Содержание к диссертации
Введение
Глава1. Динамика водосбережения и водопотребления населением в крупных городах Монголии 9
1.1 Современное состояние и изученность системы водоснабжения г.Улан-Батора 9
1.2 Анализ факторов, влияющих на установление нормы водопотребления 21
Глава 2. Анализ существующих методов описания водопотребления в жилищном фонде и выделение основных методов исследования для условий Монголии 30
2.1 Основные методы описания процесса водопотребления жилищного фонда 30
2.2 Основные факторы, влияющие на процесс водопотребления населением 32
2.2.1 Давление в водопроводной системе зданий- определяющий фактор работы системы 32
2.2.2 Взаимосвязь между температурной устойчивостью водоразбора потребителями и квартирных стабилизаторов давления 39
2.2.3 Влияние температурного режима горячей воды на расход потребляемой воды в жилых зданиях 40
2.2.4 Влияние демографических факторов на поведение потребителей и поставщиков услуг водоснабжения и водоотведения 43
2.3 Эксплуатационные нормы водопотребления населением-наиболее рациональный метод нормирования водопотребления 46
Глава 3. Натурные исследования водопотребления в жилых зданиях г.Улан-Батора
3.1 Основные положения: 50
3.2 Выборка объёмов исследования и проведение натурных замеров 54
3.3 Определение расчётного режима водопотребления на выбранных жилых зданиях 66 CLASS Глава 4. Математическая обработка экспериментальных исследований ... 78 CLASS
4.1 Определение описательной функции удельного водопотребления в зависимости от факторов 78
4.2 Статистическая оценка полученной модели удельного водопотребления ... 83
4.2.1 Проверка значимости уравнения регрессии 83
4.2.2 Статистическая оценка значимости коэффициентов линейного регрессионного уравнения 86
4.3 Построение новых регрессионных моделей 89
4.4 Исследование изменения удельного расхода воды населением г. Улан-Батора в зависимости от температуры окружающей счреды. 96
Глава5 Определение эксплуатационной нормы водопотребления населением жилищного фонда в городах Монголии 102
5.1 Неучтенные расходы и утечки воды из водопроводной системы жилых зданий г.Улан-Батора 103
5.2 Определение суточной величины утечек в жилых зданиях 110
5.3 Установление эксплуатационной нормы водопотребления населеним 113
Рекомендации по применению эксплуатационной нормы водопотребления населением
в городах Монголии ...117
Общие выводы 119
Библиографический список использованной литературы 121
Приложения 132
- Анализ факторов, влияющих на установление нормы водопотребления
- Основные факторы, влияющие на процесс водопотребления населением
- Выборка объёмов исследования и проведение натурных замеров
- Статистическая оценка полученной модели удельного водопотребления
Введение к работе
Проблема обеспечения населения питьевой водой постоянно усутлябляется практически на всех континентах мира. Сегодня уже некоторые страны вынуждены завозить пресную воду для целей водоснабжения [11,73,74]. В связи с этим вопросы рационального водопользования становятся все более актуальными. Согласно Российским нормативным документам удельное водопотребление среднее за год устанавливается в зависимости от степени благоустройства жилой застройки и составляет 125-350 л/сут. на 1 одного человека.
Фактические замеры в различных городах России свидетельствуют, что удельное водопотребление, особенно в крупных городах имеет тенденцию к росту сверх нормативно-установленных и достигает 500-600 л/сут, что абсолютно не характерно для большинства Европейских стран, где оно не превышает 200 л/сут. на 1 человека. Такое- же значительное превышение нормативного водопотребления набдюдается и в крупных городах Монголии, где фактическое удельное водопотребление населением проживающем в благоустроенных домах увеличилось в последние годы до 450-500 л/сут.на одного человека. Это же явление можно наблюдать и во многих городах стран Ближнего Востока и других маловодных регионах мира.
Изучению и анализу причин роста удельного водопотребления в различных климатических регионах посвящены достаточно много научных работ. В то же время, в Монголии этот вопрос до настоящего времени достаточно не изучался вследствие различных объективных и субъективных причин. Следует отметить, что системы водоснабжения крупных городов Монголии были запроектированы и построены в полном соответствии с российскими, нормативами без учёта специфики климата, уклада жизни населения, демографической и экономической политики страны, а также особенностей многовековых национальных традиций.
Необходимость изучения и исследования данной проблемы в условиях Монголии была определена заданием
Анализ причин значительного увеличения удельного водопотребления населением можно свести к следующим основным факторам:
- Отсутствие или недостаток культуры водопользования. Исторически в России и в других странах сложилось ошибочное мнение о неисчерпаемости источников пресной воды [21]. Следствие такового мнения является тот факт, что потребитель может позволить сброс чистой воды в систему канализации без какой-либо обоснованной потребности, отвлекаясь на другие виды деятельности.
При этом следует отметить, что такие виды потери воды, как правило, сокращаются если потребители, проживающие в домовладении связаны близкими родственными связями и производят оплату за водопользование по фактической заселенности квартир.
Для крупных городов Монголии характерна ситуация, когда традиционные семейные связи предполагают проживание родственных семей в благоустроенных квартирах без какой-либо регистрации в течение длительного времени с самостоятельным ведением хозяйства и водопользования. Кроме того, для городов Монголии достаточно характерными являются постоянное проживание в неблагоустроенных юртах с привозным водоснабжением, расположенных в непосредственной близости от благоустроенного жилья родственников. При этом семьи регулярно имеют возможности посещать своих «благоустроенных» родственников с решением различных хозяйственно-бытовых проблем, что в первую очередь, наблюдаются в субботние и в воскресение дни, особенно в зимнее время. В связи с вышесказанным возникает проблема аналитического определения эксплуатационной нормы водопотребления в процессе эксплуатации систем водоснабжения с целью установления реальных тарифов на воду и её рационального использования. -Отсутствие индивидуальных (поквартирных) приборов учета расхода холодной и горячей воды. Вводимая в настоящее время практика установки таких
водосчетчиков испытывает значительные проблемы, связанные с необходимостью установки нескольких приборов в одной квартире в связи с неблагоприятной планировкой квартир, где вода может вводится к потребителям по двум- трем и более вводам. Это приводит к дополнительным затратам для водопользователей и, кроме того, к неудобствам контроля и обслуживания приборов водосбыта. Данная проблема должна решаться архитекторами- планировщиками разработки такой планировки квартир при которой будет возможно устройство поквартирного ввода для установки водосчетчика. Несмотря на то, что сегодня имеются постановления о госприемке вновь вводимого жилого фонда только при наличии индивидуальных водосчетчиков проблема учета фактических расходов воды в действующих системах не снята. Это ещё раз предопределяет проблему разработки метода аналитического установления удельного водопотребления, особенно для условий Монголии [10,62].
- Качество водоразборной арматуры и превышение давления воды во внутренних системах водопровода взаимосвязаны, особенно в ночные часы, когда водоразбор минимален.
Эти факторы являются определяющими для нерациональных расходов воды и превышения установленных норм водопотребления, но они, не смотря на субъективный их характер, являются определяющими для систем водоснабжения крупных населенных пунктов. Причиной этому можно назвать сложность регулировки давления воды в трубопровдах в ночные и дневные часы.
В настоящее время имеются достаточные данные по усовершенствованию конструкции водоразборной арматуры с целью повышения надежности её работы при переменных давлениях в сети. В этом направлении получены интересные результаты многими специалистами.
Кроме этого, имеется опыт регулировки давления на вводах в отдельные здания или районы застройки в ночное время, но результаты такой работы не всегда адекватно отвечают требованиям потребителей, проживающих на
верхних этажах зданий. Это явление можно назвать общими причинами для всех регионов вне зависимости от других факторов, влияющих на оценку реальных удельных норм водопотребления. С целью снижения нерациональных расходов воды требуются дополнительные исследования влияния факторов на водопотребление для каждых конкретных объектов.
Изложенные обстоятельства предопределяют необходимость рассмотрения вопроса о характеристиках водопотребления населением, закономерностях его изменения и определения на этой основе уровня рационального водопотребления. Правильное определение уровня рационального расхода воды всеми видами потребителей является одним из путей сокращения потери воды и её сбережения в целом.
Сокращение потерь питьевой воды в жилых зданиях невозможно, если неизвестен реально необходимый для создания надлежащих комфортных условий уровень водопотребления и не выявлены причины отклонения от него фактического расхода воды. Не имея начальных исходных данных о потребности в воде населения и всех других категорий потребителей, которые присоединяются к коммунальным системам водоснабжения, практически невозможно предусмотреть урдрдия, при которых система водоснабжения сможет функционировать и обеспечивать бесперебойную подачу воду.
Анализ факторов, влияющих на установление нормы водопотребления
Сокращение ограниченных запасов водных источников в Монголии зависит от эффективности внедрения таких мероприятий как разработка технологии, уменьшающих её потребление; уменьшение количества загрязненных стоков, сбрасываемых в гидросферу в очень значительной степени, уменьшение до разумного, рационального уровня её потребления для нужд населения. Поскольку местные условия стран и конкретных территорий дифференцированы, распределение воды является уникальной системой, формирующейся в соответствии со сложившимся направлением спроса, существующими институциональными структурами, а также инфраструктурой водных ресурсов.
Проведенный литературный анализ показывает, что в работах ведущих специалистов этой области таких как: П.С.Спышнов, Н.Н. Абрамов, Л.А.Шопенский, И.В.Кожинов, В.С.Животнев, Жуков Н.Н, В.Н.Исаев, А.П.Свинцов, Зедгениндзе А.С., Майзельс М.П., Лякмунд. отмечаются разные подходы и методы разрешения проблемы. Эти исследования в основном были направлены на следующие задачи: - Определение параметров водопотребления для расчёта водопроводов. -Исследование действительной неравномерности водопотребления на местности - Совершенствование гидравлических расчётов системы - Определение скрытых утечек и непроизводительных расходов воды в системе водоснабжения - Нормирование водопотребления по различным климатическим зонам Каждое из исследований проводится в соответствии с поставленными задачами степенью изученности вопроса в местных условиях.
В системе водоснабжения жилых зданий г. Улан-Батора в качестве регулятора водосбережения, следовательно, повышения качества услуг водоснабжения в основном выступают механизмы экономического характера наряду с техническими мероприятиями. И в то же время для улучшения нынешнего положения в городах Монголии отсутствуют фундаментальные научные исследования, отражающие некоторые особенности водопользования, технические условия системы, рельеф местности, влияние факторов (климатические условия, демографический и социальный аспекты пользователей), приемственность передовых научно-технических решений со стороны других стран.
В разработке технологий уменьшающих водопотребление и сбережения воды всеми категориями потребителей главное место занимает нормирование потребляемой воды [58]. Расход воды на производственные и бытовые нужды промышленных предприятий имеет более или менее детерминированный характер, определяющийся по удельным нормам водопотребления на единицу продукции и зависящий от технологии производства.
Расход воды на коммунальные нужды населения в городских системах водоснабжения занимает значительную часть от всей подаваемой воды. Так, в г. Улан-Баторе это значение приблизительно равно 40%. Суточное потребление воды на хозяйственно-бытовые нужды населения по объекту в целом зависит от расхода, приходящегося на 1 одного человека в сутки. Вообще количество требуемой воды сводится к трём аспектам[37]:
Необходимое — минимум, необходимый для поддержания нормальных условий жизни, включая производственные нужды; Разумное — увеличение водопотребления сверх необходимого, оправдываемое повышением жизненного уровня, Неэффективное — дальнейшее неоправданное увеличение водопотребления.
По исследованиям специалистов необходимый минимум для жизнедеятельности человека составляет 50 л/(сут-чел), но оптимальным считается около 150 л/(сут-чел) в зависимости от местных условий и факторов влияния [37].
В настоящее время в городских системах водоснабжения Монголии придерживаются норм, регламентируемых СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий». Результаты многочисленных исследований специалистов [9,38,111,112] по определению значений удельного расчётного расхода воды дают основание судить о неправомерности прямого использования нормативов, регламентируемых строительными нормами и правилами в качестве критерия рационального уровня водопотребления. Практику прямого использования норм и нормативов в целях сокращения существующих высоких значений расходов воды следует признать неправильной ввиду следующих соображений:
1. Строительные нормы и правила регламентируют нормы водопотребления только для целей проектирования систем водоснабжения. Эти нормы совокупно учитывают все хозяйственно- питьевые виды расходования воды в районах жилой застройки в целом с некоторым резервом, т.е существенно превышают рациональную потребность населения в воде в жилых зданиях [36,91]. 2.Не учитываются все факторы, влияющие на формирование потребления воды населением. Ниже представлены некоторые обоснования данного соображения:
Основными причинами искажения являются следующие факторы: Недоучёт демографической ситуации, определяющей фактическое количество пользователей услугами централизованной системы водоснабжения города и структурных особенностей потребления различными категориями водопотребителей [102,58]. Определение баланса в системе водоснабжения города, составленное с учётом специфики структуры и состава водопотребителей является основой для расчёта удельного водопотребления в данной населённой местности.
Основные факторы, влияющие на процесс водопотребления населением
Одним из влияющих факторов является давление в водопроводной системе, которое играет существенную роль как на работу самой системы так и на регулировочный процесс со стороны потребителей. Исследованию влияния давления в водопроводной сети на работу системы посвященыработы Л. А. Шопенского, А.П. Свинцова, М. П. Майзельса, М.А. Мордясова и др. авторов.
Рассмотрим более подробно роль взаимодействия давления на работу системы водоснабжения зданий. Исследования этих авторов показывают, что большую часть суток внутренние водопроводы зданий работают при давлениях на вводах значительно превьппающих проектные и достигающих иногда 0,95-1.2 МПа. Однако даже при минимальных давлениях, которые наблюдаются только в период максимального водопотребления, водозаборная арматура работает в условиях, близких к расчётным значениям, только на верхних этажах здания. По мере снижения к первому этажу давление перед арматурой возрастает, что приводит к снижению её регулирующей способности и увеличению нерационального расхода воды, который составляет от 40 до 60 % от общего количества воды, потребляемой на гигиенические процедуры[37,84,111,115,108].
Превышение необходимого, а также оптимального давления влечёт за собой появление нерациональных расходов во время пользования водоразборной арматурой. В результате возрастают удельные среднесуточные расходы воды, изменение которых, представлено графически на рис.2.1 определяется зависимостью вида:
Увеличение водопотребления населением обусловлено не только увеличением комфортности жилища, но и значительными потерями воды. Расходование холодной и горячей воды в жилых зданиях включает полезный расход, который можно считать действительной потребностью в воде, и её потери. Одним из видов потерь воды является непроизводительный расход во время водоразбора при повышенном давлении из-за снижения регулирующих свойств водоразборной арматуры. Но в основном нерациональный расход происходит через смывные бачки[84,29,42].
Результаты проведённых исследований Л.А.Шопенского [112] зависимости (2.1-2.3) и данные таблицы 2.1 позволяют определить удельные среднесуточные расходы воды жителями при полном отсутствии утечек в смывных бачках и при наличии незначительных утечек через донные клапаны этих приборов. В то же время изучение фактического водопотребления указывает на существенный рост удельных расходов воды за счёт утечек через смывные бачки по мере повышения напоров.
Из таблицы видно, что с увеличением этажности зданий и напора воды в системе величины удельных среднесуточных расходов значительно увеличиваются за счёт увеличения нерациональных утечек из водоразборной арматуры.
Литературный источник показывает [84,86,111,113], что применение водоразборной арматуры с водосберегающими гидравлическими характеристиками (регулятором расхода воды совмещённый с аэратором, аэратор без регулятора расхода, с шаровым струевыпрямителем ) является одним из видов снижения непроизводительных расходов воды.(рис.2.2).
При большом давлении регулятор расхода воды обеспечивает большое снижение расхода воды, что имеет особенное значение для нижних этажей многоэтажных зданий. В связи с регулирующей характеристикой водозаборных арматур специалистами предложены оптимальные расходы санитарно-технических приборов с целью уменьшения непроизводительных расходов воды(табл.2.2)[14,91].
Выборка объёмов исследования и проведение натурных замеров
Для выявления закономерностей формирования водопотребления, оценки реального уровня его использования необходимо иметь статистически значимые объекты информации, которые можно получить только в процессе натурных измерений и экспериментальных исследований[53,60,88,113,117].
В соответствии с основными задачами изучения фактического водопотребления населением одной из целей экспериментального исследования являлось установление эмпирических зависимостей среднесуточных удельных расходов воды от влияюпщх факторов на отобранных объектах, вычисление их основных параметров, а также установление оценочной связи расходов воды по времени.
Для этого произведем выбор объектов, которыми являются жилые здания современного благоустройства. Прежде всего, необходимо принять решение, для каких степеней благоустройства должны быть установлены нормы водопотребления. Так как в городе Улан-Баторе процентное распределение потребления питьевой воды населением в жилых зданиях различных степеней санитарно-технического благоустройства составляет: 1 .Централизованное горячее водоснабжение - 40% 2.Водопровод и канализация без ванн - 5% З.С привозным водоснабжением - 55% выбраны жилые дома с централизованным горячим водоснабжением и канализацией, т.к остальные категории благоустройства не влияют прямо на систему централизованного водоснабжения. В выборку включены объекты, расположенные в различных районах города, которые могут отличаться этажностью, численностью населения, давлением воды на вводе, уровнем эксплуатации системы водоснабжения. При малых объёмах выборки п оценка в неизвестного параметра в является приближенным его значением, когда эта оценка состоятельна, несмещена и эффективна. Оценка в может сильно отличаться от истинного значения характеристики в. Но можно найти такое ди указать интервал вида (в -б; в +S), называемый доверительным интервалом, который с заранее заданной вероятностью у (близкой к 1) покрывал бы неизвестное нам значение характеристики . (3.1) [82].
В данном случае для характеристики значений удельного расхода воды населением задаёмся точностью оценки 5=10 л/сут. и вероятностью попадания характеристики в заданный интервал - 95%.
Для построения интервальной оценки в параметра в необходимо знать закон распределения оценки # как случайной величины [19,120,15,66]:
Распределение параметра в близко к закону нормального распределения [97], т.е его можно представить в виде Т-распределения, где доверительный интервал можно представить в виде (qys/vfi) -с точностью измерения 8. Учитывая симметрию относительно q, точность измерения определяется: S=(tys)/Vn, (3.2) s — исправленное среднеквадратичное отклонение. п - объём выборки. ty - параметр заданной надёжности, равный 1.96 при заданной надёжности у=95% Тогда минимальный объём выборки может быть определён из формулы (3.2): tm n -\ -s2 . (3.3) Необходимые расчёты сделаны с помощью таблицы (3.1), где предложены данные о среднегодовых фактических расходах воды по всем ЖЬСХ города Улан-Батора. Расчёты сделаны в программном приложении Excel, где: ty=l,96 s=27,39 5=9.8 тогда необходимое количество выборок равно: п%(1,96 27,39)/9,8)2=34, (3.4) Учитывая что генеральной совокупностью событий является не сами здания а количество сделанных замеров по расходу и напору воды замеры делались на 12 объектах( ЦТП) в течение 4 месяцев для полного охвата колебаний в течение года, (декабрь, март, июнь, август на рис.3.1). В месяце бралось 5-10 дней для представления особенностей этого месяца. Выборка составляет: п=12 4 (месяцев) =48, (3.5) Проведение натурных замеров в жилых зданиях.
Для проведения измерений выбраны жилые здания и их группы, наиболее полно представляющие картину водопотребления в жилищном фонде города Улан-Батора, т. е здания, встречающиеся в 50-60% от всего жилищного фонда. Измерения проводились на Центрально-тепловых пунктах (ЦТП), от которого питается водой несколько жилых зданий. Схема узла измерения представлена на рис.3.2. На каждом из выбранных для обследования узле (ЦТП) произведены измерения часовых, суточных расходов воды и давления на вводе после подкачки насосов.
Схема узла измерения. Для каждого из отобранных объектов в специальную учетную карточку производился сбор отчетных данных: зарегистрированное число жителей, количество квартир, этажность, данные абонентского отдела о фактических расходах воды за измеренное время. Здесь:- март, июнь, август, декабрь. Составлялся план проведения измерений расходов и давления воды на вводах отобранной группы объектов. Измерения расходов проводились в течение нескольких месяцев, и в этот же период в течение 4-10 суток, включая один выходной день, проводилась почасовая запись показаний водосчетчика и манометра (прил.1 табл. 1-37).
Определялась сезонная неравномерность водопотребления в жилищном фонде. По данным абонентского отдела о фактических расходах воды для каждого объекта из выборки могут быть получены коэффициенты месячной, неравномерности Кмес.Ь Кмес.2, KMec.i25 (сумма всех коэффициентов равна 12). Усредненные по выборке значения этих коэффициентов позволяют судить о средней величине отклонения водопотребления от среднегодовых значений и о наиболее подходящем периоде для проведения цикла измерений расходов, когда Кмес. = 0,97—1,03.
Статистическая оценка полученной модели удельного водопотребления
При проверке значимости (качества предсказания) множественного уравнения регрессии используют коэффициент множественной корреляции В2, который показывает тесноту связи между функцией отклика у, в нашем случае F(q№ z, Н, а0, а1г а2, а3) с несколькими факторами qmz,Hsi. стандартные ошибки. Коэффициент R служит для оценки качества предсказания; он всегда положителен и изменяется от 0 до 1. Чем больше JR2, тем лучше качество предсказаний данной моделью опытных данных.
Статистическая оценка показывает, что множественное регрессионное уравнение 4.12 оценивается высокой вероятностью описания процесса, но полученные коэффициенты - а неадекватна положению водопотребления населением ввиду следующих доводов: 1. значение при свободном а0, характеризует некоторую суточную 2. физиологически-технологическую потребность в воде человека. Полученное значение при линейной интерпретации, равно ао =-1,157 /что противоречит действительности. 3. Сравнительно высокие значения коэффициентов при других переменных говорит о том, что удельное суточное водопотребление предсказывалось бы только рассматриваемыми факторами. 4. Критерий Фишера, равный F=7,315 недостаточен для соответствующего вывода. Поэтому было предложено описать процесс среднесуточного удельного расходования воды степенной зависимостью, подбирая pq, pz, рн таким образом, чтобы статистическая оценка уравнения регрессии имела бы наибольшее значение.
Для созданной регрессионной модели удельного водопотребления и значимых коэффициентов можно получить доверительные интервалы. Известно, что полученные оценки коэффициентов модели являются несмещенными, состоятельными и эффективными только при выполнении ряда условий: - в каждом наблюдении ошибка et является нормально распределенной случайной величиной с математическим ожиданием равной нулю и постоянной дисперсией, матрица факторов состоит из линейно зависимых переменных.
Полученное уравнение принципиально отличается от ранее полученных для других местных и природных условий показателями степеней при основных влияющих факторах. Если ранее проводимые исследования для некоторых Российских городов предполагали эти значения степеней равными единице, то в уравнении (4.32) «чистое удельное водопотребление» без влияния каких-либо факторов равно 120 (л/сут-чел), а влияние основных факторов выражается через разные степенные зависимости. Тенденция уменьшения удельного водопотребления в пересчёте на одного человека с увеличением заселенности квартир, характерная для ранее проведенных исследований в России, сохраняется и в этом уравнении при условии, что пересчёт полученной нормы водопотребления производится на одного фактически проживающего в благоустроенной квартире. Как было ранее отмечено, для условий Монголии характерно длительное проживание людей у своих родственников в благоустроенных квартирах без официальной регистрации, а также сезонной миграцией населения (летние каникулы у студентов, проживание на даче).
