VANDENTVARKOS SISTEMŲ OPTIMIZAVIMAS...Vandentvarkos sistemų optimizavimas 1. Optimzavimo metodologija Bet kurio dalyko, tarp jų ir vandentvarkos, tyrimas, siekiantis surasti geriausią

Vilniaus Gedimino technikos universitetas

Vandentvarkos katedra

VANDENTVARKOS SISTEMŲ OPTIMIZAVIMAS

Paskaitų konspektas (dalis kurso)

Paruošė: doc. dr. M. Rimeika

2006 m. rugsėjis

Vilnius

Vandentvarkos sistemų optimizavimas

1. Optimzavimo metodologija Bet kurio dalyko, tarp jų ir vandentvarkos, tyrimas, siekiantis surasti geriausią

jo plėtojimo ar tobulinimo sprendimą, turi būti grindžiamas bendrąja sistemų teorija bei sisteminiu požiūriu ir sistemine analize.

Bendroji sistemų teorija nustato teorines ir metodologines prielaidas, kuriomis remiasi sisteminis mąstymas, ir nustato tam tikras metodologines mokslinio tyrimo taisykles, leidžiančias optimaliai įvertinti tiriamąjį objektą. Pagal šią teoriją, kiekvienas tiriamasis objektas nagrinėtinas kaip sudėtinių dalių sistema ir, kartu, platesnės sistemos dalis. Toks požiūris leidžia tyrinėtojui įžvelgti objekto vientisumą, atskleisti įvairiapusius jo vidinius bei išorinius ryšius, apčiuopti teorinį jų vaizdą ir yra universalus. Bet kuris nagrinėjamas objektas visada yra jo vidinių elementų – posistemių – visuma ir, kartu, tam tikros didesnės, daugiau objektų apimančios sistemos dalis, vienaip ar kitaip susijusi su kitomis jos dalimis. Štai miesto vandentiekis, pats būdamas sistema (ją sudaro posistemiai: imtuvas, ruošykla, talpyklos, siurblinės, tinklas ir t.t.), yra talpesnės sistemos – vandentvarkos – dalis. Pastaroji, savo ruožtu, yra miesto ūkio dalis, tas – regioninės ūkio ir aplinkos sistemos dalis ir t.t. Iš to seka, kad apie kurio nors objekto tam tikrų pakeitimų tikslingumą galima spręsti tik atsižvelgus į jų poveikį kitiems tą objektą apimančios sistemos elementams. Kita vertus, posistemiai susiję vienas su kitu: vienas kitą veikia ir vienas nuo kito priklauso. Atskirų sistemos dalių savybės apskritai priklauso nuo sistemos, o pastarosios savybės – nuo posistemių savybių.

Todėl pirmasis tyrimo žingsnis – sisteminė analizė. Pagrindinė jos procedūra –apibendrinto teorinio vaizdinio, atitinkančio tikrovės aplinkybes ir elementų tarpusavio ryšius, sudarymas. Visų pirma, reikia tiksliai atskirti nagrinėjamą sisteminį objektą nuo kitų talpesnės sistemos posistemių, aiškiai nubrėžiant jo ribas. Kartu reikia įvertinti atskiriamojo objekto ryšius su likusiais talpesnės sistemos elementais (juos galima vadinti išoriniais nagrinėjamo objekto ryšiais), atmetant tik tuos, kurių negalima vienareikšmiškai aprašyti. Tada nagrinėjamasis sisteminis objektas turi būti dalomas į posistemius, turinčius aiškiai nusakomus tarpusavio ryšius (vidiniai objekto ryšiai). Posistemiai, savo ruožtu, skaidomi į dar smulkesnes savarankiškas dalis, pasižyminčias tam tikrais ryšiais su kitomis objekto dalimis. Taip skaidoma iki nedalių (tik tiriamo klausimo atžvilgiu, nes apskritai skaidymas gali būti mažne beribis) reikšmingų elementų. Apibrėžiant visų jų ryšius gaunama daugiapakopė vientisa struktūrinė schema, vaizduojanti, kaip kurios nors dalies pokyčiai paveikia kitas dalis ir visumą, bei kaip nagrinėjamąjį objektą paveikia besiribojančių sistemų pokyčiai, o objekto pokyčiai – tas sistemas.

Matematinėmis priemonėmis išreiškus struktūrinės schemos ryšius (išorinius ir vidinius) gaunamas nagrinėjamojo objekto matematinis modelis. Jo privalumas, lyginant su natūriniu modeliu ar įrenginiu, tas kad jame labai lengvai galima daryti įvairius pakeitimus, tarp jų ir tokius, kurie neįmanomi natūroje, tačiau būtini objekto galimybėms įvertinti. Antra vertus, matematiniu modeliu galima tirti tik tuos objekto parametrus, kurių matematinis aprašas atitinka originalo elgseną, todėl prieš naudojamas praktiniams sprendiniams gauti, modelis turi būti tikrinamas (vadinamasis modelio adekvatumo tikrinimas) pagal žinomus originalo parametrus.

Parinkus optimizavimo kriterijus ir apribojimus, leidžiančius pritaikyti modelio analizės rezultatus realioms sistemoms, tam tikra – programavimu vadinama – metodika matematinis modelis paverčiamas skaičiavimo priemonėmis (paprastai

1


kompiuteriais) išsprendžiama lygčių bei nelygybių sistema, kurios ekstremumai parodo geriausius nagrinėjamo objekto ar jo veikimo parametrus.

2. Vandens reikšmė civilizacijos ir gamtinės aplinkos ryšiams Žmogaus reikmėms tenkinti sukurtoji materialinė gamyba ir gamtinė aplinka

sudaro vieningą sistemą – technobiogeocenozę. Ji susideda iš 4 pagrindinių posistemių: civilizacijos, atmosferos, litosferos ir hidrosferos (įskaitant požeminius vandenis). Posistemiai susiję.

Civilizacija pasireiškia gavybos, gamybos ir vartojimo procesais. Pirmuosiuose iš gamtinės aplinkos imami įvairūs materijos (tarp jų ir vanduo) ir energijos ištekliai – žaliava gamybai; antruosiuose iš žaliavos gaminama žmogui reikalinga produkcija; trečiuosiuose produkcija, suteikdama naudą ir sudarydama sąlygas žmogui gyvuoti, virsta atliekomis arba antrinėmis žaliavomis.

Atmosferos, litosferos ir hidrosferos dalis, kurioje gali egzistuoti gyvi organizmai, vadinama biosfera. Kadangi žmogus pats yra biosferos subjektas, mums ypač svarbi jos ir civilizacijos sąveika. Civilizacija, naudodama atmosferos, litosferos ir hidrosferos išteklius, kartu daro keleriopą žalą aplinkai: užima teritorijas (pvz., statiniams, sandėliavimui), išspinduliuoja energijos likučius, išskiria įvairias gamybos ir vartojimo atliekas (dujines į atmosferą, skystąsias į hidrosferą, kietąsias į litosferą), tarp jų ir medžiagas, kenksmingas biosferos subjektams, taigi ir pačiam žmogui.

Technobiogeocenozė linkusi nusistovėti, tačiau yra atvira ir jos būklę nulemia iš gamtinių posistemių imamas arba į juos įnešamas tam tikras medžiagos ir energijos kiekis, susijęs su civilizacijos procesais. Ypatingą reikšmę posistemių medžiaginiams ryšiams turi vanduo. Dėl neprilygstamos tirpinimo gebos (tirpinamų medžiagų įvairumu vanduo nurungia visus kitus tirpiklius) ir nuolatinės apykaitos (telkinys – garai – krituliai – paviršinis ir požeminis nuotėkis – telkinys), vanduo skatina medžiagų mainus tarp posistemių, kartu padėdamas kenksmingosioms civilizacijos išskyrų medžiagoms – teršalams – sklisti bei kauptis gamtinėje aplinkoje.

Antra vertus, be vandens neįmanomas joks civilizacijos procesas ir net gyvybė apskritai. Todėl vanduo vartojamas gausiai; dar visai neseniai – prieš kokius dvidešimt metų – vartojimo gausumu net buvo didžiuojamasi, laikoma kultūringumo požymiu. Vartotas vanduo tradiciškai būdavo laikomas vartojimui nebetinkamu ir tetarnaudavo priemone atsikratyti atliekomis. Ilgainiui paaiškėjo, kad tarp nuplukdytų į hidrosferą teršalų (taip pat ir bet kokiu pavidalu į atmosferą ar litosferą patenkančių, žmogaus reikmes tenkinant susidariusių, atliekų) ir gamtinio vandens savybių egzistuoja glaudus ryšys; gamtiniame vandenyje atsirado priemaišų (tarp jų ir nepageidautinų ar net žalingų), galėjusių patekti ten tik iš atliekų ar nuotėkų. Tai privertė kitaip pažiūrėti į anksčiau savarankiškomis laikytas vandens tiekimo ir nuotėkų šalinimo sistemas. Jos susiję ne tik tuo, kad kur baigiasi vandentiekis, ten prasideda nuotakynas, bet ir tuo, kad kur nuotėkos išleidžiamos, prasideda vandens vartojimas, t.y. kokias nepageidautinas priemaišas suleisime į vandenį su nuotėkmis, tokias turėsime išimti iš jo, ruošdami vandenį vartojimui. Akivaizdu, kad abi minėtosios sistemos yra vieno, žmogaus reikmes tenkinančio, vandens apytakos rato dalys. Žmogaus poreikiams sudaromus dirbtinius hidrologinius ciklus ir su jais susijusius gamtinius vandenis tvarkanti technikos šaka vadinama vandentvarka.

2


3

Kiekybinės mitybos sąlygos: Kritulių kiekis, režimas Nuotėkio koef., sugerties koef. Hidrogeologinės sąlygos

Vandens telkinys

Kokybinės mitybos sąlygos: Kraštovaizdis Taršos šaltiniai: pasklidi, sutelkti Hidrogeologinės sąlygos: sluoks-nių tirpumas, nelaidumas

Vandens naudotojai Gyvūnija ir augalija

Imamas vanduo

Vandentiekis

Vartotojas

Gamtinis vanduo

Kiekis ir kokybė Kiekis ir kokybė

Konstrukcinės savybės Vadyba


Vanden- tvarkos

objektas

Gamtinė aplinka

Urbanistinė aplinka

Energetika

Gamyba

Susisiekimas

Sanitarija

Ekonominė politika

Valdymas

Pav. Svarbesnieji vandentvarkos objekto ryšiai su gretimomis sistemomis – išoriniai ryšiai

Kiekybė

Kokybė Technologija

Konstrukcinės savybės

Ekonomika

Personalas Vadyba

Pav. Svarbesnieji vandentvarkos objekto vidiniai sisteminiai apribojimai

4


Vandens vartotojai

Nuotėkų šalintuvas

Gamtinis vanduo

Kiekis ir kokybė Kiekis ir kokybė

Konstrukcinės savybės Vadyba

5


3. Vandentvarkos struktūra Vandentvarka jungia į vieną sistemą keturias sritis: vandens vartojimą (ne

gamtinio slūgsojimo vietose) bei naudojimą (gamtiniuose telkiniuose), vandentieką (vartotojų aprūpinimą vandeniu), nuotėkų šalinimą (vartoto bei kritulių vandens sudorojimą) ir gamtinius vandens telkinius (vandentiekos šaltinius bei nuotėkų rinktuvus).

Vandens telkiniai yra bet kurios vandentvarkos sistemos pradžia ir pabaiga. Vandentiekos šaltinis gali būti tiek paviršinio, tiek požeminio vandens telkinys (pastarasis dėl sanitarinio patikimumo dažniau naudojamas geriamojo vandens vandetiekiams).

Imtuve (pritaikytame prie šaltinio savybių) įrengtais siurbliais šaltinio vanduo priverčiamas tekėti į ruošyklą, kur, pagal vartotojų norus ar priežiūros įstaigų reikalavimus, iš jo pašalinamos tam tikros priemaišos. Pastarosios nuplukdomos į nuotakyną arba apdorojamos taip, kad būtų galima gabenti ir sandėliuoti sąvartyne. Paruošto vandens atsargos laikomos švaraus vandens rezervuaruose, iš kurių, ir vėl siurbliais, tiekiamas į vandentiekio tinklą, kuriuo atiteka į kiekvieną vartojimo vietą. Mažesniuose vandentiekiuose tiekimui reguliuoti bei atsargoms laikyti įrengiami vandenbokščiai.

Nuotėkoms nubėgti įrengiamas nuotakynas, kuriuo jos (tai savitaka, tai siurbliuojamos) susrūva į valyklą. Čia pašalinami teršalai, dėl kurių vanduo tapo nuotėkomis. Atskirtieji teršalai apdorojami, kad tiktų gabenti, sandėliuoti arba panaudoti. Valytos nuotėkos grąžinamos vartoti (į ruošyklą), pilamos atgal į gamtinius vandenis (paprastai paviršinius) arba išliejamos dirvos paviršiuje, kad susigertų.

Vandentiekio įrenginių dydį ir (iš dalies) sudėtį lemia vartotojų reikmės bei reikalavimai, nuotėkų šalintuvų – naudotojų bei vartotojų reikalai ir aplinkos apsaugos tarnybos reikalavimai.

4. Vandentvarkos posistemių ryšiai su gamtiniais vandenimis Vandentvarkos elementus ir posistemius vienija gamtiniai vandens telkiniai.

Telkinių vandens savybes formuoja tiek natūralieji, tiek antropogeniniai veiksniai, iš kurių savo paveikumu išsiskiria nuotėkų supylimas ir agrocheminių priemonių naudojimas. O nuo gamtinio telkinio – vandentiekos šaltinio – vandens savybių priklauso ruošimo technologija, vartojamos medžiagos, įrenginiai, ruošyklos sudėtis ir, kartu, paruošto vandens kaina.

Nuotėkos valomos, tačiau tai neatstato pirmykščių (turėtų šaltinyje) vandens savybių. Išleidžiamų valytų nuotėkų atmiešimas paviršiniu vandeniu ir telkinyje vykstantieji savaiminio valymosi procesai toliau švarina vandenį, bet pasroviui (prie nuotėkų rinktuvo) įsikūrusiam kaimyniniam miestui tenka vartoti ne visiškai tyrą vandenį (jo dalis jau buvo vartota). Tos pačios upės baseine įsikūrusių miestų vandentieka yra netiesiogiai kartotinė.

Naudojant lėtai atsinaujinančių telkinių – tvenkinių, ežerų – vandenį, tenka kruopščiau išvalyti nuotėkas, įrengti papildomąjį valymą, apsaugantį telkinius nuo jų vandens naudojimą apsunkinančio augmenijos suvešėjimo ir jo padarinių. Papildomai valytų nuotėkų savybės nedaug kuo skiriasi nuo paviršinių gamtinių vandenų savybių, todėl atsiranda apytakinių dirbtinių hidrologinių ciklų sudarymo galimybė; gerai

6


išvalytos nuotėkos (vienos ar atmieštos gamtiniu vandeniu) ruošiamos vartojimui ir tiekiamos vartotojams kaip vandentiekio vanduo. Daugelyje pramonės įmonių taip ir daroma. Tačiau valytų nuotėkų naudojimas buitinėms reikmėms tenkinti susijęs su rizika pakenkti žmonių sveikatai, nes tame vandenyje gali būti išlikę sunkiai pastebimų virusų, toksinų. Be to, apytakiniame vandenyje tolydžio gausėja druskų ir papildomai tenka jas šalinti. Ir vis dėlto, sausringuose Žemės rajonuose jau yra miestų su apytakiniais komunaliniais vandentiekiais.

5. Įmonės struktūra vandentvarkos požiūriu Pagal vandens vartojimą, nuotėkų susidarymą ir poveikį gamtiniams

vandenims, kiekvienoje įmonėje galima įžiūrėti tris struktūrines grupes: gamybą, pagalbines sistemas ir šalutinius produktus. ŽA

LIAV

OS

GAMYBA PAGALBINĖS

PRIEMONĖS ŠALUTINIAI PRODUKTAI

GA

MIN

IAI

Gamybos grupėje vandentvarkai svarbūs šie vyksmai (žr. schemą kitame puslapyje): žaliavų transpor-tavimas (tiek išorinis, tiek vidaus) ir sandėliavimas (dažnai naudojamas hidraulinis transportavimas, pvz., runkelių cukraus fabrikuose, dėl kurio susidaro labai užterštų nuotėkų, arba atviras sandėliavimas, užteršiantis lietaus nuotėkas), žaliavų paruošimas (dažnai susijęs su plovimu), gamybiniai vyksmai (vanduo

naudojamas kaip pagalbinė priemonė, pvz., gaminant popierių, arba kaip žaliava, pvz., gaminant alų), produkcijos sandėliavimas, transportavimas (neįpakuotas gaminys teršia lietaus nuotėkas).

Kiekvienoje įmonėje apstu pagalbinių sistemų, kurioms reikia vandens ir kurios kartu yra nuotėkų atsiradimo šaltiniai. Tai kompresorinės, katilinės, šalčio ūkiai, vėdinimo bei oro kondicionavimo įrenginiai, remonto barai, buitinės patalpos, vandenruošos ūkis (kai gamybos vyksmams reikia ypatingų savybių vandens, pvz., neturinčio kietumo druskų, arba kai įmonė apsirūpina vandeniu savarankiškai, o ne iš miesto vandentiekio), transporto priemonių ūkis.

Didžiausią poveikį gamtiniams vandentvarkos elementams daro šalutiniai gamybos produktai. Jiems priskiriama: paviršinės nuotėkos, transportiniai (hidraulinio transportavimo) vandenys, žaliavų bei produkcijos nuoplovos, nuotėkos iš gamybinių vyksmų, gamybinės atliekos (skystos, kietos), avarinės išlajos ir gamybinės nuoliejos, periodiškai ištuštinamų įrenginių turinys (pvz., išsieikvoję tirpalai ), įrenginių ir patalpų paplavos, pagalbinių sistemų atliekos (pvz., koštuvų paplavos, aušinimo vanduo).

7


8


6. Vandentvarkos sistemų plėtojimosi polinkiai Vis sunkiau rasti vartojimui tinkamo (neruošus) gamtinio vandens.

Naudojamuose šaltiniuose atsiranda nebūtų nepageidaujamų ar net kenksmingų priemaišų. Dėl to gausėja vandens ruošyklų, sudėtingėja jų technologija. Kartu atsiranda naujų – paprastesnių ir veiksmingesnių – technologijų. Technologinių vandenruošos įrenginių ir procesų priežiūra automatizuojama ir kompiuterizuojama, dėl ko ji darosi tikslesnė ir patikimesnė.

Vandentiekio tinklas aprūpinamas informaciniais įtaisais, leidžiančiais operatyviai reguliuoti jo veikimą, išvengti didesnių vandens ištėkių. Siekiama pailginti vandentiekio vamzdynų veikimo amžių, įvelkant apsauginius apvalkalus arba darant juos iš atsparesnių medžiagų. Siekiama išvengti vamzdyno įtakos vandens kokybei padengiant vidinį vamzdžių paviršių neutraliu vandeniui sluoksniu. Plinta panardinamųjų siurblių naudojimas. Siurblių veikimas vis tiksliau (automatinio valdymo priemonėmis) derinamas prie vartojimo, sutaupant energijos. Dispečerinė vandens tiekimo priežiūra kompiuterizuojama.

Atsiradus nepereinamų nuotakų apžiūros priemonėms (vamzdynų televizija), ėmė plisti neatkasamojo atstatymo technologijos. Ir nuotakyne plinta panardinamieji siurbliai, keisdami siurblinių sudėtį ir konstrukciją.

Reikalavimai išleidžiamoms į gamtinius vandens telkinius valytoms nuotėkoms griežtėja, todėl miestų valykloms nebeužtenka tradicinio biologinio valymo; reikia papildomojo valymo, mažinančio mitybinę ištakio vertę ir telkinių eutrofikaciją. Atsirado veiksmingų operatyviosios biologinių vyksmų priežiūros metodų. Vandenvalos procesai automatizuojami, priežiūra kompiuterizuojama. Atsiranda naujų, veiksmingesnių technologijų, įrenginių.

Dumblo apdorojimas išlieka tradicinis – pastovinimas ir sausinimas. Pastovinimui vis daugiau naudojamas rauginimas, suvartojamos rauginant pasigaminančios dujos. Daugiau dėmesio skiriama cheminei dumblo sudėčiai kontroliuoti, nes dumblas virsta kenksminga pramonine atlieka, mažėja dumblo panaudojimo galimybės.

Pramoninėje vandentvarkoje tolydžio siaurinami jos ryšiai su hidrosfera – pradedant kartotiniu vandens naudojimu ir apytakiniais vandentiekiais, baigiant mažavandene ar visai bevandene gamyba. Tačiau šios krypties galimybės ribotos. Struktūrinė analizė rodo, kad pramonėje paprastai vanduo vartojamas aušinimui (didžiausias kiekis), technologijai, įrenginiams ir patalpoms prižiūrėti, pagalbinėms sistemoms (šilumos, garo, oro ruošimo ir kt. ūkiams). Dauguma tų vyksmų (išskyrus aušinimą ir vieną kitą technologinį vyksmą) apskritai negali būti paversti bevandeniais. Antra vertus, egzistuoja medžiaginis gamybos ryšys su hidrosfera ir litosfera per žaliavų ar atliekų sandėliavimo vietas, kurį intensyvina atmosferiniai krituliai. Be to, dalis teršalų patenka į atmosferą ir, kritulių išskalauti iš jos, su paviršinėmis nuotėkomis vis tiek atsiduria hidrosferoje. Todėl pramoninė vandentvarka gali tobulėti tik kartu su gamybos technologija, siekiančia kuo geresnio materialiųjų gamybos išteklių sunaudojimo ir šalutinių gamybos produktų rekuperavimo bei paruošimo utilizavimui susidarymo vietose.

9


7. Tipiškos vandentiekos schemos Vandentiekos schemos priklauso nuo vandens šaltinio, vartotojų reikalavimų ir

skiriasi viena nuo kitos elementų gausumu bei pobūdžiu. Kuo geriau šaltinio vandens savybės atitinka vartotojų reikalavimus, tuo paprastesnė būna schema.

Paprasčiausia schema, kai vartotoją patenkina natūralus gamtinis vanduo. Ją sudaro vandens imtuvas, siurblinė, talpykla ir vamzdynas (vadinamasis vandentiekio tinklas). Jei vanduo tiekiamas gerti, maistui ruošti ,reikia dar ir dezinfekavimo įrenginių, apsaugančių nuo epidemijų. Pagrindiniai vyksmai: vandens ėmimas, bėgdinimas vartotojui, tiekimo reguliavimas bei atsargų laikymas, vandentiekio įrenginių priežiūra. Schemos elementai susiję su tokiais besiribojančių sistemų vyksmais: vandens telkinio mityba, elektros energijos tiekimu, urbanistika. Dezifekavimas siejasi su dezinfekcinių priemonių gamyba, pristatymu, sandėliavimu.

Kai šaltinio vandens savybės netenkina vartotojo, aukščiau aprašytoji schema papildoma vandens ruošykla. Požeminio vandens vartotojų dažniausiai netenkina kai kurių ištirpusių dujų (paprastai anglies dvideginio ar vandenilio sulfido), geležies bei mangano perteklius ir perdaug didelė mineralizacija. Vandens ruošėjams dar tenka rūpintis deguonies tirpinimu, vandens pastovinimu. Trūkstant požeminio vandens, kartais jis dirbtinai papildomas paviršiniu. Pagrindiniai požeminio vandens ruošimo vyksmai: aeravimas (tinka kaip deguoniui tirpinti, taip ir dujoms šalinti), katalitinis bei biologinis košimas (geležiai bei manganui šalinti), minkštinimas bei druskų šalinimas (mineralizacijai mažinti), pastovinimas (korozinei ir nuosėdinei gebai silpninti), ruošimo įrenginių regeneravimas (koštuvų plovimas, jonų mainų gebos atstatymas ir kt.), reagentų sandėliavimas ir tirpalų ruošimas, vartotų regeneravimo priemonių (paplavų, nuosėdų, regenerantų ir kt.) apdorojimas ir gabenimas, ruošyklos įrenginių priežiūra. Kai naudojama dirbtinė mityba, prisideda gerdinimas (infiltravimas), maitinamojo vandens ruošimas, gerdinimo baseinų regeneravimas. Ruošyklos elementai susiję su tokiais besiribojančių sistemų vyksmais: energijos tiekimas, urbanistika, reagentų gamyba ir gabenimas, technologinių medžiagų (košiamųjų užpildų, jonitų, membranų ir pan) gamyba ir gabenimas, aplinkos apsauga.

Paviršinio vandens vartotojų dažniausiai netenkina drumstumas, o tiekiant vandenį buitinėms reikmėms, dar ir spalvingumas, įvairios mikropriemaišos (blogo skonio, dvokios, nuodingos), bakterijos. Tokia ruošykla būna sudėtingiausia, nes nėra technologijos, kuri gebėtų viena pašalinti visas nepageidaujamas priemaišas, ir tenka naudoti ištisą kompleksą. Pagrindiniai paviršinio vandens ruošimo vyksmai: skaidrinimas (paprastai keliapakopis vyksmas, susidedąs iš krekinimo bei dribsniodaros, nusodinimo ir košimo), oksidavimas (organinės kilmės priemaišoms pašalinti), sugertis (priemaišų likučiams šalinti), dezinfekavimas, ruošimo įrenginių regeneravimas (nuosėdų išleidimas, koštuvų plovimas, geriamosios gebos atstatymas ir kt.), reagentų sandėliavimas ir tirpalų ruošimas, vartotų regeneravimo priemonių paplavų, nuosėdų, regerantų ir kt.) apdorojimas ir gabenimas, ruošyklos įrenginių priežiūra. Ruošyklos elementai susiję su tokiais besiribojančių sistemų vyksmais: energijos tiekimas, urbanistika, reagentų gamyba ir gabenimas, technologinių medžiagų (košiamųjų užpildų, sugėriklių, membranų ir pan) bei įrengimų gamyba ir gabenimas, gamtinė vandens apytaka, aplinkos apsauga.

10


8. Tipiškos nuotėkų šalinimo schemos Nuotėkų šalintuvo elementų gausumą ir įvairumą lemia nuotėkų rūšis, savybės

ir reikalavimai išleidžiamoms iš šalintuvo nuotėkoms. Šalinimo schemos požiūriu, nuotėkos yra dviejų rūšių: švariosios (jas galima suleisti į rinktuvą neapdorotas) ir užterštosios (prieš supilamos į rinktuvą turi būti valomos).

Švariųjų nuotėkų šalintuvas susideda iš nuotakyno (požeminio vamzdyno nuotėkoms bėgdinti) ir išleistuvo. Paprastai nuotėkos nenubėga pačios į paskirties vietą, tad tenka įrengtidar ir siurblines. Paviršinių nuotėkų debitams mažinti gali būti įrengiami reguliuojamieji rezervuarai. Pagrindiniai vyksmai: nuotėkų surinkimas, bėgdinimas iki išleistuvo, suleidimas į rinktuvą, nuotakyno (t.p. siurblinių, reguliuojamųjų rezervuarų) priežiūra ir, jei reikia, nuotėkų debito reguliavimas. Šalintuvo elementai susiję su tokiais besiribojančių sistemų vyksmais: energijos tiekimas, urbanistika, gamtinė vandens apytaka, aplinkos apsauga.

Užterštųjų nuotėkų šalintuve, be aukščiau išvardintų elementų, dar yra nuotėkų valykla, šalinanti teršalus (nuotėkų priemaišas, nepageidaujamas rinktuve). Valyklos elementų skaičius priklauso nuo valytinų nuotėkų cheminės sudėties, debito ir rinktuvo reikalavimų. Dažniausiai nuotėkos suleidžiamos į paviršinio vandens telkinį; jų sudėtis turi atitikti gamtosauginius reikalavimus. Rečiau (paprastai pramonės įmonėse) jos naudojamos gamybiniam vandeniui ruošti; tada nuotėkų sudėtis turi atitikti žaliam vandeniui keliamus reikalavimus.

Pagrindiniai nujotėkų valymo vyksmai: mechaninis, kai kada dar cheminis, valymas (stambesnių priemaišų atskyrimas), biologinis valymas (įvairios būsenos organinių priemaišų skaidymas ir skaidymo produktų atskyrimas), papildomasis valymas (azoto, fosforo, skendinčiųjų medžiagų ir kt. pertekliaus šalinimas), baigiamasis apdorojimas (dezinfekavimas, aeravimas ir pan.), dumblo apdirbimas (sudėtinis vyksmas, susidedąs iš rauginimo, ruošimo, sausinimo ir kt.) ir gabenimas į sandėliavimo vietą, įrenginių priežiūra. Valyklos elementai susiję su tokiais besiribojančių sistemų vyksmais: energijos tiekimas, urbanistika, reagentų gamyba ir gabenimas, technologinių medžiagų (košiamųjų bei mikroorganizmus palaikančių užpildų, sugėriklių ir pan) bei įrengimų gamyba ir gabenimas, aplinkos apsauga.

9. Pagrindiniai vandentvarkos vyksmų parametrai Kiekvieną vyksmą nusako tam tikri parametrai – veiksniai, pagal kurių (arba

jų kompleksų) dydį sprendžiame apie proceso veiksmingumą. Juos galima suskirstyti į nepriklausomuosius ir valdomuosius.

Nepriklausomiesiems priskirtini parametrai, kurių dydį lemia besiribojančių su vandentvarka sistemų (vadinamieji išoriniai apribojimai) arba gretimi pačios vandentvarkos vyksmai (vadinamieji vidiniai apribojimai). Pavyzdžiui, imamo vandens kiekį nustato vartotojų reikmės, geometrinį siurbliavimo aukštį – urbanistiniai sprendiniai.

Valdomiesiems priskirtini parametrai, pasirenkami eksploatuojant ar projektuojant; pvz., siurblių slėgis arba vamzdyno skersmuo. Optimizavimui svarbiausi pastarieji, tačiau reikia turėti galvoje, kad kintant optimizuojamos sistemos riboms, nepriklausomasis parametras gali tapti valdomuoju (pvz., tiekiant vandenį iš kelių vandenviečių, kiekvienos jų našumas yra pasirenkamas dydis) ir atvirkščiai. Antra vertus, valdomųjų parametrų dydžio kaitaliojimo sritis ribota (kad ir dėl

11


konstrukcinių sumetimų). Kiekvienam optimizuojamam objektui turi būti sudaroma gerai apgalvota, išsami parametrų aibė, atitinkanti nagrinėjamo objekto ribas.

Štai kai kurių vyksmų pagrindininiai nepriklausomieji ir valdomieji parametrai.

Požeminio vandens ėmimas: • Nepriklausomieji parametrai – vandens kiekis, vandeningojo sluoksnio

storis, filtracijos koeficientas, pjezolaidumo koeficientas, geometrinis siurbliavimo aukštis ir kt.

• Valdomieji parametrai – gręžinių skaičius, išdėstymas, skersmuo, slūgio dydis, siurblio naudingumo koeficientas, vienetinės energijos sąnaudos.

Vandens ruošimas: • Nepriklausomieji parametrai – naudingasis ruoštino vandens kiekis,

pradinė priemaišos koncentracija, baigtinė priemaišos koncentracija, žalio vandens šarmingumas, temperatūra, atskiriamų priemaišų savybės, vartotojų reikalavimai.

• Valdomieji parametrai – vandens sąnaudos ruošykloje, įrenginių skaičius, reagento dozė, vandens apdorojimo sparta, įrenginio regeneravimo intensyvumas, trukmė, būdas, vienetinės energijos sąnaudos.

Vandens tiekimas: • Nepriklausomieji parametrai – naudingasis vandens kiekis, geodezinis

siurbliavimo aukštis, laisvasis slėgis kritiniame taške, grunto savybės, įšalo gylis, vartotojų išsidėstymas.

• Valdomieji parametrai – tinklo konfigūracija, skersmenys, siurblių slėgis, našumas, naudingumo koeficientas, vandens sąnaudos tinklui prižiūrėti, tiekimo zonų skaičius, vamzdžių medžiaga, tiesimo būdas, vienetinės energijos sąnaudos.

Nuotėkų surinkimas ir bėgdinimas: • Nepriklausomieji parametrai – nuotėkų kiekis, nuotėkų šaltinių

išsidėstymas, grunto savybės, klimato savybės, nuotėkų rinktuvų išsidėstymas, nuotėkų susidarymo netolygumas.

• Valdomieji parametrai – nuotakyno konfigūracija, nuotakų medžiaga, skersmenys, siurblinių skaičius, vieta, naudingumo koeficientas, tiesimo būdas, vienetinės energijos sąnaudos

Nuotėkų valymas: • Nepriklausomieji parametrai – nuotėkų kiekis, pritekėjimo netolygumas,

pradinė teršalo koncentracija, baigtinė teršalo koncentracija, nuotėkų temperatūra, teršalų savybės, reikalavimai valytų nuotėkų savybėms.

• Valdomieji parametrai – valykloje susidarančių nuotėkų kiekis, įrenginių skaičius, nuotėkų apdorojimo trukmė, vienetinės energijos sąnaudos.

12


10. Technologinių parametrų sąsajos Pagrindiniai bet kurio technologinio įrenginio parametrai ir daugelis jų sąsajų

pateikiami vadovėliuose bei specialiojoje, tam tikrai vandentvarkos sričiai ar įrenginiui skirtoje, techninėje literatūroje. Pvz., horizontaliojo nusodintuvo plotas siejamas su našumu ir nusodinamų dalelių hidrauliniu stambumu priklausomybe

įro

ruošnaud

nu,QQ

kA63+

= ,

kurioje daugiklis k įvertina kai kurių kitų parametrų (ilgio, gylio, proporcijų,vidutinio tekėjimo greičio ir kt.) įtaką.

Parametrų ryšio išsamumas priklauso nuo optimizavimo užduoties. Kai, pvz., ieškoma geriausio įrenginio drumzlėms nusodinti, horizontaliajam nusodintuvui apibūdinti gali užtekti ir čia pateiktos formulės. Tačiau norint tobulinti patį nusodintuvą, būtina nuodugniau aprėpti jo veiksmingumui įtakos turinčius parametrus, visų pirma nustatant priklausomybę k = f(l, h, v), vandens paskirstymo bei surinkimo įtaisų, temperatūros įtakas ir kt. Šių priklausomybių reikia ieškoti mokslinėje literatūroje arba ištirti jas eksperimentiškai.

Antra vertus, joks vandentvarkos elementas neveikia savarankiškai; pakeitus vieno jų darbo tvarką, tai atsilieps ir kitiems. Pvz., padidinus iš gręžinio imamą vandens kiekį, neišvengiamai padidės vienetinės energijos sąnaudos (dėl siurbliavimo aukščio padidėjimo, susijusio su didesniu vandens slūgiu) ir bendras energijos vartojimas, o dėl to gali tekti pertvarkyti elektros ūkį. Arba, pagerinus skendinčiųjų medžiagų atskyrimą nusodintuve, padidėja šalinamų nuosėdų kiekis (ypač pavartojus reagentus), prireikia pajėgesnių įrenginių joms šalinti, apdoroti. Kadangi bendrasis optimizavimo rezultatas priklauso nuo pokyčių visumos, būtina įvertinti ir nagrinėjamo elemento parametrų ryšius su gretutinių elementų parametrais.

11. Natūrinės informacijos rinkimas Natūriniai tyrinėjimai vertingi tuo, kad parodo realias veikiančio technologinio

objekto galimybes ir leidžia, nenaudojant eksperimentinių įrenginių, nustatyti kai kurių parametrų ryšius. Juos atliekant reikia laikytis tam tikrų taisyklių, nuo kurių priklauso tyrinėjimų nauda:

13


• išsiaiškinama tiriamojo objekto (įrenginio, ruošyklos, valyklos, tinklo, siurblinės ar pan.) technologinė reikšmė vandentvarkos schemoje;

• dar kartą apsvarstomas ir patikslinamas tyrinėjimų tikslas; • išnagrinėjama tiriamojo objekto projektinė technologinė schema ir jo ryšiai

su gretimais sistemos elementais; • išsiaiškinami sistemos pakeitimai, padaryti eksploatuojant objektą, ir jų

technologinė prasmė; • studijuojama eksploatacinė technologinė informacija apie objekto bei su

juo susijusių gretimų elementų veikimo parametrus ir ieškoma rūpimų parametrų ryšio; visi vandentvarkos objektai jautrūs metų laikams, todėl studijuojant eksploatacinę informaciją būtina grupuoti parametrų reikšmes atsižvelgiant į sezoniškumą;

• nustatoma tiriamojo objekto konstrukcijų, įrengimų, kontrolinių matavimo, valdymo ir kt. prietaisų būklė, prietaisų komplekto pakankamumas rūpimiems parametrams matuoti;

• išsiaiškinamos pagrindinių parametrų keitimo galimybės bei ribos; jei reikia, statomi papildomi matavimo bei tyrimo prietaisai ir atliekamas vadinamasis gamybinis eksperimentas – dirbtinai kaitaliojant kurį nors parametrą (ekstremalias reikšmes patogiausia derinti pagal laiką su natūraliai pasireiškiančiais minimumais ar maksimumais) nustatomi (ar patikslinami) tie parametrų ryšiai, kurių nepavyko nustatyti studijuojant eksploatacinius duomenis, tačiau jiebūtini optimizavimui;

• tyrinėjimų duomenys turi būti statistiškai patikimi (patikimumas turėtų būti ne mažesnis kaip 0,9), todėl negalima pasikliauti vienkartinio tyrimo medžiaga.

Optimizavimo uždaviniai dažniausiai sprendžiami naudojantis jau nustatytais (įregistruotais eksploatavimo žurnaluose ar mokslinių tyrinėjimų ataskaitose) parametrais. Rečiau tenka juos nustatyti pačiam optimizuotojui – eksperimentuojant gamybiniame objekte ar specialiame stende (pastarojo tenka griebtis optimizuojant kurį nors vyksmą, bet tai veikiau mokslinio tyrinėjimo, o ne optimizavimo sritis).

Pagal nustatymo pobūdį, parametrai gali būti trijų tipų: tiesiogiai išmatuojami, nustatomi chemiškai analizuojant ir nustatomi apskaičiuojant. Tiesiogiai matuojamieji (pvz., debitas, pH, temperatūra, deguonies koncentracija) nustatomi standartiniais matavimo prietaisais, geriau rašomaisiais, ypač jei parametro reikšmės kaitaliojasi. Chemiškai analizuojamos dauguma vandens savybių; analizavimo metodai standartizuoti, tačiau eksperimentuojant parametrus galima nustatyti ir tyrėjui prieinamesniais ar greitesniais būdais. Kai kurie svarbūs parametrai – lyginamosios energijos sąnaudos ar aktyviojo dumblo apkrova – apskaičiuojami pagal išmatuotus ir kt. parametrus.

Nustatant parametrų dydį, ypač nuotekų savybes, būtina atsižvelgti į skysčio transportavimo ar apdorojimo trukmę ir įvairiose sistemos vietose mėginius imti tokiu pat nuoseklumu, kokiu skystis prateka tas vietas. Pvz., paėmus įtėkio mėginį (ar ką nors išmatavus jame) įrenginyje, kuriame vanduo išbūna 1 valandą, ištėkio mėginį imti (ar ką nors matuoti jame) galima tik po valandos – taip bus matuojamos to paties vandens savybės.

14


12. Natūrinės informacijos analizė Kiekvienas vandentvarkos vyksmas ar jų grupė yra sistemos dalis, tam

tikromis priemonėmis keičianti į ją patenkantį vandenį (pvz., ruošimo įrenginys – savybes, tiekimo įrenginys – slėgį ir vietą). Todėl nagrinėjant jo veiksmingumą reikia informacijos apie įtakio ir ištakio savybes, taip pat priemones, kuriomis buvo pasiektas savybių pokytis. Vandens ruošimas bei nuotekų valymas dažniausiai susijęs su nepageidaujamų priemaišų atskyrimu, todėl būtina informacija ir apie jas. Vadinasi, natūrinius duomenis reikia pradėti analizuoti nuo patikrinimo, ar jų užtenka medžiagų (įskaitant išskiriamas priemaišas, suvartotus reagentus bei kitas technologines medžiagas, grąžinamus apdoroti skysčius) ir energijos (šilumos, elektros, mechaninės energijos) srautams nagrinėjamame vyksme apibūdinti. Trūkstant kokių nors duomenų, reikia juos nustatyti.

Tada tikrinamas duomenų statistinis patikimumas; dydžiai, kurie skiriasi nuo vidurkio daugiau kaip dviguba vidutine kvadratine paklaida, turėtų būti atmetami, kaip nepatikimi. Parametrų funkciniams ryšiams – vadinamosioms charakteristikoms – sudaryti naudotini vien statistiškai patikimi dydžiai.

Surinkus optimizuojamo objekto ir su juo susijusių elementų parametrų dydžius ir juos sugrupavus pagal spėjamus ryšius, tikrinamas tų ryšių koreliacinis glaustumas. Kai koreliacijos koeficiento absoliučioji reikšmė didesnė kaip 0.5 , ieškoma (naudojantis skaičiavimo technikos priemonėmis) funkcinio tų parametrų ryšio, reikalingo matematiniam modeliui sudaryti.

Mažesnio dydžio koreliacijos koeficientas rodo, kad ryšys silpnas; reikia arba pergrupuoti duomenis, parinkus kitokį grupavimo pagrindą, arba atsisakyti to ryšio naudojimo optimizavimui.

Gautosios charakteristikos lyginamos su naujausiais teoriniais bei praktiniais duomenimis, randamais informacijos šaltiniuose, apie nagrinėjamo objekto ar proceso veiksmingumą, taip pat objekto projekte numatytais dydžiais. Paprastai natūrinis veiksmingumas būna mažesnis ir tenka ieškoti to priežasčių. Pravartu išsiaiškinti tokias aplinkybes:

• kaip pasikeitė, lyginant su eksploatavimo pradžia, hidraulinės objekto veikimo sąlygos (vidutinis debitas, debito netolygumas);

• ar skirstomieji valyklų bei ruošyklų įtaisai po lygiai paskirsto debitą lygiagretiems įrenginiams;

• kaip pasikeitė, lyginant su eksploatavimo pradžia, apdorojamo vandens, ypač nuotekų, savybės;

• ar veikimo sąlygos apskritai priimtinos nagrinėjamo tipo įrenginiams; • eksploatuojant išryškėjusios projektavimo klaidos, dėl kurių negalima

palaikyti projektinio režimo; • kokios įtakos turi konstrukciniai (medžiagų, užpildų ir t.t.) keitimai,

padaryti statant ar eksploatuojant objektą; • ar nepažeistos eksploatavimo taisyklės; • kokias pasekmes nagrinėjamo objekto veiksnumas sukelia su juo

susijusems, ypač nuosekliai prijungtiems, įrenginiams.

15


13. Vandentvarkos optimalumo kriterijai Optimizavimui būtina tiksliai apibrėžti jo kriterijus, t.y. pagrindinius požymius

rūpimo parametro ar parametrų grupės veiksmingumui įvertinti. Apskritai, kriterijus parenkamas pagal optimizavimo paskatus; sprendinys, pagal tam tikrą kriterijų geriausias vienomis sąlygomis, gali pasirodyti esąs toli gražu ne geriausias kitomis sąlygomis, vertinant pagal kitą kriterijų. Ypač keblu vertinti prieštaringus parametrus (pvz., vienetinį energijos suvartojimą ir valymo išsamumą); tenka vieną jų skirti pagrindiniu, o į kitus žiūrėti kaip į tam tikrus apribojimus. Kaip bebūtų, kriterijus visada turi būti aiškus, jautrus vertinamam vyksmui ar parametrui ir teisingai rodyti optimizuojamo objekto veikimo sąlygas. Kriterijais vartojami ir kai kurie valdomieji technologiniai parametrai.

Atsižvelgiant į sritį, kurioje siekiama pagerinti nagrinėjamą objektą, optimizavimo kriterijai skirstomi į technologinius, termodinaminius, ekonominius, socialinius, ekologinius ir kt.

Paprasčiausi technologiniai kriterijai, kaip antai: išvalymo veiksmingumas, įrenginio tūrio išnaudojimas, nuosėdų tankėjimas ir pan. Vienus iš jų su nusakomais parametrais sieja iš anksto (remiantis teoriniais dėsniais) žinomi kokybiniai ryšiai. Pvz., yra žinoma, kad mentinio siurblio galia priklauso nuo jo tam tikrų mechaninių savybių ir slėgio bei našumo. Toje pačioje sistemoje, tarkime, nagrinėjamame vandentiekio tinkle, du pastarieji parametrai susiję, todėl galima juos keisti vieną kitu. Vadinasi, pasirinkę galią kriterijumi siurblinės viršslėgiams vertinti, galime vartoti tokią ryšio lygtį:

srbosrb H*aNN += , kai Nsrb – galia, kurios prireikia vandeniui tiekti didesniu už būtinąjį slėgiu Hsrb; No – siurblinės galia, išvystoma veikiant būtinuoju minimaliu slėgiu; a – koeficientas, kurio dydį reikia nustatyti renkant natūrinę informaciją.

Kitų technologinių kriterijų ne tik kiekybinius, bet ir kokybinius ryšius su nusakomais parametrais tenka nustatyti vien eksperimentiškai. Pvz., tik eksperimentuojant buvo gauta formulė flotatoriaus efektyvumui (įrenginio veiksmingumo kriterijui) apskaičiuoti:

380060

180210460

02860 ,,

,,,

phytC,E = ,

kur C – išplukdomų teršalų koncentracija, mg/l; t – flotavimo trukmė, val.; y – ištirpusio oro koncentracija, mg/l; h – flotacinės kameros gylis, m; p – slėgis sauratoriuje, Pa.

Atskyrimo (kitaip sakant, valymo) vyksmams vertinti parankus termodinaminis kriterijus – termodinaminio naudingumo koeficientas (TNK). Jis reiškia medžiagų mišiniui atskirti būtino ir faktiškai sunaudoto darbo santykį. Būtinasis darbas (džauliais)

( )goo SSKA −= , kai K – vyksmo temperatūra, K; So ir Sg – pradinė ir galinė mišinio entropija (tam tikra funkcija uždarose sistemose vykstančių procesų krypčiai nusakyti; kuo vienodesnė ir geriau sumišusi sistema, tuo didesnė jos entropija), J/mol.K.

Pvz., perskiriant dvikomponentį mišinį hidrociklonu,

oo

nsnssksk

SqSqSq +

−= 1TNK ,

16


kai qsk , qns ir qo – nuskaidrinto skysčio, nuosėdų ir pradinio mišinio masė; Ssk , Sns ir So – nuskaidrinto skysčio, nuosėdų ir pradinio mišinio entropijos.

Ekonominiai kriterijai įvertina įvairias išlaidas, susijusias su nagrinėjamu objektu ar vyksmu. Juos vartoti reikia labai apdairiai, nes vandentvarkos objektų veikimo pasekmės juntamos labai plačiai (dėl vandens vartojimo visuotinumo ir vandens sąsajų su gamtine aplinka), todėl būtinas vispusiškas ekonominis jų vertinimas, o tam reikia surinkti labai daug duomenų. Dažnai ekonominio vertinimo kriterijumi vartojamos bendramatės sąnaudos:

B = e*I + E - R . Čia I ir e – investicijos ir jų ekonominio veiksmingumo koeficientas, E – eksploatavimo išlaidos, R – pajamos, gaunamos naudojant šalutinius vyksmų produktus (pvz., rauginimo dujas).

Nepaisant reiškinio paprastumo, juo pasinaudoti nesudėtinga tik optimizuojant pavienius sistemų elementus. Vertinant visą sistemą reikia turėti išsamius duomenis apie investicijas bei eksploatacines išlaidas ne tik vandentvarkoje, bet ir su jos ypatumais susijusiose urbanistinėse, gamtinėse, energetinėse ir kt. sistemose (pvz., finansiškai įvertinti įvairaus kietumo vandens įtaką gyventojų sveikatai ar jų buitinėms išlaidoms), o tai yra nepaprastai sunku.

Vandentvarkos sistemos teikia visuomenei tam tikras paslaugas, todėl jose daromi pokyčiai gali būti vertinami ir socialiniais kriterijais. Bendrasis tikslas yra socialinės gerovės kėlimas: buitinių patogumų, paslaugų kokybės, sveikatos saugumo, gamybos našumo ir t.t. Žinoma, tautos gerovė neatsiejama nuo ekonomikos, tačiau kiekybiškai sunkiai įvertinama; net ir socialiniai ekonominis vertinimas skiriasi nuo komercinio. Priežasčių keletas:

• rinka neparodo tautos gerovės, nes priklauso nuo uždarbio pasiskirstymo; • stambių vandentvarkos projektų įgyvendinimas veikia aplinką, ruošia

darbo jėgą, kas labai svarbu visuomenei, tačiau neįvertinama komerciškai; • rinkoje vartotojas visada sumoka daugiau, negu tas daiktas yra komerciškai

vertas; • socialinė projekto vertė ilgainiui mažėja (dėl vartotojų skaičiaus didėjimo),

o rinkoje to nėra. Socialiniai ekonominis kriterijus – vartotojo mokumas, t.y. kiek jis sutinka

mokėti įgyvendindamas vandentvarkos projektus. Tai priklauso njuo visuomenės nario suvokimo, kokią tiesioginę ar netiesioginę naudą jis gaus įgyvendinus projektą. Siekiant investicinio aktyvumo, pabrėžiama arba projekto teikiama galimybė sutaupyti (ateityje), arba patogumų didėjmas bei aptarnavimo gerėjimas (žiūrint iš kokios socialinės grupės tikimasi gauti paramos). Peršant projektą svarbu rezultatus parodyti grafiškaiar bent lentelių pavidalu.

Socialiniai politinis kriterijus – tautinės savigarbos skatinimas; valstybei geriau, kai įgyvendinamieji projektai didina piliečių pasitikėjimą savo jėgomis, mažina priklausymą nujo užsienio. Šis kriterijus svarbus Lietuvai, nes čia, kaip ir daugelyje besivystančių šalių, chroniškai trūksta santaupų ir ekonomikos plėtra priklauso nuo išsivysčiusių šalių paramos. Tai juntama ir vandentvarkoje: nėra bent kiek stambesnio projekto, kuriame nedalyvautų užsieniečiai.Tad labai svarbu įsitikinti, ar siūlomo projekto įgyvendinimas nedidina priklausomybės nuo kitų šalių (pvz., technologinių medžiagų, kurių galima įsigyti tik projektą siūlančioje firmo-je, pavidalu).

Įdomus kriterijus yra socialinis orumas.Tai tam tikrų visuomenės sluoksnių įsitikinimas, kad jie bus labiau gerbiami įsigiję kai kurių materialinių ar dvasinių vertybių. Šis įsitikinimas gali būti panaudotas ir vandentvarkai optimizuoti, jei tik

17


pavyktų kurio nors miesto bendruomenei įteigti, kad socialinis orumas reikalauja nepagailėti išlaidų kokiam vandentrvarkos projektui įgyvendinti.

Vandentvarkos objektams visada svarbus ekologinis kriterijus, kurio pagrindinis uždavinys – gerinti aplinkos kokybę. JAV "Nacionalinės aplinkos politikos akte" suformuluotos tokios ekologinės nuostatos, kurių privalu laikytis bet kuriame projekte:

• kiekviena karta atsakinga už būsimų kartų aplinką; • kiekvienam piliečiui garantuojama sveika, produktyvi, estetiška ir

kultūringa aplinka; • bet koks gamtinės aplinkos naudojimas neturi jos naikinti, neturi kelti

grėsmės turtui ar gyvybei, pavojaus sveikatai ar kitų nepriimtinų dalykų; • išsaugoti svarbų istorinį, kultūrinį ar gamtinį paveldą; • siekti gyventojų ir išteklių balanso, garantuojančio aukštą gyvenimo lygį; • didinti atsinaujinančių gamtos išteklių kokybę ir siekti išsenkančių išteklių

atstatymo. Projekto įtaka aplinkai turi būti vertinama sistemingai (fiziniu, biologiniu,

kultūriniu, socialiniu ir ekonominiu aspektu) ir visapusiškai (kompleksiškai vertinant įvairius dalykus).

14. Matematinių modelių sudarymas

Bendroji bet kurio technologinio vyksmo vektorinė schema gali būti užrašoma taip:

iprg BPP = .

Čia gP ir prP – galutines ir pradines nagrinėjamo parametro savybes nusakančių požymių bei jų kaitos apribojimų (tiek vidinių, tiek ir išorinių) visuma;

iB – keičiantysis veiksnys, t.y. fizinius, technologinius, valdymo , trikdymo ir t.t. poveikius nusakančių požymių bei jų kaitos apribojimų (vidinių ir išorinių) visuma. Parenkant požymius ir jų apribojimus stengiamasi, pradžioje, aprėpti visas gretutinių sistemų įtakas (tiek surašytas reglamentuose bei normose, tiek diktuojamas vietinių sąlygų). Vėliau, apytikriai įvertinant kiekvienos įtakos reikšmingumą, paliekami tik reikšmingiausi nagrinėjamam klausimui veiksniai. Toliau ieškoma keičiančiųjų veiksnių ir nagrinėjamo parametro ryšio funkcijų. Ryšio funkcijų ir parametro požymių apribojimų visuma ir sudaro matematinį modelį. Optimizacinis matematinis modelis pasižymi tuo, kad jis pateikiamas kaip funkcija (arba jų sistema), privalanti turėti ekstremumą (minimumą arba maksimumą) apribojimais apibrėžtoje srityje.

Matematinis modeliavimas leidžia tirti tik tuos originalo parametrus, kurie, aprašyti matematiškai, adekvačiai parodo originalo elgseną.

Sudarant matematinį modelį ypač svarbu atsisakyti tokių ryšių, kurie apsunkina objekto tyrimą norimu tikslu, neturėdami didesnės įtakos tyrimo rezultatui. Svarbu, kad iš esmės aiškios idėjos neapaugtų gausiomis ir gremėzdiškomis smulkmenomis. Tam gali pasitarnauti vadinamasis idealusis modelis. Tai esminių dėsningumų, priklausančių nuo principinių sistemos funkcionavimo savybių, atskyrimas nuo mažareikšmių aplinkybių. Toks modelis – technologinė schema, kurios režimai bei valdymas parenkami neatsižvelgiant į įrenginių technines charakteristikas bei apribojimus. Šitaip idealizavus kai kurias sistemos savybes ir

18


veikimo sąlygas, atsikratoma daugelio antraeilių veiksnių, galinčių atsirasti atsitiktinai ar neteisingai parinkus atskirus sistemos elementus.

Idealusis modelis dažniausiai būna neadekvatus realiai sistemai, tačiau jis atspindi jos veikimo principus ir leidžia rasti technologinius sprendimus, kuriems netrukdo esami darbo režimai, valdymas ir atskirų sistemos elementų funkcinės techninės charakteristikos. Kilus idėjai, visada pravartu patikrinti ją idealiame modelyje; jei rezultatas palankus, apsimoka kurti realesnį, daugiaveiksnį modelį ir galutinai apskaičiuoti remiantis juo.

Projektuojant vandens ruošimo ar nuotekų valymo įrenginius, valdomuosius parametrus ir technologines būsenas stengiamasi parinkti tokius, kad visiškai atitiktų projektuojamam objektui keliamiems technologiniams reikalavimams: normatyvinėms nuostatoms, fizinėms įgyvendinimo galimybėms, patikimumui, ekonomiškumui, veiksmingumui. Tenkinant šiuos reikalavimus, minėtiesiems parametrams bei būsenoms uždedama apribojimų sistema.

Matematinių modelių apribojimai paprastai sudaro lygčių ir nelygybių sistemą, nusakančią galimas parametrų ar būsenų kaitos ribas (mažiausias ir didžiausias reikšmes). Apribojimų lygtys nustato papildomus ryšius tarp būsenos ir valdymo parametrų. Apribojimų nelygybės apibrėžia valdomųjų parametrų leistinų reikšmių sritis.

Pvz., normatyvinėje literatūroje reglamentuojamas aerotankų gylis (h) nuo 3 iki 6 m, matematiniame modelyje reiškiamas dviem aprobojimų nelygybėmis: h – 6,0 ≤ 0 ir – h + 3,0 ≤ 0. Lentelių forma reglamentuoti normatyviniai dydžiai turi būti pateikiami analitiškai, parinkus geriausiai tų dydžių ryšį perteikiančias formules. Pvz., koeficientas, įvertinantis smulkiapūslių aeratorių panardinimo gylio įtaką perteikiamam oro kiekiui, gali būti išreikšta lygybe:

1817,0*281,2 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

aVfhK .

Apribojimai vadinami tiesiniais, jeigu apribojimų lygtys tiesinės, ir netiesiniais, kai apribojimų lygtys netiesinės. Optimizuojant vandentvarkos sistemų objektus pagal ekonominius kriterijus, tiek pagrindinės ryšio lygtys, tiek apribojimai dažniausiai būna netiesiniai.

19


Jonitinio minkštinimo įrenginių optimizavimas

Tikslas: nustatyti optimalią katijonitinio minkštinimo schemą ir

optimalų košimo greitį. Kriterijus: ekonominis. Optimizuojama vadinamuoju atramos taško metodu, kai optimumo paieškos

funkcija sudaroma remiantis technine ir ekonomine informacija, prieinama kiekvienam projektuotojui.

Katijonitinio minkštinimo įrenginiams būdingose ribose laisvai pasirenkamas tam tikras košimo greitis (atramos taškas). Apskaičiuojamas projekto sąlygas – našumą ir apdorojamo vandens savybes – tenkinantis katijonitinių koštuvų kiekis, jų dydis, jonitinio užpildo aukštis bei tūris, koštuvų patalpos matmenys, siurblių našumas ir galia. Nustatomos apskaičiuoto dydžio įrenginiams pastatyti reikalingos investicijos (pvz., pagal vienetinius duomenis, išvestus iš turimos archyvinės panašių įrenginių projektų medžiagos arba kainininkų) ir eksploatacinės išlaidos elektros energijai, regenerantams ir priežiūrai.

Tokio projekto metines bendramates sąnaudas reikėtų apskaičiuoti taip: B = (Isrb + Ikšt + Ijnt + Iskl + Ivmz + Imat + Ir.ū. + Ik.p. + Is.p.)*e + Eel + Erg + Epr .

Čia I – investicijos: siurbliams, koštuvams, jonitams, sklendėms bei vožtuvams, vamzdynui, matuokliams, reagentiniam ūkiui, koštuvų ir siurblinės pastatams; e – ekonominio investicijų efektyvumo koeficientas; E – metinės eksploatacinės išlaidos elektros energijai, regenerantams ir priežiūrai.

Apskaičiavę nagrinėjamo projekto (pagal atramos taško duomenis) metines bendramates sąnaudas turime:

B = (Isrb + Ikšt + Ijnt + Iskl + Ivmz + Imat + Ir.ū. + Ik.p. + Is.p.)*en + Eel + Erg + Epr . Čia I ir E reiškia tą patį, kaip ir ankstesnėje formulėje; en – normatyvinis ekonominio investicijų efektyvumo koeficientas.

Atėmę iš pirmosios lygties antrąją, skirtumą padalinę iš B (bendramačių sąnaudų atramos taške) ir paprastumo dėlei pažymėję (B – B)/B simboliu , (I – I)/I – simboliu , (E – E)/E – simboliu

B∂I∂ E∂ , I/B – simboliu ℑ , E/B – simboliu Ě,

gauname lygtį: ( )( ).p.k.p.kmatmatsklskljntjntkštkštsrbsrb *I*I*I*I*I*IeneB ℑ∂+ℑ∂+ℑ∂+ℑ∂+ℑ∂+ℑ∂−=∂

elE∂ rgE∂

+ + Ěel* + Ěrg* .

Į šią lygtį neįtraukti nariai, kurių didumas nepriklauso nuo košimo greičio: vamzdyno, reagentinio ūkio, siurblinės pastato investicijos ir priežiūros išlaidos. Lygties nežinomieji yra ir . I∂ E∂

Apdorojus turimos archyvinės panašių įrenginių projektų medžiagos bei kainininkų duomenis galima gauti tokias formules investicinėms kainoms nustatyti:

Ikšt = α1(a1 + a2Akšt) nkšt ;

Ijnt = a3Akšthjntnkšt ψ

ρ jnt ;

Isrb = α2(a4 + a5Nsrb);

Imat = α3a6nkšt ;

Ik.p. = α4mAkštnkštH ;

Iskl = α5a7nkšt.

20

21


Investicinių kainų lygtyse koeficientai a1…a7 nustatomi pagal kainininkų

duomenis, α1…α5 įvertina montavimo darbų kainą. Simbolių prasmė tokia: Akšt – vieno koštuvo plotas; nkšt – koštuvų skaičius; hjnt – jonito sluoksnio aukštis koštuve;

ψ

ρ jnt – jonito tankis ir brinkimo koeficientas; Nsrb – siurblių galia; H – koštuvų

patalpos aukštis. Prisimindami, kad buvome pažymėję (I – I)/I = I∂ , pritaikę investicinės

koštuvų kainos lygtį gauname, kad:

( )( )( )

1aa

aa

211

211 −=−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂=∂=

+

−+=∂

vv

vQ

vQ

vQ

AnA

nnA

nnAI

a

a

a

kšt

kštkštkšta

kštkšt

akštkštkšt

kštα

α ,

kai Q – minkštinimo stoties valandinis našumas; v – košimo greitis; viršutinis indeksas a reiškia, kad dydis priskirtas atraminiam taškui.

Panašiai išreiškiamos per košimo greitį ir kitos I∂ reikšmės. Įstatę jas į B∂ lygtį, pažymėję greičių santykį va/v simboliu x ir pavartoję papildomus simbolius Θ, Λ ir Μ (jų reikšmės gana griozdiškos ir čia nepateikiamos), gauname tokią optimumo paieškos funkciją:

( )( ) 1111−−++++= xEx

x rgΜΘΛ .

Diferencijavę šią lygybę pagal x ir prilyginę išvestinę nuliui (ekstremumo paieška), gauname lygybę, nusakančią optimalaus greičio santykį su pasirinktuoju greičiu (atraminiu tašku):

( ) 012 23 =−++Θ

xEHx rg .

Documents

VANDENTVARKOS SISTEMŲ OPTIMIZAVIMAS...Vandentvarkos sistemų optimizavimas 1. Optimzavimo metodologija Bet kurio dalyko, tarp jų ir vandentvarkos, tyrimas, siekiantis surasti geriausią