Innføring i VA-teknikk Avløpsteknikk Vannforsyningsteknikk

Presentasjon om: "Innføring i VA-teknikk Avløpsteknikk Vannforsyningsteknikk"— Utskrift av presentasjonen:

1 Innføring i VA-teknikk Avløpsteknikk Vannforsyningsteknikk
Oversikt Innføring i VA-teknikk Avløpsteknikk Vannforsyningsteknikk BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

2 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

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

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

5 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

6 Ferskvannsressursser per person i Europa
BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

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

8 Vann og avløp i Norges vannbalanse
BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

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

10 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) BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

11 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). BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

12 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

13 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

14 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

15 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

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

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

18 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 ] BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

19 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 ! BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

20 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. BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

21 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 = l/s.ha, eller Qinf = l/s.km, eller Qinf = Qs BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

22 IVF-kurve Bærum Vestli
BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

23 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

24 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

25 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

26 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) BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

27 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

28 Dimensjonering av avløpsnett II
5. For hvert delfelt oppstrøms av knutepunkt j bestem / beregn: - konsentrasjonstid tkj = tk,j 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

29 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

30 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 % (vanning, eget behov) Qt lekkasjer og sløsing % (nye anlegg %) Qbr..... behov for brannslokking l/s (avhengig av brannrisiko) Tommelfingertall for dimensjonering: QT = 600 l/pe.d BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

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

32 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, ,1) - tap og sløsing (t = 0, ,2) 4. Beregn gjennomsnittlig døgnproduksjon: Qd = Q´d / (1 - a - t) BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

33 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

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

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

36 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

37 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 = L Q2 / (M2 D16/3) Husk at singulærtap kommer i tillegg: hs = x v2 / 2g = x Q2 / (p2 D4 g) BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

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

39 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

40 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 BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk

41 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. BM VA-Prosjektering Institutt for Vann og miljøteknikk