Næringsmiddelproduksjon. Sweden. Finland. Ireland. Austria. Switzerland. ex. USSR (European) Italy. France. Denmark. Great Britain.

Transkript

1 Oversikt Innføring i VA-teknikk 1. Innføring i VA-teknikk 2. Avløpsteknikk 3. Vannforsyningsteknikk VAR-systemet Urbanisering Ferskvannsressurser per person i Europa Vann og avløp i Norges vannbalanse Lokal vannbalanse Målsetning og planleggingsprinsipper i vannforsyning Målsetning og planleggingsprinsipper i avløpsteknikk Paradigmeskifte innen avløpsteknikken VAR-systemet V A R Nedbør Urbanisering I Drikkevannsbehandling Kilde Overløp Grunnvann Fordrøyning Renseanlegg Resipient Slambehandling Søppelbil Forbrenning Kompostering Spredning Næringsmiddelproduksjon Etter: Munz, W. Abwassertechnik, Zürich, 1975 Urbanisering II Urbanisering Ferskvannsressursser per person i Europa Fenomen Forbruk av ressurser Sanitærinstallasjoner Avløpsproduksjon Avløpstekniske konsekvenser Konsekvenser på ressurser Befolkningsvekst Økt vannforbruk Økt spillvannsmengde Renseanlegg overbelastes Mindre vannressurser Økt maks. avløp Redusert vannkvalitet Økning av bebyggelse Økning av tett areal Økt overflateavrenning Flere / større oversvømmelser Økt hastighet av overflateavløp Mindre naturlig areal Sweden Finland Ireland Austria Switzerland ex. USSR (European) Italy France Denmark Great Britain Czech Republic Germany Belgium Netherlands 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30, m 3 /capita x year

2 Ferskvannsressursser pr capita i Europa inkl. Norge Vann og avløp i Norges vannbalanse Norway Sweden Finland Ireland Austria Switzerland ex. USSR (European) Italy France Denmark Great Britain Czech Republic Germany Belgium Netherlands 0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140, m 3 /capita x year Antakelser: - befolkningstetthet 50 personer / ha - spesifikt vannforbruk 340 l / person.døgn - 20 % tett overflate - 0,15 l / s ha fremmedvann Lokal vannbalanse FREMMEDVANN m 3 AVLØP m 3 UNDERSKUDD m 3 FORDAMPING m 3 FORBRUK m 3 NEDBØR m 3 INFILTRASJON m 3 OVERFLATE- AVRENNING m 3 Målsetning og planleggingsprinsipper i vannforsyning Alle bør sikres tilstrekkelig med vann som er godt og helsemessig betryggende gjennom en vannforsyning, som er sikker og økonomisk, nå og i fremtiden. Råvann: "Ta alltid det beste vann som fins!" (selv om det er langt borte og ganske dypt) Behandling: "Beskyttelse av kilden er bedre enn behandling av råvann! (selv om det er politisk vanskelig) Ledninger, magasiner, pumper: To små er bedre enn store (selv om det er dyrere) Målsetning og planleggingsprinsipper i avløpsteknikk 1. Sikre hygienisk betryggende forhold 2. Minst mulig oversvømmelser i urbane områder pga for liten transportkapasitet i avløpsnett 3. Minst mulig skadelige utslipp til resipienter Løsning til disse problemene krever motstridende tiltak. Derfor kan et problem bare løses på bekostning av de andre!? Man er nødt å finne kompromissløsninger! Siden absolutt beskyttelse er umulig bør kostnader stå i rimelig forhold til risiko (politisk oppgave) 2. bør risiko være lik for alle (ingeniøroppgave). Paradigmeskifte innen avløpsteknikken Tradisjonell målsetning (fra ca. 1850): Fjerne alt avløp fra bebodde områder så fullstendig og så hurtig som mulig, likegyldig om dette er forurenset eller ikke! (? løse hygiene- og oversvømmelsesproblemer) Tradisjonelle tiltak: større ledninger og magasiner, økt rensekapasitet. (ofte dyrt, problemene eksporteres nedstrøms) Dagens målsetning (fra ca. 1990): Reduser avløpsmengder, rens forurenset avløp, gjenbruk ikke-forurenset avløp, hvis det ikke går: infiltrer i marken, eller lede avløpet bort så langsomt som mulig! (? avløpssystemet skal fungere så "naturlig som mulig) Moderne tiltak: overvanns-infiltrasjon, kildeseparering, magasinering, gjenbruk

3 Avløpsteknikk Typer avløpssystem avkløpssystem Typer avløpssystem Fellessystem Separatsystem Oversvømmelse og overløp Avløpsmengder (fellessystem) Dimensjonerende vannføring Spillvanns- og infiltrasjonsvannmengder (dimensjonering) IVF-kurve Bærum Vestli Maksimal avrenning Konsentrasjonstid Overvannsmengder (dimensjonering) Vannføring i ledninger (etter Manning) Dimensjonering av avløpsnett I Hovedprinsipp: Spylekanalisasjon = Bruk av (rent) vann for bortledning av uønskete forurensninger Typer avløpssystem: 1. Fellessystem: Alt avløp oppsamles i en ledning. 2. Separatsystem: Spillvann oppsamles i en ledning mens overvann (nedbørsavrenning) oppsamles I en separat ledning Fellessystem Separatsystem Etter: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992 Etter: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992 Oversvømmelse og overløp Avløpsmengder (fellessystem) overløp oversvømmelse til renseanlegg Avløpsmengde [ l/s.ha ] avlastning fordrøyning Varighet per år [ timer ] kapasitet av gatesluk videreført avløp kapasitet av renseanlegg behandles i renseanlegg tørrværsavløp

4 Spillvannsledninger (indeks s): - Q dim,s Q spill,maks + Q inf Dimensjonerende vannføring - Q selvrens,s Q min,s + Q inf (vannføring med strømningshastighet > 0,6 m/s) Dimensjonerende vannføring II Overvannsledninger (indeks o): - Q dim,o Q o,z,t + Q inf ( Q maks,o!) Fellesledninger (indeks f): - Q dim,f Q spill,maks + Q inf + Q o,z,t Husk at fremtidige er evt større enn dagens vannmengder! - Q selvrens,f Q min,f + Q inf Litteratur : SFT, "Veiledning ved dimensjonering av avløpsledninger", TA-550, juni Spillvanns- og infiltrasjonsvannmengder (dimensjonering) Spillvann, kloakkvann (fra forbruker til ledning): Q s = Q sb + Q si + Q so + Q sa Q sb Q si Q so Q sa Q inf Q inf Q inf spillvann fra boliger vannforbruk) industrielt avløpsvann spillvann fra offentlige bygninger annet spillvann Q s» 0.01 l/s.pers Infiltrasjonsvann (fra mark til ledning): = l/s.ha, eller = l/s.km, eller = Q s Rainfall Intensity [mm/h] IVF-kurve Bærum Vestli IDF Curves ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Duration [h] Rainfall [mm] 50 years 30 years 20 years 15 years 10 years 5 years 3 years 2 years Maksimal avrenning Konsentrasjonstid - Et langt regn har lav intensitet, men avrenning ved utløpet kommer fra hele avrenningsområde. t k konsentrasjonstid = lengst mulig avrenningstid i oppstrøms liggende avrenningsfelt: - Et kort regn har høy intensitet, men avrenning ved utløpet kommer bare fra en del av avrenningsområdet. Konklusjon: Vassføringen er maksimal hvis regnvarighet er lik konsentrasjonstid: t s l i v i t k = t s + S l i / v i tilrenningstid på overflate fra nedslagspunkt av regndråpen til avløpsledning, ca. 5 min ledningslengde strømningshastighet, ca. 2 m/s t r = t k Q o = Q o, maks

5 Overvannsmengder (dimensjonering) Vannføring i ledninger (etter Manning) Overvann (fra overflate til ledning): Q o,maks i t,z A imp = A imp i t,z = regnintensitet for varighet t r = konsentrasjonstid t k og gjentaksintervall z (tas fra IVF-kurver) = impermeabelt (tett) areal Hvor: v = Q / A v = Q / A = M R 2/3 I 1/2 middels strømningshastighet i gjennomstrømt tverrsnitt (m/s) A gjennomstrømt tverrsnitt (m 2 ) M Mannings ruhetstall (m 1/3 /s ) (M = 85 for betong) R = A / P hydraulisk radius (m), hvor P er våt periferi (m) I helning av energilinja bunnhelning (= I ved normalstrømning) I b (1) Forskjellig litteraturkilder, sitert i: Stein, D ; Niederehe, W. Instandhaltungvon Kanalisationen 2. Auflage Ernst & Sohn, Berlin, 1992, p.677 Dimensjonering av avløpsnett I Dimensjonering av avløpsnett II 1. Avgrens avløpsområdet 2. Velg ledningstrasé ogplasser knutepunkter (kummer) 3. Definer delfelt og tilløpspunkter til hver ledning 4. Innenfor hvert delfelt, j, bestem/velg/beregn: - Q spill, Q inf for både dagens og fremtidig situasjon - A, A tett - lengdemellom knutepunkter - koter i knutepunkter (foreløpig) - bunnhelning av ledningsstrekk - strømningstid i ledningsstrekk t j (anslå v = 2 m/s) - tilrenningstid t s 5. For hvert delfelt oppstrøms av knutepunkt j bestem / beregn: - konsentrasjonstid t kj = t k,j-1 + t l,j + t s - regnintensitet i regn,j = f (z, t kj ) 6. Beregn dimensjonerende vannføring for hver ledning j. Husk å bruke fremtidige verdier for Q dim og dagens verdier for Q selvrens 7. Velg rørdiameter for hver ledning j vha Manning 8. Kontroller min v, maks Q, og antatt t k Vannforsyningsteknikk Vannforbruk Forbruksvariasjoner Trykktap i vannforsyningssystem Driftskrav Hydrauliske grunnlag Friksjonstap etter Manning Ruhetsparametre Singulærtapskoeffisienter Fremgangsmåte ved nettdimensjonering I Fremgangsmåte ved nettdimensjonering II Totalforbruk Q T : Q T Vannforbruk = Q p + Q i + Q o + Q l + Q a + Q t + Q br Q p... privat forbruk ca. 200 l/p.d Q i... industriforbruk Q o... offentlig forbruk Q l... landbruksforbruk Q a... annet forbruk % (vanning, eget behov) Q t... lekkasjer og sløsing % (nye anlegg %) Q br... behov for brannslokking l/s (avhengig av brannrisiko) Tommelfingertall for dimensjonering: Q T = 600 l/pe.d

6 Forbruksvariasjoner Døgnfaktor: f i = Q di / Q d f maks = Q d,maks / Q d (1,3... 1,6) f min = Q d,min / Q d (0,6... 0,8) Timefaktor: k i = Q hi / Q h k maks = Q h,maks / Q h (1,5... 3) k min = Q h,min / Q h (0,3... 0,7) 1. Sett sammen spesifikke forbrukstall: q p, q i, q o 2. Beregn gjennomsnittlig døgnforbruk: Q d = Q p + Q i + Q o 3. Anslå prosentverdier for - annet forbruk (a = 0, ,1) - tap og sløsing (t = 0, ,2) 4. Beregn gjennomsnittlig døgnproduksjon: Q d = Q d / (1 - a - t) Trykktap i vannforsyningssystem 5. Anslå maks./min. døgn-/timefaktorer f / k - f maks, k maks = f (Q d ) - f maks, k maks = f (antall pe) 6. Beregn dimensjonerende vannmengder - Q d,maks = Q d f maks - Q h,maks = Q d f maks k maks 7. Dimensjoner utjevningsmagasin etter maksimal forbruksvariasjon 8. Dimensjoner ledninger etter maksimalt vannføring hhv. forbruk T kr = 20 mvs Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992 Driftskrav Hydrauliske grunnlag Driftskrav: - hold trykk mellom grenseverdier mvs. ved hvert sted - unngåtrykkvariasjoner > 15 mvs - frembringe etterspurte forbruksmengder - unngå lang oppholdstid Belastningsscenarier: - maks forbruk - nattforbruk - brannslukking - havarier Forenkelt kontinuitetsbetingelse gjelder for to tverrsnitt i en ledning Q inn = Q ut Q 1 = Q 2 v 1 A 1 = v 2 A 2 Energibetingelse (Bernoulli) gjelder mellom to tverrsnitt: h 1 = h 2 + h tap,1-2 = h 2 + h f + h s h f h s frisksjonstap singulærtap

7 Mannings strømningsformel: Friksjonstap etter Manning v = M R 2/3 I 1/2 hvor: v strømningshastighet M Mannings ruhetstall R hydraulisk radius I helning på energilinja For rør med sirkulært tverrsnitt er: v = 4 Q / ( p D 2 ) R = A / U = D / 4 I = h f / L Dermed blir Manning-formelen: h f = 10.3 L Q 2 / (M 2 D 16/3 ) Husk at singulærtap kommer i tillegg: h s = x v 2 / 2g = x Q 2 / (p 2 D 4 g) Typiske ruhetsparametre for beregning av friksjonstapet h f i rørledninger: rørmaterial Ruhetsparametre Mannings ruhet M [m 1/3 /s] metall (ny, glatt) 110 metall (drift) 100 fasersement 100 betong (glatt) 90 betong (støpt) 80 fjelltunnel 40 Singulærtapskoeffisienter Fremgangsmåte ved nettdimensjonering I Typiske tapskoeffisienter ξ for beregning avsingulærtap h s i rørledninger og -armaturer: taps- koeffisient x [-] ledningselement ventil 0,2 tilbakeslagsventil 0,6-2,5 bend 90 / 45 0,7 / 0,5 T-stykke 1,8 innsnevring (d/d = 1/2) 0,6 1. Velg topografisk beliggenhet (sted, nivå) til ledninger. 2. Velg alle nettparametre, dvs. D, k eller M, L, h geo 3. Sammenstill alle kjente, estimerte hhv. nødvendige vannføringer, dvs. Q inn, Q lekk, Q forbruk (belastningsscenario) 4. Formuler ytterlige belastningsscenarier (dagens, fremtidige) 5. Sammenstill alle kjente hhv. nødvendige trykkhøyder, dvs. h inn, h maks > h forbruk > h min Fremgangsmåte ved nettdimensjonering II 6. Sammenstill ukjente variabler (Q, h) som må beregnes 7. Beregn vannføring Q i alle ledninger (kontinuitet i orden?) 8. Beregn trykktap i alle ledninger og kontrollere betingelser for maks. / min. trykk h 9. Hvis nødvendig modifiser rørdimensjoner og begynn igjen.