Определение коэффициентов шероховатости и Шези для расчета участков сетей водоотведения в условиях сокращение расходов сточных вод

Аннотация

Н.С. Серпокрылов, Т.М. Мкртчян

Дата поступления статьи: 18.11.2013

В условиях снижения расходов  сточных вод фактические величины минимальных скоростей   не обеспечивают   самоочищения сетей водоотведения. С целью определения  коэффициента шероховатости в лотках труб проведены исследования на заиленных участках  действующих коллекторов разных диаметров и материалов. Описана методика и приборы исследований. Полученные данные позволили с достаточной достоверностью установить значения коэффициента шероховатости донных отложений коллекторов 

Ключевые слова: водоотводящая сеть, скорость самоочищения, коллектор , шероховатость , донные отложения

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

  В безнапорных трубопроводах канализационных сетей движение жидкости, как правило, неравномерное. Однако на транзитных участках достаточной протяжённости,   где для выравнивания потока имеется прямолинейный участок не менее 40-50 h_жид(h_жид - наполнение),постоянные сечение и   уклон, движение жидкости можно считать равномерным, и  для расчетов использовать формулу Шези [1]:
                (1)
где v –средняя скорость, м/с; c- коэффициент Шези, м^0.5/с ; R-гидравлический радиус, м; i-гидравлический уклон.
Существует ряд  формул,  предназначенных для определения коэффициента Шези, в   отечественной практике для расчета величины коэффициента  C используют формулу  Н.Н.Павловского  [2]:
 , (2)
где  y- величина переменная, зависящая от гидравлического радиуса R   и коэффициента шероховатости n
.
Однако в настоящее время в действующих системах  водоотведения, в условиях снижения расходов сточных вод вследствие внедрения систем  учета расходов воды в быту и в промышленности, существующие     диаметры и уклоны труб отдельных участков не обеспечивают   самоочищающиеся  скорости, поэтому   взвешенные вещества оседают в лотках труб.   Для подъема этих осадков с лотка  и приведения в    "волнообразное"  состояние одного и того же количества взвеси требуются большие скорости, чем для транспортирования этого же количества неосевших взвешенных веществ. В результате на дне трубопровода постепенно оседают и накапливаются  различные твердые вещества, в особенности песок, прочно ”цементирующийся"      канализационным илом. Образовавшийся таким образом осадок "укатывается"  слоем текущей воды, увеличивая  шероховатость труб и, соответственно,  сопротивление потоку жидкости.  [3]
Известно, что изменение  коэффициента шероховатости n  весьма существенно влияет на результаты гидравлического   и технико-экономического расчета сетей: при одинаковых  условиях (диаметр, наполнение, уклон) расхождение в определении расхода при изменении n в  пределах   от 0.012 до 0.014 составляет в среднем   18% [4].
Для нахождения    расчетного  расхода  сточных вод, размывающего       накопившийся слой   и предотвращающего   образование осадков в дальнейшем,   необходимо определить фактически сложившийся  на практике коэффициент шероховатости n для канализационных трубопроводов с донными отложениями.
Анализ существующих исследований по определению коэффициента шероховатости осадков  в действующих канализационных трубопроводах  показал, что таких данных, особенно в условиях снижения расходов сточных вод,   недостаточно для корректировки расчетных зависимостей. [5]Поэтому была поставлена задача уточнить коэффициент шероховатости для разных диаметров труб из различных материалов, находящихся в условиях транспортирования сточной жидкости и имеющие донные отложения.
Канализационный трубопровод с фактически имеющимися донными отложениями  будем рассматривать как безнапорный канал с разнородной шероховатостью,  допуская, [5]что толщина осадков не меняется  по длине расчетного участка. Поэтому    можно считать, что движение сточных вод  в  заиленных трубопроводах на таких участках   равномерно.

Рис. 1 Точки замеров скоростей в поперечных сечениях коллекторов с осадками.

Тогда для таких трубопроводов формула Н.Н. Павловского принимает вид
           ,(3)       
где  n_п – приведенный коэффициент шероховатости [3]:
       ,  (4)
где l_тр и  l_ос – смоченные периметры трубы и осадка с коэффициентами шероховатости соответственно n_тр и n_ос .
Коэффициент шероховатости  n_тр  для внутренней поверхности канализационного трубопровода, покрытой биопленкой,  независимо от материала труб  согласно [6] можно принять n_тр=0.014. 
Для получения экспериментальных данных, были проведены гидравлические исследования  в производственных условиях  на канализационной сети г. Еревана и г. Раздана  республики Армения.[7]
Для оценки истинного значения величины п_ос  с надежностью р = 0,95, предполагая, что измерения независимы и произведены  без систематической ошибки, а случайные ошибки распределены по нормальному закону с параметрами 0 и σ по данным подсчитаем значения выборочного среднего

и выборочной дисперсии
   .
В качестве точечных оценок величины п_ос  примем соответственно и . Найдем доверительный интервал для n_ос  с надежностью . Так как точное значение стандартной ошибки измерения    неизвестно, то доверительные границы для n_ос - подсчитываем с помощью распределения Стьюдента [8]:    для     числа степеней свободы K=19-1=18 находим коэффициент Стьюдента   t=t(0.95;18)=2.101,   что позволяет найти соответствующую границу отклонения n_ос от n_ос ср

Тогда доверительный интервал для n_ос с надежностью 0,95  находится в интервале  (0,020-0,00094; 0,020+0,00094). Округляя границы интервала, получаем 0,019 < п_ос<  0,021. [10] Это свидетельствует о том, что коэффициент шероховатости донных отложений в коллекторах  водоотведения  с достаточной достоверностью можно принять  n_ос=0,020. Тогда   (4)  при значении nос=0.020 принимает вид (5)
(5)   
Если для упрощения расчётов принимать, что части смоченного периметра       l_тр = l_ос то из (5) получим  n_пр = 0.017.В итоге для исследованных сетей канализации формула  (3) примет вид
С=58.82 * R^{0.195-0.0225R}    (6)
Выполненные по (6) расчеты показывают удовлетворительную сходимость фактических и расчетных скоростей течения сточных вод, максимальное расхождение не превышает 10%, т. е. для условий республики Армения коэффициент Шези при проектировании самотечных сетей водоотведения следует вести по (6) при n_пр = 0.017.                                                   

Литература:

1. Богомолов А.И., Махайлов К.А. Гидравлика . - М.: 1972 г. С. 52.
2. Wood D. K., Tchobanoglous O. Trace elements in Biological Waste Treatment // J. Water Pollut. Control Fed. vol. 47. num. 7. 1975.P.75-54.
3. Серпокрылов Н.С., Бондарчук А.А., Новосельцева И.В., Куля Н.Н. Экспериментальное исследование водоструйного аэратора [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2011, №2. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/852 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
4. Лукиных А. А., Лукиных Н. А. Таблицы для гидравлического расчета канализационных сетей по фоормуле акад.  Павловского Н. Н. Из. 4-е дополн. -  М.: Стройиздат,  1974, 156 с.
5. Серпокрылов Н.С. и Мкртчян T. M.   Патент на полезную модель РФ №123929 ,,Устройство для измерения высоты слоя осадков в колодцах канализационной сети”, опубл. 10.01.2013, 
6. Румшиский Л.З. Элементы теории вероятности.- М.:изд ,,Наука”, 1976.с 15-18.
7. County Sanitation District No. 4 of Santa Clara County // Specifications Section 20.2. part 3. Campbell, Calif. Р. 19-23.
8. Давыденко О.В. Обзор современных проблем и перспектив развития водоснабжения и водоотведения на территории Ставропольского края [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2011, №2. – Режим оступа:http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2011/427(доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
9. ГОСТ 15126-80. Средства измерения скорости течения воды. Вертушки гидрометрические речные. 
10.  Герасимов Г.Н. Технический справочник по обработке воды: в 2 т. - СПб: Новый журнал / Degremont: 2007. Т. 1.- С. 878, Т.2.- С. 920.