Ressurseffektive VA-tjenester Dimensjoneringsanbefalinger som sikrer langsiktighet Gjennomgang Veiledning i dimensjonering og utforming av VA

Transkript

1 Ressurseffektive VA-tjenester Dimensjoneringsanbefalinger som sikrer langsiktighet Gjennomgang Veiledning i dimensjonering og utforming av VA transportsystemer, inkl klimatilpasning Fagtreff Gardermoen februar 2013 Bjørn Tønder Smith, Norconsult

2 Intro 2

3 Intro Mål: Oppdatere og sammenstille retningslinjer for dimensjonering av VA-anlegg (vannforsyning og avløp) Supplement til ny lærebok: Vann- og avløpsteknikk. De som har skrevet rapporten: Oddvar Lindholm, faglig koordinator Avløpsdelen Oddvar Lindholm og Svein Endresen Vanndelen Bjørn Tønder Smith Norsk Vann: Trond Andersen Bidrag fra Sveinn Thorolfsson (både vann og avløpsdelen) 3

4 Innhold - Gjelder NYE anlegg Mange selvfølgeligheter for mange - ingen revolusjon Drikkevannssystemer - funksjon og krav Systemutforming Vannforbruk Dimensjonering Avløp - generelle prinsipper Beregning av avløpsmengder Analyser og dimensjonering Åpne flomveier i urbane områder Diverse nomogrammer for dimensjonering inkludert 4

5 Drikkevannssystemer - funksjon og krav Overordnede mål: Det skal leveres vann i tilstrekkelig mengde til innbyggere og næringsliv Det skal leveres vann med en kvalitet som tilfredsstiller kravene i Drikkevannsforskriften Det skal leveres vann med tilfredsstillende regularitet og sikkerhet, med meget god sikkerhet for brannvann Funksjoner og krav som må tilfredsstilles for å oppfylle mål er angitt i veilederen - innvirkning på langsiktig dimensjonering av systemet 5

6 Drikkevannssystemer - systemutforming Litt om Generell oppbygging og bestanddeler Trasèvalg for overføringsledninger Generelt om overføringsledninger og distribusjonsnett Sårbarhet og beredskap Utstyr og stasjoner på overføringsledninger og distribusjonsnett (basseng, pumper, utstyr etc) Materialvalg for ledninger 6

7 Drikkevannssystem- Sårbarhet/beredskap Utfall av vannforsyningen kan resultere i svært store negative konsekvenser for samfunnet. Analyse av sårbarhet svært viktig når et vannforsyningssystem skal utformes Omhandlet i fire VA/Miljøblad: Nr 86 Fareidentifikasjon Nr 87 VannforsyningsROS Nr 88 Beredskapsanalyse & utvikling av beredskapsplan Nr 89 Drift av beredskap Bygger på Mattilsynets veiledning "Økt beredskap i vannforsyningen" (2006) 7

8 Drikkevannssystemer - Vannforbruk Husholdningsforbruk Norsk Vann anbefaler 150 l/pd ved nye anlegg der ikke andre data foreligger. I tillegg kommer vannverkets eget forbruk til spyling og rengjøring av ledningsnett og basseng, brannslukking, gatespyling - anslagsvis 5-10 l/pd Kan totalt benytte 160 l/pd (men kan variere mye fra sted til sted) 8

9 Drikkevannssystemer - vannforbruk Annet forbruk Forbruk i industri- og næringsliv, kontorer, institusjoner (sykehus, hoteller mm) - ekskl. lekkasjer og brannvann Det anbefales å benytte 70 l/pd som "annet forbruk" om det ikke kan beregnes på annen måte. De fleste kommuner har noen måledata som kan benyttes for vurdering av "annet forbruk" 9

10 Drikkevannssystemer - vannforbruk Annet forbruk - hydraulisk belastning fra institusjoner, servicevirksomhet etc (Norsk Vann 2009) Type virksomhet Barneskoler, ungdomsskoler og videregående skoler 1 40 l/elev døgn Hydraulisk belastning Arbeidsplasser Sykehus inkl. betjening Pleiehjem, sanatorium 2 Hoteller, høy standard 2 Hoteller, midlere standard, pensjonater 2 80 l/ansatt døgn 625 l/seng døgn 450 l/seng døgn 500 l/overnattingsdøgn 275 l/overnattingsdøgn Hytter, høy standard (dusj, WC, oppvaskmaskin) Hytter, innlagt vann, uten WC 150 l/gjestedøgn 75 l/gjestedøgn Restauranter, kafeer Svømmehaller Forsamlingslokaler 100 l/stol 100 l/besøkende 6 l/sitteplass 10

11 Drikkevannssystemer - vannforbruk Annet forbruk - diverse virksomhet (Norsk Vann 2012) Virksomhet Vannforbruk per produsert enhet Bakerier Bryggerier Kjøtt- grønnsak- og konservesbedrifter Plastikkfabrikasjon Farverier Fiskeprodukter inkl pakking Vaskerier Slakterier Meierier Brusfabrikker Små butikker og kontorer Sykehus Hoteller 2 m 3 /tonn produsert 7 m 3 / m 3 øl produsert m 3 /tonn produkt 9-23 m 3 /tonn produkt 83 m 3 /tonn tøy 8,5 m 3 /tonn produsert 20 m 3 /tonn vasket tøy 5 m 3 /tonn dyr slaktet 3 m 3 /tonn melk produsert 7 m 3 /tonn brus produsert liter/ansatt per dag liter/seng per døgn liter/hotellseng 11

12 Drikkevannssystemer - vannforbruk Vann til brannslukking: Regelverk er omtalt i følgende lover og forskrifter: Brann og Eksplosjonsvernloven Plan- og bygningsloven Drikkevannsforskriften VA/Miljøblad nr 82 omhandler vann til brannslukking 12

13 Drikkevannssystemer - vannforbruk I Brann- og eksplosjonsvernloven står følgende: Tettbygd strøk: Kommunen skal sørge for at den kommunale vannforsyning frem til tomtegrense skal være tilstrekkelig til å dekke brannvesenets behov for slokkevann Dimensjonerende vannmengde leveres med min 1 bar trykk ved brannuttaket Hvis ikke vannforsyningssystemet er dimensjonert for nødvendig vann til brannslukking og sprinkleranlegg, må brannforsyningen sikres på annen måte 13

14 Drikkevannssystemer - vannforbruk Brannvann: VA/Miljøblad nr 82 gir følgende anbefalinger: Der spredningsfaren er liten, er bruk av tankbil akseptabelt (småhusbebyggelse - min 8 m mellom husene) I tettbebyggelse med særskilte tiltak mot spredning av brann, er det anbefalt dim vannmengde 20 l/s Næringsområder og sentrumsområder: 50 l/s Lokale forhold kan tilsi større vannmengder 14

15 Drikkevannssystemer - vannforbruk Lekkasjer - anbefaling for nye nett Forbruksvariasjoner - døgn- og timefaktorer Beregningseksempler 15

16 Drikkevannssystemer - Bernoulli!? 16

17 Drikkevannssystemer - dimensjonering Rørstrømning: Generelle prinsipper, Energibalanse; Bernoulli!! 17

18 Drikkevannssystemer - dimensjonering Eksempler på trykklinjer Beregningseksempler inkludert 18

19 Drikkevannssystemer - dimensjonering Friksjonstap Friksjonstapet beregnes normalt etter Darcy-Weisbach s formel: h f = f L/D V 2 /2g, eller 8 f L Q 2 /π 2 D 5 g ved innsetting av V = Q/A hvor h f = falltap i m f = friksjonskoeffisient L = Lengden av ledningen (m) V = vannhastigheten i ledningen (m/s) g = gravitasjonskonstanten (ms -2 ) D = ledningens diameter (m) Q = vannmengden (m 3 /s) A = innvendig areal av ledningen = π D 2 /4 (m 2 ) 19

20 Drikkevannssystemer - dimensjonering Rørruheter Ledningsmateriale Teoretisk ruhet (mm) Praktiske ruheter (mm) Plastrør 0,002-0,007 0,1-0,4 Betongrør 0,006-0,3 0,3-1,0 Nye støpejernsrør med betongforing Nye støpejernsrør med termoplastforing 0,006-0,15 0,3-0,5 0,002-0,007 0,1-0,4 Eldre støpejernsrør 0,6-1,5 1,5-2,5 Gamle støpejernsrør; kan bli betydelig høyere. Også avløpsrør 20

21 Drikkevannssystemer - dimensjonering Singulærtapskoeffisenter (kun noen eksempler) Spec Sing. taps koeffisent Sluseventil, åpen 0,2 Bend, 90 0,7 Bend, 45 0,5 T-rør, vann strømmer 90 1,8 rør stikker inn i tank 0,8 rør meget godt avrundet innløp 0,05 21

22 Drikkevannssystemer - dimensjonering Raske overslagsberegninger; nyttig å bruke Hazen - Williams diagram basert på formelen: Q = 6,67 C D 2,63 I 0,54 hvor Q = vannmengden i l/s C = friksjonskoeffisienten (fremgår av diagram) D = indre rørdiameter I = trykklinjens helning 22

23 Hazen - Williams diagram Hazen - Williams diagram: 23

24 Dimensjonering av overføringsledninger Trykkforhold - alternative trykklinjer Velg dimensjoner som gir positivt trykk! 24

25 Basseng på overføringer - prinsipper 25

26 Basseng - beregning av utjevningsvolum Utjevning av timevariasjon over døgnet Eks: Konstant tilførsel ved pumping 26

27 Basseng - beregning av utjevningsvolum Utjevning - summasjonskurve for tilførsel og forbruk gir bassengvolum Husk sikkerhetsvolum! 27

28 Overføringsledninger - optimalisering 28

29 Distribusjonsnett Omtale av Trykkforhold Trykksoner Basseng Uttak for brannvann Ledningsnettberegninger 29

30 Drikkevann - pumpestasjoner Driftspunkt i Q - h diagram Effektbehov P = qpumpe htrykkhøyde/102 ŋ (kw) 30

31 Drikkevann - pumpestasjoner Parallellkopling gir økt kapasitet 31

32 Drikkevann - pumpestasjoner Seriekopling gir økt trykk 32

33 Drikkevann - pumpestasjoner Virkningsgrad ŋ 33

34 Drikkevann - Trykkstøt!! Se VA/Miljø-blad nr. 94 Avgjørende: Endring av vannhastigheten i røret Trykkbølgens forplantningshastighet (rørtype!) Lengden på ledningen Δ H = a (v1 - v2)/g (m/s) a = trykkbølgens forplantningshastighet 34

35 Trykkstøt!! Trykkbølgens forplantningshastighet a: hvor: E v = vannets elastitetsmodul (N/m 2 ) = 2, N/m 2 = 2, kp/m 2 E r = rørmaterialets elastisitetsmodul (N/m 2 ) γ = veskens spesifikke vekt (vann: 10 3 kp/m 3 = 10 4 N/m 3 ) D = innvendig rørdiameter (m) S = tykkelse på rørveggen (m) 35

36 Trykkstøt!! Trykkbølgens forplantningshastighet avhenger av rørmateriale 36

37 Trykkstøt!! Trykkstøt - trykkfall B Beregningseksempler 37

38 Trykkstøt!! Trykkendringer, eksempler, gunstig/ugunstig ledningstracè 38

39 Avløpssystemer - generelle prinsipper Nye områder: Separatsystem skal benyttes Anlegg dimensjoneres for levetid min 100 år Anleggene skal være bærekraftige og knyttes til kommunens "grønne regnskap" Rørmaterialer: Se VA/Miljøblad og ny lærebok Kummer: Se VA/Miljøblad 1/2 og Norsk Vann's mal for kommunale VA-normer 39

40 Beregning av avløpsmengder Husholdningsavløp; omregningsfaktorer (Norsk Vann 2009) Type virksomhet Hydraulisk belastning Barneskoler, ungdomsskoler og videregående skoler 1 40 l/elev døgn Arbeidsplasser 80 l/ansatt døgn Sykehus inkl. betjening 625 l/seng døgn Pleiehjem, sanatorium l/seng døgn Hoteller, høy standard 2 Hoteller, midlere standard, pensjonater l/overnattingsdøgn 275 l/overnattingsdøgn Hytter, høy standard (dusj, WC, oppvaskmaskin) Hytter, innlagt vann, uten WC 150 l/gjestedøgn 75 l/gjestedøgn Restauranter, kafeer 100 l/stol Svømmehaller 100 l/besøkende Forsamlingslokaler 6 l/sitteplass 40

41 Beregning av avløpsmengder Industrielt avløpsvann - noen industrier (Winter m.fl 2009) Industritype Enhet Vannforbruk, m 3 /enhet Meierier Slakterier Svineproduksjon (landbruk) Bryggerier Garverier Galvanotekniske bedrifter Tekstilbedrifter tonn råmelk tonn produkt tonn slaktesvin m 3 produkt tonn råvare m 2 overflate tonn råvare 0,5 2 0, ,01 0, Infiltrasjon og innlekkingsvann: Nye ledninger 0,2 l/s - 0,4 l/s pr km ledning 41

42 Avløpssystemer - dimensjonering Beregning av dimensjonerende spillvannsavløp: q maks dim = q d middel p f d maks k maks /( ) +q ind +q infiltrasjon p/( ) (l/s) q min dim = q d middel p f d min k min /( ) qd middel = middelavløp over året (l/pd) 42

43 Avløpssystemer - dimensjonering Mindre enn 1000 personer tilknyttet: 43

44 Overvannsmengder i urbane områder Grove overslag: Den rasjonelle formel Q = φ A I Q = avrent vannføring fra feltet (l/s) φ = Forhold mellom avrent nedbør på overflaten og nedbørmengde (avrenningskoeffisient) A = Området innenfor vannskillene for feltet (ha) I = nedbørintensiteten (l/s ha) 44

45 Overvannsmengder i urbane områder Viser beregning av: Konsentrasjonstiden for et avløpsfelt Strømningstiden i ledningene Tilrenningstider på overflaten (feks til sluk) Prosedyre for bruk av den rasjonelle metode 45

46 Overvannsmengder i urbane områder Nedbørdata og intensiteter Intensitets- varighets- og frekvenskurver (IVF) kan lastes ned fra Meteorologisk Institutt: eklima.no 46

47 Overvannsmengder i urbane områder Omtaler: Omdanning av IVF-kurver til regnhyetogram Arealreduksjonsfaktorer Avrenningskoeffisienter NB!! Behov for lokale korttidsnedbørmålere (store lokale variasjoner i nedbør, ofte over korte avstander) 47

48 Overvannsmengder i urbane områder Maks avrenningskoeffisienter for noen flatetyper: Type flater φ spiss Tak 0,8-0,9 Asfalterte veger og gater 0,7-0,8 Grusveger 0,4-0,6 Plen 0,05-0,1 48

49 Overvannsmengder i urbane områder Avrenningskoeffisienter: Områdetype Flate områder Kuperte områder Tett bebyggelse, ingen vegetasjon 0,7 0,9 Tett bebyggelse, noe vegetasjon, ind. områder 0,5 0,7 Flerfamiliehus med åpne områder mellom hus 0,4 0,6 Rekkehus og kjedehus 0,4 0,4 Villaer med tomter < 1000 m2 Villaer med tomter 1000 m2 0,25 0,35 0,15 0,35 49

50 Klimaendringer - betydning for avløpsnett Havnivå og flomflonivå vil øke betydelig på lang sikt (frem mot århundreskiftet) Kontakt no for best mulig verdi for en gitt lokalitet Danske og svenske anbefalinger: % påslag på IVF-kurvene 50

51 Klimaendringer - betydning for avløpsnett Den danske spildevannskomitèen anbefaler å velge en klimafaktor i forhold til gjentagelsesperioden for dimensjonerende regnintensitet: Gjentagelsesperiode 2 år 10 år 100 år Klimafaktor 1,2 1,3 1,4 51

52 Klimaendringer - betydning for avløpsnett Sverige (beredskapsmyndigheten) 2007: Nasjonal rapport om klimaendringer: : Intensitet sterke regn: + 20 % Innen 2100: Intensitet sterke regn: + 50 % 52

53 Klimaendringer - betydning for avløpsnett Anbefaling for nye avløpsnett som dimensjoneres for en levetid på 100 år: % påslag på IVF-kurver som er utarbeidet før Kystkommuner: Kombiner prognoser for høyt havnivå med prognoser for mer intens korttidsnedbør 53

54 Klimaendringer - nyttig litteratur Planlegging og utbygging i fareområder langs vassdrag (NVE, rev. mars 2009) Flaum- og skredfare i arealplaner (NVE 2011) Hydrological projections for floods in Norway under future climate (NVE 2011) Statens Vegvesen Håndbok 018 Norsk Vann 190/2012: Klimatilpasningstiltak innen vann og avløp i kommunale planer 54

55 Klimaendringer - dette skal vi unngå! 55

56 Snøsmelting i urbane områder Snøsmelteintensitet i norske byer: Sted mm/12 h l/s ha mm/12 h l/s ha mm/12 h l/s ha (eks) 2 år 5 år 10 år Kr sand 19 4,4 27 6,2 33 7,6 Narvik 22 5,1 32 7,4 35 8,1 Gjennomsnitt 19,6 4,5 28,1 6,5 33 7,6 56

57 Avrenning - naturområder Rasjonelle formel: Q = φ A I K (felt opptil ca 500 ha) K: Klimafaktor som angir hvor høy fremtidig nedbørintensitet antas å bli i forhold til prognosen fra eklima Avrenning fra store felt: Vassdragshåndboka (NVE 2011) 57

58 Avrenning - naturområder Dimensjonerende regnvarighet (konsentrasjonstiden) for naturlige felt: t = 0,6 L H -0, Ase t = konsentrasjonstid (min) L = lengde av feltet (m) H = høydeforskjell i feltet (m) Ase = andel innsjø i feltet (Statens vegvesen Håndbok ) 58

59 Avrenning - naturområder Avrenningskoeffisienter angitt Beregningseksempler angitt Klimafaktor (Statens Vegvesen 2011): Gjentagelsesintervall Klimafaktor 10 år 1,3 100 år 1,4 59

60 Klimaendringer - unngå dette! 60

61 Avløp - analyser og dimensjonering Omtalt: Hydraulisk ruhet for avløpsrør Bruk av Manningsformel (friksjon) Selvrensing i avløpsrør Energitap i kummer Beregning av fordrøyningsvolum og damvolum Overløp og hydraulisk utløpskontroll Dimensjonering av dykkerledninger Dimensjonering av sandfang 61

62 Avløp - analyser og dimensjonering Beregning av fordrøyningsvolum 62

63 Avløp - analyser og dimensjonering Beregning av fordrøyningsvolum For å bestemme Qinn, må det bestemmes hvilket gjentaksintervall for regn det skal dimensjoneres for. Og ugunstigste regnvarighet. Dataprogrammer (MIKE Urban/Mouse, SWMM el. lign Manuelle metoder 63

64 Avløp - beregning av fordrøyningsvolum Ulike manuelle metoder: Regnenvelopmetode med konstant utløp Regnenvelopmetode med varierende utløp Aron og Kiblers metode Begrensninger i metodene omtalt Gitt beregningseksempel som gir ulike svar Regnenvelopmetode: beregning av massebalanse i magasin for kasseregn med forskjellige regnvarigheter tatt fra regnintensitetskurver (IVF) 64

65 Avløp - overløp og hydraulisk utløpskontroll Overløp: Se VA/Miljø-blad nr. 74 Viktig ved fellessystem for å hindre overbelastning av nedstrøms ledningsnett Overløp med god partikkelavskilling: Høyt sideoverløp Tverroverløp Virveloverløp (fjerner sedimenterbart stoff best) 65

66 Avløp - overløp og hydraulisk utløpskontroll Utløpskontroll: Mengderegulering ofte nødvendig for Regnvannsoverløp i fellessystemet Utjevningsvolum i fellessystemet Utjevning av overvann før påslipp Mest brukte vannføringsregulatorene Virvelkammer Utløpsledning med liten diameter-struping Strupet utløp 66

67 Avløp - overløp og hydraulisk utløpskontroll Utløpskontroll: 67

68 Avløp - dimensjonering dykkerledninger Gassdannelse (i høybrekk), medrivningshastighet 68

69 Avløp - sandfang Litt om hydraulisk dimensjonering av sandfang Kapasitet Maksimal slukavstand Eksempler 69

70 Avløp - pumpestasjoner Litt om Prinsipper Krav til pumpesystemer Pumpetyper Forskjellige typer stasjoner Beregning av pumpesump etc 70

71 Avløp - TILSLUTT Åpne flomveier: Se VA/Miljøblad nr 93 Eksempler på åpne flomveier Viktig i disse "klimatidene"; foreslått at flomveier dimensjoneres for et gjentagelsesintervall på 200 år 71

72 FERDIG Takk for meg 72