Проектирование системы водоснабжения для сельского населенного пункта: Полное руководство по курсовой работе

Что представляет собой курсовой проект по водоснабжению

Курсовая работа по водоснабжению — это не просто теоретическое упражнение, а полноценная имитация реального инженерного проекта. Ваша задача — разработать и обосновать систему, способную надежно обеспечить водой сельский населенный пункт, пройдя все стадии от анализа исходных данных до подбора конкретного оборудования. Это комплексный труд, который проверяет вашу способность применять теоретические знания на практике и работать с нормативной документацией.

Конечный результат вашей работы, как правило, состоит из двух ключевых частей:

• Пояснительная записка: Детальный документ, содержащий все расчеты, обоснования принятых решений, спецификации оборудования и выводы.
• Графическая часть: Комплект чертежей, включающий генеральный план водопроводной сети, схемы насосной станции, продольные профили и другие визуальные материалы, необходимые для понимания проекта.

В этой статье мы последовательно разберем все ключевые этапы, которые вам предстоит пройти: от сбора данных и гидравлических расчетов до подбора насосов и оформления итогового проекта. Особое внимание будет уделено практическому применению нормативных документов, ведь вся работа должна строго соответствовать актуальным требованиям. Краеугольным камнем для проектировщика в этой области является свод правил СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения». Именно на него мы будем опираться на всех этапах.

Помните, цель курсового проекта — не просто получить оценку, а сформировать системное мышление инженера, способного решать практические задачи.

Этап 1. Формируем базу для проектирования через сбор исходных данных

Любой качественный проект начинается с тщательного сбора и анализа исходной информации. Ошибки на этом этапе могут привести к неверным расчетам и полностью обесценить всю последующую работу. В рамках курсового проекта все необходимые данные обычно предоставляются в задании или учебном пособии. Ваша задача — систематизировать их и понять, как они влияют на ваши будущие решения.

Ключевой набор данных включает:

1. Генеральный план населенного пункта: Это ваша основная карта. На ней указаны улицы, рельеф местности (в виде горизонталей), существующая и перспективная застройка, а также расположение источника воды.
2. Сведения о населении: Текущая и расчетная численность жителей. Эти цифры станут основой для расчета хозяйственно-питьевого водопотребления.
3. Данные о типе застройки: Этажность зданий, степень благоустройства (наличие централизованной канализации, ванн, горячего водоснабжения). От этого напрямую зависят нормы водопотребления на одного жителя.
4. Климатические и геологические условия: Глубина промерзания грунта определяет минимальную глубину заложения труб. Данные о грунтах важны для выбора способа прокладки и необходимости защиты труб от коррозии.
5. Информация об источнике водоснабжения: Это может быть поверхностный источник (река, озеро) или подземный (артезианская скважина). Ключевыми параметрами являются его дебит (производительность) и, что крайне важно, качество исходной воды.

Анализ качества воды — это отправная точка для проектирования системы водоподготовки. Вам нужно сравнить показатели из задания (содержание железа, мутность, жесткость, бактериологические показатели) с требованиями СанПиН. Если исходная вода не соответствует нормам, необходимо предусмотреть соответствующий комплекс очистных сооружений. Например, высокое содержание железа потребует станции обезжелезивания, а мутность — системы фильтрации.

Этап 2. Вычисляем потребность в воде для населенного пункта

Когда все исходные данные собраны, мы приступаем к сердцу проекта — определению, сколько именно воды требуется нашему населенному пункту. Этот расчет является основой для гидравлики и подбора всего оборудования. Расчет ведется по нескольким ключевым направлениям, которые затем суммируются.

1. Расходы на хозяйственно-питьевые нужды.

Это основной объем воды, потребляемый жителями. Расчет ведется в три шага:

• Среднесуточный расход (Qсут.ср.): Определяется путем умножения числа жителей на удельную норму водопотребления (л/чел в сутки), которая берется из таблиц СП 31.13330.2012 в зависимости от степени благоустройства жилья.
• Расход в сутки максимального водопотребления (Qсут.max): Учитывает, что в отдельные дни (например, летом) люди потребляют больше воды. Он рассчитывается как: Qсут.max = Qсут.ср. * Ксут.max, где Ксут.max — коэффициент суточной неравномерности (обычно принимается 1.1–1.3).
• Расход в час максимального водопотребления (Qчас.max): Учитывает пиковые нагрузки в течение дня (утренние и вечерние часы). Рассчитывается по формуле: Qчас.max = (Qсут.max / 24) * Кчас.max, где Кчас.max — коэффициент часовой неравномерности.

2. Расходы на производственные нужды (если есть).

Если в населенном пункте есть промышленные или сельскохозяйственные предприятия (фермы, котельные), их расход воды рассчитывается отдельно согласно технологическим нормам и прибавляется к общему.

3. Противопожарный расход.

Это критически важный расчет, который часто определяет диаметры труб в сети. Противопожарный расход не работает постоянно, но система должна быть способна в любой момент подать необходимое количество воды для тушения пожара.

Этот расход не суммируется с максимальным часовым, а рассматривается как отдельный, наиболее нагруженный режим работы сети. Сеть рассчитывается на два случая: максимальное хозяйственно-питьевое водопотребление и хозяйственно-питьевое + противопожарное. Диаметры труб выбираются по наибольшему значению, которое требуется в одном из этих режимов.

Количество одновременных пожаров и расход воды на один пожар принимаются по таблицам СП в зависимости от численности населения и этажности застройки. Именно этот параметр зачастую становится «диктующим» при гидравлическом расчете и выборе насосного оборудования.

Этап 3. Прокладываем маршрут будущей водопроводной сети

Зная, сколько воды нам нужно, можно приступать к проектированию путей ее доставки — трассировке водопроводной сети. Этот процесс выполняется на генеральном плане и подчиняется ряду логических правил и инженерных принципов.

В первую очередь необходимо выбрать схему водопроводной сети. Существует два основных типа:

• Тупиковая схема: Представляет собой разветвленную систему линий без закольцовок. Она дешевле в прокладке, но менее надежна — любая авария на участке оставляет без воды всех потребителей «за» ней. Применяется в небольших поселках.
• Кольцевая схема: Все основные линии сети соединены в кольца. Это обеспечивает бесперебойное водоснабжение (в случае аварии участок можно отключить, а вода пойдет по другой ветке кольца) и улучшает качество воды за счет постоянной циркуляции. Эта схема является предпочтительной для большинства населенных пунктов.

При нанесении линий трубопроводов на генплан (трассировке) следует руководствоваться следующими правилами:

1. Трубы прокладываются преимущественно вдоль улиц и проездов, параллельно красным линиям застройки.
2. Необходимо учитывать рельеф местности, стремясь прокладывать трассы по участкам с близкими отметками земли, чтобы избежать излишних изгибов в вертикальной плоскости.
3. Сеть должна охватывать всех потребителей, включая противопожарные гидранты.
4. Следует минимизировать количество пересечений с другими подземными коммуникациями (канализация, газопровод, кабели).

После трассировки вся сеть разбивается на расчетные участки. Узлами (точками соединения участков) становятся места отбора воды, разветвления, установки гидрантов. Для дальнейшего гидравлического расчета выбирается диктующая точка — это наиболее удаленный или высоко расположенный от насосной станции потребитель, обеспечение которого требуемым напором гарантирует наличие напора у всех остальных.

Этап 4. Проводим гидравлический расчет спроектированной сети

Это самый трудоемкий и ответственный расчетный этап курсовой работы. Его главная цель — подобрать такие диаметры труб для каждого участка спроектированной сети, которые обеспечат доставку нужного расхода воды до каждого потребителя с требуемым напором и при экономически целесообразных скоростях.

Расчет кольцевой водопроводной сети — это итерационный процесс. Сначала задаются предварительные диаметры труб, а затем происходит увязка потерь напора в кольцах. Основой для расчета служат фундаментальные законы гидравлики, чаще всего используется формула Дарси-Вейсбаха, которая определяет потери напора на трение:

h = λ * (L/d) * (v²/2g)

Где:

• h — потери напора на участке, м;
• λ — коэффициент гидравлического трения (зависит от материала труб и режима течения воды);
• L — длина участка, м;
• d — диаметр трубопровода, м;
• v — скорость движения воды, м/с;
• g — ускорение свободного падения, м/с².

Пошаговый алгоритм расчета для одного участка выглядит следующим образом:

1. Определение путевого расхода: Рассчитывается расход воды, который отбирается потребителями вдоль данного участка.
2. Определение расчетного расхода: Суммарный расход, протекающий через участок (включая транзит к следующим участкам).
3. Предварительный выбор диаметра: Диаметр подбирается из стандартного ряда по таблицам, исходя из экономического диапазона скоростей. Скорость движения воды — важный параметр. Она не должна быть слишком низкой (менее 0.6 м/с), чтобы не выпадал осадок, и не слишком высокой (более 1.5-2.0 м/с), чтобы избежать износа труб и больших потерь напора.
4. Расчет потерь напора: По выбранному диаметру и расчетному расходу определяется реальная скорость и по формуле Дарси-Вейсбаха вычисляются потери напора на трение. Также учитываются местные потери (в фасонных частях, арматуре).

Эта процедура повторяется для каждого участка сети. Для кольцевых сетей дополнительно выполняется увязка — сумма потерь напора в каждом замкнутом кольце при движении по часовой и против часовой стрелки должна быть равна нулю (с допустимой погрешностью). Если условие не выполняется, диаметры на некоторых участках корректируются, и расчет повторяется.

Этап 5. Подбираем материалы и арматуру для трубопроводов

После того как гидравлический расчет определил требуемые диаметры, наступает этап выбора конкретных материалов и комплектующих для строительства сети. Сегодня на рынке представлен широкий выбор материалов для труб, и каждый имеет свои преимущества и недостатки.

Для сельского водоснабжения чаще всего применяются:

• Полиэтилен низкого давления (ПНД): Наиболее популярный выбор на сегодняшний день. ПНД-трубы не подвержены коррозии, имеют гладкую внутреннюю поверхность (что снижает гидравлические потери), легки в монтаже (сварка встык или электромуфтовая сварка) и имеют срок службы более 50 лет.
• Поливинилхлорид (ПВХ): Также устойчив к коррозии, имеет хорошие гидравлические характеристики. Соединение раструбное с уплотнительным кольцом, что упрощает монтаж. Однако ПВХ более хрупкий при низких температурах по сравнению с ПНД.
• Чугун (ВЧШГ — высокопрочный чугун с шаровидным графитом): Традиционный материал, отличающийся высокой прочностью и долговечностью. Он способен выдерживать большие внешние нагрузки, что важно при прокладке под дорогами. Однако чугун тяжелый, более сложный в монтаже и подвержен коррозии (хотя современные покрытия значительно замедляют этот процесс).

Выбор материала в курсовом проекте следует обосновать, опираясь на такие факторы, как давление в сети, тип грунтов и экономическая целесообразность. Для большинства проектов ПНД является оптимальным решением.

Помимо труб, водопроводная сеть включает в себя запорно-регулирующую арматуру:

• Задвижки: Устанавливаются в узловых точках для возможности отключения отдельных участков сети на время ремонта.
• Пожарные гидранты: Размещаются вдоль улиц на расстоянии не более 150-200 м друг от друга для обеспечения забора воды пожарными машинами.
• Вантузы: Устанавливаются в повышенных точках рельефа для автоматического выпуска скапливающегося воздуха из трубопровода.
• Выпуски: Монтируются в самых низких точках сети для ее опорожнения при ремонте.

Этап 6. Проектируем водозабор и систему очистки воды

После проектирования распределительной сети необходимо определить, откуда мы будем брать воду и как доводить ее качество до питьевых стандартов. Этот этап напрямую зависит от типа источника водоснабжения, который был определен на шаге сбора исходных данных.

Выбор и конструкция водозаборного сооружения:

• При подземном источнике: Основным сооружением является артезианская скважина. Ее конструкция включает обсадные трубы, фильтр, погружной насос и оголовок, защищающий от попадания поверхностных загрязнений. Вода из подземных источников часто имеет высокое качество по бактериологическим показателям, но может содержать избыток растворенных минералов, например, железа и солей жесткости.
• При поверхностном источнике (река, озеро): Проектируется русловой или береговой водозабор. Это более сложное сооружение, включающее водоприемные окна с решетками для защиты от мусора, самотечные линии и насосную станцию первого подъема, которая подает воду на очистные сооружения. Вода из поверхностных источников всегда требует серьезной очистки.

Разработка технологической схемы водоподготовки:

На основе анализа качества исходной воды (из Этапа 1) составляется цепочка процессов очистки. Для условий сельского населенного пункта она чаще всего включает следующие стадии:

1. Аэрация: Насыщение воды кислородом для окисления растворенного железа и марганца, переводя их в нерастворимую форму (взвесь).
2. Фильтрация: Пропускание воды через слой зернистого материала (например, кварцевого песка) для удаления взвешенных веществ, в том числе окисленного железа.
3. Обеззараживание: Финальная и обязательная стадия, направленная на уничтожение патогенных микроорганизмов. Чаще всего применяется хлорирование (жидким хлором или гипохлоритом натрия) или облучение ультрафиолетом (УФ). УФ-обеззараживание является более современным и безопасным методом, так как не образует вредных побочных продуктов.

Вся очищенная вода поступает в резервуар чистой воды (РЧВ), откуда насосами второго подъема подается уже непосредственно в водопроводную сеть поселка.

Этап 7. Выбираем насосное оборудование и рассчитываем его параметры

Насосная станция второго подъема — это сердце всей системы водоснабжения. Ее задача — подать очищенную воду из резервуаров в распределительную сеть с таким напором, чтобы даже у самого удаленного и высоко расположенного потребителя (в нашей диктующей точке) давление было достаточным для нормальной работы сантехнических приборов.

Подбор насосов ведется по двум ключевым параметрам: расходу (подаче) и напору.

1. Определение расчетного расхода (Q).

Расчетный расход для подбора насосов принимается равным максимальному суточному расходу (Qсут.max), который мы определили на Этапе 2. Если в сети предусмотрено пожаротушение, то дополнительно подбираются специальные пожарные насосы или проверяется возможность основных насосов работать в форсированном режиме.

2. Расчет требуемого напора (H).

Требуемый напор насосной станции — это суммарная величина, которая должна компенсировать все гидравлические сопротивления и обеспечить необходимое давление в сети. Он рассчитывается по формуле:

Hтр = Hгеом + hсети + Hсвоб

Где:

• Hгеом — геометрическая высота подъема. Это разница между геодезической отметкой земли в диктующей точке и уровнем воды в резервуаре, откуда забирается вода.
• hсети — суммарные потери напора в сети при движении воды от насосной станции до диктующей точки. Эту величину мы получили в результате гидравлического расчета на Этапе 4.
• Hсвоб — свободный напор у потребителя. Это минимальное давление, которое необходимо обеспечить у диктующей точки для нормальной работы водоразборной арматуры. Согласно СП, для одноэтажной застройки оно принимается не менее 10 м водяного столба (или 1 атм).

Произведя итоговый расчет требуемого напора и расхода, мы получаем рабочую точку насоса (Q, H).

С этой рабочей точкой мы обращаемся к каталогам производителей насосного оборудования (например, Grundfos, Wilo, KSB). Наша задача — найти модель насоса, у которой рабочая точка (Q, H) находится на ее гидравлической характеристике (кривой Q-H) в зоне максимального коэффициента полезного действия (КПД). Высокий КПД означает, что насос будет потреблять меньше электроэнергии, делая систему более экономичной в эксплуатации. Обычно подбирают несколько рабочих насосов и один резервный.

Этап 8. Обосновываем необходимость водонапорной башни

Водопотребление в населенном пункте крайне неравномерно: ночью оно минимально, а утром и вечером достигает пиковых значений. Насосы же работают в постоянном режиме. Чтобы согласовать эту разницу между подачей и потреблением, а также для создания стабильного давления и хранения аварийных запасов воды, в системах водоснабжения сельских населенных пунктов часто используют регулирующие емкости, самой известной из которых яв��яется водонапорная башня.

Водонапорная башня выполняет несколько ключевых функций:

• Регулирующая функция: В часы малого водопотребления избыток воды, подаваемой насосами, накапливается в баке башни. В часы пикового потребления, когда расход в сети превышает производительность насосов, накопленная вода поступает в сеть, покрывая дефицит.
• Создание стабильного давления: Высота расположения бака создает гидростатическое давление в сети, поддерживая его на постоянном уровне независимо от режима работы насосов.
• Хранение запасов воды: В баке хранится неприкосновенный противопожарный объем, а также аварийный объем на случай кратковременного отключения электроэнергии на насосной станции.

Основные параметры башни, которые необходимо рассчитать в курсовом проекте:

1. Регулирующий объем (Vрег): Рассчитывается на основе совмещенного графика водопотребления и водоподачи. Это объем, который позволяет сгладить суточную неравномерность.
2. Общий объем бака (Vбак): Суммируется из регулирующего, противопожарного и аварийного объемов. По полученному значению выбирается типовая конструкция башни (например, башня Рожновского).
3. Высота башни (Hбаш): Определяется из условия, что уровень воды в баке должен быть достаточным для обеспечения требуемого свободного напора (Hсвоб) в диктующей точке сети с учетом всех потерь.

Таким образом, водонапорная башня является важным элементом, повышающим надежность и экономичность работы всей системы водоснабжения.

Этап 9. Компонуем и оформляем финальный проект

Финальный этап — это систематизация всех выполненных расчетов и чертежей в единый, логичный и грамотно оформленный проект. Качество оформления не менее важно, чем правильность расчетов, так как оно демонстрирует вашу инженерную культуру и способность ясно излагать свои решения.

Структура пояснительной записки.

Пояснительная записка — это основной текстовый документ, который должен иметь четкую структуру. Типовой состав записки включает:

• Введение: Описание цели и задач проекта, характеристика объекта проектирования.
• Расчет водопотребления: Все расчеты среднесуточных, максимальных и противопожарных расходов с ссылками на нормативные документы.
• Гидравлический расчет сети: Описание схемы сети, результаты расчета (представленные в виде таблиц) и обоснование принятых диаметров.
• Проектирование сооружений: Главы, посвященные расчету и подбору водозаборных сооружений, станции водоподготовки, насосной станции и водонапорной башни.
• Заключение: Краткие выводы по проделанной работе, итоговые характеристики спроектированной системы.
• Список литературы: Перечень использованных нормативных документов (СП, ГОСТ), учебников и каталогов оборудования.
• Приложения: Спецификации оборудования, графики и другие вспомогательные материалы.

Состав графической части.

Графическая часть наглядно иллюстрирует принятые проектные решения. Чертежи должны быть выполнены в соответствии со стандартами ЕСКД (Единая система конструкторской документации). Основные чертежи:

• Генеральный план сети водоснабжения: На генплан населенного пункта наносятся спроектированные трубопроводы с указанием диаметров, длины участков, расположения колодцев, гидрантов, задвижек и других элементов.
• Схема насосной станции: План и разрезы насосной станции с расположением основного и вспомогательного оборудования.
• Продольный профиль по диктующей магистрали: Графическое изображение пути воды от насосной станции до диктующей точки с указанием отметок земли, труб и пьезометрических линий, демонстрирующее, что напор обеспечивается по всей длине.

Тщательно оформленный проект, где каждый расчет подкреплен теорией, а каждый чертеж ясен и информативен, является лучшим доказательством вашей профессиональной компетенции.

Список использованной литературы

1. Фетисов В.Д., Завгородняя И.В. Проектирование и расчёт системы водоснабжения сельского населённого пункта. Учебное пособие. Краснодар: КГАУ, 2004.