История гидравлики в разрезе методологии анализа и методология оценки надежности водообеспечения систем водоснабжения
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ИКУТСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА
ФИЛОСОФИИ
РЕФЕРАТ
на тему:
История гидравлики в разрезе методологии анализа и методология оценки
надежности водообеспечения систем водоснабжения
Иркутск, 2008
год
Содержание
Введение
. История гидравлики
. Методология оценки надежности водообеспечения систем
водоснабжения
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Водопроводно-канализационное хозяйство относится к одной из наиболее значимых
отраслей народного хозяйства страны, направлено на решение одной из важнейших
социальных проблем - обеспечение потребителей услугами водоснабжения и
водоотведения в достаточном количестве и с высоким качеством. Снабжение
населения чистой, доброкачественной водой в достаточном количестве имеет важное
санитарно-гигиеническое значение, предохраняет людей от всевозможных
эпидемических заболеваний, распространяемых через воду.
Системы водоснабжения и водоотведения представляют собой сложные
инженерные сооружения, устройства и оборудование, в значительной степени
определяющие уровень благоустройства зданий, объектов и населенных пунктов,
рентабельность и экономичность промышленных предприятий. Проектирование систем
водоснабжения - это ответственный и очень важный пункт в комплексе
благоустройства населенного пункта, и поэтому к проектированию следует
приступать только после детального рассмотрения всех факторов, влияющих на
качественное и бесперебойное обеспечение потребителей водой.
Представьте себе, что в вашей квартире неожиданно прекратилась подача
воды из-за аварии водопроводной сети. Хотя у кого-то, вероятно, сию секунду
подобное произошло на самом деле. Мы привыкли к тому, что, открыв кран, из него
течет вода, и порой даже не задумываемся, усилия скольких людей, бесперебойная
работа машин и сооружений за этим стоят. Но стоит нам на несколько дней
отключить воду, и мы сразу почувствуем, как начнутся сбои в организме города.
Действительно, о воде не задумываются тогда, когда она есть... А проблем,
с нею связанных, в наших городах более чем достаточно.
С увеличивающимися потребностями в воде населения, коммунально-бытовых и
промышленных предприятий, а также удорожание строительства и эксплуатации
систем водоснабжения обеспечение бесперебойного снабжения питьевой водой в
больших городах с каждым годом усложняется. Выявлена тенденция увеличения
удельного водопотребления с ростом числа жителей города, что связано с более
высокой степенью благоустройства жилых зданий и более развитой сферой
обслуживания. За последние 10 - 15 лет средний ежегодный рост удельного
водопотребления составляет 3 - 4 %.
По этой причине проблемы водопроводно-канализационного хозяйства на жизни
и развитии современного общества с каждым днем сказываются сильнее.
Проблемы повышения устойчивости и надежности функционирования
трубопроводов водоснабжения становятся в настоящее время актуальными как
никогда. Актуальность постоянно растет, так как от их решения на стадии
проектирования, строительства и эксплуатации зависят эффективность использования
общественных фондов, экономия материальных и сырьевых ресурсов, а также
сокращение непроизводительных затрат на обслуживание и ремонт водопроводов.
Существующее на сегодня состояние водопроводных и канализационных систем
складывалось на протяжении длительного времени, и в ближайшие годы невозможно
разрешить все проблемы, стоящие перед отраслью, так как она относится к
наиболее капиталоемким в хозяйственном комплексе.
Поэтому новые задачи, которые ставятся перед специалистами по
водоснабжению, должны быть решены с учетом все возрастающих требований с
использованием всех достижений научно-технического прогресса. Наиболее
рационально и наиболее экономично. Создание более совершенных систем
водоснабжения и канализации направленно на рациональное использование водных
ресурсов, индустриализацию и снижение стоимости строительства, экономию металла
и электроэнергии. При разработке проектов трубопроводов для питьевого
водоснабжения инженерам-проектировщикам приходится учитывать множество
факторов: начальная стоимость системы, требования по ее эксплуатации, стоимость
обслуживания, надежность и долговечность, экологическая безопасность.
Создание более совершенных систем водоснабжения с применением современных
методов, создание новых аналитических методов, методов оценки может быть
осуществлено, только с использованием опыта предыдущих поколений, его
наработок.
В связи с чем, возникает необходимость в изучении истории развития систем
водоснабжения, изучения истории наук, занимающихся этой тематикой, рассмотреть
их исторические этапы, оценить для себя вклад ученых в эти науки.
Стоит отметить, что базовой наукой для гидравлических расчетов при
решении вопросов водоснабжения, отопления, вентиляции, водоотведения,
инженерной мелиорации, фильтрации, гидротехнических сооружений и др., является
гидравлика. Гидравлика, рассматривая законы покоя и движения жидкостей и
разрабатывая методы применения этих законов в практической деятельности,
опирается на такие науки, как математика, физика, теоретическая механика,
сопротивление материалов.
Именно история развития гидравлики и будет рассмотрена в первой главе
этой работы.
1. История гидравлики
Гидравлика - прикладная наука, изучающая законы равновесия и движения
жидкостей и дающая на основе теории и опыта способы применения этих законов к
разрешению различных задач инженерной практики. Гидравлика может быть
подразделена на две части: гидростатику, в которой изучаются законы равновесия
жидкости, и гидродинамику, в которой изучаются законы движения жидкости.
Название "гидравлика" происходит от сочетания двух греческих слов ϋδωρ
(хюдор)-вода и αολωσ
(аулос)-труба.
Возникновение гидравлики как науки в древнее время можно объяснить
практической необходимостью объединения правил и опыта проведения воды по
трубам, т. е. расчета и строительства водопроводов. Содержание современной
гидравлики несравненно шире: она изучает также движение жидкостей в открытых
руслах и сооружениях и движение грунтовых вод. Изучением равновесия и движения
жидкостей занимается и другая наука - теоретическая гидромеханика, дающая
строго математический характер и дающая общие и точные решения. Гидравлика как
прикладная наука разрешает вопросы, нужные и важные для инженерной практики, и
поэтому она рассматривает различные вопросы более упрощенно, производя оценку главных
элементов гидравлических явлений, и часто прибегает к использованию результатов
опытов.
Исторически гидравлика является одной из самых древних наук в мире.
Археологические исследования показывают, что еще за 5000 лет до нашей эры в
Китае, а затем в других странах древнего мира найдены описания устройства
различных гидравлических сооружений, представленные в виде рисунков (первых
чертежей). Древние оросительные системы находят и у нас - в Средней Азии и
Закавказье. В Риме сохранились остатки древнего водопровода, построенного за 6
веков до начала нашей эры, свидетельствующие о высокой для того времени
технике.
Естественно, что никаких расчетов этих сооружений не производилось, и все
они были построены на основании практических навыков и правил.
Первые указания о научном подходе к решению гидравлических задач
относятся к 250 году до н.э., когда Архимедом был открыт закон о равновесии
тела, погруженного в жидкость. Им же была разработана конструкция механизма для
подъема воды, названная "архимедовым винтом". Старинные летописи и
другие источники содержат много сведений о строительстве в России различных
сооружений на реках, о развитии водных путей, о попытках создания механизмов,
использующих энергию водного потока, и других конструкциях, осуществление которых
было бы невозможно без знания основ гидравлики. Так, еще в 1115 г. был построен
наплавной мост через Днепр у г. Киева. Подъем в развитии гидравлики начался
лишь через 17 веков после Архимеда.
В XV-XVI вв. знаменитый Леонардо да Винчи (1452 - 1519) написал
работу "О движении и измерении воды", которая была опубликована лишь
через 400 с лишним лет после ее создания.
Из дальнейших работ по гидравлике следует отметить работы голландского
ученого Стевина, опубликовавшего в 1585 г. книгу "Начала гидростатики".
В 1612 г. итальянский ученый Галилей опубликовал трактат "О телах,
находящихся в воде, и о тех, которые в них движутся", в котором он резко
критиковал метафизические теории греческого философа Аристотеля об
"абсолютно тяжелых" и "абсолютно легких" телах и
подчеркивал правильность данного Архимедом закона плавания тел.
Ученик Галилея Торичелли, занимавшийся вопросом движения жидкости, вывел
в 1643 году формулу скорости истечения невязкой (идеальной) жидкости из
отверстия.
Французский ученый Паскаль в 1650 г. дал свой закон о передаче жидкостью
внешнего давления, который явился основой для расчета гидравлических прессов,
подъемников и т. п.
Английский ученый Ньютон в 1686 г. создал свою гипотезу о законах
внутреннего трения в жидкостях и впервые ввел понятие о вязкости в жидкостях.
Многие практические законы гидравлики задолго до опубликования этих
законов за границей уже были известны русским людям, умевшим весьма искусно
строить на реках наплавные мосты, водяные мельницы (чтобы "хлеб водою
молотить"), плотины, водопроводы.
Большое значение в те времена имело питьевое водоснабжение во время осады
городов и крепостей. Так, во время осады Москвы татарами в 1382 г. Кремль был
достаточно обеспечен водой с помощью тайного колодца под Тайницкой башней,
соединенного каменным подземным ходом с руслом Москвы-реки. На старинном плане
Москвы, названном "Годунов чертеж Москвы", составленном в 1605 г.,
показана вся речная сеть города с защитными водяными рвами, водоемами, водяными
мельницами у Боровицких ворот и устья реки Яузы, наплавным мостом на
Москве-реке и Водовзводной башней, возведенной для обеспечения работы первого в
Москве водопровода. В 1631 г. в Москве была сделана первая попытка устройства
напорного водоснабжения Кремля. В начале XVIII века по инициативе Петра I в
России развернулось гидротехническое строительство и началось бурное развитие
морского и речного транспорта. Русский мастер Сердюков построил Вышневолоцкую
водную систему каналов и шлюзов, соединившую Балтийское море с Каспийским
(через Волхов, Мету, Цну, Тверцу и Волгу). В 1708 г. было напечатано первое в
России пособие по регулированию рек для судоходства. В 1791 г. была издана
написанная Калмыковым оригинальная русская книга "Карманная книжка для
вычисления количества воды, протекающей через трубы, отверстия или по желобам,
а также силы, с какою они (воды) ударяют, стремясь с данной скоростью, с
приложением правил для вычисления трений, производимых в махинах".
Однако перечисленные работы затрагивали только отдельные разделы
гидравлики. Формирование гидравлики как науки на прочной теоретической основе
стало возможным только после работ, созданных академиками Петербургской
Академии наук М. В. Ломоносовым (1711 - 1765), Д. Бернулли (1700 - 1782) и Л.
Эйлером (1707 - 1783).
Знаменитый русский ученый М. В. Ломоносов написал и опубликовал в 1760 г.
диссертацию "Рассуждение о твердости и жидкости тела", в которой он
изложил положенный в основу гидравлики закон сохранения массы и энергии.
Член Петербургской Академии наук Даниил Бернулли опубликовал в 1738 г.
капитальный труд "Гидродинамика" вывел важнейшее уравнение, названное
его именем. В этой работе Бернулли обосновал свою знаменитую теорему о запасе
энергии движущейся частицы жидкости, которая является основной теоремой
современной гидравлики.
Член Петербургской Академии наук Леонард Эйлер в 1755 г. в труде
"Общие принципы движения жидкости" на основе открытия Ломоносова
вывел основные дифференциальные уравнения равновесия и движения невязкой
жидкости, положив начало теоретической гидромеханики, изучающей законы движения
жидкостей методом математического анализа.
Наряду с теоретическими работами по гидромеханике и гидравлике стал
прививаться экспериментальный, т. е. опытный, способ изучения ряда ее законов,
давший обоснование и развитие практической гидравлики. В развитии практической
гидравлики сыграли важную роль работы французских ученых XVIII-XIX веков: Шези
(1718 - 1798), работавшего в области равномерного движения жидкости; Вентури
(1746 -1822), исследовавшего истечение через отверстия и насадки; Вейсбаха
(1806 - 1871), в основном известного работами в области сопротивлений движению
жидкости; Базена (1829 -1897), изучавшего равномерное движение и истечение
жидкости через водосливы.
В 1836 г. инженером путей сообщения П. П. Мельниковым был составлен и
напечатан первый в России учебник по гидравлике, названный им "Основания
практической гидравлики или о движении воды в различных случаях и действие ее
ударом и сопротивлением".
Знаменитый русский ученый Д. И. Менделеев в своем сочинении "О
сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании" в 1880 г. указывал на
существование в природе двух режимов движения жидкости с различными законами ее
сопротивления. Эта же мысль была развита и доказана в 1883 г. русским физиком
Н. П. Петровым (1836-1920), впервые установившим, что при смазке силы трения,
определяемые вязким сопротивлением при ламинарном движении, пропорциональны
первой степени скорости. Петрову принадлежат также доказательство гипотезы
Ньютона о силе внутреннего трения в жидкостях и разработка гидродинамической
теории смазки. Несколькими годами позже английский ученый Рейнольдс провел
свои опыты, наглядно подтверждавшие гипотезу Менделеева о существовании
ламинарного и турбулентного движения жидкости. Профессор Казанского
университета И. С. Громека в 1881 г. опубликовал ряд крупных работ по теории
винтового движения жидкостей. Крупнейший вклад в развитие гидравлики и
гидромеханики сделал проф. Н. Е. Жуковский; в 1898 г. он опубликовал
исследование по теории гидравлического удара, получившее мировую известность.
Кроме того, Н. Е. Жуковский дал математический метод решения задачи о
фильтрации грунтовых вод, создал теорию движения взвешенных наносов в водных
потоках. В начале XX века русская инженерная гидравлика бесспорно заняла
ведущее место в мировой науке благодаря ряду значительных работ проф. Б. А.
Бахметева и др. по гидравлике сооружений и открытых русел.
Следует отметить работы зарубежных исследователей: Ф.Форгеймера в области
гидравлических сопротивлений и теории фильтрации, Г.Вебера в области гидродинамического
подобия, Л.Прандтля в области гидравлических сопротивлений и изучения процесса
турбулентности.
В 1908 г. А.М. Фролов выполнил натурные гидравлические и гидрологические
обследования мостовых переходов и в 1912 г опубликовал капитальный труд "О
переходах через водотоки".
В 1910-1915 годах были опубликованы работы о формировании ручных русел и
структуре ручного потока русских инженеров В.М.Лохтина и Н.С.Лелявского,
которые справедливо могут считаться основоположниками речной гидравлики.
В 1914 году В.И.Чарномский опубликовал предложенный им метод
приближенного интегрирования уравнения неравномерного движения жидкости в
непризматическом русле.
В 1914 году русский ученый А.Я.Милович опубликовал работу "О
нерабочем изгибе потока"; в дальнейшем он написал ряд интересных работ по
очертанию спиральной камеры турбин, теории деления потоков и т.д.
Труды академика Н. Н. Павловского (1884 - 1937) в области равномерного и
неравномерного движения, фильтрации через земляные плотины и под
гидротехническими сооружениями явились весьма большим вкладом в развитие
гидравлики и послужили основой наряду с другими работами учеников и
последователей Н. Н. Павловского в СССР для создания инженерной гидравлики,
широко используемой при расчетах в гидротехнике.
Грандиозное развитие гидротехнического и гидромелиоративного
строительства в СССР приводит к дальнейшему развитию советской гидравлической
науки.
Изложенный выше краткий перечень работ русских ученых показывает, что они
сделали крупнейший вклад в развитие гидравлики как науки.
Гидравлика стала быстро развиваться после Великой Октябрьской
социалистической революции. В 1919 г., в октябре, был основан Российский
государственный гидрологический институт в Ленинграде. С 1926 г. он стал
именоваться Государственным гидрологическим институтом (ГГИ). Его первым
директором был выдающийся гидролог В.Г. Глушков.
В тридцатых годах были заложены основы инженерной гидравлики.
Многое в области инженерной гидравлики сделано М.Д. Чертоусовым, Н.М.
Бернадским, А. Н. Ахутиным и др.
Среди работ в
области расчетов движения жидкости в открытых руслах наибольший интерес
представляют работы таких ученых, как И.И.Агроскина, И.И.Леви, В.М.Макковеева,
Р.Р.Чугаева. В области гидравлики трубопроводов широко известны работы
А.Д.Альтшуля, Г.А.Мурина, Н.Ф.Федорова, Ф.А.Шевелева и т.д.
В годы пятилеток перед Великой Отечественной войной был осуществлен
ленинский план электрификации страны и проведено строительство ряда грандиозных
гидросооружений.
Были построены: первенец электрификации - Волховская ГЭС, Днепрогэс имени
В. И. Ленина, Беломорско-Балтийский канал имени И. В. Сталина, канал имени
Москвы, Ферганский канал, много других ГЭС и гидросооружений, обслуживающих
интересы энергетики, орошения, водного транспорта и водоснабжения.
Строительство канала имени Москвы, законченное в 1933 г., наряду с
решением воднотранспортной проблемы разрешило остро назревшую проблему
водоснабжения Москвы, обеспечив ее достаточным количеством волжской воды.
Было построено много промышленных комбинатов, новых городов и рабочих поселков,
обеспечено их промышленное и питьевое водоснабжение.
В июне 1937 г. была образована Водохозяйственная комиссия Академии наук
СССР, которая в 1941 г. была преобразован в Секцию по научной разработке
проблем водного хозяйства.
Все это дало мощный толчок к развитию экспериментальной и теоретической
гидравлики, гидравлики трубопроводов и сооружений как научной базы для
правильного и наиболее удачного решения задач водоснабжения, канализации и
инженерной гидравлики при проектировании и строительстве водозаборов и
различных гидросооружений.
Развернулась
и выросла обширная сеть научно-исследовательских институтов с гидравлическими и
гидротехническими лабораториями, успешно работающих над разрешением многих
задач гидравлики и гидротехники. На сегодняшний день значительные темпы
развития городов, создание новых жилых зданий с высокой степенью
благоустройства и развитие сфер обслуживания в нашей стране ставит перед
учеными, инженерами и техниками ряд новых задач, требует дальнейшего расширения
и углубления наших знаний по гидравлике, внимательного изучения передового
зарубежного опыта, а также успешного обучения новых молодых кадров инженеров.
Современные задачи, решаемые гидравликой, охватывают множество явлений и сфер
деятельности человека. Классические задачи гидравлики по расчету трубопроводов,
течения рек, проектирования судов и летательных аппаратов в настоящее время
существенно дополнены практическими потребностями химической, пищевой
промышленности, где жидкости и газы стали лежать в основе абсолютного большинства
технологических процессов. Сложность явлений и проектируемых устройств привело
к широкому применению современных вычислительных систем, появлению программных
комплексов, ориентированных на решение задач по гидравлике.
В настоящее
время курс современной гидравлики опирается на теоретическую гидромеханику и
поставленные на научных основах моделирования экспериментальные исследования,
что дает результаты, необходимые современному специалисту для практической
деятельности.
Глубокие исследования различных вопросов, выдвигаемых потребностями
гидротехники, привели к появлению новых, оригинальных рекомендаций как в
области теории гидравлики, так и для расчетной практики, предложенных видными
нашими учеными, широко известными не только в нашей стране, но и за рубежом.
На одном из направлений гидравлики, позволяющих произвести анализ работы
систем водоснабжения, хотелось бы остановиться более подробно, а именно
затронуть вопрос о надежности водообеспечения проектируемых и эксплуатируемых
систем водоснабжения.
Впервые проблемы надежности систем водоснабжения в ее современном виде
была сформулирована в 70-х годах 20 века. Разработка ее велась по двум
направлениям. Первое направление связано с исследованием методов краткосрочного
и долгосрочного прогнозирования объемов водопотребления, позволяющих с
требуемой надежностью определять расчетные расходы воды при проектировании,
эксплуатации и реконструкции систем. Здесь к основополагающим относятся
исследования Л.А.Шопенского, М.П.Майзельса, А.С.Вербицкого, В.И.Малова,
Э.А.Месропяна и др.
Второе направление предусматривало изучение закономерностей
возникновения, характера и видов отказов водопроводного оборудования и труб.
Результаты этих исследований явились основой разработанных аналитических и
статистических моделей оценки надежности подачи воды потребителям. В разработку
этого направления существенный вклад внесли профессора Н.Н.Абрамов и
Ю.М.Кузьмин, а также их ученики Н.А.Украинец, В.Г.Новохатный, О.Г.Примин,
В.С.Макогонов и др.
Основные результаты этих исследований нашли отражение впервые
опубликованной монографии по вопросам надежности водоснабжения д.т.н.,
профессора Н.Н.Абрамова. Эта монография вызвала большой интерес среди
инженеров, работающих в сфере проектирования, строительства и эксплуатации
водопроводов, о чем свидетельствуют многочисленные советы и пожелания.
Потребность в технической литературе по методологическим вопросам оценки и
обеспечения высокого качества функционирования и надежности водопроводов
сохраняется и в настоящее время. Возникает необходимость в дальнейшем развитии
и внедрении основных положений теории надежности в практику проектирования и
эксплуатации сооружений, обеспечивающих подачу и распределение воды.
. Методология оценки надежности водообеспечения систем водоснабжения
Поэтому критерии качества работы систем водоснабжения должны базироваться
на теоретических исследованиях режимов их работы, эксплуатации, влияния на
природные водные источники и экологию, которые свяжут разрозненные показатели
современных нормативов в единую систему.
Системы водоснабжения отнесены к многофункциональным системам, так как
они должны обеспечивать подачу заданных количеств воды и требуемого качества
для различных категорий потребителей.
Системы водоснабжения, как и все технические системы обслуживания, должны
соответствовать своему назначению - обладать способностью успешно выполнять
функции, для которых они предназначены; обладать прочностью - способностью
системы и ее отдельных элементов выдерживать заданные нагрузки в процессе
работы; должны быть просты в эксплуатации и экономичны, т.е. иметь возможность
успешно выполнять заданные функции при минимальной величине затрат на их
сооружение и эксплуатацию.
Система, созданная в полном соответствии с указанными требованиями и
обладающая перечисленными свойствами, способна успешно (и экономично) выполнять
свои функции.
Все системы водоснабжения являются системами длительного действия. За
период эксплуатации качество их функционирования может изменяться.
Во многих отраслях научной и производственной деятельности для
принципиального понимания степени "полезности" функционирования
сложных систем всеми заинтересованными сторонами успешно используется теория
надежности. По определению, надежность - это свойство объекта выполнять свои
функции в течение заданного промежутка времени с сохранением заданных
эксплуатационных показателей. Для эксплуатации систем водоснабжения это можно
сформулировать как свойство:
обеспечивать потребителей водой в необходимом объеме и с требуемым
качеством;
воздействовать в допустимых пределах на компоненты окружающей среды
(например, при перекладке участков наружных сетей и т.д.).
Обеспечение требуемой (заданной) надежности любой технической системы
должно предусматриваться в процессе ее проектирования и расчета, в процессе
изготовления (использование надежных материалов и оборудования), в процессе
сооружения системы (высокое качество строительно-монтажных работ) и, наконец, в
процессе эксплуатации - путем хорошей организации аварийно-восстановительной
службы, планово-предупредительных работ и высокой квалификации обслуживающего
персонала.
Можно сказать, обеспечение надежности системы водоснабжения при ее
проектировании и эксплуатации является одной из основных задач.
Лучше всего, учитывать все особенности системы, влияющие на повышение
надежности ее работы и в соответствии с этим грамотно принимать технические
решения на стадии проектирования. При грамотном проектировании можно избежать
серьезных проблем в будущем, поскольку объем затрат именно на начальной стадии
во много раз будет меньше, чем объем затрат на выполнение мероприятий по
повышению надежности уже рабочей системы. Реальность такова, что на сегодняшний
день существует множество подобных систем, которые были запроектированы
неэффективно и пущены в эксплуатацию. Конечно, может быть, они в прошлом и
соответствовали предъявляемым к ним требованиям, но нужно учесть, что на
сегодняшний день эти требования к подобным системам стали более жесткими.
Многие существующие системы не в состоянии обеспечить выполнение требований
этого времени.
Анализ существующих систем водоснабжения свидетельствует, что основными
принципами их неудовлетворительной надежности являются недостаточно
обоснованные решения при выборе структуры и параметров сетей. Это в свою
очередь, связано с отсутствием эффективных методов расчета систем. Существующие
методы расчета не позволяют в полной мере обеспечить надежность систем и
экономичность принимаемых решений. Большая часть работ по этому вопросу
базируется на детерминистическом подходе, который не учитывает всего
многообразия. В связи с чем, очень часто специалистам данной отрасли приходится
разрабатывать мероприятия по повышению надежности существующих систем.
Фактор надёжности работы систем, как водоснабжения, так и канализации
всегда считался даже более важным, чем качество воды и степень очистки стоков.
Это связано с тем, что человек выпивает в сутки только 3-5 л, а остальную воду
(150-200 л) использует для хозяйственных целей. При резком ухудшении качества
воды объём питьевого потребления можно обеспечить за счет подвоза качественной
воды, но очень сложно удовлетворить за счёт привозной воды оставшиеся нужды.
Одной из главных причин непонимания необходимости управления изменениями
является парадигма планирования: не постановка и реализация миссии и целей
предприятия, а всего лишь решение какой-то текущей, часто во всех смыслах,
задачи. Например, необходима замена трубы, на которой возникла утечка, хотя
труба прослужила всего лишь половину нормативного срока. Да, такая замена - это
и есть необходимая составляющая решения одной из главных задач предприятия -
повышения надёжности водоснабжения. Это так. Однако часто ли мы при этом задаём
вопрос: почему труба преждевременно износилась? В подавляющем большинстве
случаев, устраняя следствия, причину оставляют нетронутой. Казалось бы, заменив
трубу, мы должны повысить надёжность, изменить ситуацию. Однако, как выясняется
впоследствии, в очень скором времени всё повторяется заново.
Очевидно, что результативность реформы в сфере жилищно-коммунального
хозяйства во многом зависит именно от умения эффективно управлять изменениями.
Одним из направлений обеспечения надежности систем водоснабжения является
прогноз.
При удовлетворении питьевых, санитарно-гигиенических и хозяйственно-бытовых
потребностей населения в воде следует исходить, прежде всего, из объективных
условий физиологической и общественной жизни человека, а также из фактического
их проявления через сознание и поведение. Центральным фактором потребительского
поведения населения на рынке продукции водоснабжения и водоотведения являются
его потребности в водопроводной воде, механизм формирования которых, а,
следовательно, и механизм регулирования потребительского поведения, пока еще не
раскрыт. В настоящее время ни водопроводно-канализационные предприятия, ни
органы местной власти не могут указать населению (а главное - не могут
практически реализовать подобное указание), сколько воды следует ему
использовать для своих домашних нужд. Водопотребление в жилых зданиях является
случайным и в настоящее время неуправляемым процессом.
Однако понимание мотивов, побуждающих человека к принятию того или иного
решения, направленного на удовлетворение своих потребностей в воде, может быть
использовано в качестве одного из основных механизмов управления процессом
водопотребления, что представляет практический интерес для поставщика продукции
водоснабжения и водоотведения
Человеческая потребность есть специфическая объективно назревшая
необходимость, соответствующая культурному уровню, ценностным представлениям и
личности человека, а также средствам и ресурсам, которыми он располагает.
Субъективное проявление потребности выражается в форме стереотипов поведения,
обычаев, традиций, устремлений и желаний обеспечить определенные условия жизни.
В основе водопотребления заложен опыт населения, накопленный им в
процессе водопользования в соответствии с его требованиями, обусловленными или
не обусловленными, сознательными или просто ощущаемыми. Потребители воды, как
правило, не могут дать обоснованное объяснение причин, по которым они
используют то или иное количество воды, с той или иной температурой.
В соответствии с теорией человеческой мотивации люди, в основном, не
осознают тех реальных психологических сил, которые формируют их поведение.
Несмотря на то, что действия каждого потребителя представляют собой случайное
событие по отношению к системе водоснабжения, а поток множества событий -
случайный процесс, водопотребление имеет свои устойчивые закономерности.
Анализ структуры хозяйственно-бытового водопотребления дает возможность
определить не только потребности населения в воде как объективное отражение
поведения человека, но и понять, почему и сколько водопроводной воды он
использует и как соотносит это со своими возможностями и ценностными
представлениями.
Другими словами можно выразить следующее: основой процесса управления
являются возможности прогнозирования. Имея прогноз водопотребления на сутки,
неделю, месяц и т.д., можно планировать работу насосных агрегатов, их ремонты и
т.д.
Вследствие неточности прогнозирования может возникнуть существенный
разрыв между фактическими потребностями населения в воде в отдельные промежутки
времени и возможностями системы, т.е. отказ системы. Попытки потребителей
отобрать из системы водопровода больше воды, чем она может дать (при нормальном
функционировании), приводит к падению давления в системе и к еще большему
ухудшению условий водопользования. Подобный отказ систем возникает не в
результате каких-либо неисправностей или аварий в системе, а является
следствием лишь того, что фактические потребности в воде в данный период
превысили предполагаемые и определенные в результате прогнозирования.
Неточности прогнозирования могут быть при определении темпов роста
водопотребления в течение расчетного срока работы водопровода (до его
расширения) и циклических изменений режима водопотребления в отдельные сутки
года и в отдельные часы суток.
Все это подтверждает, что требования к надежности системы водоснабжения
должны устанавливаться исходя из интересов потребителей. Система должна быть
устроена так, чтобы любые случайные события не повлекли недопустимых нарушений
нормального водообеспечения.
Однако для практических целей наличия всех указанных свойств
недостаточно. Необходимо получить уверенность, что система в процессе ее
эксплуатации не только сможет, но и будет фактически работать, сохраняя
указанные свойства без недопустимых снижений качества ее функционирования.
Подобная "уверенность" может быть обоснованной, если будет
произведена оценка надежности системы.
Нарушения работы системы, препятствующие нормальному выполнению ее
функций, обусловливаются различными случайными событиями. Единственным путем
оценки возможности появления таких событий, закономерностей их возникновения и
повторения являются сбор, изучение и обработка статистических сведений о работе
действующих систем. Для отдельных элементов систем характеристики их поведения
в работе определяют обычно путем специально поставленных испытаний. Материалы,
полученные в результате наблюдений в натуре или проведения соответствующих
экспериментов, обрабатываются методами математической статистики и позволяют
установить численно вероятность возникновения тех случайных событий, которые
могут привести к нарушению нормального функционирования отдельных элементов, а,
следовательно, и системы в целом.
Все оценки надежности и входящих в это понятие отдельных свойств и
численных показателей имеют вероятностный характер. Поэтому, базируясь на
данных фактического опыта работы аналогичных элементов, мы можем определить
вероятность времени (длительность периода) их безотказной работы, вероятное
среднее число отказов в заданный промежуток времени и другие численные
показатели, связанные с оценкой надежности.
Чем больше используемого статического материала (или исследований), тем
точнее (ближе к истине) будут показатели надежности, полученные в результате
обработки этого материала.
Все сказанное убеждает в необходимости проведения систематических
наблюдений за фактическим режимом водопотребления обработки полученных статистических
сведений и установления численных показателей надежности (обеспеченности)
(пиковых нагрузок системы).
Надежность систем определяется не только законами распределения случайных
событий, вызывающих нарушение нормального (запланированного) процесса их
функционирования, но и сами расчетные параметры этого процесса также нуждаются
в определенной вероятностной оценке.
Системы водоснабжения относятся к категории систем обслуживания,
требования к их надежности, выраженные численными значениями тех или иных показателей
надежности, устанавливаются в соответствии с требованиями потребителей воды и
нормативами, учитывающими нужды потребителей.
В зависимости от характера потребления воды требования к надежности
систем водоснабжения могут быть обоснованы экономическими соображениями,
необходимостью обеспечения надлежащего санитарного состояния жилищ, уровня
бытового обслуживания. Во всех случаях надежность системы должна обеспечивать
безопасность людей от возможных последствий нарушения функций
водообеспеченности (пожары и т.п.).
Повышение надежности системы всегда вызывает увеличение материальных
затрат. Поэтому требования к надежности систем водоснабжения должны быть
убедительно обоснованы. Для некоторых объектов вопрос о требуемой надежности их
водообеспечения может быть решен в результате технико-экономического анализа.
Требуемая надежность систем водоснабжения может быть определена только в
результате комплексного рассмотрения всей проектируемой цепи водопроводных
сооружений (от источника до потребителя) и учета их роли в совместной работе.
Следует отметить, что обычно отказ одного элемента системы водоснабжения
не приводит к отказу соответствующих сооружений и тем более системы. Даже отказ
некоторых сооружений обычно приводит к полному отказу системы, т.е. к прекращению
водоподачи, а может вызвать лишь некоторое временное снижение расчетного уровня
водообеспечения, иногда допустимое, иногда и сверх допустимого нормами предела.
Временная диаграмма процесса функционирования системы водоснабжения
Во
времени функционирование системы состоит из интервалов исправной работы и
сбоев, определяемых нарушением водоснабжения или эксплуатационных требований к
системе. Методика управления качеством эксплуатации состоит из следующих
этапов:
1. Определяется степень нарушения водоснабжения, экологический риск и
энергетические издержки при возникновении отказа в системе по следующим
параметрам:
величина нарушения (отклонение параметров, возмущающее воздействие и т.
п.);
продолжительность отказа;
частота повторения подобных отказов на заданном промежутке времени.
Между указанными параметрами устанавливается функциональная взаимосвязь
как непосредственная, так и косвенная. Например, увеличение частоты
возникновения отказов в системе влечет за собой увеличение производственной
нагрузки на эксплуатационные подразделения, выполняющие аварийные ремонты. Это
в свою очередь приводит к увеличению времени ожидания начала восстановительных
работ и, соответственно, к увеличению продолжительности отказа. Каждому
параметру отказа ставятся в функциональное соответствие экологические и
экономические показатели, например, потери воды, вызванные утечками.
Одновременно рассматриваются альтернативные варианты организационного
управления отказами. В частности, увеличение мощности аварийного подразделения
приведет к снижению потерь воды, но потребует дополнительных затрат на
содержание персонала.
. На этом этапе разрабатываются возможные стратегии выполнения
эксплуатационных мероприятий, определяются их регулируемые параметры и
выполняется вариантный расчет влияния эксплуатационных мероприятий в тех или
иных условиях на качество водоснабжения, экологический риск при эксплуатации
системы и все общественно значимые материальные затраты, связанные с
эксплуатацией системы по рассматриваемой стратегии. Например, хорошо известная
система планово-предупредительных ремонтов (ППР) предусматривает ремонты,
устраняющие физический износ оборудования системы, выполняемые с определенной
периодичностью и непредвиденные ремонты, восстанавливающие работоспособность
оборудования и участков системы без изменения их физического износа, в случае
аварий.
Графическое представление зависимости частоты отказов от соотношения
межремонтного периода и среднего срока службы для строго периодических плановых
ремонтов и минимальных аварийных
Подобные зависимости, разработанные для большинства практически
используемых стратегий эксплуатации систем водоснабжения позволяют, во-первых,
оценить качество эксплуатации и материальные затраты, связанные с его
обеспечением, при существующей эксплуатационной стратегии и, во-вторых,
наметить пути оптимизации соотношения качества и связанных с ним затрат.
. Заключительный этап управления качеством эксплуатации подразумевает
пошаговую оптимизацию системы управления
Оценив параметры отказов, а также величину экологического риска и
непроизводительных потерь в сложившихся условиях, можно определить, при каких
стратегиях эксплуатации системы водоснабжения будут достигнуты наилучшие показатели.
Но для их реализации могут потребоваться принципиальные изменения в структуре
эксплуатационных предприятий, финансовой деятельности. В современных условиях
большая часть неисправностей оборудования устраняется в аварийном порядке. В то
же время, как показали исследования, наилучшие показатели качества эксплуатации
и экономической эффективности в большинстве случаев обеспечивают стратегии с
различными вариантами плановых ремонтов. Чтобы выполнить переход к ним,
потребуются, хотя бы на начальном этапе, дополнительные материальные средства.
Процессы надежного водоснабжения удобно рассматривать с помощью
математических моделей, которые дают возможность выделить, обособить и
проанализировать связи между элементами системы для каждой конкретной задачи.
При оценке эффективности работы систем предлагается использовать модели,
описывающие процесс эксплуатации системы, которая представляет сложные
инженерные сооружения, состоящие из нескольких функционально самостоятельных
подсистем, сотен узлов и элементов.
Показатели надежности определяют сравнением показателей качества
функционирования и выходного эффекта, которые отражают степень стабильности
работы системы водоснабжения при выполнении возложенных на нее задач
водообеспечения.
Заключение
В заключении имеет смысл подвести итоги:
Рассмотренные выше вопросы истории развития гидравлики, как базовой науки
для создания систем водоснабжения, позволяют считать, что этот путь очень
долгий и тяжелый. Современные системы включают в себя результаты трудов многих
великих ученых. Каждый этап развития сопровождался открытием новых законов,
отражая новые потребности науки и техники. Гидравлика опирается на такие науки,
как математика, физика, теоретическая механика, сопротивление материалов и
т.д., а оценка надежности работы систем не может обойтись без элементов
статистики, теории вероятности. О том, что такое надежность, от чего она
зависит и на чем должны быть основаны мероприятия по ее повышению, изложено
прежде. Однако основные моменты предыдущих глав коротко можно подчеркнуть.
Надежность - это свойство объекта выполнять свои функции в течение
заданного промежутка времени с сохранением заданных эксплуатационных
показателей.
Эксплуатационные качества систем водоснабжения должны базироваться на
требованиях потребителя и охраны окружающей среды.
"Уверенность" в соответствии требуемой надежности может быть
обоснована только результатами произведенной оценки надежности работы системы.
Должна быть методика управления эксплуатирующей организацией, позволяющая
оптимизировать ее работу для достижения заданного качества эксплуатации.
Оценка надежности водообеспечения систем водоснабжения может решаться
различными путями, но в корне ее решения всегда лежит единый принцип - изучение
опыта предыдущих поколений, применение современных методов оценки надежности
систем, разработанных специалистами данной отрасли.
Материал этого реферата можно использовать при подготовке
диссертационного исследования, в качестве его исторической базы.
водопроводный канализационный гидравлика санитарный
Список используемой литературы
1 Абрамов Н.Н. Водоснабжение. М., Стройиздат, 1982 г.
СНиП 2.04.02 - 84. Водоснабжение. Наружные сети и
сооружения/ Госстрой СССР- М.: Стройиздат, 1985.-136 с
Сомов М.А. Водопроводные системы и сооружения:
Учеб. для вузов.-М.: Стройиздат, 1988.-399 с.
Яковлев С.В., Прозоров И.В., Иванов Е.Н., Губий
Н.Г. Рациональное использование водных ресурсов. Учебник для ВУЗов. М.:
"Высшая школа", 1991. - 400 с.
Колобаев А.Н. Рациональное использование и охрана
водных ресурсов: учебное пособие.- Ми.: БНТУ, 2005.
Чупин В.Р. Теория графов и ее применение в задачах
проектирования и эксплуатации трубопроводных систем жилищно-коммунального
хозяйства: учебное пособие.- ИГТУ, 2006.
Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем.
М.Наука, 1979. - 400 с.
Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических
цепей. - М.Наука. 1985.- 278 с.
Чупин В.Р. Малышевский К.А. Повышение
сейсмостойкости систем подачи и распределения воды // Известия вузов.
Строительство. 2001. - № 2. С.94-101.
Абрамов Н.Н. Надежность систем водоснабжения. М.:
Стройиздат,1984.-216 с.
Ильин Ю.А. Расчет надежности подачи воды. М.:
Стройиздат,1987.-318 с.
Пушкин В.Г. Проблема надежности (философский
очерк). - М.: Наука, 1971, - 188 с.
учебная программа подготовки аспирантами и
соискателями кандитатского экзамена по курсу "История и философия
науки"
15 Использование интернет - сайтов