Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшими для жизнеобеспечения современного города являются системы водоотведения бытовых и поверхностных сточных вод. Проведенный анализ режимов их функционирования показал, что многие участки перегружены и работают в режиме размывающих скоростей, другие недогружены и в них происходит накопление осадков. В период интенсивных дождей трубопроводы и колодцы систем поверхностного водосбора переполняются водой, приводя к подтоплению проезжей части, переходов, подвалов зданий и других инженерных сооружений. Причиной этому является несоответствие параметров системы тем нагрузкам, которые имеют место в настоящее время. Такая ситуация сложилась вследствие увеличения или уменьшения темпов промышленного и жилищного строительства, изменения поверхностного водостока, превышение расчетной интенсивности и продолжительности дождей, заиливание колодцев и засорения сети и из-за многих других факторов.
Очевидно, для практики эксплуатации и реконструкции систем водоотведения представляет большой интерес возможность моделировать такие ситуации, предвидеть выходы стоков на поверхность земли и своевременно предотвращать эти явления.
С позиции гидравлических расчетов возникает напорный режим в безнапорных коллекторах, который может приводить к появлению противотоков и выходу стоков на поверхность земли. Впервые с моделированием таких режимов столкнулось агентство по охране окружающей среды (США), которое с 1961 г. занимается разработкой методического и программного обеспечения гидравлических расчетов русел, каналов и коллекторов на основе уравнения неустановившегося течения стоков Сен- Венана. Широкое распространение получил пакет программ MIKE URBAN (дистрибьютор в России НКФ Волга), позволяющий рассчитывать различные режимы транспортировки сточных вод с учетом неравномерности их поступления и транспортировки по коллекторам. Вместе с тем, как показала практика эксплуатации данного пакета программ, он не обеспечивает возможность моделировать противотоки в сети, выход стоков на поверхность земли и определение их объемов, пропускную способность системы водоотведения с учетом возможных засоров, зарастания труб и другие нарушения, которые могут иметь место в практике эксплуатации систем водоотведения.
Цели и задачи исследований заключаются в разработке методических основ и вычислительной базы для расчета и анализа режимов работы систем водоотведения бытовых и поверхностных сточных вод, и направлены на решения следующих задач:
моделирование напорных режимов движения стоков в безнапорных коллекторах;
применение методов теории гидравлических цепей для выявления участков, имеющих противотоки, и колодцев, из которых стоки будут поступать на поверхность земли;
развитие методики расчета систем поверхностного водосбора на основе анализа режимов их функционирования и коррекции проектных диаметров и уклонов;
разработка методики моделирования засоров, заиливания трубопроводов и обнаружения мест их появления в системах водоотведения бытовых сточных вод.
Методы исследования. Математическое моделирование, методы вычислительной математики, теории графов, алгоритмизация и программная реализация.
Объекты исследования. Являются системы водоотведения бытовых и поверхностных сточных вод, режимы функционирования существующих, проектируемых и реконструируемых систем водоотведения.
Научная новпзпа. В работе впервые установлена возможность рассмотрения систем водоотведения как гидравлических цепей с нефиксированными расходами и нагрузками сточных вод, что позволяет моделировать режимы переполнения сети, выхода стоков на поверхность земли и образование противотоков в безнапорных коллекторах.
Предлагаемый подход обобщает методы расчета напорных, и безнапорных режимов транспортирования сточных вод, которые ранее рассматривались самостоятельно и имели различную методологическую основу.
Установлено, что работа полным сечением в системах поверхностного водосбора может приводить к напорному движению стоков в безнапорных коллекторах, что означает возможность появления противотоков и выхода стоков на поверхность земли.
Практическая значимость результатов работы. На основе предлагаемых в работе подходов, методов и алгоритмов разработан программный комплекс ТИАСЕ-К, который позволяет решать следующие задачи:
рассчитывать напорно-безнапорные режимы течения стоков, включая переполнения сети, выхода стоков на поверхность земли и образование противотоков;
производить оценку и корректировку проектных решений для систем водоотведения поверхностных и бытовых сточных вод;
моделировать процессы зарастания и образования засоров в коллекторах и выявлять места их появления;
рассчитывать совместную работу канализационных насосных станций, работающих на общий узел и самотечных коллекторов, по которым стоки транспортируются в приемные и регулирующие резервуары.
Программный комплекс ТИАСЕ-К может быть основным инструментом в системе автоматизированного диспетчерского управления системами водоотведения и выполнять функции советчика диспетчера, прогнозирования и контроля режимов, обнаружения и локализации аварийных ситуаций. В настоящее время с помощью ТЯАСЕ-К разработана схема развития систем водоотведения г. Иркутска до 2020 г. и как самостоятельный инструмент применяется в водоканалах Ангарска и Иркутска при анализе режимов функционирования систем водоотведения.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях: Безопасность-04 (Иркутск 2004); Инженерное оборудование населенных мест и зданий (Иркутск 2009, 2010); Вода и жизнь (Иркутск 2010); на Международной конференции по оценки недвижимости и инновационном климате в строительстве (Иркутск 2009), на семинаре в лаборатории гидравлических и трубопроводных систем ИСЭМ СО РАН (Иркутск 2010).
Личный вклад автора заключается в постановки задачи и исследования; разработке методики расчета напорно-безнапорных режимов в системах водоотведения, разработке алгоритмического и программного обеспечения.
Публикации по теме диссертации опубликовано 9 статей, три из них в рекомендуемых журналах ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 138 наименований, изложена на 140 страницах машинописного текста, включая 53 рисунка, 5 таблиц.
