama (radi spajanja crpnih agregata u jedinstveni tlačni sustav), te druge opreme. Strojarnica mora biti izvedena s odgovarajućim otvorima za komunikaciju, održavanje, montažu i demontažu opreme. U slučaju teške opreme postavlja se i dizalica. I unutar ovog prostora treba osigurati ventilaciju, a po potrebi i grijanje. Kod manjih crpnih stanica s uronjenim crpkama, slika 1.6::01(b), strojarnice uopće nema. (3) Komandna K d prostorija t ij je j prostor t koji k ji sadrži d ži potrebnu t b elektronsku l kt k opremu za automatsko t t k upravljanje crpnim agregatima, odnosno radom crpne stanice. Automatski rad se sastoji u ukapčanju i iskapčanju crpki sukladno njihovom režimu rada. Pored ovoga, automatika obuhvaća i jednoliko radno opterećenje svih crpki, uključujući i rezervne. ▪▪▪ U objektu crpne stanice je potrebno realizirati i energetski priključak, priključak u skladu sa zahtjevima elektrodistribucijskog poduzeća, pa se često uz crpnu stanicu (naročito za crpne stanice velikog instaliranog kapaciteta) izvodi i transformatorska stanica.
97
▪▪▪ Zbog startanja Zb j i mogućnosti ć i (kontroliranog (k li ili nekontroliranog) k li ) zaustavljanja lj j pogona jednog j d ili svih ih crpnih agregata, promjene opterećenja, te brzog zatvaranja cjevovoda, kod crpnih se stanica može javiti vodni udar. Zato crpne stanice najčešće sadrže i opremu za zaštitu od vodnog udara. U načelu, proračun vodnog udara radi se za slučajeve kada je duljina tlačnog cjevovoda veća od 50 [m], [ ] a visina i i dizanja di j od d 20 [m]. [ ] Ako Ak se ukaže k ž potrebnim, t b i zaštita štit od d vodnog d udara d se obično bič provodi ugradnjom: ((1)) p povratnog g ventila kojij se sporije p j zatvara,, tako da dio p povratne vode p propušta p kroz crpku p nazad,, u crpni spremnik, (2) obilaznog cjevovoda s kontrolnom zapornicom koja se otvara kad tlak poraste iznad p g, također p propuštajući p j vodu natrag, g, u crpni p spremnik, p , dopuštenog, (3) zračnog kotla koji ima zadatak (a) da kompenzira smanjenje tlaka u cjevovodu, odnosno da sprečava prekidanje vodnog stupca kada se udarni val rasprostire od crpke i (b) da amortizira udarni val kada se on rasprostire prema crpki, (4) vodne komore koja nadomješta vodu izgubljenu u gibanju i amortizira povratni udarni val. Primjena vodne komore dolazi u obzir ako za njen smještaj postoje povoljni visinski odnosi u okolini crpne stanice.
98
1.7. KONDICIONIRANJE VODE Kondicioniranje vode je proces za postizanje svojstava pitke vode i koncentracije tvari ispod maksimalno dopuštenih vrijednosti.
Dakle, kondicioniranje vode je uvijek neophodno ako se utvrdi da izvorišna voda ne odgovara propisanim standardima kvalitete. Stoga je uvijek najprije potrebno odrediti zahtijevane parametre kvalitete vode prirodnog izvorišta, kako bi se mogla ustanoviti neophodnost i karakter njenog kondicioniranja.
1.7.1. ZAHTJEVI KVALITETE VODE Zbog izuzetnog značaja zdravstvene ispravnosti vode namijenjene za opskrbu stanovništva, svaka zemlja zakonski propisuje zahtjeve u pogledu njene kvalitete. U našoj zemlji je ovo regulirano Pravilnikom o zdravstvenoj ispravnosti vode za piće (NN 47/08), koji je u suglasju s istovrsnim pravilnicima zemalja Europske unije.
99
Ovime se Pravilnikom propisuje: (I)
zdravstvena ispravnost vode koja služi za ljudsku upotrebu, tj. vode koja se koristi kao voda za piće te za pripremanje, proizvodnju i promet hrane, (II) granične vrijednosti pokazatelja zdravstvene ispravnosti vode, (III) vrste i obim analiza uzoraka vode za piće te analitičke metode, (IV) učestalost uzimanja uzoraka (uzorkovanje) vode za piće. Sva izvorišta vode namijenjene ljudskoj uporabi i vodoopskrbni objekti moraju biti zaštićeni od slučajnog ili namjernog onečišćenja i drugih utjecaja koji mogu ugroziti zdravstvenu ispravnost vode za piće. Sve pravne osobe koje obavljaju djelatnost javne vodoopskrbe, moraju isporučiti zdravstveno ispravnu vodu za piće sukladno odredbama ovoga Pravilnika. (I) Zdravstveno ispravnom vodom za piće smatra se voda koja: (1) ne sadrži mikroorganizme, parazite i njihove razvojne oblike u broju koji predstavlja opasnost po zdravlje ljudi, (2) ne sadrži tvari u koncentracijama koje same ili zajedno s drugim tvarima predstavljaju opasnost za zdravlje ljudi, (3) ne prelazi maksimalne vrijednosti pojedinih pokazatelja, odnosno njihove maksimalno dopuštene koncentracije (MDK), svrstane u četiri osnovne skupine: (3.1) mikrobiološki pokazatelji: escherichia coli, enterokoki, ukupni koliformi, clostridium perfringens, salmonella spp., vibrio cholerae, paraziti, enterovirusi, pseudomonas aeruginosa te broj kolonija na 22 [°C] i na 27 [°C];
100
(3.2) kemijski pokazatelji: akrilamid, aluminij, amonijak, antimon, arsen, bakar, barij, benzen, benzo(a)pirene, berilij, boja, bor, bromat, cijanidi, cink, detergenti (anionski i neionski), epiklorhidrin, fenoli, fluoridi, fosfati, isparni ostatak, kadmij, kalcij, kalij, kloridi, klorit, kobalt, koncentracija vodikovih iona (pH), krom, magnezij, mangan, mineralna ulja, miris, mutnoća, natrij, nikal, nitrati, nitriti, okus, olovo, policiklički aromatski ugljikovodici (PAH), pesticidi, selen, silikati, slobodni klor, srebro, sulfati, temperatura, trihalometan - ukupni (THM), 1.2-dikloretan, suma tetrakloretan i trikloretan, ukupni organski ugljik (TOC), ukupna tvrdoća, ukupne suspenzije, utrošak kalijevog permanganata, KMnO4, vanadij, vinil klorid, vodikov sulfid, vodljivost, željezo i i živa; (3.3) radioaktivnost: tricij i ukupna primljena doza; (3.4) najveća dopuštena količina ostatka nakon obrade zrakom obogaćenim ozonom: otopljeni ozon, bromat i bromoform. (II) Granične vrijednosti pokazatelja zdravstvene ispravnosti vode propisane su za sve prethodno navedene parametre, svrstane u četiri skupine: (1) mikrobiološki pokazatelji: voda za piće ne smije sadržavati ni jednu od prethodno navedenih bakterija, parazita i virusa, dok broj kolonija na 22 [°C] može iznositi 100/1 [ml] te na 37 [°C] do 20/1 [ml]; (2) kemijski pokazatelji: pitka voda može npr. sadržavati najviše 3 000 [μg l-1] cinka, 2 000 [μg l-1] bakra, do 1 500 [μg l-1] fluorida, dok cijanida, kroma i mangana može biti najviše 50 [μg l-1]. MDK mineralnih ulja je 20 [μg l-1]. Arsena, bromata, olova, selena, srebra te suma tetrakloretana i trikloretana smije biti do 10 [μg l-1], benzena i žive do 1.0 [μg l-1], a akrilamida, epiklorhidrina, policikličkih aromatskih ugljikovodika i (pojedinačnih) pesticida najviše 0.10 [μg l-1]. Dodatno, voda za piće mora biti bez mirisa (zbog prisustva otopljenih plinova, mineralnih ulja, organskih tvari i mikroorganizama), bez okusa (zbog prisustva u vodi tvari koje uzrokuju i miris vode) i bez vodikovog sulfita. Boja vode (zbog prisustva u vodi pretežno humusnih tvari) može iznositi najviše 20 [mg l-1], mjerena platinskokobaltnom skalom (PtCo), mutnoća (zbog prisustva u vodi lebdećih tvari – čestica pijeska, gline, muljevitih čestica organskog porijekla i sl.) do 4 [°NTU] (stupnja nefelometrijske turbidimetrijske jedinice), a koncentracija vodikovih iona, izražena u pH jedinici, 6.5 < pH < 9.5. 101
Klorida i sulfata smije biti do 250 [mg l-1], deterdženata, natrija i željeza do 200 [mg l-1] te amonijaka i slobodnog (rezidualnog) klora do 0.5 [mg l-1]. Ukupne suspenzije mogu iznositi najviše 10 [mg l-1]. Temperatura vode treba biti do 25 [°C]; (3) radioaktivost: u pitkoj vodi smije npr. biti tricija najviše 100 [Bq l-1]; (4) najveća dopuštena količina ostatka nakon obrade zrakom obogaćenim ozonom: otopljenog ozona u pitkoj vodi može biti do 50 [μg l-1], bromata najviše 3 [μg l-1], a bromoforma samo 1 [μg l-1]. U slučaju elementarne nepogode, iznenadnog onečišćenja vodoopskrbnog sustava ili bilo kojeg drugog uzroka odstupanja od sukladnosti prema Pravilniku, koji se postojećim postupcima kondicioniranja vode ne može ukloniti, a ne postoji rezervno izvorište, niti mogućnost opskrbe vodom za piće na drugi način, za daljnji rad, pravna osoba koja obavlja djelatnost javne vodoopskrbe mora zatražiti dozvolu za odstupanje od MDK vrijednosti, ako povećane vrijednosti ne predstavljaju moguću opasnost za zdravlje ljudi, a za razdoblje od najdulje tri godine, te iznimno na još tri godine. Provjeru sukladnosti vode namijenjene javnoj vodoopskrbi, odnosno poštivanje MDK vrijednosti iz Pravilnika, nadzire Hrvatski zavod za javno zdravstvo stalnim praćenjem (monitoringom). Izvršitelji monitoringa su zavodi za javno zdravstvo u županijama, odnosno Gradu Zagrebu, čiji laboratoriji obavljaju ispitivanja sukladno odredbama norme HRN EN ISO/IEC 17025. (III) Vrste i obim analiza uzoraka vode za piće te analitičke metode propisani su za sve četiri prethodno navedene skupine pokazatelja zdravstvene ispravnosti vode za piće. (IV) Učestalost uzimanja uzoraka (uzorkovanje) vode za piće propisana je s obzirom na količinu isporučene vode za piće u [m3 d-1] ili broja potrošača, uz pretpostavku da potrošnja vode iznosi 200 [l stanovnik-1 d-1].
102
Prema tome, svaka izvorišna voda namijenjena za javnu vodoopskrbu, koja posjeduje svojstva i sadrži tvari škodljive po zdravlje ljudi iznad dopuštenih vrijednosti, mora se prije upotrebe, odnosno distribucije potrošačima, podvrći odgovarajućem procesu kondicioniranja. 1.7.2. FAZE KONDICIONIRANJA VODE Raznovrsni zadaci koji se u praksi najčešće rješavaju postupkom kondicioniranja vode uglavnom se svode na: (i)
uklanjanje iz vode raspršenih (suspendiranih) tvari, tj. smanjenje mutnoće,
(ii) uklanjanje iz vode tvari koje uzrokuju njenu obojenost, (iii) uklanjanje iz vode otopljenih plinova (degazacija) i ukupnih soli (desalinizacija), (iv) uklanjanje organske tvari, (v) promjena tvrdoće vode, (vi) uništavane u vodi patogenih mikroorganizama (dezinfekcija). U određenim slučajevima proces kondicioniranja vode može biti dopunjen i usložnjen specijalnim fazama, npr. uklanjanjem soli željeza (deferizacija) ili uklanjanjem masti i ulja (isplivavanje (flotacija)).
103
Poboljšanje kvalitete vode provodi se na objektima s pripadajućom elektrostrojarskom opremom, koje zajednički nazivamo uređaji za kondiconiranje vode. Na slici 1.7::01 prikazana je osnovna konfiguracija, odnosno jednostavnija tehnološka shema međusobnog rasporeda pojedinih objekata uređaja za kondicioniranje vode. Predočenana shema pretpostavlja gravitacijsko kretanje vode prilikom njenog uzastopnog prolaženja kroz pojedine objekte uređaja za kondicioniranje vode. Također, ova shema, sukladno parametrima kvalitete vode prirodnog izvorišta, može biti proširena i dodanim, prethodno navedenim, tehnološkim fazama kondicioniranja vode.
104
Slika 1.7::01 Osnovna tehnološka shema uređaja za kondicioniranje vode 1 – otapanje i doziranje koagulanta, zgrušavanje; 2 – miješanje; 3 – pahuljičenje; 4 – taloženje; 5 – procjeđivanje; 6 - dezinfekcija
U ovome slučaju postupak kondicioniranja vode predviđa slijedeće faze temeljene na (i) fizikalnim, (ii) kemijskim i (iii) biološkim djelovanjima: (1) otapanje i doziranje koagulanta u sirovu vodu, zgrušavanje (koagulaciju), (2) miješanje (koagulanata i sirove vode), (3) pahuljičenje (flokulaciju), (4) taloženje (sedimentaciju), (5) procjeđivanje (filtraciju), (6) dezinfekciju. 105
1.7.2. – 1. Otapanje i doziranje koagulanta. Zgrušavanje Glavnina problema kod smanjenja mutnoće, kao čestog nedostatka vode, vezana je uz prisustvo vrlo sitnih raspršenih čestica – koloida, dimenzija od 1 [nm] do 1 [μm]. Zbog istoimenih (negativnih) elektrostatičkih naboja koloidi se međusobno odbijaju i ostaju raspršeni u vodi. Zato je vrijeme potrebno za izdvajanje koloida iz vode, prvenstveno procesom taloženja, uslijed njihove tzv. agregatne stabilnosti, praktički beskonačno. To je u tehnici kondicioniranja vode rezultiralo traženjem procesa remećenja stabilnosti koloida i mogućnosti njihovog kasnijeg međusobnog spajanja u veće čestice koje će se u vodi lakše taložiti. Takav proces remećenja stabilnosti (destabilizacija) koloida u sirovoj vodi naziva se zgrušavanje. Destabilizacija koloida se postiže dodavanjem vodi određenih kemijskih reagensa – koagulanata.
106
U praktične svrhe, kao neorganski koagulanti najčešće se koriste soli aluminija i željeza, tj aluminijev sulfat, Al2(SO4)3·18 H2O, poznatiji pod komercijalnim nazivom alaun, i željezni sulfat, FeSO4·7H2O, tj. zelena galica. Još se relativno često koriste i kalcijev oksid, CaO (živo vapno), kalcijev hidroksid, Ca(OH)2 (gašeno vapno) i natrijev karbonat, Na2CO3 (soda). U suvremenoj tehnici kondicionirana vode sve se više koriste organski koagulanti, tzv. polielektroliti, kao makromolekule dugačkog niza dobivene spajanjem prostih monomera. Na proces koagulacije u znatnoj mjeri utječu kvaliteta sirove (prirodne) vode, količina i karakter suspendiranih koloida, potrošnja kisika, količina soli, pH vrijednost i temperatura vode. Stoga se vrsta i optimalna doza koagulanta određuje ispitivanjem izvorišne vode. Radi orijentacije, prosječna doza alauna za vodu mutnoće 40 [°NTU] iznosi 25 do 35 [mg l-1], dok za mutnoću od 400 [°NTU] prosječna doza alauna iznosi 60 do 90 [mg l-1]. Koagulant se u vodu dodaje u obliku otopine. Zato postoje posebni uređaji za pripremu otopine i njeno doziranje – dozatori, koji otopinu koagulanta doziraju u funkciji mutnoće vode (čije vrijednosti mogu u relativno kratkom vremenu znatno oscilirati). Danas je postupak doziranja potpuno automatiziran, tako da se vodi automatski, ovisno o mutnoći i protoku, dodaje prethodno definirana optimalna doza koagulanta.
107
1.7.2. – 2. Miješanje Da bi zgrušavanje bilo što efikasnije, potrebno je odmah nakon dodavanja koagulanta osigurati njegovo intenzivno (turbulentno) miješanje sa sirovom vodom. To se postiže u posebnim objektima (bazenima) – mješačima, u kojima se voda zadržava do 5 [min]. Obično se primjenjuju sljedeće dvije vrste mješača: (1) gravitacijski mješači (mješači s gravitacijskim miješanjem), (2) mehanički mješači (mješači s mehaničkim miješanjem). (1) Gravitacijski mješači, slika 1.7::02, mogu biti izvedeni kao: (a) horizontalni mješači (mješači s horizontalnim tokom), (b) vertikalni mješači (mješači s vertikalnim tokom).
108
Slika 1.7::02 Gravitacijski mješači (a) horizontalni mješač; (b) vertikalni mješač 1 – dovod sirove vode; 2 – doziranje koagulanta; 3 – pravokutni preljev; 4 – vertikalne pregrade; 5 – ispust; 6 – kružni preljev
Na slici 1.7::02(a) prikazan je horizontalni mješač. Izveden je kao pravokutni bazen u kojemu je ugrađeno više uzastopnih vertikalnih pregrada s otvorima postavljenim tako da stvaraju neprestanu promjenu brzine i smjera tečenja vode. 109
Brzina vode u mješaču obično se uzima 0.6 [m s-1], a u otvorima oko 1 [m s-1]. Razmak pregrada je najčešće dvije širine bazena, Bb [m], a dubina vode iza posljednje pregrade je do 0.5 [m]. Pri tim je uvjetima sniženje razine vode između susjednih pregrada oko 0.15 [m]. Rad vertikalnog mješača, slika 1.7::02(b), temeljen je na načelu turbulentnog tečenja prouzrokovanog znatnom promjenom protjecajnog presjeka. Brzina u uskom dijelu konusa je oko 1 [m s-1], a u cilindričnom oko 25 [mm s-1]. (2) Mehanički mješači se zasnivaju na mehaničkom miješanju vode i koagulanta pomoću propelerne miješalice.
Slika 1.7::03 Mehanički mješač 1 – dovod sirove vode; 2 – odvod koagulirane vode; 3 – doziranje koagulanta; 4 – ispust; 5 – vertikalna pregrada; 6 - pogonski motor; 7 – propelerna miješalica 110
Ponekad se miješanje postiže i izravnim doziranjem koagulanta u usisnu cijev crpke ili u cjevovod kojime se voda transportira do uređaja za kondicioniranje vode. Kod toga treba voditi računa da duljina cjevovoda, s obzirom na brzinu vode, osigura potrebno vrijeme miješanja. 1.7.2. – 3. Pahuljičenje Pahuljičenje je proces stvaranja pahuljica (flokula) spajanjem koloida, prethodno destabiliziranih procesom zgrušavanja. Stvaranje pahuljica se odvija u posebnim objektima (bazenima) – flokulatorima. Njihova je zadaća da osiguraju stvaranje pahuljica, koje počinje odmah nakon miješanja vode i koagulanta. Ovaj proces se odvija relativno sporo i da bi se dobile dovoljno krupne flokule (veličine 0.5 do 0.6 [mm]) potrebno je 10 do 30 [min]. Dodatno povećanje pahuljica može se postići dodavanjem sredstava za pahuljičenje – flokulanata. Količina i vrsta flokulanta utvrđuje se ispitivanjem vode. Procesu stvaranja pahuljica potpomaže lagano i ravnomjerno miješanje vode, što ujedno sprječava i njihovo taloženje u flokulatoru. Granična vrijednost brzine vode determinirana je s mogućnošću razbijanja već slijepljenih pahuljica i iznosi 0.2 do 0.3 [m s-1].
111
U praksi se najčešće koriste, analogno kao i mješači: (1) gravitacijski flokulatori, (2) mehanički flokulatori. (1) Gravitacijski flokulatori, slika 1.7::04, mogu biti izvedeni kao: (a) horizontalni flokulatori, (b) vertikalni flokulatori.
Slika 1.7::04 Gravitacijski flokulatori (a) horizontalni flokulator; (b) vertikalni flokulator 1 – dovod koagulirane vode; 2 – odvod vode nakon pahuljičenja 112
Na slici 1.7::04(a) prikazan je horizontalni flokulator. Izveden je kao bazen pregrađen nizom koridora kojima teče voda. Broj zaokreta toka obično se uzima 8 do 10. Duljina koridora je u funkciji brzine vode i vremena zadržavanja vode u flokulatoru. Rad vertikalnog flokulatora, slika 1.7::04(b) temeljen je na istom principu kao i rad vertikalnog mješača. Voda se dovodi u donji dio konusa s uzlaznom brzinom oko 0.7 [m s-1], da bi po dolasku u gornji dio opala na svega 4 do 5 [mm s-1]. Iz gornjeg cilindričnog dijela flokulatora voda se obično odvodi prorupčanim cijevima. (2) Mehanički flokulatori se zasnivaju na mehaničkom miješanju koagulirane vode pomoću miješalica, slika 1.7::05. Na slici 1.7::05(a) prikazan je flokulator s vertikalnom osi okretanja lopatica, a na slici 1.7::05(b) s horizontalnom osi.
113
Slika 1.7::05 Mehanički flokulatori (a) s vertikalnom osi okretanja lopatica; (b) s horizontalnom osi okretanja lopatica 1 – dovod koagulirane vode; 2 – pogonski motor; 3 – miješalica; 4 – odvod vode nakon pahuljičenja
1.7.2. – 4. Taloženje Taloženje je proces gravitacijskog uklanjanja zrnatih i pahuljičastih čestica iz vode kojima je gustoća veća od gustoće vode. U teoriji taloženja se polazi od (a) pojedinačne (diskretne), (b) okrugle čestice, pretpostavljajući (c) mirnu vodu i (d) zanemarujući sve utjecaje koji ometaju ovaj proces.
114
Kada se diskretna okrugla čestica pusti padati u mirnoj vodi nultom početnom brzinom, ona ubrzava kretanje dok joj brzina, nakon određenog vremena (koje je gotovo uvijek beznačajno u odnosu na trajanje procesa taloženja), ne postane konstantna. S obzirom na karakter i kvalitetu vode u procesu kondicioniranja, te na veličinu i masu čestica, vertikalna brzina taloženja čestice, vt [m s-1], nalazi se u području važenja Stokesovog zakona (1851), koji glasi:
(1.7-01)
gdje su: g - ubrzanje polja sile teže, [m s-2], d - promjer čestice, [m], v
- kinematički koeficijent viskoznosti vode, [m2 s-1],
ρp - gustoća mase čestice, [kg m-3]. Npr. za pijesak, ρp = 2 650 [kg m-3], a za mulj koaguliran alaunom, ρp = 1 180 [kg m-3], ρ - gustoća mase vode, [kg m-3]. Međutim, pošto se kod taloženja, kako prirodne tako i koagulirane suspenzije, obično susrećemo s polidisperznom suspenzijom, brzine taloženja takove suspenzije najbolje je odrediti ispitivanjima. 115
Isto tako, budući da u praksi nikada nisu ispunjeni uvjeti savršenog (idealnog) taloženja, mora se računati na umanjenje efekta taloženja. Ovome doprinose dva odlučujuća činioca: (i) strujanje u zoni taloženja izazvano raznim utjecajima (puhanjem vjetra po nepokrivenim taložnicima, konvektivnim strujanjem zbog temperaturnih promjena, strujanje zbog razlike u gustoći) i (ii) međudjelovanje čestica. Proces taloženja odvija se u posebnim objektima (bazenima) – taložnicima. Danas se u praksi kondicioniranja vode primjenjuju dvije osnovne vrste taložnika, ovisno od smjera toka u njima: (1) horizontalni taložnici, (2) vertikalni taložnici. Ovo su tzv. konvencionalni taložnici. Radi intenzifikacije procesa taloženja grade se i specijalni taložnici koji će se analizirati naknadno.
116
(1) Taloženje u horizontalnim taložnicima se može odvijati u: (a) pravokutnim taložnicima, (b) okruglim taložnicima. (a) Shema taloženja čestica u (savršenom) pravokutnom taložniku prikazana je na slici 1.7::06.
Slika 1.7::06 Taloženje čestica u horizontalnom pravokutnom taložniku
Voda u taložnik dotječe ulaznom zonom kroz jedan od vertikalnih zidova taložnika, prolazi njegovom duljinom zonom taloženja do suprotnog vertikalnog zida i izlaznom zonom otječe iz taložnika. Ispod zone taloženja je zona mulja. 117
Na gornjoj slici, v0 [m s-1], označava horizontalnu brzinu vode u zoni taloženja, definiranu izrazom: (1.7-02)
gdje su: Q - protok zonom taloženja, [m3 s-1], Bs - širina zone taloženja (širina taložnika), [m], Hs - dubina zone taloženja (dubina taložnika), [m]. Vrijednost horizontalne brzine trebala bi se nalaziti u granicama 2.5 < vo < 35 (50) [mm s-1]. Kritična brzina taloženja, vtcr [m s-1], koja mora postojati da bi se čestice istaložile bar u krajnjoj donjoj točki zone taloženja prema zoni izlaza, određena je odnosom: (1.7-03) odnosno: (1.7-04)
gdje je Ls [m] duljina zone taloženja (duljina taložnika).
118
Sve čestice s brzinom taloženja vt ≥ vtcr bit će 100 [%] uklonjene, jer će se kretati putanjama paralelnim s “p” ili strmijim. Isto tako, sve čestice s brzinom taloženja vt < vtcr koje u zonu taloženja uđu unutar visine h [m], imat će putanje paralele s “p‘ ” i bit će također uklonjene, dok će sve čestice s brzinom taloženja vt < vtcr koje u zonu taloženja uđu iznad visine h, biti iznijete iz zone taloženja. Uvrštavajući izraz 1.7-02 u izraz 1.7-04, dobije se izraz za površinsko (hidrauličko) opterećenje, PO [m s-1], taložnika: (1.7-05)
gdje je As [m2] površina zone taloženja (površina taložnika). Vrijeme zadržavanja vode u taložniku, Ts [s], definirano je izrazom: (1.7-06)
i kreće se od 2 do 6 (7) [h].
119
Prethodne analize taloženja u pravokutnim horizontalnim taložnicima temeljene su, između ostaloga, i na pretpostavci da režim tečenja ne utječe na proces taloženja. Naravno, ova pretpostavka vrijedi samo za slučaj laminarnog tečenja u taložniku. Da li će se tečenje u taložniku odvijati u laminarnom ili turbulentnom režimu ovisi, dakako, o vrijednosti Reynoldsovog broja, Re [1], koji se u ovom slučaju može izraziti: (1.7-07)
Za laminarno tečenje u pravokutnim taložnicima treba biti ispunjen uvjet, Re < 2000. Dakle, za manje vrijednosti Reynoldsovog broja, Re, potrebni su relativno široki i duboki taložnici. S druge strane, potreba eliminacije kratkospojnog tečenja, kada se dotok jednoliko ne distribuira preko čitavog poprečnog presjeka taložnika (prema izrazu 1.7-02), zahtijeva što veći odnos sila tromosti prema silama gravitacije, što se izražava Froudeovim brojem: (1.7-08)
čija bi vrijednost trebala iznositi Fr >10-5. U ovome izrazu R [m] označava hidraulički radijus. Zadovoljenje gornjeg kriterija zahtijeva duge, uske i plitke taložnike s većim brzinama toka, što je u suprotnosti s prethodno izraženim zahtjevom s obzirom na tražene vrijednosti Reynoldsovog broja.
120
Stoga su konstrukcijska rješenja konvencionalnih pravokutnih taložnika s horizontalnim tokom vode rezultat kompromisa između međusobno suprotnih hidrauličkih zahtjeva (niske vrijednosti Reynoldsovog broja i visoke vrijednosti Froudeovog broja) i ekonomskih kriterija koji zahtijevaju ograničen odnos dubine, širine i duljine spremnika. Vrijednost Reynoldsonog broja postaje relativno niska, a Froudeovog broja relativno visoka, ako je:
(1.7-09) Dubina taložnika odabire se 2 do 3 [m]. Isto tako, ne preporučuju se taložnici sa širinom preko 5 [m] i duljinom preko 50 [m].
121
Na slici 1.7::07 prikazan je uzdužni presjek horizontalnog pravokutnog taložnika. U taložniku je radi zgrtanja istaloženog mulja ugrađen zgrtač mulja. Brzina zgrtača je oko 1 [cm s-1].
Slika 1.7::07 Horizontalni pravokutni taložnik 1 – dovod; 2 – zgrtač mulja; 3 – muljna komora; 4 – muljni ispust; 5 – odvod
Moguće je i rješenje s pokretnim mostom koji također ima zgrtač i premošćuje taložnik po širini, krećući se od jednog prema drugom kraju taložnika. Zgrtanja mulja se obavlja suprotno od smjera toka. Postupci zgrtanja mulja obično su automatizirani. Radi što lakšeg zgrtanja mulja u muljnu komoru, odakle se zatim ispušta, dno taložnika se izvodi s uzdužnim padom 1 do 2 [%], također suprotno toku. 122
Obično se grade dva taložnika, radni i rezervni, kako bi se nesmetano obavljalo čišćenja. Horizontalni pravokutni taložnici pokazali su se ekonomski opravdanim ako im je kapacitet veći od 3 000 [m3 d-1]. Iz prethodnih je analiza vidljivo da su mješači, flokulatori i taložnici u funkcionalnom pogledu različiti objekti. No, u konstrukcijskom pogledu oni mogu biti povezani u cjelinu, kao što prikazuje slika 1.7::08.
Slika 1.7::08 Primjer konstrukcijske povezanosti mješača, flokulatora i taložnika 1 – mješač; 2 – flokulator; 3 – taložnik
123
(b) U okrugli taložnik, slika 1.7::09, voda se dovodi u komoru, smještenu u sredini taložnika, i radijalno kreće (zbog čega se ovi taložnici ponekad nazivaju radijalni taložnici) prema rubnom sabirnom žlijebu, iz kojega se dalje odvodi. Bitna osobina okruglih taložnika je promjena brzine vode u zoni taloženja od najveće vrijednosti u sredini, do najmanje na rubovima taložnika.
Slika 1.7::09 Okrugli taložnik 1 – dovod; 2 – sabirni žlijeb; 3 – zgrtač mulja; 4 – pokretni most; 5 – muljna komora; 6 – muljni ispust; 7 – odvod
Sustav za zgrtanje mulja najčešće je riješen rotacijskom rešetkastom (mosnom) konstrukcijom. Okrugli taložnici se grade promjera Ds = 5 do 60 [m]. Dubina taložnika (vode), Hs, na rubu uzima se 1.5 do 2.5 (3.5) [m] (Ds/Hs > 3.5), a nagib dna 4 do 10 [%].
124
Okrugli taložnik može u sredini imati smješten flokulator, slika 1.7::10.
Slika 1.7::10 Okrugli taložnik s flokulatorom 1 – dovod; 2 – flokulator; 3 – zona taloženja; 4 – muljna komora; 5 – zgrtač mulja; 6 – pokretni most; 7 – miješalice; 8 – sabirni žlijeb; 9 – muljni ispust; 10 – odvod
(2) Taloženje u vertikalnim taložnicima se može odvijati u: (a) okruglim taložnicima, (b) kvadratnim taložnicima. Češća je primjena okruglih taložnika. 125
Vertikalne taložnike, slika 1.7::11, karakterizira uzlazno kretanje vode. Ovakav taložnik je u stvari okrugli ili kvadratni bazen s konusnim, odnosno piramidalnim donjim dijelom. U sredini taložnika je najčešće ugrađen flokulator.
Slika 1.7::11 Vertikalni taložnik 1 – zona taloženja; 2 – flokulator; 3 – zona mulja; 4 – dovod; 5 – mlaznice; 6 – sabirni žlijeb; 7 – muljni ispust; 8 – odvod
Koagulirana voda se dovodi u flokulator i sustavom mlaznica jednoliko distribuira. U flokulatoru voda struji silazno i ulazi u donji dio zone taloženja. Odavde nastavlja uzlazno strujanje prema sabirnom žlijebu, odakle se dalje odvodi. Mulj se skuplja na dnu konusnog dijela i povremeno ispušta. Radi osiguranja gravitacijskog klizanja mulja prema muljnom ispustu, preporuča se izvođenje konusnog dijela pod kutom 50 do 55 [º]. 126
Srednja (uzlazna) brzina vode u taložniku, vu [m s-1], obično se kreće u granicama 5 do 6·104 [m s-1]. Ova brzina osigurava taloženje svih čestica s brzinom taloženja v > v . t u Površina zone taloženja As definirana je izrazom:
(1.7-10) Visina zone taloženja, Hs, pretežno se uzima 4 do 5 [m], a odnos promjera taložnika, Ds, i visine zone taloženja, Hs, Ds/Hs ≥ 1.5. Vertikalni taložnici se uglavnom primjenjuju kod uređaja kapaciteta do 30 000 [m3 d-1].
127
(3) Taloženje u posebnim (specijalnim) taložnicima odnosi se na taloženje u: (a) cijevnim i pločastim (lameliranim) taložnicima, (b) taložnicima s lebdećim muljem. (a) Cijevni i pločasti taložnici su nastali kao rezultat nastojanja da se učinak taloženja približi teoretski očekivanome, te da se vrijeme zadržavanja vode u taložniku, koje je inače prilično dugo u odnosu na druge faze kondicioniranja vode, što više skrati, uz postizanje željenog stupnja taloženja. Ovi se taložnici grade kao bazeni, slika 1.7::12, u koje se u vidu snopa, pod određenim kutom prema horizontali, ugrađuje sustav cijevi različitog oblika profila (okruglog, četverokutnog, šesterokutnog), ili sustav paralelnih ploča (lamela). Karakteristična dimenzija profila cijevi, odnosno međusobnog razmaka lamela, iznosi reda veličine 5 do 7 [cm]. Kroz ugrađene cijevi ili ploče uzlazno protječe voda opterećena lebdećim česticama i na tom se putu oslobađa znatnog dijela suspenzije za osjetno kraće vrijeme u odnosu na konvencionalne taložnike. Također se postiže i optimalnost hidrauličkih parametara. Reynoldsov broj poprima vrijednosti koje bez daljnjega osiguravaju slojevito tečenje, a Froudeov broj se kreće u granicama kod kojih je u potpunosti osigurana stabilnost tečenja.
128
Slika 1.7::12 Cijevni ili pločasti taložnik 1 – dovod; 2 – sustav cijevi ili ploča; 3 – zgrtač mulja; 4 – muljna komora; 5 – muljni ispust; 6 – odvod
Analize i ispitivanja vezani za probleme uklanjanja mulja rezultirali su utvrđivanjem optimalnog kuta nagiba protočnih elemenata u granicama od 45 do 60 [º]. Time je osigurano neprekidno gravitacijsko klizanje mulja. Duljina protočnih elemenata je približno jednaka dvadeseterostrukoj vrijednosti karakteristične dimenzije protočnog elementa, što u konačnosti rezultira smanjenjem potrebne dubine vode u taložniku ( za oko 30 [%] u odnosu na konvencionalne taložnike).
129
Površinsko opterećenje, PO, odnosno kritična vertikalna brzina taloženja čestica, vtcr, definirani su izrazom: (1.7-11)
gdje je Ks [1] koeficijent čija vrijednost ovisi o nagibu i duljini protočnih elemenata. Vrijednost koeficijenta Ks je osjetno manja od jedan. Prema tome, kod cijevnih i pločastih taložnika se postiže višestruko smanjenje kritične brzine taloženja, ili drugim riječima, zadržavanjem iste kritične brzine taloženja moguće je višestruko povećati dotok, odnosno višestruko smanjiti površinu zone taloženja u odnosu na konvencionalne taložnike. Prednosti cijevnih i pločastih taložnika sadržane su u visokom učinku koji se postiže za osjetno kraće vrijeme, manjem volumenu objekta, pa prema tome i manjim investicijskim troškovima. (b) Taložnici s lebdećim muljem se danas naširoko koriste u tehnici kondicioniranja vode. S obzirom na određene posebnosti, ovi se taložnici izvode najčešće pod nazivima (i) akceleratori, (ii) precipitatori i (iii) pulzatori. Njihov rad, slika 1.7:.13, je zasnovan na propuštanju koagulirane vode kroz sloj lebdećeg mulja.
130
Slika 1.7::13 Načelo rada taložnika s lebdećim muljem 1 – taložnik; 2 – zgušnjivač mulja; 3 – dovod; 4 – ispust zgusnutog mulja; 5 – odvod
Koagulirana voda se dovodi u donji dio taložnika i struji uzlazno. Čestice (pahuljice) koagulanta i s njima povučene čestice suspenzije podižu se uzlaznim tokom do trenutka kada njihova brzina taloženja postane jednaka uzlaznoj brzini toka. Pretpostavimo da će se to dogoditi na visini ho iznad dovoda vode. Iznad te razine će se formirati sloj lebdećeg mulja kroz koji će prolaziti i na određeni se način filtrirati voda. Visina sloja mulja, h1, treba osigurati potreban stupanj taloženja. Ta je visina ograničena i položajem uređaja za oduzimanje mulja koji se uklanja u zgušnjivač mulja. 131
Voda koja je prošla kroz zonu lebdećeg mulja nastavlja uzlazno strujanje do razine odvoda vode. Visina vode iznad lebdećeg mulja, h2, treba osigurati zadržavanje čestica mutnoće koje su se provukle kroz sloj mulja i zaštiti površinu lebdećeg mulja od usisavanja suspenzije uređajima za odvod vode. U sloju mulja odvija se proces sljepljivanja čestica suspenzije s pahuljicama koagulanta, tj. proces dodirnog zgrušavanja (kontaktne koagulacije). Ako brzina uzlaznog strujanja premaši brzinu taloženja pri danoj koncentraciji suspenzije, tada će se ta koncentracija smanjiti, tako da može biti poremećen bilans pridolaženja suspenzije u taložnik i uklanjanja njenog viška u zgušnjivač taloga. Tada dolazi do podizanja suspendiranog mulja i iznošenja suspenzije iz taložnika. Stoga se kod definiranja tehnologije rada ovih taložnika osnovni problem svodi na pravilno određivanje visine sloja lebdećeg mulja, h1, i uzlazne brzine vode, vu. Ove veličine za zadani stupanj taloženja ovise o kvaliteti sirove vode i postupcima njene kemijske obrade. 1.7.2. – 5. Procjeđivanje Procjeđivanje je proces propuštanja vode kroz poroznu sredinu – filtarski materijal. Primjenjuje se za uklanjanje koloidnih čestica i mikroorganizama (prvenstveno bakterija) koji su nakon procesa taloženja zaostali u vodi, naročito najsitniji koloidi koji se nisu uspjeli slijepiti u flokule, već su proslijedili tokom vode dalje. Kod procjeđivanja će i te čestice zaostati u kontaktu s filtarskim materijalom. U vodovodnoj se praksi kao osnovni filtarski materijal primjenjuje kvarcni pijesak.
132
Ova vrsta pijeska sadrži silicijev dioksid, SiO2, koji vrlo povoljno neutralizira preostale potencijalne sile koloida zaostalih u vodi nakon procesa taloženja. Na procjeđivanje se dovodi vodu s mutnoćom do 8 (iznimno 16) [°NTU], jer bi veća mutnoća izazvala prebrzo onečišćenje filtarskog materijala, odnosno potrebu njegovog vrlo čestog pranja (čišćenja). Procjeđivanje je složen proces koji objedinjuje: (a) mehaničko djelovanje, koje se sastoji u odstranjivanju čestica većih od pora filtarskog materijala, (b) adhezijsko djelovanje, koje se ogleda u prianjanju čestica na površini filtarskog materijala, (c) adsorpcijsko djelovanje, koje se očituje u pripijanju (na površini filtarskog materijala) čestica koje s vodom prodiru u poroznu sredinu, (d) taložno djelovanje, koje se sastoji u gravitacijskom izdvajanju čestica koje s vodom prodiru u unutrašnjost filtarskog materijala, (e) kemijsko djelovanje, koje se očituje u rastavljanju (disociranju) muteži na sitnije dijelove ili u njenom pretvaranju u netopivu masu koja se potom uklanja iz vode, (f) biološko djelovanje, koje se ogleda u stvaranju biološke opne ili prevlake (filma, membrane) od mikroorganizama. Proces procjeđivanja se odvija u posebnim objektima – procjeđivačima (filtrima).
133
Ovisno o načinu kretanja vode kroz filtarski materijal, procjeđivači se dijele na: (I)
gravitacijske procjeđivače,
(II)
tlačne procjeđivače,
(III)
vakuumske procjeđivače.
(I) Gravitacijski procjeđivači su otvoreni spremnici u kojima se iznad filtarskog sloja nalazi voda sa slobodnim vodnim licem, slika 1.7::14. Procjeđivanje nastaje zbog djelovanja sile teže pri visinskoj razlici dovoda i odvoda vode na filtru.
Slika 1.7::14 Shema gravitacijskog procjeđivača 1 – dovod vode nakon taloženja; 2 – filtarski sloj; 3 – drenaža; 4 – odvod filtrirane vode
134
(II) Tlačni procjeđivači su zatvoreni (čelični) cilindrični spremnici u koje se voda dovodi pod tlakom. Procjeđivanje nastaje zbog razlike tlaka na dovodu i odvodu vode. (III) Vakuumski procjeđivači su vrsta procjeđivača kod kojih na odvodu vlada potlak. Kod kondicioniranja vode, naročito ako se radi o uređajima većih kapaciteta, najčešće se primjenjuju gravitacijski procjeđivači. Ovi procjeđivači će se jedino i opisivati u nastavku. ▪▪▪ Gravitacijsko procjeđivanje se odvija u filtrima koji se grade kao otvoreni armiranobetonski spremnici u čijem je donjem dijelu smješten drenažni sustav (drenaža) za odvod filtrirane vode, slika 1.7:.14. Na drenažni se sustav polaže sloj filtarskog materijala. Voda koja je prošla proces taloženja dovodi se na filtarski materijal i silaznim tokom procjeđuje. Osnovni parametri koji se određuju prilikom proračuna procjeđivanja, odnosno kod projektiranja procjeđivača, jesu: (a) brzina procjeđivanja, (b) dopušteni hidraulički gubici na procjeđivaču, (c) optimalno vrijeme rada procjeđivača između dva pranja, odnosno čišćenja.
135
(a) Brzina procjeđivanja, vf [m h-1], definirana je izrazom: (1.7-12) gdje su: Q - dotok na procjeđivač, [m3 h-1], Af - površina procjeđivača, [m2]. Dakle, pod brzinom procjeđivanja se ne podrazumijeva stvarna brzina vode u porama filtarskog materijala, nego vertikalna brzina stupca vode koja prolazi filtrom. (b) Dopušteni hidraulički gubici na procjeđivaču, ∆Hf [m], ograničeni su razlikom razine vode u procjeđivaču i u spremniku čiste vode. Ovi gubici, osim gubitaka zbog procjeđivanja vode, ∆Hfp [m], uključuju linijske i lokalne gubitke zbog tečenja vode kroz vodovodne cijevi i armature kojima se filtrirana voda odvodi do spremnika čiste vode. Hidraulički gubici, ∆Hfp, slika 1.7::15, prvenstveno ovise o osobinama filtarskog materijala (debljini sloja, poroznosti, dimenzijama i postotku udjela pojedinih frakcija), zatim o brzini procjeđivanja, viskoznosti vode i gravitacijskom djelovanju.
136
Slika 1.7::15 Prikaz tlačnih gubitaka kod gravitacijskog procjeđivanja Osobine filtarskog materijala kvantificiraju se sa sljedeća dva parametra: (i)
efektivnim promjerom,
(ii) koeficijentom jednolikosti (koeficijentom uniformnosti). (i) Efektivni promjer, de [mm] definiran je izrazom: (1.7-13) (ii) Koeficijent jednolikosti, Ku [1] definiran je odnosom: (1.7-14) gdje su: d10 - promjer zrna filtarskog materijala koji odgovara 10 [%] frakciji, [mm], d60 - promjer zrna filtarskog materijala koji odgovara 60 [%] frakciji, [mm]. 137
Ove se veličine očitavaju s granulometrijske krivulje filtarskog materijala. Proračun spomenutih hidrauličkih gubitaka je relativno opsežan i složen, tako da se ovdje neće iznositi. (c) Optimalno vrijeme rada procjeđivača određuje se iz dva uvjeta. (i) Prvi uvjet se odnosi na onečišćenje filtarskog materijala, zbog čega u procesu procjeđivanja postupno dolazi do smanjenja poroznosti filtarske ispune, odnosno do začepljenja pora, a time i do do povećanja hidrauličkih gubitaka, slika 1.7::16(a), što nazivamo kolmatacijom. Ti se gubici povećavaju kroz razdoblje, Tn [h], tokom kojega njihova vrijednost dosegne vrijednost raspoloživog tlaka. (ii) Drugi uvjet se odnosi na činjenicu da porastom onečišćenja filtarskog materijala dolazi do povećanja brzine vode u porama, što dovodi do djelomičnog iznošenja čestica suspenzije koje su se prethodno zadržale u porama. Kao rezultat toga počinje se pogoršavati kvaliteta filtrirane vode.
138
Slika 1.7::16 Određivanje optimalnog vremena rada procjeđivača (a) prema kriteriju dopuštenih hidrauličkih gubitaka; (b) prema kriteriju tražene kvalitete filtrirane vode 1 – promjena hidrauličkih gubitaka; 2 – promjena mutnoće (∆Hf)max – najviše dopušteni hidraulički gubici
Dakle, prema drugom kriteriju trajanja rada filtra između dva pranja je razdoblje, Tz [h], tokom kojega se garantira tražena kvaliteta filtrirane vode, slika 1.7:16(b). Obje vrijednosti, Tn i Tz, ovise o brzini procjeđivanja, kvaliteti vode i osobinama suspenzije i filtarskog materijala. U slučaju najekonomičnije projektiranog filtra vrijedi jednakost:: (1.7-15)
139
Međutim, radi osiguranja zdravstvene ispravnosti filtrirane vode poželjno je da Tz bude nešto veće od Tn odnosno preporuča se uzeti: (1.7-16) Time su definirani temeljni parametri procesa procjeđivanja. Po karakteru mehanizma zadržavanja suspendiranih čestica moguće je razlikovati: (1) sporo procjeđivanje, (2) brzo procjeđivanje. (1) Sporo procjeđivanje nastaje procjeđivanjem kroz biološku opnu koju obrazuju mikroorganizmi na površini filtarskog sloja. Zato se ono naziva i površinsko procjeđivanje. Proces sporog procjeđivanja se odvija na sporim procjeđivačima, koji se primjenjuju za filtriranje nekoagulirane vode koja sadrži nisku mutnoću (rijetko preko 8 [°NTU]). Rade pri malim brzinama procjeđivanja, obično 0.1 do 0.3 (najčešće 0.2) [m h-1] i kapaciteta do 1 000 [m3 d-1]. Zato im je potrebna velika površina, što uvjetuje relativno visoke investicijske troškove. Odlika im je vrlo visoko smanjenje mutnoće i veliki postotak zadržavanja bakterija (98 do 99 [%]).
140
Nedostaci sporih procjeđivača su, uz visoke troškove izgradnje, vrlo složen, skup i sa sanitarnog aspekta nesavršen način čišćenja. Kao što je istaknuto, rad sporih procjeđivača zasniva se na filtriranju nekoagulirane vode kroz biološku membranu, na kojoj se zadržavaju samo one čestice čije su dimenzije veće od pora opne, dok pješčani filtarski sloj služi kao oslonac za sakupljanje koloida i mikroorganizama na njegovoj površini. Učinak pročišćavanja se povećava proporcionalno formiranju biološke opne nad filtarskim slojem. Sakupljanje filtrirane vode provodi se pomoću žlijeba ugrađenog na dnu procjeđivača. Kod većih filtarskih površina izvodi se drenažni sustav, najčešće od perforiranih cijevi. Preporučljive vrijednosti temeljnih parametra sporih procjeđivača jesu: (a) efektivni promjer, de = 0.25 do 0.35 [mm], (b) koeficijent jednolikosti, Ku ≤ 2.75, (c) početna debljina potpornog (filtarskog) sloja, hf ≈ 1.5 [m], (d) dubina vode iznad filtarskog sloja, hv ≈ 1.2 [m].
141
Mala brzina procjeđivanja i male dimenzije čestica suspenzije uzrokuju relativno sporo sazrijevanje biološke opne (1 do 2 dana), dok normalno vrijeme rada sporih procjeđivača (od završetka sazrijevanja opne do čišćenja) iznosi obično 2 (4) mjeseca. Prilikom čišćenja filtra skida se onečišćeni površinski sloj pijeska debljine 1 do 2 [cm], sve dok se debljina filtarskog sloja ne smanji na 0.75 [m]. Tada se sav prethodno odstranjen pijesak opere i vrati na filtar. Zbog relativno velike površine sporih procjeđivača, njihovo čišćenje je težak i skup postupak koji može potrajati i dan – dva. Stoga se uvijek grade barem dvije filtarske jedinice koje se, radi kontinuiteta vodoopskrbe, čiste odvojeno. (2) Brzo procjeđivanje nastaje procjeđivanjem kroz cijeli filtarski sloj. Zato se ono naziva i dubinsko procjeđivanje. Proces brzog procjeđivanja se odvija na brzim procjeđivačima koji se primjenjuju za filtriranje vode koja je prošla proces taloženja i ima mutnoću najviše 8 [°NTU]. Rade pri relativno velikim brzinama procjeđivanja, obično 5 do 7 (iznimno 15) [m h-1], ovisno o granulometrijskim osobinama filtarskog sloja i vrsti procjeđivača. Zbog velike brzine filtriranja, potrebna površina ovih procjeđivača je višestruko manja u odnosu na spore. Međutim, s druge strane, kod brzih je filtara prisutno znatno brže onečišćenje, a time i potreba njihovog češćeg pranja (u prosjeku 1 do 2 puta dnevno). Na slici 1.7::17 dana je načelna shema rada brzih procjeđivača.
142
Slika 1.7::17 Shema rada brzih procjeđivača (a) faza procjeđivanja; (b) faza pranja 1 – dovodni žlijeb vode namijenjene procjeđivanju; 2 – filtarski sloj; 3 – sapnice; 4 – sabirni kanal filtrirane vode i dovodni kanal vode za pranje; 5 – odvodni žlijeb vode od pranja
Posredstvom žlijeba, slika 1.7::17(a), voda namijenjena procjeđivanju ravnomjerno se raspoređuje iznad filtarskog sloja i filtrirajući prolazi tim slojem. Filtarski je sloj položen na nosivu konstrukciju, najčešće montažne armiranobetonske ploče, u koje je ugrađen sistem sapnica, obično 64 sapnice po [m2]. Kroz sapnice se voda procjeđuje u donji dio bazena. Filtrirana voda se zatim sakuplja u sabirnom kanalu i odvodi glavnim kanalom (cjevovodom) prema spremniku čiste vode.
143
Preporučljive vrijednosti temeljnih parametara brzih procjeđivača jesu: (a) efektivni promjer, de = 0.45 do 0.55 [mm], (b) koeficijent jednolikosti, Ku = 1.5 do 1.7, (c) debljina filtarskog sloja, hf ≈ 0.7 do 0.8 [m], (d) dubina vode iznad filtarskog sloja, hv ≈ 0.7 do 1.0 [m]. Kada dođe do onečišćenja filtra, odnosno maksimalno dopuštenog gubitka tlaka (reda veličine 1.5 [m] vodnog stupca), pristupa se njegovom isključenju iz rada i pranju, slika 1.7::17(b). Pranje se može provesti pomoću vode ili u kombinaciji vode i zraka. Drugi način pranja je češći. Pranje filtra pomoću vode i zraka zasniva se na naizmjeničnom dovođenju čiste vode i zajedno vode i zraka pod određenim tlakom u donji dio bazena, zbog čega nastaje uzlazno strujanje kroz sustav sapnica i filtarski sloj. Radi što ravnomjernije raspodjele vode i zraka, sapnice imaju najznačajniju ulogu upravo kod pranja filtra, slika 1.7::18.
144
Slika 1.7::18 Sapnica (a) izgled; (b) načelo rada za vrijeme pranja 1 – glava; 2 – drška; 3 – navoj; 4 – prorezi
Izvode se kao plastične (najčešće) i metalne, a sastoje se od drške i glave. Na dršci je navoj, radi ugradnje sapnice u armiranobetonsko dno, i otvor na gornjem dijelu, te prorez na donjem. Glava se izvodi sa sistemom proreza čije dimenzije (obično 0.35 do 0.70 [mm]) moraju onemogućiti iznošenje filtarskog materijala u fazi rada filtra. Kroz te se proreze procjeđuje voda u procesu rada procjeđivača, a upušta voda i zrak u fazi njegovog pranja.
145
Pranje obično traje 5 do 7 [min]. Najprije se pusti voda u trajanju 2 [min], zatim zajedno voda i zrak u trajanju 2 do 3 [min], i na kraju, radi ispiranja, voda u trajanju 1 do 2 [min]. Orijentacijske vrijednosti potrebnih količina zraka i vode za pranje brzog filtra jesu: - zraka, 1.0 [m3 h-1 sapnici-1], - vode, 0.3 [m3 h-1 sapnici-1]. Voda od pranja odvodi se sabirnim žlijebom i ispušta u kanalizaciju. Preljevni rub žlijeba mora biti smješten na takvoj visini iznad površine filtarskog sloja da se pijesak prilikom pranja ne može vodom za ispiranje iznijeti u žlijeb. Radi neprekidnosti rada uređaja za kondicioniranje vode, uvijek se izvodi više filtarskih jedinica koje se peru odvojeno. Zrak za pranje osigurava se kompresorom, čiji kapacitet ovisi o broju sapnica na filtarskim jedinicama pri njihovom istovremenom pranju, dok je potreban tlak zraka cca 0.5 [bar], mjereno od površine filtarskog sloja. Čista voda za pranje procjeđivača osigurava se u posebnoj vodospremi, odakle se pod tlakom od cca 0.5 [bar] (u odnosu na površinu filtarskog sloja) dovodi zasebnim cjevovodom do filtarskog bazena.
146
Volumen vodospreme namijenjene za pranje procjeđivača ovisi o broju filtarskih jedinica koje se dnevno peru. Prema tome, u procesu procjeđivanja dolazi do određenog gubitka vode, koji nastaje kao posljedica pranja filtarskog sloja čistom (filtriranom) vodom. Ovaj gubitak vode kod optimalno projektiranih procjeđivača obično iznosi 3 do 5 [%] filtrirane količine. To je potrebno imati na umu kod hidrauličkog dimenzioniranja procjeđivača, odnosno prilikom određivanja njihovog kapaciteta. Cjelokupan pogon brzih procjeđivača odvija se posredstvom automatskih regulatora i registratora rada njihovih pogonskih elemenata.
147
▪▪▪ Nastavak prethodno opisanog procesa gravitacijskog procjeđivanja predstavljaju procesi membranskog procjeđivanja (membranske filtracije) u kojima se koristi svojstvo polupropusnih sredina (membrana). Princip funkcioniranja membrana je takav da se voda namijenjena filtriranju, Q , dovodi u nosivi element (membransko kućište) u kojemu se nalaze membrane. Na membranama se razdvaja filtrirana voda – filtrat (permeat), Qf , koja je prošla kroz membrane, i izdvojene otpadne tvari (retenat), Qo, koje se zaustavljaju na membrani i odstranjuju, slika 1.7::19.
Q = Qf + Qo Qf ˂ Q
Slika 1.7::19 Princip (poprečno – protočne) membranske filtracije
148
Područje djelovanja procesa membranske filtracije prvenstveno ovisi o veličini čestica (tvari) koje treba izdvojiti iz vode, slika 1.7::20.
Slika 1.7::20 Klasifikacija čestica u odnosu na veličinu i postupak odvajanja (separacije)
149
Prema slici razlikuju se četiri postupka odvajanja membranama: (1) mikroprocjeđivanje (mikrofiltracija), MP (MF), s membranama veličine pora (otvora) 0.1 do 10 [μm]; (2) ultraprocjeđivanje (ultrafiltracija), UP (UF), s membranama veličine pora 0.001 [μm] = 1.0 [nm] do 0.1 [μm]; (3) nanoprocjeđivanje (nanofiltracija), NP (NF), s membranama veličine otvora 0.4 [nm] do 5.0 [nm]; (4) reverzna osmoza, RO, s membranama veličine pora 0.1 [nm] do 1.0 [nm]. Dakle, podjela je učinjena u funkciji veličine čestica (tvari) raspršenih (suspendiranih) i otopljenih u vodi koje mogu biti uklonjene posredstvom membrana. RO i NP se pretežno primjenjuju za izdvajanje otopljenih mineralnih i organskih tvari, a UP i MP za uklanjanje suspendiranih čestica i mikroorganizama. Postupci separacije tvari iz vode bazirani su na razlici tlaka pri prolasu vode kroz membranu. Kod MP i UP tipične vrijednosti tlakova su 1.0 do 2.5 [bara], kod NP se koriste tlakovi 6 do 14 [bara], dok kod RO uobičajeno vrijednosti tlakova iznose 7 do 20 (80) [bara]. Kao materijali za izradu membrana danas se najčešće koriste: (i)
polimeri (npr. polipropilen, PP; polietersulfon, PES; polisulfon, PS; poliviniliden, PVDF),
(ii)
metali (npr. aluminij, cirkonij, titanij, nikal),
(iii) keramika.
150
Membrane se proizvode u obliku poroznih (šupljih) cjevčica – vlakana i višeslojnih folija, ugrađenih u kućište s kojim oblikuju modul procjeđivanja (modul filtracije). Moduli filtracije se najčešće proizvode kao, slika 1.7::21: (a) cijevni moduli, s membranama postavljenim unutar više perforiranih cijevi ugrađenih u tlačno kućište, (b) moduli spiralno namotanih membrana, sa spiralno namotanim membranama oko središnje cijevi, (c) moduli sa šupljim vlaknima, s membranama od više stotina tisuća šupljih vlakana ugrađenih u tlačnu cijev (kućište). (a)
(b)
(c)
Slika 1.7::21 Moduli filtracije (a) cijevni modul; (b) modul spiralno namotanih membrana; (c) modul sa šupljim vlaknima
151
1.7.2. – 6. Dezinfekcija Procesima taloženja i filtracije znatno se smanjuje količina mikroorganizama u vodi, ali to još ne znači da su oni potpuno uklonjeni. Za njihovo se uklanjanje primjenjuje dezinfekcija. Njome se ne postiže potpuno uništenje svih živih mikroorganizama u vodi kao npr. sterilizacijom, već je svrha dezinfekcije da vodu u bakteriološkom pogledu učini zdravstveno ispravnom (sigurnom). Stoga je zadaća dezinfekcije uništenje infektivnih mikroorganizama, u prvom redu intestinalnih i fekalnih vrsta bakterija. Dezinfekcija je obično posljednji proces prilikom kondicioniranja vode, a ponekad i jedini, ali obavezan. Od postupaka dezinfekcije pitkih voda danas su najrasprostranjeniji: (1) dezinfekcija klorom i njegovim derivatima, (2) dezinfekcija ozonom, (3) dezinfekcija ultraljubičastim zrakama.
152
(1) Dezinfekcija klorom i njegovim derivatima ogleda se prvenstveno u pobijanju bakterija, zatim određenih vrsta virusa i parazita, oksidaciji organske i anorganske tvari, te suzbijanju okusa i stranih mirisa vode. U suvremenoj praksi kondicioniranja pitkih voda ovaj se postupak najčešće primjenjuje. Baktericidno svojstvo klora zasniva se na razaranju enzima koji pretvaraju škrob u šećer i koji su prijeko potrebni za život mikroorganizama. Najčešće se koristi plinoviti klor ili hipoklorit natrija, te hipoklorit kalcija. Klor je pogodan kao dezinfekcijsko sredstvo zbog učinka koji postiže u relativno kratkom vremenu i uz prihvatljive troškove. Međutim, klor može uzrokovati neugodan miris vode. Potrebna doza klora ovisi o ukupnoj organskoj i anorganskoj tvari u vodi koja oksidira. Pokazatelj klorne doze je količina neutrošenog, tzv. slobodnog (rezidualnog) klora koji ostaje u vodi nakon izvršene oksidacije organske i anorganske tvari. Prema tome, u procesu dezinfekcije se doza klora neprekidno povećava dok se u kloriranoj vodi ne pojavi rezidualni klor (najviše 0.5 [mg l-1]). Orijentacijska doza klora kod pitkih voda iznosi 0.5 do 1.0 [mg l-1] uz vrijeme kontakta oko 30 [min].
153
(2) Dezinfekcija ozonom zasniva se na propuštanju kroz vodu ozona, tj. zraka u kojemu je kisik uslijed električnog pražnjenja proveden u triatomni oblik – O3. Ozon se dobiva tako da se struja čistog i suhog zraka propušta između dviju elektroda s razlikom potencijala od 10 000 do 20 000 [V]. Zbog nepostojanosti toga oblika, ozon brzo prelazi u kisik – O2, a atom kisika koji se pri tome oslobađa djeluje kao jaki oksidant na protoplazmu mikroorganizama koji se nalaze u vodi i ubija ih. Ozon je vrlo pogodan za dezinfekciju pitkih voda jer nema neugodnog mirisa ni otrovnog djelovanja, ali su troškovi poslovanja uređaja s ozonom danas još uvijek relativno vrlo visoki. Potrebna doza ozona za dezinfekciju čiste vode je oko 1 [mg l-1], a vrijeme kontakta ozona s vodom iznosi oko 5 [min].
154
(3) Dezinfekcija ultraljubičastim zrakama sastoji se u uništenju bakterija u vodi izloženoj zračenju ultraljubičastim zrakama. Njihovo baktericidno djelovanje je kod valnih duljina od 200 do 300 [nm], a maksimalno kod 250 [nm]. Proizvode se u žaruljama sa živinim parama pod malim tlakom. Snaga žarulje je do 200 [W], a vijek trajanja 2 000 do 4 000 [h]. Voda podvrgnuta postupku dezinfekcije ultraljubičastim zrakama mora biti savršeno čista i kružiti oko žarulje u tankom sloju. Prednost ovog postupka dezinfekcije je relativno jednostavan pogon i nepromijenjen okus vode, a nedostatak je sadržan u potrebi visokog prethodnog stupnja kondicioniranja vode.
155
1.8. VODOSPREME Vodospreme su građevine čije su funkcije (a) osiguranje operativne rezerve vode radi izravnavanja oscilacija u potrošnji vode za kućanske i industrijske potrebe, (b) osiguranje požarne rezerve vode, (c) osiguranje sigurnosne rezerve vode za vrijeme prekida dotoka u vodospremu i (d) osiguranje zahtijevane razdiobe tlakova u vodovodnoj d d j mreži, ži definiranjem d fi i j visinskog i i k položaja l ž j vodospreme d i razine vode u vodnim komorama spram potrošača.
1.8.1. VRSTE VODOSPREMA Podjela vodosprema je moguća po nekoliko kriterija. U pogonskom ih pogledu razvrstavamo u: (I)
visinske vodospreme,
(II)
niske vodospreme.
(I) Visinske vodospreme imaju razinu vode iznad potrošača, tako da voda prema potrošačima otječe gravitacijski. Objedinjuju sve četiri prethodno nabrojene funkcije vodosprema. Dijele se na:
156
((1)) ukopane p vodospreme, p , koje j su p pretežnim dijelom j ukopane p u teren. Izvode se na mjestima j s najpovoljnijim visinskim i horizontalnim odnosima u odnosu na potrošače, slike 1.2::02 i 1.2::04. (2) vodotornjeve, koji se u cijelosti nalaze iznad terena radi postizanja potrebne tlačne visine (opskrbnog tlaka) u vodovodnoj mreži. mreži Primjenjuju se na lokacijama gdje nema topografskih uvjeta za izvedbu ukopanih vodosprema (ravničarski teren), slika 1.2::04(a). (3) tunelske vodospreme, koje se izvode u brdskim masivima (čvrstoj stijeni). (4) hidrofore hidrofore, koji nemaju funkciju spremanja vode, vode radi čega ih uvjetno svrstavamo u ovu skupinu, nego se koriste za lokalno povećanje opskrbnog tlaka, npr. kod visokih stambenih zgrada. (II) Niske vodospreme su u visinskom pogledu smještene (ukopane) na nedovoljnoj visini za osiguranje potrebnog opskrbnog tlaka u vodovodnoj mreži. Voda se iz njih distribuira potrošačima pomoću crpki, tako da su to zapravo usisni spremnici crpnih stanica. Objedinjuju prve tri prethodno navedene funkcije vodosprema. U praksi su najčešći visinski ukopani rezervoari i vodotornjevi, tako da će se oni analizirati u nastavku.
157
1.8.2. OSNOVNI ELEMENTI VODOSPREMA Glavne elemente vodosprema čine: (1) funkcionalni elementi, elementi (2) konstrukcijski elementi.
1.8.2. – 1. Funkcionalni elementi vodosprema Osnovni funkcionalni elementi vodosprema jesu: (a) vodna ili rezervoarska komora, (b) zasunska ili manipulativna komora. (a) Vodna komora služi za spremanje rezervnih vodnih količina. Uobičajena dubina vode u vodnoj komori je 3 do 4 [m], rijetko do 6 [m]. Kod ukopanih rezervoara, vodna komora ima okrugli, pravokutni ili (rjeđe) spiralni tlocrt, slika 1.8::01. Vodotornjevi se u pravilu izvode okruglog tlocrta.
158
Na spomenutoj slici vidimo da se vodna komora može izvoditi kao jedno ili višekomorna. Radi osiguranja neprekidnosti vodoopskrbe obično se izvode višekomorni rezervoari. rezervoari Vodna se komora najčešće oslanja na zasunsku komoru, slika 1.8::01(a1), (b), i (c), a samo je u izuzetnim slučajevima odvojena, slika 1.8::01(a2).
Slika 1.8::01 Tlocrtni oblici jedno i višekomornih ukopanih vodosprema (a) okrugli; (b) pravokutni; (c) spiralni (a1.1), (a1.2), (b1), (b2) i (c) jednokomorne vodospreme; (a1.3), (a1.4), (a2.1) i (b3) dvokomrone vodospreme; ( 2 2) ttrokomorna (a.2.2) k vodosprema d (a1), (b) i (c) vodna komora naslonjena na zasunsku komoru; (a2) vodna komora odvojena od zasunske komore 1 – vodna komora; 2 – zasunska komora; 3 – dovod; 4 – odvod 159
(b) Zasunska komora služi za smještaj vodovodnih (manipulativnih) armatura, kraja dovodnog i početka odvodnog cjevovoda, ispusta, preljeva i indikatora razine vode. Vodovodne armature služe za upravljanje vodnim rezervama, ispustom se osigurava kompletno pražnjenje komore (npr. radi čišćenja), dok preljev osigurava najvišu dopuštenu razinu vode u vodnoj komori, kako ne bi došlo do prelijevanja preko pregradnih zidova i potapanja zasunske komore.
1.8.2. – 2. Konstrukcijski elementi vodosprema Osnovni konstrukcijski elementi vodosprema jesu: (1) dno, (2) vertikalni zidovi i stupovi, (3) grede i (ravna ili zasvođena) pokrovna ploča, ((4)) nosiva konstrukcija j ((kod vodotornjeva). j ) S ovim se elementima vodospreme izvode na licu mjesta (monolitne), kao montažne ili kombinirane konstrukcije.
160
Kao montažni elementi obično se izvode stupovi, grede, ploče i paneli za formiranje vertikalnih zidova. zidova Prema materijalu izvedbe danas su najčešći rezervoari od armiranog betona, potom od prednapetog betona i čelika, a ranije od opeke i lomljenog kamena. Relativno visoki troškovi antikorozivne zaštite i toplinske izolacije glavna su prepreka široj primjeni čeličnih vodosprema. Konstrukcijsko oblikovanje vodosprema je vrlo raznoliko.
161
Na slici 1.8::02 p prikazana jje tipska p konstrukcija j ukopane, p , jjednokomorne ((volumena 2 000 [[m3]), okrugle vodospreme, izvedene od montažnih armiranobetonskih elemenata. Armiranobetonsko ravno dno izvedeno je na licu mjesta. Vertikalni su zidovi izvedeni montažno od rebrastih panela koji se spajaju zavarivanjem čeličnih limova ispuštenih iz panela. Pokrovna ploča je montirana j i trapeznih p ploča koje p j se oslanjanju j j na vertikalni zid vodospreme, p , te na od ravnih radijalnih središnji i sistem koncentrično raspoređenih stupova.
Slika 1.8::02 Primjer ukopane, jednokomorne, okrugle armiranobetonske vodospreme
162
Slika 1.8::03 također prikazuje ukopane, dvokomorne, pravokutne vodospreme, izvedene od armiranog betona na licu mjesta. Na slici 1.8::03(a) je ukopana vodosprema sa zidovima, a na slici 1 8::03(b) sa stupovima unutar vodnih komora. 1.8::03(b) komora
Slika 1.8::03 Primjeri ukopanih, dvokomornih, pravokutnih armiranobetonskih vodosprema (a) sa zidovima; (b) sa stupovima
Izvedba vodotornjeva je, budući da sadrže nosivu konstrukciju, znatno složenija od izvedbe ukopanih rezervoara, tako da su i troškovi njihove izvedbe (za isti volumen rezervoarskog prostora) višestruko veći, najmanje četverostruko. Visina nosive konstrukcije obično iznosi 25 do 30 [m], a samo rijetko prelazi 40 [m]. Zato je potrebno posvetiti maksimalnu pažnju pronalaženju minimalno potrebnog volumena vodotornja U praksi se nastoji da on ne bude veći od 20 do 30 [%] najveće dnevne potrošnje. vodotornja. potrošnje Kod vodotornjeva se zasunska komora, za razliku od ukopanih vodosprema, obično izvodi odvojeno od rezervoarskog prostora, pretežno u podzemnom dijelu objekta. 163
Na slici N li i 1.8::04 1 8 04 prikazani ik i su primjeri i j i vodotornjeva d j prema materijalu ij l izvedbe. i db Rezervoarski R ki prostor je pretežno izveden cilindričnog oblika s ravnim ili sfernim dnom.
Slika 1.8::04 Primjeri vodotornjeva prema materijalu izvedbe ((a)) armiranobetonski; (b) ( ) čelični; ((c)) od prednapetog p p g betona
164
Neovisno o konstrukcijskom rješenju, kod svake vodospreme je potrebno osigurati: (a) vodonepropusnost, koja se kod betonskih (armiranih i prednapetih) vodosprema postiže žbukanjem unutarnjih stijenki vodnih komora vodonepropusnom cementnom žbukom ili plastičnim vodootpornim žbukama, (b) cirkulaciju vode unutar vodne komore, što se postiže izvedbom pregradnih zidova, (c) prozračivanje, prozračivanje što se postiže izvedbom ventilacijskih otvora, otvora (d) pad dna u iznosu 0.5 do 1.0 [%] prema ispustu, a radi mogućnosti čišćenja, odnosno pranja vodospreme, (e) vanjsku izolaciju, izolaciju koja se postiže izvedbom hidro i toplinske izolacije na vanjskim plohama, plohama te njenom zaštitom. Kod ukopanih vodosprema je težište na hidroizolaciji, a kod vodotornjeva na toplinskoj izolaciji.
1.8.3. VOLUMEN REZERVOARSKOG PROSTORA Osnova funkcionalnog proračuna vodosprema sastoji se u određivanju volumena rezervoarskog prostora (vodne komore). Ova veličina ovisi o režimu potrošnje i dotoka, a odnosi se na maksimalnu dnevnu potrošnju, Qmax [m3 d-1], na kraju projektnog razdoblja. Zato je za svaku konkretnu vodoopskrbnu zonu (naselje), k j će koja ć se opskrbljivati k blji ti vodom d i pripadnog iz i d rezervoara, potrebno t b odrediti: d diti
165
(a) satni režim potrošnje vode tokom dana (24 [h], [h] u danu maksimalne potrošnje), potrošnje) (b) režim dotoka u vodospremu, bilo izravno s izvorišta (vodozahvata) ili s uređaja za kondicioniranje vode. Pri tome, dakako, dotok u vodospremu može biti gravitacijski, pri čemu se obično pretpostavlja stalnim tokom 24 [h], ili potisni, tj. posredstvom crpki, kada je režim dotoka ovisan o režimu rada crpki. Ukupan volumen rezervoarskog prostora, VRU [m3], sastoji se od: (1) operativne operati ne rezerve, re er e VRO [m3], ] (2) požarne rezerve, VRP [m3], (3) sigurnosne rezerve, VRS [m3]. Ako se iz vodospreme podmiruje i potreba za čistom vodom uređaja za kondicioniranje vode (prvenstveno pranja brzih procjeđivača), tada je i tu količinu vode potrebno uzeti u obzir.
166
1.8.3. – 1. Operativna rezerva Određivanje Od đi j operativne i rezerve, VRO, odnosi d i se na proračun č dijela dij l rezervoarskog k prostora kojim k ji se osigurava izravnanje oscilacija u potrošnji vode za kućanske i industrijske potrebe. Najčešće se provodi pod pretpostavkom dnevnog izravnanja, dakle, za slučaj kada je dnevni dotok jednak dnevnoj potrošnji. 1.8.3. – 2. Požarna rezerva Iznos požarne rezerve, rezerve VRP, reguliran je propisima o požarnoj zaštiti prema objašnjenju iz točke 1.3.3., tablica 1.3::III. 1.8.3. – 3. Sigurnosna rezerva Sigurnosna rezerva, VRS, se predviđa za slučaj prekida dotoka u vodospremu, za vrijeme dok se ne otkloni uzrok prekida (kvar ili oštećenje). Obič se preporuča Obično č da d ova rezerva iznosi i i 25 [%] zbroja b j operativne ti i požarne ž rezerve, dakle: d kl VRS = 0.25 (VRO + VRP )
(1.8-01)
1.8.3. – 4. Ukupan volumen rezervoarskog prostora Ukupan volumen rezervoara, VRU, određuje se prema izrazu: VRU = VRO + VRP + VRS = 1.25 (VRO + VRP )
(1.8-02) 167
1.9. VODOOPSKRBNE MREŽE
Vodoopskrbnu mrežu čini ukupnost glavnih i razdjelnih cjevovoda s pripadnim oblikovnim komadima i vodovodnim armaturama, međusobno spojenih u funkcionalnu cjelinu, neposredno ili posredno preko pojedinih objekata vodoopskrbnog sustava, sustava radi dovođenja i distribuiranja vode potrošačima.
Dakle, vodovodnu mrežu čine: (I)
cjevovodi, kojima se voda dovodi i distribuira unutar vodoopskrbnog područja,
(II)
oblikovni (fasonski) komadi, koji služe za usmjeravanje toka vode, promjenu protjecajnih površina cjevovoda i izvedbu različite vrste spojeva,
(III)
vodovodne armature, koje služe za ispravno funkcioniranje, upravljanje i održavanje vodovodne mreže.
168
Osnovni zahtjevi j kod vodoopskrbne p mreže sadržani su u osiguranju: g j (i)
dostatne čvrstoće (mehaničke otpornosti prema vanjskim i unutarnjim opterećenjima),
(ii) vodonepropusnosti, (iii) glatkoće unutarnjih stijenki (radi postizanja što manjih hidrauličkih gubitaka), (iv) dugotrajnosti (s obzirom na agresivno djelovanje sredine), ((v)) jjednostavne,, brze i sigurne g ugradnje g j ((montaže), ), (vi) najveće ekonomičnosti.
Podjela kompletnih vodoopskrbnih mreža ili njihovih dijelova moguća je po nekoliko kriterija, od kojih su najčešći prema: (1) materijalu izvedbe: lijevano željezne, željezne čelične, čelične azbest cementne, cementne armiranobetonske i plastične, plastične (2) funkciji: glavne (dovodne, opskrbne, dovodno – opskrbne) i razdjelne, (3) pogonskom režimu: gravitacijske, potisne i kombinirane, (4) načinu tečenja: pod tlakom i kombinirane (pod tlakom i sa slobodnim vodnim licem), (5) shemi: granate i prstenaste.
169
U nastavku k će ć se najprije j ij zasebno b opisati i i cjevovodi j di vodoopskrbnih d k b ih mreža ž prema materijalu ij l izvedbe, dok će se analize funkcije, pogonskog režima i načina tečenja, te sheme mreža zasebno obraditi u jednoj točki, koja će se odnositi na njihov hidraulički proračun. Na kraju će se ukratko osvrnuti na oblikovne komade i vodovodne armature, ugradnju, ispitivanje i dezinfekciju cjevovoda, te prikazivanje vodoopskrbne mreže u projektu.
1.9.1. VODOOPSKRBNE MREŽE PREMA MATERIJALU IZVEDBE Radi postizanja prethodno nabrojenih zahtjeva kod vodoopskrbnih mreža, u hidrotehničkoj je praksi naširoko rasprostranjena primjena više materijala za njihovu izvedbu, ne samo kao posljedica povijesnog razvoja proizvodnje vodovodnih cijevi, već i zbog postojanja različitih uvjeta eksploatacije. Da bi se s obzirom D b i na konkretne k k t uvjete j t mogao provesti ti pravilan il izbor i b vrste t cijevi, ij i prikazat ik t će ć se njihove osnovne osobine prema najčešćim materijalima izvedbe.
170
Pri tome treba imati na umu da svaki proizvođač cijevi raspolaže s prospektima proizvodnog asortimana, odakle se mogu dobiti detaljniji podaci o osobinama cijevi, bitnim kod projektiranja vodovodnih mreža: strukturi, kemijskoj postojanosti, proizvodnom postupku, standardima koje cijevi ij i zadovoljavaju, d lj j klasama kl cijevi ij i s obzirom b i na tlak l k (nominalni, ( i l i radni, d i probni), b i) dimenzijama di ij profila, duljini, masi, načinu ugradnje, međusobnom spajanju i osiguranju cijevi, hidrauličkim parametrima, proračunu opterećenja i kontroli deformacija, te provedbi tlačne probe i načinu isporuke, rukovanja i skladištenja cijevi. 1.9.1. – 1. Lijevano željezne cijevi Ove su cijevi najrasprostranjenije kod izvedbe vodovodnih mreža i svoj primat drže posljednjih 200 godina. Vijek trajanja im se procjenjuje na preko 100 godina, što im omogućuje i tvornički izvedena antikorozivna zaštita. Proizvode se, se slika 1.9::01: 1 9::01: (a) s naglavkom (kolčakom), odnosno s proširenjem na jednom kraju, dok je drugi kraj ravan, slika 1.9::01(a), (b) s prirubnicom (flanšom ili pelešom) na jednom, slika 1.9::01(b1), ili oba kraja, slika 1.9::01(b2).
171
Slika 1.9::01 Lijevano željezne cijevi (a) s naglavkom; (b) s prirubnicom (b1) s prirubnicom na jednom kraju; (b2) s prirubnicom na oba kraja
Lijevano željezne cijevi se proizvode za tlakove 10,15 i 20 [bara], unutarnjeg promjera, D = 50 do 600 (700) [mm], i duljine (ovisno o promjeru), L = 3 do 4 [m]. Prema vrsti završetka cijevi kombiniraju se i međusobni spojevi, slika 1.9::02. (a) Spoj s naglavkom se može izvesti na dva načina. Prvi se način, slika 1.9::02(a1), sastoji u tome da se ravni kraj jedne cijevi uvodi u naglavak druge cijevi, a prostor između cijevi i naglavka se popunjava brtvenim materijalom. Nedostatak ovog spoja je njegova krutost, a otuda i mogućnost laganog popuštanja pri eventualnim deformacijama. 172
Ovaj je problem izbjegnut kod drugog načina spajanja, koristeći naglavak s navojem i (gumeni) brtveni prsten, prsten slika 1.9::02(a2). 1 9::02(a2) (b) Spoj s prirubnicama, slika 1.9::02(b), najviše se koristi kod ugradnje oblikovnih komada i vodovodnih armatura. Brtvljenje se najčešće provodi gumenim prstenom između prirubnica, međusobno đ b pritegnutih it tih vijcima ij i s maticama. ti
Slika 1.9::02 Spajanje lijevano željeznih cijevi (a) spoj s naglavkomi; (b) spoj s prirubnicama 1 – ravni kraj cijevi; 2 – naglavak; 3 – konopljeno uže natopljeno lanenim uljem; 4 – nabijeno olovo ili olovna guma; 5 - naglavak s navojem; 6 – tlačni prsten s navojem; 7 – (gumeni) brtveni prsten; 8 – prirubnica; 9 – vijek s maticom
173
Lijevano j željezne j cijevi j proizvode se i tzv. duktilnim lijevom. p j Stoga g se nazivaju j duktilne cijevi j ili cijevi od nodularnog lijeva. Naime, sve izrazitija potražnja za cijevima veće otpornosti prema vanjskim (udarcima, koroziji) i unutarnjim utjecajima (tlaku), te nastojanja da cijevi što duže traju, potakli su razvoj nove tehnologije dobivanja lijeva, lijeva budući da sivi lijev (od kojega se izvode lijevano željezne cijevi) sadrži grafit u obliku listića ili pahuljica koji u određenim uvjetima mogu izazvati napukline i puknuće cijevi. j lijevu j malih količina magnezija, g j , g grafit se p pojavljuje j j j u obliku malih kuglica, g , što Dodavanjem doprinosi njegovoj kovkosti i povećanju otpora na vlačne sile, pa lijev postaje kovak – duktilan. S obzirom na takva svojstva, duktilne su cijevi s tržišta gotovo potisnule obične lijevano željezne cijevi. Duktilne cijevi se proizvode za tlakove 30 do 40 [bara], unutarnjeg promjera, D = 60 do 1800 [mm] i uobičajene duljine, L = 6 [m]. Ove lijevano željezne cijevi zaštićuju se od korozivnih tala i agresivne vode vanjskom i unutarnjom zaštitom Vanjska zaštita se provodi galvanizacijom (metalizirani cink) i dodatno zaštićuje zaštitom. bitumenskim premazom (za lako korozivna tla), polietilenskom ili poliuretanskom oblogom ( za vrlo korozivna tla).
174
Spajanje duktilnih cijevi se, uz već spomenute spojeve na naglavak i prirubnice (kao za obične lijevano željezne cijevi) provodi i posebno razvijenom vrstom spojeva na naglavak, naglavak tzv. tzv titon spojevi, slika 1.9::03.
Slika 1.9::03 Spajanje duktilnih cijevi s posebnim vrstama spojeva na naglavak (titon spojevi) 1 – ravni kraj cijevi; 2 – naglavak; 3 – tvrdi dio brtve; 4 – mekani dio brtve
175
1.9.1. – 2. Čelične cijevi Ove cijevi imaju značajne prednosti u odnosu na lijevano željezne, sadržane prvenstveno u daleko većoj čvrstoći (otpornosti na lom) i elastičnosti. Zato je njihova primjena izraženija kod vodovodnih mreža s većim tlakovima i u uvjetima koji zahtijevaju izraženiji otpor dinamičkim utjecajima i savijanjima. Debljine stijenki čeličnih cijevi su upola manje od lijevano željeznih, tako da su relativno lakše, a tržišne duljine 2 do 3 puta veće, što osjetno smanjuje troškove transporta i ugradnje. Nasuprot navedenim prednostima čeličnih cijevi spram lijevano željeznih, željeznih glavni im je nedostatak u maloj otpornosti protiv kemijskih i elektrolitičkih utjecaja (korozije). Zato se kod ovih cijevi u fazi ugradnje izvode zaštitni premazi (na bitumenskoj, cementnoj ili plastičnoj osnovi) i katodna zaštita. Vijek trajanja čeličnih cijevi procjenjuje se 25 do 50 godina. Prema procesu proizvodnje razlikujemo dvije vrste čeličnih cijevi: (1) bešavne beša ne cijevi, cije i koje se proizvode proi ode od valjanog aljanog čelika, čelika (2) šavne cijevi, koje se proizvode uzdužnim ili spiralnim varenjem čeličnih limova.
176
Čelične cijevi se proizvode za tlakove 10, 15, 25, 40, 64, 80 i 100 [bara], unutarnjeg promjera, D = 50 do 600 [mm] (bešavne cijevi), odnosno, D = 50 do 1600 [mm] (šavne cijevi), i duljina (ovisno o promjeru i transportnim mogućnostima), mogućnostima) L = 4 do 12 (i više) [m]. [m] Spajanje čeličnih cijevi, slika 1.9::04, moguće je na tri osnovna načina. (a) Spojevi s naglavkom su prikazani na slici 1.9::04(a). Relativno najčešći spoj je SIGUR, slika 1.9::04(a1), koji se primjenjuje za spajanje čeličnih cijevi unutarnjeg promjera, promjera D = 50 do 800 [mm]. [mm] Kao brtva sliži gumeni prsten, prsten koji se navlači na ravni kraj cijevi, tako da je pri navlačenju u naglavak druge cijevi i pri uzdužnim pomacima osigurano brtvljenje. Na ravnom kraju cijevi zavaruje se zaštitni prsten koji sprječava istiskivanje gumenog prstena. Preostali dio naglavka ispunjava se nabijenim impregniranim užetom. Čest je i spoj s naglavkom na navoj, slika 1.9::04(a2). Dijelovi s navojem su od lijevanog željeza, a brtveni prsten od gume. (b) Spoj s prirubnicima, prirubnicima slika 1.9::04(b), 1 9::04(b) se u pravilu primjenjuje kod cjevovoda položenih na površinu terena. Brtvljenje se postiže gumenim ili metalnim prstenom postavljenim između prirubnica koje se pritežu vijcima s maticama.
177
Završetak čeličnih cijevi s prirubnicima također je obavezan kod prelaska na korištenje lijevano željeznih fasonskih komada i vodovodnih armatura, armatura budući da oni završavaju s prirubnicama. prirubnicama (c) Spoj zavarivanjem, slika 1.9::4(c), je gotovo pravilo ako je unutarnji promjer čeličnih cijevi, D > 500 [mm]. Zavareni spoj može biti čeoni, slika 1.9::04(c1), sa zavarenim naglavkom, slika 1 9 04( 2) ili s kuglastim 1.9::04(c2) k l ti zavarenim i naglavkom, l k slika lik 1.9::04(c3). 1 9 04( 3)
Slika 1.9::04 Spajanje čeličnih cijevi (a) spoj s naglavkom; (b) spoj s prirubnicama; (c) spoj zavarivanjem 1 – ravni kraj cijevi; 2 – naglavak; 3 – brtveni prsten; 4 – zavareni zaštitni prsten; 5 – nabijeno impregnirano uže; 6 – čep s navojem; 7 – tlačni prsten s navojem; 8 – prirubnica; 9 – vijek s maticom; 10 – var; 11 – kuglasti naglavak 178
1.9.1. – 3. Azbest cementne cijevi Ove se cijevi proizvode tvorničkim postupkom od smjese koje se (maseno) sastoji od 75 do 80 [%] visoko kvalitetnog portland cementa i 20 do 25 [%] azbestnih vlakana. vlakana U odnosu na lijevano željezne i čelične cijevi, azbest cementne cijevi imaju slijedeće prednosti: ((i))
slabiju j toplinsku p provodljivost, p j ,
(ii) postojanost na koroziju, (iii) električnu neprovodljivost (dielektričnost), (i ) relativno (iv) l ti malu l gustoću t ć materijala t ij l (što (št znatno t olakšava l kš t transport t i ugradnju d j cijevi), ij i) (v) dobra hidraulička svojstva (glatkoću), (vi) postojanost na niske i visoke temperature, (vii) laganu montažu (obradu, rezanje i spajanje). Mane azbest cementnih cijevi jesu: (i)
slaba otpornost na udarce i dinamička opterećenja,
(ii) relativno skupi spojevi (za veće profile), (iii) kod ugradnje fasonskih komada i vodovodnih armatura potrebni su (za prijelaz na čelik i lijevano željezo) posebni prijelazni komadi od lijevanog željeza. 179
Vijek trajanja azbest cementnih cijevi smatra se preko 75 godina. Proizvode se u šest klasa, A do F, za tlakove 2.5, 5, 10, 15, 20 i 25 [bara], unutarnjeg promjera, D = 50 do 1300 [mm], i duljine, L = 3 do 5 [m]. Promjer cijevi je u funkciji deklariranog tlaka, tako da se npr. klase A i B (za tlakove 2.5 i 5 [bara]) proizvode najvećeg promjera, dok se klasa E (za tlak 20 [bara]) proizvodi samo do unutarnjeg promjera D = 350 [mm]. Spajanje azbest cementnih cijevi se najčešće odvija pomoću azbest cementnih i lijevano željeznih specijalnih prstenastih spojnica, slika 1.9::05.
180
Slika 1.9::05 Spajanje azbest cementnih cijevi (a) spoj DALMA REKA; (b) spoj VITLAK; (c) spoj GIBAULT 1 – ravni kraj cijevi; 2 – prstenasta spojnica; 3 – profilirani gumeni prsten; 4 – srednji gumeni prsten za razmak; 5 – brtveni prsten kružnog profila; 6 – lijevano željezna ogrlica; 7 – prirubnica; 8 – vijek s maticom
Na slici 1.9::05(a) prikazan je patentirani spoj DALMA REKA, koji se izvodi u dvije varijante. Prva varijanta spoja, slika 1.9::05 (a1), izvodi se bez srednjeg gumenog prstena, a druga varijanta, slika 1 9::05(a2) sa srednjim gumenim prstenom. 1.9::05(a2), prstenom Na slici 1.9::05(b) prikazan je spoj VITLAK, a na slici 1.9::05(c) spoj GIBAULT. 181
Ovi spojevi osiguravaju njihovu potrebnu elastičnost, što je prilično važno za relativno krhke azbest cementne cijevi. cijevi Za prijelaz na cijevi iz drugih materijala i za spajanja različitih promjera izrađuju se posebni naglavci. Napomenimo da je danas primjena azbest cementnih cijevi gotovo u potpunosti napuštena zbog njihovog dokazanog štetnog utjecaja na ljudsko zdravlje. 1.9.1. – 4. Armiranobetonske cijevi Slično kao azbest cementne, tako i armiranobetonske cijevi imaju niz prednosti u odnosu na lijevano željezne i čelične cijevi: (i)
postojanost na koroziju, koroziju
(ii) malu električku provodljivost, (iii) dobra hidraulička svojstva (glatkoću). Armiranobetonske cijevi se proizvode: (1) s prednapetom uzdužnom i spiralnom armaturom, (2) s unutarnjim čeličnim cilindrom (radi vodonepropusnosti) i prednapetom spiralnom armaturom, (3) s prednapetom armaturom i postupkom specijalnog vibriranja pod tlakom u procesu proizvodnje.
182
Najrasprostranjenija je upotreba druge vrste cijevi. Dimenzije armiranobetonskih cijevi nisu normirane. Tvornički se obično izrađuju cijevi za tlakove do 10 [bara], unutarnjeg promjera, D = 300 do 3000 [mm] (preporučljivo D > 600 [mm]), dok su tržišne duljine, L = 4 do 6 [m]. Cijevi se proizvode s naglavkom i ravnim krajem, krajem tako da se prema tipu cijevi kombiniraju i spojevi, spojevi slika 1.9::06.
Slika 1.9::06 Spajanje armiranobetonskih cijevi (a) spoj s ravnim krajem; (b) spoj s naglavkom 1 – uzdužna armatura; 2 – spiralna armatura; 3 – cilindar od čeličnog lima; 4 – prsten ravnog kraja cijevi; 5 – gumeni prsten; 6 – prsten naglavka; 7 – naglavak; 8 – ravni kraj cijevi
183
(a) Spoj s ravnim krajem (spoj s utorom i perom) prikazan je na slici 1.9::06(a), a (b) spoj s naglavkom na slici 1.9::06(b). Općenito, primjena armiranobetonskih cijevi svrsishodna je kod glavnih cjevovoda s manjim brojem oblikovnih komada i vodovodnih armatura, za čiju se ugradnju upotrebljavaju čelični i lijevano željezni oblikovni komadi s prirubnicama. prirubnicama 1.9.1 – 5. Plastične cijevi Plastične se cijevi proizvode od: (1) polietilena, niske (PELD) i visoke (PEHD) gustoće, (2) tvrdog polivinil klorida (PVC), (3) poliesterskih materijala, (4) polipropilena (PP). (PP) Primjena ovih cijevi je novijeg datuma, unazad 50–ak godina, tako da još nema konačnih podataka i njihovom vijeku trajanja.
184
Dobre strane p plastičnih cijevi j sadržane su u: (i)
velikoj otpornosti prema koroziji,
(ii) maloj masi (što olakšava transport i ugradnju), (iii) otpornosti na mrazu, (iv) dielektričnosti, (v) maloj toplinskoj provodljivosti, provodljivosti (vi) dobrim hidrauličkim osobinama (glatkoći), (vii) laganoj montaži (obradi, rezanju i spajanju). Loše strane su: ((i))
znatno istezanje j na visokim temperaturama, p ,
(ii) zapaljivost, (iii) opadanje čvrstoće kod temperature, T > 20 [˚C], (iv) krutost PVC cijevi na temperaturi, temperaturi T < 0 [[˚C] C], (v) za ugradnju oblikovnih komada i vodovodnih armatura potreban je prijelaz na čelične ili lijevano željezne oblikovne komade s prirubnicama.
185
(1) Polietilenske cijevi se proizvode polimerizacijom etilena. PELD cijevi se dobiju beztlačnom polimerizacijom etilena kod niskih temperatura, a PEHD cijevi polimerizacijom etilena kod visokog tlaka i visoke temperature. temperature PELD cijevi se izrađuju za tlakove 2.5, 6 i 10 [bara], unutarnjeg promjera ovisno o tlaku, ali unutar granica, D = 10 do 130 [mm]. Proizvode se s ravnim krajem, a isporučuju u namotajima od 300 [m] (za D ≤ 40 [mm]) do 110 [m] (za najveće profile). PEHD cijevi se proizvode za tlakove 2.5, 3.2, 4, 6, i 10 [bara], unutarnjeg promjera također ovisno o tlaku, ali unutar granica D = 15 do 1150 [mm], i duljine, L = 6 i 12 [m]. Najčešći N jč šći način či spajanja j j PELD cijevi ij i prikazan ik j na slici je li i 1.9::07. 1 9 07 Najprije N j ij se na ravnii kraj k j cijevi ij i montira prsten s navojem, a potom se taj kraj cijevi zagrije vrućim zrakom ili vrućom vodom. Kada zagrijani kraj cijevi postane elastičan, uvuče se konusni dio spojnice i na nje navojni dio pritegne prethodno ugrađeni prsten.
Slika 1.9::07 Spajanje PELD cijevi (a) montaža prstena s navojem; (b) uvlačenje konusnog dijela spojnice; (c) pritezanje prstena sa spojnicom 1 – ravni kraj cijevi; 2 – prsten s navojem; 3 – konusna spojnica s navojem
186
Spajanje PEHD cijevi, slika 1.9::08, moguće je na tri načina.
8
Slika 1.9::08 Spajanje PEHD cijevi (a) spoj zavarivanjem; (b) spoj pomoću prirubničkog tuljka i slobodne prirubnice; (c) spoj pomoću zupčaste spojnice i slobodne prirubnice 1 – ravni kraj cijevi; 2 – grijač; 3 – slobodna prirubnica; 4 – prirubnički tuljak; 5 – vijak s maticom; 6 – brtveni prsten; 7 – zupčasta spojnica; 8 – elektrospojnica (prstenasta spojnica sa žicom za zavarivanje)
187
(a) Spoj zavarivanjem je prikazan na slici 1.9::08(a), a može se izvesti u dvije varijante. U prvoj varijanti, slika 1.9::08(a1), krajevi cijevi se najprije u trajanju 30 do 250 [s] zagrijavaju na temperaturi 200 [˚C] i potom drže međusobno pritisnutima 4 do 25 [s]. Trajanje zagrijavanja i međusobnog kontakta cijevi ovisno je o debljini stijenke. Tankim cijevima odgovara kraće zagrijavanje i kraći međusobni kontakt. U drugoj varijanti, slika 1.9::08(a2), krajevi cijevi se spajaju pomoću posebne prstenaste spojnice u kojoj se nalazi žica za zavarivanje i koja se priključi na aparat za zavarivanje. (b) Spoj pomoću prirubničkog tuljka i slobodne prirubnice prikazan je na slici 1.9::08(b). Na ravni kraj cijevi montira se slobodna prirubnica i zavari prirubnički tuljak. Spajanje cijevi se vrši pomoću vijaka s maticama, nakon umetanja gumenog prstena. (c) Spoj pomoću zupčaste spojnice i slobodne prirubnice prikazan je na slici 1.9::08(c). Najprije se na ravni kraj cijevi montira slobodna prirubnica, a potom zupčasta spojnica. Spajanje cijevi se također vrši pomoću vijaka s maticama, nakon postavljanja gumenog brtvenog prstena.
188
( ) Cijevi (2) j od tvrdog g p polivinil klorida se izrađuju j od umjetne j mase dobivene sintetičkom polimerizacijom vinil klorida, koji nastaje spajanjem acetilen plina s plinovitom solnom kiselinom. Postupak proizvodnje se sastoji u tome da se ugrijani granulat polivinil klorida istiskuje kroz mlaznicu ((tzv. ekstruder)) i zatim hladi. PVC tvrde cijevi proizvode se za tlakove 6 i 10 [bara], unutarnjeg promjera, D = 60 do 450 [mm], i duljine, L = 6 [m]. Ove se cijevi proizvode s naglavkom i ravnim krajem, tako da im spajanje ovisi o načinu završetka. Spajaju se na naglavak, slika 1.9::09, s umetanjem brtvenog prstena između naglavka i cijevi.
Slika 1.9::09 Spajanje PVC cijevi 1 – ravni kraj cijevi; 2 – brtveni prsten; 3 – naglavak
189
(3) Poliesterske cijevi se izrađuju od smjese kvarcnog pijeska, staklenih vlakana i poliesterske smole. Cijevi su pokazale izvanredne mehaničke osobine, tako da se primjenjuju u najtežim uvjetima eksploatacije. Najčešće se proizvodi s ravnim krajem, za tlakove 4, 6, 10, 16, 20 i 25 [bara], unutarnjeg promjera, D = 200 do 1600 [mm], [mm] pojedinačne duljine, duljine L = 6 [m]. [m] Također se proizvode i svi potrebni fasonski komadi za vodovodne armature i za priključke cijevi od drugih materijala. Spajanje ovih cijevi se obavlja pomoću spojnica tipa A i tipa B, B slika 1.9::10. 1 9::10 Vrsta spoja ovisi o unutarnjem promjeru cijevi. Za promjere, D ≥ 500 [mm], primjenjuje se spojnica tipa A, slika 1.9::10(a), a za promjere, D = 200 do 400 [mm], spojnica tipa B, slika 1.9::10(b).
Slika 1.9::10 Spajanje poliesterskih cijevi (a) spoj sa spojnicom tipa A; (b) spoj sa spojnicom tipa B 1 – ravni kraj cijevi; 2 – prstenasta spojnica; 3 – monolitni rebrasti gumeni prsten; 4 – brtveni prstenovi; 5 – srednji gumeni prsten za razmak
190
1.9.2. HIDRAULIČKI PRORAČUN VODOOPSKRBNE MREŽE Sukladno projektnim vodoopskrbnim količinama (točka 1.3.4) i osobinama vodovodne mreže (materijal izvedbe, položaj i režim rada objekata na mreži, topografski uvjeti) uvijek je potrebno hidraulički dimenzionirati vodoopskrbnu mrežu, tako da ona u svakom trenutku udovoljava potrebnim vodoopskrbnim količinama i tlakovima. j u vodovodnojj mreži,, odnosno njenom j dijelu, j , g generalno su moguće g S obzirom na režim tečenja dvije vrste proračuna: (I)
hidraulički proračun tečenja sa slobodnim vodnim licem,
(II)
hidraulički proračun tečenja pod tlakom. tlakom
191
(I) Hidraulički proračun tečenja sa slobodnim vodnim licem se može odnositi samo na glavne dovodne provodnike, koji se izvode kao: (1) (otvoreni) kanali, (2) cjevovodi. j di (1) Primjena kanala je dozvoljena (mada iz zdravstvenih razloga ne i poželjna) za dovod sirove (nekondicionirane) vode iz vodozahvata do uređaja za kondicioniranje vode. (2) Cjevovodima se transportira prirodno čista (od vodozahvata do vodospreme) i kondicionirana voda (od uređaja za kondicioniranje do vodospreme). Iza vodospreme se, zbog potrebe osiguranja opskrbnog tlaka, nikako ne može primijeniti režim tečenja sa slobodnim vodnim licem. g , osiguranje g j konstantnog g uzdužnog g p pada kod ovih p provodnika vrlo često zahtijeva j Osim toga, znatno povećanje zemljanih radova (usijecanje) i izgradnju objekata (sifona, mostova, akvedukata, tunela) za savladavanje prepreka (dolina, jaruga, uzvišenja).
192
Sve to dovodi do znatnog povećanja investicijskih troškova, tako da je u vodoopskrbnoj praksi primjena kanala i cjevovoda sa slobodnim vodnim licem izuzetno rijetka. rijetka Na slici 1.9::11(a) prikazan je primjer poprečnog presjeka trapeznog kanala, a na slici 1.9::11(b) primjeri cjevovoda okruglog, izduženog i stlačenog oblika.
Slika 1.9::11 Kanal i cjevovodi sa slobodnim vodnim licem ((a)) trapezni p kanal; ((b)) cjevovodi j (b1) okruglog oblika; (b2) izduženog oblika; (b3) stlačenog oblika 1 – obodni kanal; 2 – zaštita pokosa tucanikom; 3 – najniža razina vode; 4 – najviša razina vode 193
Hidraulički proračun kanala i cjevovoda, pretpostavljajući jednoliko tečenje, provodi se pomoću Chezyeve (1796) formule s Manningovim koeficijentom hrapavosti, hrapavosti n [m-1/3 s], s] koja za srednju -1 brzinu, v [m s ], glasi:
v=
1 23 12 1 23 12 1 23 12 R I = R Io = R I E n n n
(1 9 01) (1.9-01)
gdje su: R – hidraulički radijus, [m], I – pad dna kanala, [1], jednak padu vodnog lica, Io [1], i padu linije energije (hidrauličkom gradijentu), IE [1]. Protok, Q [m3 s-1], se određuje iz jednadžbe kontinuiteta: Q=vA=
1 A R2 3I 1 2 n
(1.9-02)
gdje je A [m2] protjecajna površina. Dubina vode, h [m], obično se uzima u granicama: h = (0.75 do 0.90)D, odnosno h = (0.75 do 0.90)H
194
(1.9-03)
Zbog mogućnosti abrazije, kod ovih se provodnika ograničava i maksimalna brzina, vmax [m s-1], ovisno o materijalu izvedbe. Tako npr. za betonske kanale i cijevi maksimalna brzina orijentacijski iznosi 3.0 [[m s-1], a za armiranobetonske 4.0 [[m s-1]]. (II) Hidraulički proračun tečenja pod tlakom se u praksi najčešće odnosi na kompletnu vodoopskrbnu mrežu, a svakako na glavne opskrbne i opskrbno - dovodne cjevovode, te na razdjelnu mrežu. mrežu Tečenje pod tlakom može u vodoopskrbnoj mreži biti gravitacijsko i kombinirano (gravitacijsko – potisno). Tada se, se za razliku od prethodnog slučaja, slučaja ne zahtijeva jednoliki uzdužni pad cjevovoda, cjevovoda već oni praktički slijede liniju terena. Međutim, uvjeti za njihovo funkcioniranje iziskuju primjenu cijevi koje mogu izdržati tlak koji se javlja u mreži.
195
U inženjerskoj se praksi hidraulički proračun vodovodne mreže pod tlakom najčešće provodi pod pretpostavkom stacionarnog tečenja ravnom dionicom konstantne protjecajne površine, površine donosno unuutarnjeg promjera, primjenjujući Bernoullijevu jednadžbu za realnu tekućinu, koja sukladno prethodnim pretpostavkama poprima oblik: p1 α v 2 p2 α v 2 z1 + + = z2 + + + ΔH tr ρ g 2g ρ g 2g
(1.9-04)
gdje su: z1, z2 - visine položaja točaka 1 i 2 s obzirom na referentnu ravninu, [m], p1, p2 - tlakovi u istim točkama, [N m-2], g
- ubrzanje polja sile teže, [m s-2],
ρ
- gustoća mase vode, vode [kg m-3], ]
α
- Coriolisov koeficijent, [1], (α = 1.0),
v
- (srednja profilska) brzina vode u cijevi, [m s-1],
ΔHtr
- hidraulički (tlačni) gubici zbog otpora trenja (linijski gubici) na dionici između promatranih točaka, [m].
Vi i ki oblik Visinski blik ove jednadžbe j d džb prikazan ik j na slici je li i 1.9::12. 1 9 12
196
Slika 1.9::12 Grafički prikaz Bernoullijeve jednadžbe za ustaljeno strujanje realne tekućine u cijevi Dakle, gornjom jednadžbom nisu uzeti u obzir lokalni gubici. Ovakav pristup je kod hidrauličkog proračuna vodovodne mreže uobičajen zbog prevladavanja linijskih gubitaka nad lokalnim, kao posljedica znatne duljine vodovodne mreže. Hidraulički gubici, ΔH = ΔHtr, obično su definirani Darcy – Weisbachovom (1845) jednadžbom: ΔH = ΔH tr = λ
L v2 D 2g
(1 9-05) (1.9 05)
197
gdje su, uz prethodne oznake: λ - koeficijent otpora tečenju zbog trenja, [1], L - duljina dionice, [m]. Vrijednost koeficijenta λ je u turbulentno prijelaznom režimu definirana Colebrook – Whiteovom j d džb jednadžbom: 2.51 ⎞ ⎛ε D = − 2 log ⎜ + ⎟ λ ⎝ 3.71 Re λ ⎠
1
(1.9-06)
gdje su: ε
- apsolutna hrapavost, [mm],
Re - Reynoldsov broj, [1], definiran izrazom: Re =
vD
(1.9-07)
ν
gdje je ν [m2 s-1] kinematički koeficijent viskoznosti vode.
198
Prema tome, za određivanje P d đi j koeficijenta k fi ij λ potrebno b je j znatii i iznos i apsolutne l h hrapavosti i unutarnjih jih stijenki cijevi, ε. j s obzirom na vrstu vodovodnih cijevi j prikazane u tablici 1.9::I. p Ove su vrijednosti
V Vrsta cijevi ij i
Apsolutna hrapavost ε [mm]
Lijevano Lije ano željezne želje ne Čelične Azbest cementne Armiranobetonske Pl tič Plastične
0.1 0 1 do 0 0.4 4 0.04 do 0.05 0.03 do 0.05 0.04 do 0.25 0 007 d 0.007 do 0 0.01 01
Tablica 1.9::I Apsolutna hrapavost vodovodnih cijevi
199
Dijeljenjem Dij lj j i izraza 1 9 0 s duljinom 1.9-05 d lji di i dionice, L dobijemo L, d bij hid lički pad, hidraulički d Iε [1], [1] koji k ji je j jednak j d k piezometarskom padu, I [1]: I=
ΔH tr λ v 2 = L D 2g
((1.9-08))
Budući da se kod vodovodnih mreža koriste okrugle cijevi čija je protjecajna površina, A [m2], definirana izrazom: A=
D 2π 4
(1.9-09)
uz izraz za protok: (1.9-10)
Q=vA
izraz 1.9-08 prelazi u oblik: I =λ
Q2 Q2 = 0 . 0826 λ π 2 2 g D2 D5
(1.9-11)
16
Prema tome, hidraulički proračun promatrane dionice vodovodne mreže poznate duljine i vrste cijevi svodi se na određivanje slijedeća tri parametara:
200
(i)
za zadani protok, Q, i unutarnji promjer cjevovoda, D, treba odrediti piezometarski pad, I,
(ii) za zadani piezometarski pad, I, i unutarnji promjer cjevovoda, D, treba odrediti protok, Q, (iii) za zadani piezometarski pad, I, i protok, Q, treba odrediti unutarnji promjer cjevovoda, D. Da bi se izbjeglo učestalo računanje po prethodnim izrazima i tako olakšao hidraulički proračun vodovodne mreže, mreže za praktične su potrebe publicirane tablice i nomogrami za određivanje parametara, I, Q i D. U tablici 1.9::II prikazan je izvadak vrijednosti ovih hidrauličkih parametara za cijevi s apsolutnom hrapavošću, ε = 0.1 [mm], što prema tablica 1.9::I odgovara lijevano željeznim cijevima. Uz spomenute parametre I, Q, i D može se očitati i brzina, v. Za vrijednosti između tabeliranih zadovoljava linearna interpolacija. Na slici 1.9::13 prikazan je nomogram za određivanje hidrauličkih parametara, također za cijevi s apsolutnom hrapavošću, ε = 0.1 [mm]. Istaknimo da su tablica i nomogram načinjeni s vrijednošću kinematičkog koeficijenta viskoznosti, ν = 1.308 [m2 s-1], što odgovara temperaturi vode, T = 10 [[˚C]. C].
201
Tablica 1.9::II Izvadak vrijednosti hidrauličkih parametara za okrugle cijevi
202
Slika 1.9::13 Nomogram hidrauličkih parametara za okrugle cijevi 203
Hidraulički proračun distributivne mreže, mreže koja za razliku od magistralnih cjevovoda sadrži i usputnu potrošnju, karakteriziraju određene posebnosti uvjetovane shemom razdjelne vodovodne mreže. Postoje dvije osnovne sheme razdjelnih vodoopskrbnih mreža, slika 1.9::14: (a) shema granate mreže, (b) shema prstenaste mreže.
Slika 1.9::14 Osnovne sheme razdjelnih vodoopskrbnih mreža (a) granata; (b) prstenasta V – vodosprema (ili crpna stanica); 1 – glavni opskrbni cjevovod; 2 – razdjelna mreža; X – oznaka čvora
204
(a) Granatu mrežu karakterizira tečenje samo u jednom smjeru, od vodospreme prema potrošačima. U hidrauličkom pogledu prednost je ovakve mreže što su podloge za njen proračun jednoznačno određene. Mane su joj sadržane u većim tlačnim gubicima i pojavi ustajale vode na mnogobrojnim krajevima, te naročito u prekidu dotoka u slučaju kvara za sve potrošače iza mjesta kvara. (b) Prstenasta mreža u svakoj točki može biti napajana barem iz dva smjera, pošto su krajevi cjevovoda međusobno spojeni. Ovo znatno povećava pogonsku sigurnost, jer se u slučaju kvara na cjevovodu može isključiti relativno usko područje potrošača. Prednost je prstenaste mreže i znatno prilagođavanje oscilacijama u potrošnji, te ublažavanju fenomena vodnog udara. Mana je ove mreže, mreže spram granate, granate veća ukupna duljina i nedefiniranost raspodjele protoka u mreži. Neovisno o shemi mreže, zbog postojanja mnoštva lokalnih kućnih priključaka vrlo je teško definirati stvarno st arno stanje protoka između i međ dva d a čvora, č ora gdje se pod čvorom č orom podrazumijeva podra mije a mjesto razdvajanja cjevovoda.
205
Zato se kod hidrauličkog proračuna mreže koristi pojednostavljena shema, pretpostavljajući da se voda ravnomjerno distribuira po njenoj duljini, tako da je protok koji teče promatranom dionicom proporcionalan duljini dionice. Sukladno ovakvoj pretpostavci uvodi se pojam specifičnog protoka, q [l s-1 m-1], kao protoka koji pripada jednom dužnom metru mreže. Ovaj je protok definiran izrazom: q=
l qmax
(1.9-12)
i=n
∑L i =1
i
gdje su: q‘max - najveći mjerodavni satni protok mrežom, [l s-1], oduzimajući potrošače čija je potrošnja o ce t a a u pojed pojedinim č čvorovima, oo a, koncentrirana Li
- duljina i – te dionice razdjelne vodovodne mreže, [m],
n
- broj dionica, [1].
Prema tome, i – toj dionici, duljine Li, pripada vlastiti protok, qv,i [l s-1]: q v , i = q Li
(1.9-13)
206
Ukupan protok, protok qu,i [l s-11], ] i – te dionice jednak je zbroju vlastitog, vlastitog qv,i, i tranzitnog protoka, protoka qt,i, dakle: (1.9-14)
qu ,i = qv ,i + qt ,i
Kod proračuna vodovodnih mreža problem se obično svodi na određivanje unutarnjih promjera i raspoloživih tlakova za dionice kojima je poznata duljina i protok. Vrijednost unutarnjeg promjera, D, kao pretežno ekonomske kategorije, može se u funkciji ukupnog protoka očitati sa slike 1.9::15. Ove vrijednosti promjera odgovaraju brzinama tečenja od 0.75 [m s-1], za najmanje promjere i protoke, do 1.5 [m s-1], za najveće promjere i protoke.
Slika 1.9::15 Dijagram ovisnosti unutarnjeg promjera cjevovoda i protoka 207
Prilikom hidrauličkog proračuna vodovodne mreže potrebno je voditi računa i o minimalno i maksimalno dopuštenim tlakovima u mreži. Minimalni tlak treba osigurati u satu najveće potrošnje na najvišim izljevnim mjestima u zgradama. Najčešće je reguliran propisima ili preporukama i obično iznosi 0.5 do 1.0 [bara], ovisno o vrsti objekta. Maksimalni tlak se odnosi na najveću dopuštenu vrijednost hidrostatičkog tlaka u najnižim točkama vodovodne mreže. mreže Obično iznosi 8 [bara], [bara] a ponekad i manje (6 [bara]). [bara]) Mogući su i drugi tlakovi, ovisno o karakteristikama vodovodne mreže, prvenstveno otpornosti (vrsti) cijevi i ugrađenih uređaja. (1) Hidraulički Hid lički proračun č granate t mreže. ž U granatoj t j mreži, ži u uvjetima j ti njenog j napajanja j j s jednog j d kraja (rezervoara, crpke) voda se može do priključnog mjesta dovoditi samo s jedne strane. Zbog toga svojstva granate mreže, mogu se kod protoka zadanih u krajnjim dionicama mreže, idući od tih dionica ka početku mreže (uzvodno), odrediti protoci svih preostalih dionica jedinim mogućim načinom. či Drugim riječima, sukladno izrazu 1.9-14, protok u pojedinim dionicama vodovodne mreže jednak je zbroju vlastite potrošnje duž promatrane dionice i protjecajne (tranzitne) količine za “nizvodne” dionice, uključujući i koncentriranu potrošnju, qx, u “nizvodnim” nizvodnim čvorovima, te požarne količine, qp, (točka 1.3-1). Postupak je shematski prikazan na slici 1.9::16.
208
Slika 1.9::16 Shema hidrauličkog proračuna granate mreže Primjer definiranja mjerodavnog (računskog) protoka, Qi, pojedinih dionica: (a) dionica 4 – 5 Q4−5 = qv , 4−5 + q p = q L4−5 + q p
(1.9-15)
(b) dionica 4 – 4A (1.9-16)
Q4− 4 A = qv , 4− 4 A + q p = q L4− 4 A + q p
(c) dionica 3 – 4 Q3− 4 = qv ,3− 4 + qt ,3− 4 + q4 + q p = q L3− 4 + q L4−5 + q L4− 4 A + q4 + q p , itd ...
209
(1.9-17)
Prikazana metodologija definiranja mjerodavnih protoka neminovno sugerira dvije stvari. stvari Prvo, ovakvo definiranje mjerodavnog protoka implicite uključuje pretpostavku istodobnosti maksimalne satne potrošnje za kućanske i industrijske potrebe te za gašenje požara, uz sasvim opravdano pitanje veličine vjerojatnosti istodobnosti maksimalne satne potrošnje za kućanske i industrijske potrebe te za gašenje požara. Međutim, ova je metodologija definiranja mjerodavnih protoka u praksi često prihvaćena, budući da se nalazi na strani sigurnosti. sigurnosti Jedino se za “slijepe” dionice (dionice 4 – 5, 4 – 4A, 3 – 3A, 2 – 2A i 1 – 1A na slici 1.9::16) za slučajeve kada je qv,i < qp, uzima Qi = qp ( a ne Qi = qv,i + qp). Drugo, kod naselja kod kojih s obzirom na broj stanovnika, Nk, konačne faze razvoja možda treba predvidjeti više istovremenih požara, pitanje su lokacije odnosno prostorna distribucija njihove moguće pojave, tj. da li se možda svi požari, s obzirom na eventualno dostatnu duljinu neke dionice, mogu javiti baš na toj dionici (npr. dionica 2 – 3, slika 1.9::16), ili i na susjednoj dionici (npr. dionica 1 – 2) ili pak i na sasvim udaljenoj (npr. dionica 4 – 5).
210
Time je očito da se u konačnosti vodovodna mreža mora hidraulički proračunati za više slučajeva koji se ocijene realnima, realnima kako bi se našao kritičan, kritičan odnosno mjerodavan. mjerodavan Pri tome je, dakako, neosporna činjenica da treba respektirati mogućnost pojave požara u najudaljenijim i najvišim točkama mjesta potrošnje od crpke ili rezervoara. Treba također napomenuti da po prestanku požara potrošenu količinu vode iz rezervoara treba popuniti u roku od 24 [h]. Nakon toga, kada su definirani mjerodavni protoci svih dionica mreže, mogu se za njih odrediti promjeri cjevovoda i tlačni gubici, odnosno tlakovi. (2) Hidraulički proračun prstenaste mreže obično je temeljen na jednom od slijedeća tri postupka: (1) postupak ekvivalentnih cjevovoda, (2) postupak presijecanja, (3) Crossov postupak (1936). U praksi je najčešća primjena Crossovog (iterativnog) postupka. Ovdje se neće iznositi metodologija hidrauličkog proračuna prstenastih mreža. mreža U primjeni se najčešće koriste računalni programski paketi s različitim komercijalnim pristupima kao npr. EPANET, WATER CAD, MIKE i drugi.
211
1.9.3. OBLIKOVNI KOMADI Prilikom projektiranja i izvedbe vodoopskrbne mreže potrebno je svladati česte promjene pravca, profila i vrste spojeva, te izvesti grananje cijevnih vodova. Ove se zadaće svladavaju posebnim komadima koje zovemo oblikovni ili fasonski komadi. Fasonski komadi se najčešće proizvode tvornički od lijevanog željeza, rjeđe od drugih materijala (čelika, azbest cementa ili plastike). Spojnice su s naglavkom, s prirubnicom i kombinirano. Proizvode se istih osobina, osim duljina, kao i cijevi. Vrste veličina, Vrste, veličina sheme i oznake oblikovnih komada su standardizirane. standardizirane U tablici 1.9::III prikazane su sheme i oznake nekih lijevano željeznih fasonskih komada. Oznake su prema Njemačkom industrijskom standardu (Deutsche Industrie Norm – DIN).
212
Tablica 1.9::III Sheme i oznake (prema DIN-u) DIN u) nekih lijevano željeznih fasonskih komada
U praksi se može ukazati potreba i za nestandardiziranim fasonskim komadima. Njih treba posebno naručiti, nar čiti zbog bog čega su s skuplji, sk plji rok isporuke ispor ke je dulji d lji pa ih treba maksimalno izbjegavati. i bjega ati
213
1.9.4. VODOVODNE ARMATURE Vodoopskrbna mreža također sadrži i različite uređaje koji služe za njeno ispravno funkcioniranje, upravljanje i održavanje. Ovi se uređaji općim imenom zovu vodovodne armature. Izvode se od lijevanog željeza i čelika, istih nazivnih promjera i tlakova kao i vodovodne cijevi. Generalno postoje tri vrste armatura: (1) armature za zatvaranje i regulaciju, ((2)) armature za uzimanje j vode,, (3) zaštitne armature. (1) Armature za zatvaranje i regulaciju predstavljaju zasuni, koji se obavezno postavljaju na svim vodoopskrbnim ograncima i na ravnim potezima na udaljenosti od 300 do 500 [m]. Najrasprostranjenija je primjena (a) klinastih, (b) prstenastih (EV) i (c) leptirastih zasuna. Na slici 1.9::17 prikazan je prstenasti zasun.
214
Slika 1.9:17 1 9:17 Prstenasti zasun Radi ublaženja vodnog udara u mreži, svi su zasuni temeljeni na načelu postupnog zatvaranja. (2) Armature za uzimanje vode jesu: (a) hidranti (nadzemni i podzemni), (b) javni zdenci. (a) Hidranti, slika 1.9::18(a1) i (a2) služe za uzimanje vode za gašenje požara (požarni hidranti), pranje ulica, ulica polijevanje javnih zelenih površina, površina ispiranje mreže i sl. sl Postavljaju se na razmaku do 150 [m] (naizmjenično s obje strane ceste), a u naseljima sa samostojećim obiteljskim kućama do 300 [m]. 215
(b) Javni zdenci, slika 1.9::18(b), služe za uzimanje pitke vode na javnim mjestima.
Slika 1.9::18 1 9::18 Armature za uzimanje vode (a1) nadzemni hidrant; (a2) podzemni hidrant; (b) javni zdenac
(3) Zaštitnim armaturama pripadaju: (a) odzračni ventili, (b) povratni ventili, (c) usisne košare, (d) žablji poklopci, (e) muljni ispusti, itd.
216
Slika 1.9::18 Zaštitne armature (a) odzračni ventil; (b) povratni ventil; (c) usisna košara; (d) žablji poklopac
(a) Odzračni ventili, slika 1.9::18(a), ugrađuju se na visokim prijevojnim točkama mreže radi automatskog ispuštanja zraka koji se u njima skuplja. skuplja (b) Povratni ventili, slika 1.9::18(b), osiguravaju strujanje vode u cjevovodu samo u jednom smjeru. (c) Usisne košare, slika 1.9::18(c), sprječavaju ulaženje većih stranih tijela u usisne cijevi. (d) Žablji poklopci, slika 1.9::18(d), služe za sprječavanje povratnog strujanja i ulaženja stranih tijela u cjevovod. cjevovod (e) Muljni ispusti su uređaji za ispuštanje vode i mulja na niskim točkama mreže. 217
Radi omogućavanja pristupa i zaštite, u pravilu se sve vodovodne armature s pripadnim fasonskim komadima smještaju unutra posebnih okana. okana Veličine okana ovise o dimenzijama cijevi, fasonskih komada i armatura koji se u njih ugrađuju, te usvojenoj dubini polaganja cijevi. Pretežno se izvode od armiranog betona, betona na licu mjesta ili montažno, montažno okruglog i poligonalnog (pravokutnog ili kvadratnog) tlocrta. Prema vrsti armature koja je u njih ugrađena, okna se specificiraju kao npr. zasunska okna, odzračna okna, okna muljnog ispusta, vodomjerna okna i sl. Na slici 1.9::19 prikazano je pravokutno armiranobetonsko zasunsko okno.
Slika 1.9::19 Pravokutno armiranobetonsko zasunsko okno 1 – podložni (betonski) blok; 2 – TT komad; 3 – zasuni; 4 – FF komad; 5 – tipske metalne stupaljke; 6 – tipski poklopac 218
1.9.5. UGRADNJA, ISPITIVANJE I DEZINFEKCIJA CJEVOVODA (1) Ugradnja cjevovoda. Jedan od osnovnih parametara ugradnje cijevi je dubina ugradnje, koja ovisi o (a) dubini smrzavanja, (b) vanjskom opterećenju (npr. prometnom), (c) vanjskom zagrijavanju i (d) temperaturi vode u cijevi. Kao zaštita od smrzavanja smatra se za naše kontinentalne prilike dovoljnim ugradnja dubine 1.0 [m], mjereno od tjemena (najviše točke) cijevi. Ovu je dubinu potrebno provjeriti i za slučaj vanjskog opterećenja cjevovoda. Radi zaštite od zagrijavanja, zagrijavanja dubina ugradnje ne bi trebala biti manja od 0.5 0 5 [m], [m] također mjereno od tjemena cijevi. Dubina ugradnje cjevovoda, usvojena za konkretan slučaj, približno je jednaka za čitavu mrežu pa vodovodne linije praktički slijede liniju terena. Prilikom ugradnje cjevovoda nije dovoljno voditi brigu samo o dubini polaganja cijevi u rovu, već i o potrebi izvedbe posteljice i nadsloja, slika 1.9::20.
219
Slika 1.9::20 Normalni poprečni presjek rova 1 – pješčano – šljunčani temeljni sloj; 2 – pješčani izravnavajući sloj; 3 – cijev; 4 – zemljani ili šljunčani zasip; 5 – materijal od iskopa
Naime, na dnu rova mogu nakon iskopa mjestimice zaostati koncentrirane neravnine i krupniji komadi, npr. lomljenog kamena, pa bi izravno polaganje cijevi na takvu podlogu moglo nakon zatrpavanja izazvati lokalnu koncentraciju naprezanja, a time i mogućnost oštećenja ili loma cijevi. Stoga se radi poravnanja dna rova najprije nasipa pješčano – šljunčani temeljni sloj, s veličinom zrna do 30 [mm], i ravnomjerno izvrši njegovo zbijanje po cijeloj duljini rova tako da debljina zbijenog temeljnog sloja iznosi oko 10 [cm]. Za cijevi manjih promjera (≈ D < 500 [mm]) dozvoljena je i manja debljina temeljnog sloja, ali je onda obavezna i upotreba sitnijih frakcija. Na temeljni sloj se potom nasipa oko 5 [cm] pješčanog izravnavajućeg sloja u kojemu cijev prilikom ugradnje sama oblikuje ležište. Temeljni i izravnavajući sloj čine posteljicu. 220
Nakon polaganja cijevi provodi se njezino zatrpavanje zemljanim ili šljunčanim mmaterijalom u horizontalnim slojevima debljine do 30 [cm], [cm] kako bi se istovremeno sa zatrpavanjem obavilo i zbijanje zasipa. Kada visina zatrpavanja dosegne 30 [cm] iznad tjemena cijevi, preostali dio rova do površine (terena) može se, također uz zbijanje, zasuti materijalom od iskopa. U slučaju znatnog iznosa vanjskog opterećenja potrebno je izvesti dodatnu zaštitu cjevovoda, npr. oblaganjem betonom ili ugradnjom cjevovoda u armiranobetonske sanduke. Osim dubine, važan parametar ugradnje cjevovoda je širina rova, Br [m], koju je potrebno osigurati radi mogućnosti ugradnje cijevi i izvedbe spojeva u rovu. Potrebna širina rova ovisi o promjeru cijevi, tablica 1.9::IV.
T bli 1 Tablica 1.9::IV 9 IV Potrebna P t b širina ši i rova
221
Također, temeljem zakona održanja količine gibanja, na mjestima horizontalnih i vertikalnih lomova trase, grananja i krajeva slijepih dionica cjevovoda pojavljuje se sila tlaka s tendencijom kidanja spojeva i fasonskih komada, slika 1.9::21.
Slika 1.9:21 Djelovanje sile tlaka (a) na koljeno, (b) na račvu; (c) na završetak cijevi
Radi toga je potrebno posebno osiguranje takvih mjesta na trasi cjevovoda, što se postiže izvedbom uporišnih blokova. Ovi se blokovi najčešće izvode kao betonski masivi. Na slici 1.9::22(a) prikazan je primjer konstrukcije betonskog uporišnog bloka za osiguranje cjevovoda u horizontalnoj krivini, a na slici 4.9::22(b) za osiguranje u vertikalnoj krivini (za djelovanje sile tlaka prema gore).
222
Slika 1.9:22 Uporišni betonski blokovi (a) u horizontalnoj krivini; (b) u vertikalnoj krivini 1 – betonski blok; 2 – tucanička ili šljunčana posteljica; 3 – steznici; 4 – sidra; 5 – čelična ogrlica
Potreba za izvedbom uporišnih blokova je utoliko izraženija koliko se radi o većim promjerima cjevovoda (D > 400 [mm]).
223
Kod ugradnje vodoopskrbnih cjevovoda potrebno je sagledati i njihov međuodnos s ostalim infrastrukturnim elementima gradske ulice, ulice slike 1.9::23. 1 9::23
Slika 1.9:23 Primjer rasporeda cijevi u poprečnom presjeku ulice I – prometni dio ulice; II – nogostupi; III – zeleni pojasevi 1 – glavni vodoopskrbni cjevovod; 2 – razdjelni vodoopskrbni cjevovod; 3 – kanalizacijski kolektor; 4 – plinovod; 5 – toplovod; 6 – kablovi visokog napona; 7 – kablovi niskog napona; 8 – kablovi javne rasvjete
U velikom gradovima s mnoštvom cijevnih infrastrukturnih vodova različite namjene često se izvode posebni prohodni tuneli, slika 1.9::24, koji omogućuju brz pristup i obavljanje popravaka bez raskopavanja rova. Ovakav tip rješenja je naročito čest kod mostova.
224
Slika 1.9:24 Prohodni tunel 1 – vodovi pod naponom; 2 – ptt vodovi; 3 – plinovod; 4 – toplovod; 5 – vodovod; 6 – kanalizacija
(2) Ispitivanje cjevovoda. Prije puštanja u pogon cjelokupna se vodovodna mreža ispituje na čvrstoću i vodonepropusnost tzv. tlačnom probom. Prije potpunog zatrpavanja rova postepeno se ispituju pojedine dionice mreže, kako bi se u slučaju potrebe popravaka lakše detektiralo mjesto kvara i ne bi morala raskopavati cjelokupna mreža. mreža Vremensko trajanje ispitivanja i veličina ispitnog tlaka propisani su za pojedine vrste cijevi. (3) Dezinfekcija cjevovoda. Nova ili rekonstruirana vodovodna mreža mora se prije upotrebe podvrći d ći dezinfekciji. d i f k iji Ovo O se provodi di tako t k da d se dionice di i pune vodom d k j sadrži koja d ži 20 do d 30 [mg] [ ] klora na litru vode. Kloriranje traje minimum 24 [h], a nakon toka se vodovodna mreža ispere čistom vodom. 225
1 9 6 PRIKAZIVANJE VODOOPSKRBNE MREŽE U PROJEKTU 1.9.6. Vodoopskrbna mreža se u projektu prikazuje: (1) situacijskim planom, (2) uzdužnim profilima cjevovoda, (3) karakterističnim normalnim presjecima cjevovoda (za glavne i izvedbene projekte). projekte) (1) Situacijski plan vodovodne mreže crta se na kotiranom situacijskom planu vodoopskrbnog područja (s izohipsama). U njega se unose: (a) trase cjevovoda, (b) brojevi čvorova (stalnih točaka), (c) dimenzije profila i vrste cijevi za svaku dionicu između dva čvora, (d) oznake i brojevi pojedinih grupa objekata na mreži (npr. zasunskih okana – ZO1, ZO2, ..., crpnih stanica – CS1, CS2, ...). (e) posebni objekti na mreži (prijelazi preko rijeka i ispod željezničkih pruga, osiguranje cjevovoda), (f) stacionaža.
226
Situacijski plan se obično crta na kartama mjerila 1 : 2 500 do 1 : 5 000 za studije i idejne projekte, a 1 : 500 do 1 : 1 000 za glavne i izvedbene projekte. projekte Na posebnim se listovima crtaju sheme čvorova s fasonskim komadima i vodovodnim armaturama. Svaki čvor je obilježen istim brojem kao na situacijskom planu i na isti način je orijentiran. (2) Uzdužni profili se crtaju za svaki cjevovod na posebno snimljenim uzdužnim profilima po trasi ugradnje cijevi. U njima trebaju biti upisani i ucrtani: (a) brojevi čvorova (stalnih točaka) iz situacijskog plana, (b) dimenzije profila i vrste cijevi po dionicama iz situacijskog plana, (c) oznake i brojevi pojedine grupe objekata na mreži iz situacijskog plana, (d) posebni objekti na mreži iz situacijskog plana, (e) duljina dionice u [m] s nagibom dna rova i taj nagib u [‰], (f) kote dna rova u [m n.m.] na prijelomima dna rova, (g) kote terena u [m n. m.], na prijelomima terena, (h) dubine d bi iskopa i k u [m], [ ] na prijelomima ij l i d rova, dna (i) piezometarske kote u [m n.m.] i linije s iznosima piezometarskog pada u [‰]. (j) razmak profila u [m], na prijelomima pod (f) do (h), (k) stacionaža u [km].
227
Kod crtanja uzdužnih profila obično se uzima isto mjerilo za duljine u kojem je izrađen i situacijski plan a za visine se najčešće odabire mjerilo 1:100. plan, 1:100 (3) Karakteristični normalni presjeci obično se crtaju u mjerilu 1:5 do 1:50 (1:100), ovisno o dimenzijama profila i dubini iskopa. U njih se unosi: (a) geometrija rova (širina, dubina i nagib stijenki), (b) dimenzija profila i vrsta cijevi, (c) dimenzija i struktura posteljice, zasipa do 30 [cm] iznad tjemena cijevi (ili zaštite cijevi) i nadsloja.
228
