Innføring i VA-teknikk Avløpsteknikk Vannforsyningsteknikk Oversikt Innføring i VA-teknikk Avløpsteknikk Vannforsyningsteknikk BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Innføring i VA-teknikk 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 BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

R V A VAR-systemet Nedbør Søppelbil Drikkevannsbehandling Forbrenning Kilde Forbrenning Drikkevannsbehandling Næringsmiddelproduksjon Overløp Sanitær- installasjoner Kompostering Fordrøyning Grunnvann Spredning Renseanlegg Resipient Slambehandling BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk Etter: Munz, W. ”Abwassertechnik ”, Zürich, 1975

Urbanisering I BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Økt overflateavrenning Urbanisering II Fenomen Forbruk av ressurser Avløps- produksjon Avløpstekniske konsekvenser Konsekvenser på ressurser Urbanisering Befolkningsvekst Økning av bebyggelse Økt vannforbruk Økning av tett areal Økt spillvannsmengde Økt overflateavrenning Renseanlegg overbelastes Økt maks. avløp Økt hastighet av overflateavløp Mindre vannressurser Redusert vannkvalitet Flere / større oversvømmelser Mindre naturlig areal BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Ferskvannsressursser per person i Europa BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Ferskvannsressursser pr capita i Europa inkl. Norge BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Vann og avløp i Norges vannbalanse BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Lokal vannbalanse Antakelser: - befolkningstetthet 50 personer / ha FORDAMPING - 2 000 m3 NEDBØR + 10 000 m3 Antakelser: - befolkningstetthet 50 personer / ha - spesifikt vannforbruk 340 l / person.døgn - 20 % tett overflate - 0,15 l / s·ha fremmedvann FREMMEDVANN - 5 000 m3 AVLØP - 6 000 m3 FORBRUK + 6 000 m3 OVERFLATE- AVRENNING - 2 000 m3 INFILTRASJON - 6 000 m3 UNDERSKUDD + 5 000 m3 BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

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) BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

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 ... 1. bør kostnader stå i rimelig forhold til risiko (politisk oppgave) 2. bør risiko være lik for alle (ingeniøroppgave). BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

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 BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Avløpsteknikk 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 BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Typer avløpssystem Typer avkløpssystem 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 BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Fellessystem BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk Etter: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Separatsystem Etter: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992 BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Oversvømmelse og overløp 530 528 oversvømmelse 526 524 522 overløp til rense-anlegg 520 BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Avløpsmengder (fellessystem) kapasitet av gatesluk 100 avlastning Avløpsmengde [ l/s.ha ] videreført avløp 10 fordrøyning kapasitet av renseanlegg behandles i renseanlegg tørrværsavløp 1 1 10 100 1000 10000 Varighet per år [ timer ] BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Dimensjonerende vannføring Spillvannsledninger (indeks s): - Qdim,s ³ Qspill,maks + Qinf - Qselvrens,s  Qmin,s + Qinf (vannføring med strømningshastighet > 0,6 m/s) Husk at fremtidige er evt større enn dagens vannmengder ! BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Dimensjonerende vannføring II Overvannsledninger (indeks o): - Qdim,o ³ Qo,z,t + Qinf (¹ Qmaks,o !) Fellesledninger (indeks f): - Qdim,f ³ Qspill,maks + Qinf + Qo,z,t - Qselvrens,f £ Qmin,f + Qinf Litteratur: SFT, "Veiledning ved dimensjonering av avløpsledninger", TA-550, juni 1979. BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Spillvanns- og infiltrasjonsvannmengder (dimensjonering) Spillvann, kloakkvann (fra forbruker til ledning): Qs = Qsb + Qsi + Qso + Qsa Qsb spillvann fra boliger vannforbruk) Qsi industrielt avløpsvann Qso spillvann fra offentlige bygninger Qsa annet spillvann Qs  0.01 l/s.pers Infiltrasjonsvann (fra mark til ledning): Qinf = 0.1 .. 0.2 l/s.ha, eller Qinf = 0.2 .. 1 l/s.km, eller Qinf = 0.2 .. 1 Qs BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

IVF-kurve Bærum Vestli BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Maksimal avrenning - Et langt regn har lav intensitet, men avrenning ved utløpet kommer fra hele avrenningsområde. - 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: tr = tk Þ Qo = Qo, maks BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Konsentrasjonstid vi strømningshastighet, ca. 2 m/s tk konsentrasjonstid = lengst mulig avrenningstid i oppstrøms liggende avrenningsfelt: tk = ts + S li / vi ts tilrenningstid på overflate fra nedslagspunkt av regndråpen til avløpsledning, ca. 5 min li ledningslengde vi strømningshastighet, ca. 2 m/s BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Overvannsmengder (dimensjonering) Overvann (fra overflate til ledning): Qo,maks = Aimp it,z it,z = regnintensitet for varighet tr = konsentrasjonstid tk og gjentaksintervall z (tas fra IVF-kurver) Aimp = impermeabelt (tett) areal (1) Forskjellig litteraturkilder, sitert i: Stein, D ; Niederehe, W. “Instandhaltung von Kanalisationen” 2. Auflage Ernst & Sohn, Berlin, 1992, p.677 BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Vannføring i ledninger (etter Manning) v = Q / A = M R2/3 I1/2 Hvor: v = Q / A middels strømningshastighet i gjennomstrømt tverrsnitt (m/s) A gjennomstrømt tverrsnitt (m2) M Mannings ruhetstall (m1/3/s ) (M = 85 for betong) R = A / P hydraulisk radius (m), hvor P er våt periferi (m) I helning av energilinja Ib bunnhelning (= I ved normalstrømning) BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Dimensjonering av avløpsnett I Avgrens avløpsområdet Velg ledningstrasé og plasser knutepunkter (kummer) Definer delfelt og tilløpspunkter til hver ledning Innenfor hvert delfelt, j, bestem/velg/beregn: - Qspill, Qinffor både dagens og fremtidig situasjon - A, Atett - lengde mellom knutepunkter - koter i knutepunkter (foreløpig) - bunnhelning av ledningsstrekk - strømningstid i ledningsstrekk tj (anslå v = 2 m/s) - tilrenningstid ts BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Dimensjonering av avløpsnett II 5. For hvert delfelt oppstrøms av knutepunkt j bestem / beregn: - konsentrasjonstid tkj = tk,j-1 + tl,j + ts - regnintensitet iregn,j = f (z, tkj) 6. Beregn dimensjonerende vannføring for hver ledning j. Husk å bruke fremtidige verdier for Qdim og dagens verdier for Qselvrens 7. Velg rørdiameter for hver ledning j vha Manning 8. Kontroller min v, maks Q, og antatt tk BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Vannforsyningsteknikk Vannforbruk Forbruksvariasjoner Dimensjonering av vannforsyningssystem Trykktap i vannforsyningssystem Driftskrav Hydrauliske grunnlag Friksjonstap etter Manning Ruhetsparametre Singulærtapskoeffisienter Fremgangsmåte ved nettdimensjonering I Fremgangsmåte ved nettdimensjonering II BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Vannforbruk Totalforbruk QT: QT = Qp + Qi + Qo + Ql + Qa + Qt + Qbr Qp ...... privat forbruk ca. 200 l/p.d Qi .... industriforbruk Qo .... offentlig forbruk Ql .... landbruksforbruk Qa ..... annet forbruk 5 ... 10 % (vanning, eget behov) Qt ..... lekkasjer og sløsing 30 ... 80 % (nye anlegg 10 ... 20 %) Qbr..... behov for brannslokking 5 ... 200 l/s (avhengig av brannrisiko) Tommelfingertall for dimensjonering: QT = 600 l/pe.d BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Forbruksvariasjoner Døgnfaktor: fi = Qdi / Qd fmaks = Qd,maks / Qd (1,3 ... 1,6) fmin = Qd,min / Qd (0,6 ... 0,8) Timefaktor: ki = Qhi / Qh kmaks = Qh,maks / Qh (1,5 ... 3) kmin = Qh,min / Qh (0,3 ... 0,7) BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Dimensjonering av vannforsyningssystem 1. Sett sammen spesifikke forbrukstall: qp, qi, qo 2. Beregn gjennomsnittlig døgnforbruk: Q´d = Qp + Qi + Qo 3. Anslå prosentverdier for - annet forbruk (a = 0,05 ... 0,1) - tap og sløsing (t = 0,15 ... 0,2) 4. Beregn gjennomsnittlig døgnproduksjon: Qd = Q´d / (1 - a - t) BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Dimensjonering av vannforsyningssystem 5. Anslå maks./min. døgn-/timefaktorer f / k - fmaks, kmaks = f (Qd) - fmaks, kmaks = f (antall pe) 6. Beregn dimensjonerende vannmengder - Qd,maks = Qd fmaks - Qh,maks = Qd fmaks kmaks 7. Dimensjoner utjevningsmagasin etter maksimal forbruksvariasjon 8. Dimensjoner ledninger etter maksimalt vannføring hhv. forbruk BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Trykktap i vannforsyningssystem Tkr = 20 mvs BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk Fra: Bøyum, Å.; Simensen, T.; Thorolfsson, S.T. "VA-teknikk", Institutt for vassbygging, NTH, 1992

Driftskrav Driftskrav: - hold trykk mellom grenseverdier 20 - 80 mvs. ved hvert sted - unngå trykkvariasjoner > 15 mvs - frembringe etterspurte forbruksmengder - unngå lang oppholdstid Belastningsscenarier: - maks forbruk - nattforbruk - brannslukking - havarier BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Hydrauliske grunnlag Forenkelt kontinuitetsbetingelse gjelder for to tverrsnitt i en ledning Qinn = Qut Q1 = Q2 v1 A1 = v2 A2 Energibetingelse (Bernoulli) gjelder mellom to tverrsnitt: h1 = h2 + htap,1-2 = h2 + hf + hs hf frisksjonstap hs singulærtap BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Friksjonstap etter Manning Mannings strømningsformel: v = M R2/3 I1/2 hvor: v strømningshastighet M Mannings ruhetstall R hydraulisk radius I helning på energilinja For rør med sirkulært tverrsnitt er: v = 4 Q / ( p D2) R = A / U = D / 4 I = hf / L Dermed blir Manning-formelen: hf = 10.3 L Q2 / (M2 D16/3) Husk at singulærtap kommer i tillegg: hs = x v2 / 2g = x Q2 / (p2 D4 g) BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Ruhetsparametre Typiske ruhetsparametre for beregning av friksjonstapet hf i rørledninger: rørmaterial Mannings ruhet M [m1/3/s] metall (ny, glatt) 110 metall (drift) 100 fasersement 100 betong (glatt) 90 betong (støpt) 80 fjelltunnel 40 BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Singulærtapskoeffisienter Typiske tapskoeffisienter x for beregning av singulærtap hs i rørledninger og -armaturer: lednings- taps- element koeffisient x [-] 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 BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

Fremgangsmåte ved nettdimensjonering I 1. Velg topografisk beliggenhet (sted, nivå) til ledninger. 2. Velg alle nettparametre, dvs. D, k eller M, L, hgeo 3. Sammenstill alle kjente, estimerte hhv. nødvendige vannføringer, dvs. Qinn, Qlekk, Qforbruk (belastningsscenario) 4. Formuler ytterlige belastningsscenarier (dagens, fremtidige) 5. Sammenstill alle kjente hhv. nødvendige trykkhøyder, dvs. hinn, hmaks > hforbruk > hmin BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

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. BM5 2002 VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk