ΤΥΠΙΚΑ Υ ΡΑΥΛΙΚΑ ΕΡΓΑ «Εσωτερικά ίκτυα Ύδρευσης» Εκτίµηση παροχών σχεδιασµού ιδάσκουσα: ιονυσία Παναγούλια, Λέκτορας ΕΜΠ
ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΙΚΤΥΟΥ Eξωτερικό υδραγωγείο: περιλαµβάνει όλα τα έργα ανάντη της δεξαµενής ρυθµίσεως του οικισµού Eσωτερικό υδραγωγείο (ή εσωτερικό δίκτυο - δίκτυο διανοµής): περιλαµβάνει όλα τα έργα κατάντη της δεξαµενής ρύθµισης του οικισµού Οι παροχές υπολογισµού εξωτερικού και εσωτερικού υδραγωγείου διαφέρουν
ΑΡΧΕΣ ΠΑΡΟΧΩΝ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ Αφορούν: (α) Την περίοδο σχεδιασµού (β) Το είδος και την ποσότητα των χρήσεων νερού των καταναλωτών (γ) Τη χρονική διακύµανση των καταναλώσεων (δ) Τις συνθήκες κανονικής και έκτακτης λειτουργίας των δικτύων
(α) Περίοδος σχεδιασµού Συµπίπτει µετηνοικονοµική ζωή των αντίστοιχων έργων. Για τους αγωγούς των δικτύων, τις δεξαµενές και τα λοιπά έργα Πολιτικού Μηχανικού (φρεάτια κλπ) σύµφωνα µε τους Ελληνικούς Κανονισµούς (Π 696/74) είναι 40 έτη Οηλεκτροµηχανολογικός εξοπλισµός έχει µικρότερη διάρκεια οικονοµικής ζωής (10-20 έτη), και εποµένως θα απαιτηθεί αντικατάσταση του πριν το τέλος της οικονοµικής ζωής του δικτύου. Στους υπολογισµούς των παροχών ενδιαφέρει όχι µόνον η µετά 40ετία κατανάλωση, αλλά και η κατανάλωση µετά 10ετία ή 20ετία. Ητιµήκάθε µεταβλητής Χ µετά Ν έτη, συµβολίζεται µε Χ N.Ητιµή Ν= 0 αντιστοιχεί στη σηµερινή τιµή. Έτσι, π.χ. οπληθυσµός περιοχής µετά 40ετία θα συµβολίζεται µε Ρ 40. Ο αντίστοιχος πληθυσµός µετά 10ετία, µε Ρ 10. Με Ρ 0 συµβολίζεται ο σηµερινός πληθυσµός. Εποµένως, η παροχή σχεδιασµού ή υπολογισµού ενός δικτύου ύδρευσης είναι η µετά 40ετία παροχή.
(β) Καθορισµός των χρήσεων νερού Αποτελεί το πρώτο βήµα στην εκτίµηση των παροχών Γενικά οι χρήσεις νερού σε αστικό δίκτυο περιλαµβάνουν: Οικιακή χρήση µονίµων κατοίκων Εποχιακή οικιακή χρήση (παραθεριστικός οικισµός) Τουριστική χρήση (ξενοδοχειακές µονάδες, ενοικιαζόµενα δωµάτια) Βιοµηχανική/βιοτεχνική χρήση Μη οικιακή αστική χρήση (π.χ. νοσοκοµεία, δηµόσιες εγκαταστάσεις, πότισµα πάρκων). Οι χρήστες αυτοί καλούνται και ειδικοί καταναλωτές. Μη οικιακή γεωργική χρήση (π.χ. για µικρής έκτασης καλλιέργειες) Απώλειες
Ολική Παροχή Υπολογισµού Qολ=Qµον+Qεποχ+Qτουρ+Qβιοµ+Qπυρκ+Qγεωρ+Qαπ
(γ) Χρονική διακύµανση της ζήτησης Η ζήτηση και οι ανάγκες σε πόσιµο νερό ποικίλουν ανάλογα µε την εποχή και την ώρα της ηµέρας. Οι νυκτερινές καταναλώσεις είναι πολύ µικρότερες από τις ηµερήσιες και οι χειµερινές υπολείπονται των θερινών. Οσχεδιασµός του δικτύου γίνεται για τις δυσµενέστερες συνθήκες, για λόγους ασφαλείας. Το εξωτερικό υδραγωγείο διαστασιολογείται µεβάσητη µέγιστη ηµερήσια παροχή (Qmax ηµ) που αντιστοιχεί στην µέση ηµερήσια παροχή της δυσµενέστερης µέρας Το εσωτερικό δίκτυο µε βάσητην µέγιστη ωριαία παροχή (Qmax ωρ) που αντιστοιχεί στη δυσµενέστερη αιχµή (ώρα) της δυσµενέστερης µέρας. Το δίκτυο είναι δυνατό να λειτουργεί µε κανονικέςήµε έκτακτες συνθήκες. Έκτακτη συνθήκη λειτουργίας του δικτύου αποτελεί π.χ. η πυρκαγιά. Το εσωτερικό δίκτυο παρέχει τις έκτακτες παροχές. Στην εκτίµηση των ολικών παροχών υπολογισµού του εσωτερικού δικτύου λαµβάνεται υπόψη και η παροχή πυρκαγιάς
ΠΛΗΘΥΣΜΙΑΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ Για κάθε χρήση χωριστά πρέπει να υπολογιστεί ο πληθυσµός σήµερα και κατά το πέρας της οικονοµικής ζωής του έργου Μόνιµοι κάτοικοι Ηεκτίµηση του πληθυσµού σχεδιασµού για τον µόνιµο πληθυσµό γίνεται: (α) µε βάση την προβλεπόµενη πολεοδοµική ανάπτυξη της περιοχής, και (β) µε βάση απογραφικά στοιχεία που συλλέγονται από την Ε.Σ.Υ.Ε. ανά 10ετία. Ηεκτίµηση του µελλοντικού πληθυσµού µετά n έτη µε βάσηδύο τουλάχιστον προηγούµενες απογραφές, γίνεται µε βάση έναν από τους τρόπους: Υπόθεση γραµµικής αύξησης του πληθυσµού Υπόθεση γεωµετρικής αύξησης του πληθυσµού Υπόθεση φθίνουσας αύξησης Υπόθεση λογιστικής καµπύλης S
Υπόθεση γραµµικής αύξησης του πληθυσµού Αν P 1 οπληθυσµός κατά το έτος t 1 και P 2 ο πληθυσµός κατά το έτος t 2, τότε o ετήσιος ρυθµός αύξησης k των κατοίκων δίνεται από τη σχέση: P t οπότε ο πληθυσµός µετά n έτη είναι: όπου P 0 οσηµερινός πληθυσµός. 2 2 P1 t 1 = k (κάτοικοι/έτος) (1) P n = P 0 + k n (2)
Υπόθεση γεωµετρικής αύξησης Ηγενικήσχέσηστηνπερίπτωσηαυτήείναι: P n = P 0 (1 + a) n (3) όπου Ρ n ο πληθυσµός µετά η έτη, Ρ 0 οσηµερινός πληθυσµός και a ο ετήσιος ρυθµός αύξησης. Η εκτίµηση του a γίνεται και πάλι µε βάση δύο διαδοχικές απογραφές P 1 και P 2 που έχουν (t 2 t 1 ) έτη ως εξής: P 2 = P 1 ( ) ( t t ) 1 1+ α ln( 1+ α ) ( ln P ln P ) ( ln P ln P ) 2 2 1 2 1 = α = exp 1 ( t2 t1) t2 t1 (4) Ισχύει για µικρούς οικισµούς (έως 5000 κατοίκους) 1. Λαµβάνεται ετήσιος ρυθµός αύξησης a τουλάχιστον 1%. 2. Αν διατίθενται περισσότερες από δύο διαδοχικές απογραφές πρέπει να συνεκτιµώνται και τα προγενέστερα στοιχεία.
Υπόθεση φθίνουσας αύξησης. Στην πραγµατικότητα ο πληθυσµός κάθε περιοχής έχει άνω όριο κορεσµού P s και ο ρυθµός αύξησης των κατοίκων µειώνεταιόσοοπληθυσµός πλησιάζει το όριο αυτό.
Υπόθεση φθίνουσας αύξησης Ο πληθυσµός ενός οικισµού περνάει από τρεις διαδοχικές φάσεις αύξησης. Στην αρχή η αύξηση είναι γεωµετρική, στη συνέχεια γραµµική και τέλος, όσο ο πληθυσµός πλησιάζει τον πληθυσµό κορεσµού, η αύξηση είναι φθίνουσα P n =P 0 + (P s P 0 )(1 e bn ) (5) όπου Ρ n ό πληθυσµός µετά n έτη, Ρ 0 οσηµερινός πληθυσµός, P s ο πληθυσµός κορεσµού και b παράµετρος σχήµατος, που εκτιµάται από δύο διαδοχικές απογραφές Ρ 1 κατά το έτος t 1 και P 2 κατά το έτος t 2, ως εξής: b = ( t 2 1 t 1 P ln ) P s Η υπόθεση αυτή δίνει σαφώς καλύτερη προσέγγιση της πραγµατικότητας για παλαιούς και µεγάλους οικισµούς. Προσεγγιστικός τρόπος εκτίµησης των παραµέτρων είναι µέσω περισσοτέρων των δύο απογράφων. Εφόσον διατίθενται τρεις διαδοχικές απογραφές και επιδιώκεται η εκτίµηση δύο παραµέτρων Ρ s και bµέσω αυτών, χρησιµοποιούνται ανά δύο για αναγραφή των εξισώσεων, οπότε από το σχετικό σύστηµα δύοεξισώσεων µε δύο αγνώστους, είναι δυνατός ο υπολογισµός των Ρ s και b. c P2 P 1 (6)
Υπόθεση λογιστικής καµπύλης S Σύµφωνα µε την υπόθεση αυτή, η εξέλιξη του πληθυσµού µιας περιοχής παρουσιάζει µορφή καµπύλης S, δηλαδή χαρακτηρίζεται από γεωµετρική αύξηση στην αρχή, ακολουθούµενη από γραµµικήαύξησηκαιστησυνέχειασταδιακά από φθίνουσα αύξηση, όσο ο πληθυσµός πλησιάζει τον πληθυσµό κορεσµού. Πρόκειται για την τριπαραµετρική έκφραση: P n Ps = 1+ ce bn (7) όπου Ρ n ο πληθυσµός της περιοχής µετά n έτη, P s ο πληθυσµός κορεσµού, c και b παράµετροι. Για την εκτίµηση των παραµέτρων, µε µέθοδο ανάλογη µε την υπόθεση της φθίνουσας αύξησης, απαιτούνται τουλάχιστον 3 διαδοχικές απογραφές. Στην περίπτωση που υπάρχουν περισσότερες ιστορικές απογραφές και στοιχεία, η εκτίµηση των παραµέτρων γίνεται µε τη µέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων.
Έλλειψη απογραφών και ιστορικών στοιχείων Παρουσιάζεται σε επεκτάσεις του δικτύου προς νέες περιοχές, που εντάσσονται ή πρόκειται να ενταχθούν στο σχέδιο πόλεως, σε δίκτυα ύδρευσης οικοδοµικών συνεταιρισµών (παραθεριστικών και µη), και γενικά σε περιοχές χωρίς "ιστορία". Στις περιπτώσεις αυτές, η εκτίµηση του πληθυσµού κορεσµού γίνεται έµµεσα, µέσωτουσχεδίουπόλεωςήτουσχεδίουτουοικοδοµικού συνεταιρισµού, µε καταµέτρηση-κατά το δυνατόν- του αριθµού των οικοπέδων. Επακολουθεί εκτίµηση του πλήθους των οικογενειών (νοικοκυριών) ανά οικόπεδο, βάσει των όρων δόµησης και του εισοδηµατικού επιπέδου του πληθυσµού της περιοχής. Με θεώρηση 4µελούς (εκτός ειδικών περιπτώσεων) µέσης οικογένειας, εξάγεται ο τελικός πληθυσµός κορεσµού της περιοχής. Στατιστικά, δεν αναµένεται ότι µία νέα περιοχή κατοικίας, πρόκειται ποτέ να δοµηθεί και να κατοικηθεί σε ποσοστό 100%. Έτσι ο πληθυσµός κορεσµού της περιοχής πολλαπλασιάζεται µε αντίστοιχο µειωτικό συντελεστή, ώστε να προκύψει ρεαλιστική εκτίµηση του τελικού πληθυσµού σχεδιασµού της περιοχής.
ΜΕΣΗ ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΠΑΡΟΧΗ Η µέση ηµερήσια παροχή Qµέση προκύπτει µε βάση την ειδική µέση ηµερήσια κατανάλωση νερού q σε L/κάτοικοι/24ωρο. Qµέση = P n q (8) Ητιµήτης ειδικής κατανάλωσης εξαρτάται από το βιοτικό επίπεδο αλλά και το κόστος του νερού, ενώ ποικίλλει ανάλογα µε τηχρήση. Τυπικές τιµές για τις ελληνικές συνθήκες είναι: Μόνιµοι κάτοικοι q = 130-150 L/άτοµο/ηµέρα Παραθεριστές q = 150-200 L/άτοµο/ηµέρα Τουρίστες q = 250-350 L/κλίνη/ηµέρα
ΕΤΗΣΙΟΣ ΟΓΚΟΣ Υ ΑΤΟΣ Βασίζεται στη µέση ηµερήσια κατανάλωση ανά χρήση και πρέπει να υπολογιστεί τόσο για τις σηµερινές καταναλώσεις, όσο και για τις καταναλώσεις κατά το πέρας της οικονοµικής ζωής του έργου. Για κάθε χρήση νερού (χωριστά) ισχύει: Vετήσιο = Qµέση Ν d (σε m 3 ) (9) όπου N d χρονική διάρκεια που εκδηλώνεται η συγκεκριµένη χρήση. Για την τουριστική κατανάλωση, όπου υπάρχει περίοδος µε πληρότητα 100% και περίοδος µε µερική πληρότητα, σκόπιµο είναι να διαχωρίζονται τα διαστήµατα πλήρους και µερικής πληρότητας και ο αντίστοιχος όγκος να υπολογίζεται χωριστά, µε ανάλογη τροποποίηση της Qµέση. Ο ετήσιος όγκος νερού που προκύπτει µε βάσητιςεπιµέρους χρήσεις προσαυξάνεται κατά ένα ποσοστό απωλειών της τάξης του 10-20%, ώστε να ληφθούν υπόψη οι απώλειες νερού λόγω διαρροών στο εσωτερικό δίκτυο διανοµής.
ΜΕΓΙΣΤΗ ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΠΑΡΟΧΗ Η µέγιστη ηµερήσια παροχή Q max ηµερ. αποτελεί τη µέσηπαροχήκατά την ηµέρα της µεγαλύτερης ζήτησης/κατανάλωσης νερού, δηλαδή την αιχµή της ζήτησης νερού σε ηµερήσια βάση. Αντικατοπτρίζει δηλαδή την εποχιακή διακύµανση της µέσης ηµερήσιας κατανάλωσης.
ΜΕΓΙΣΤΗ ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΠΑΡΟΧΗ Οι θερινές καταναλώσεις είναι µεγαλύτερες από τις χειµερινές για όλες τις χρήσεις, εκτός της βιοµηχανικής και ορισµένων ειδικών καταναλωτών, που παρουσιάζουν ιδιάζουσα συµπεριφορά (π.χ. ελαιοτριβεία). Η µέγιστη αυτή ηµερήσια κατανάλωση προκύπτει µε προσαύξησητης µέσης ηµερήσιας κατανάλωσης κάθε χρήσης, ως εξής: Qmax, ηµερήσια = λ1 Qµέση (λ1 > 1) (10) Ητιµήτου συντελεστή λ1 ποικίλλει ανάλογα µε τηχρήσητουνερού. Μόνιµοι κάτοικοι λ1 > 1.5 Τουρίστες, παραθεριστές λ1 < 1.5 Βιοµηχανία λ1 1 Η συνολική µέγιστη ηµερήσια παροχή χρησιµοποιείται αυτούσια για τη διαστασιολόγηση και τους υδραυλικούς υπολογισµούς των έργων εξωτερικού υδραγωγείου, ήτοι όλων των έργων ύδρευσης ανάντη της δεξαµενής του οικισµού (αγωγοί µεταφοράς, αντλιοστάσια, φρεάτια κλπ). Η άθροιση των µέγιστων ηµερησίων καταναλώσεων πρέπει να γίνει µετά τους επί µέρους πολλαπλασιασµούς των µέσων ηµερησίων παροχών, µε τους(εν γένει διαφορετικούς) συντελεστές αιχµής των χρήσεων.
ΜΕΓΙΣΤΗ ΩΡΙΑΙΑ ΠΑΡΟΧΗ Η µέγιστη ωριαία παροχή αποτελεί την µέγιστη τιµή της παροχής στην διάρκεια του 24ώρου της ηµέρας που παρουσιάζεται η µέγιστη ηµερήσια παροχή, δηλαδή την αιχµή της ζήτησης κατά την ηµέρα της µεγαλύτερης κατανάλωσης νερού. Την ηµέρα της µέγιστης ηµερήσιας ζήτησης, η µέση κατανάλωση αιχµής Q max ηµερ. είναι ο µέσος όρος των καταναλώσεων της ηµέρας, έτσι ώστε: Vmax, ηµερήσιο = Q max ηµερ.* 86400 s (11) Η Q max ωριαία εκτιµάται µε βάσητηµέγιστη ηµερήσια κατανάλωση: Qmax, ωριαία = λ2 Qmax, ηµερήσια (λ2 > 1) (12) Ητιµήτου συντελεστή λ2 ποικίλλει ανάλογα µε τηχρήσητουνερού. Μόνιµοι κάτοικοι λ2 > 1.5 (µικροί οικισµοί) 2.0 (αστικά κέντρα) Τουρίστες, παραθεριστές λ2 = 1.5 Βιοµηχανία λ2 = τ / 24 (τ: ώρες λειτουργίας ανά ηµέρα) Η µέγιστη "ωριαία" παροχή Qmax ωριαία χρησιµοποιείται για τη διαστασιολόγηση και τους υδραυλικούς υπολογισµούς των έργων εσωτερικού υδραγωγείου υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, ήτοι όλων των έργων ύδρευσης κατάντη της δεξαµενής του οικισµού (αγωγοί δικτύου διανοµής). Χρησιµοποιείται επίσης, µαζί µε τη µέγιστη ηµερήσια παροχή, για τη διαστασιολόγηση της δεξαµενής του οικισµού.
ΕΚΤΑΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΙΚΤΥΟΥ ΙΑΝΟΜΗΣ Αφορά τη µαθηµατική έκφραση έκτακτων περιστατικών, δηλαδή: (α) Να παρουσιαστεί θραύση σε αγωγό (β) Να παρουσιαστεί αυξηµένηζήτησηνερούλόγωπυρκαγιάς στον οικισµό Το ενδεχόµενο (α) αντιµετωπίζεται µε βάσητοµαθηµατικό µοντέλο προσοµοίωσης και τους σχετικούς υδραυλικούς υπολογισµούς. Το ενδεχόµενο (β) αποτελεί αντικείµενο που λαµβάνεται υπόψη στην εκτίµηση των παροχών σχεδιασµού. Πυρκαγιά σε οικισµό σηµαίνει, πρακτικά, ότι ένα ή περισσότερα πυροσβεστικά οχήµαταπρέπειναγεµίσουν από τους πυροσβεστικούς κρουνούς, ονοµαστικής παροχής 5-10 l/s. Η παροχή υπολογισµούτουεσωτερικούυδραγωγείουσεσυνθήκες έκτακτης λειτουργίας προκύπτει: Q υπολ. έκτακτ = α Q max ωριαία, ολική + Q πυρκαγιάς 0< α 1 Ο συντελεστής α αποτελεί παραδοχή του µηχανικού και εξαρτάται κυρίως από το µέγεθος και το είδος του οικισµού και του δικτύου.