Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки

РОЗРАХУНОК КРИВОЇ ОБ`ЄМІВ ВОДОСХОВИЩА ЗАСОБАМИ ГІС

Світлана Величко — 2025-07-18

Визначення корисного об’єму водосховища та висоти греблі є найбільш відповідальним етапом в проєктуванні гідротехнічного вузла, що здійснюється на основі кривої об’ємів водосховища. Традиційна методика побудови кривої об’ємів основана на використанні топографічної зйомки та обрахування площ водної поверхні за допомогою паперової карти і розрахунку об’єму водосховища за формулами геометрії. На передпроєктних розробках при відсутності інструментальної зйомки складно отримати топографічні матеріали для розрахунку. Доступ до картографічних матеріалів в навчальному процесі практично не можливий. Сучасний розвиток ГІС технологій дозволяє використовувати цифрову модель місцевості вільного доступу для розрахунків топографічних параметрів водосховища. В статті наведений приклад розрахунку кривої об’ємів за допомогою двох програмних комплексів QGIS та HEC-RAS на основі цифрової моделі місцевості вільного доступу. Дані програмні комплекси використовуються у навчальному процесі магістрами освітньої програми «Гідротехнічні споруди, управління водними ресурсами та системами». Виконано порівняння результатів розрахунку вручну на основі інструментальної топографічної зйомки чаші водосховища та на QGIS та HEC-RAS. Використання сучасних програмних комплексів вимагають додаткових знань та навичок роботи, спонукає здобувачів до вивчення додаткової інформації та іноземних мов, що сприяє розвитку індивідуальної траєкторії здобувача. Ознайомлення з методикою розрахунку кривої об’ємів буде також корисним для бакалаврів при вивченні дисципліни «Інженерна гідрологія».

ЗНЕЗАЛІЗНЕННЯ ВОДИ З ПІДВИЩЕНИМ ВМІСТОМ ЗАЛІЗА АЕРУВАННЯМ ТА ФІЛЬТРУВАННЯМ

Орест Вербовський — 2025-07-18

Однією з найважливіших умов життя людини є вживання чистої питної води. Підвищений вміст заліза у воді надає їй бурий колір, неприємний металевий присмак, викликає обростання водопровідних мереж і арматури. Тому воду з підвищеним вмістом заліза необхідно знезалізнювати. Знезалізнення природних вод проводять традиційними та біологічними методами, а також методами на основі мембранних та нанотехнологій. Доступні різні технології для забезпечення безпечною питною водою, але вони є або витратними, або непридатними для використання без електроенергії. Отже, відповідна технологія повинна використовувати недорогі матеріали, які легкодоступні та відповідають або перевищують можливості традиційних технологій очищення води. Досліджували знезалізнення води з підвищеним вмістом заліза. Усі значення концентрації заліза при різних початкових концентраціях зведено до єдиної узагальненої безрозмірної залежності, яка описує зменшення у воді відносної концентрації заліза у часі. При цьому відносний час записано через час зниження концентрації заліза вдвічі. Для модельних водних розчинів з початковими концентраціями заліза 0,66; 1,0; 3,0 мг/дм³ отримано безрозмірну константу швидкості зниження концентрації заліза 0,732. Порівняння з даними інших дослідників підтверджує отриманий результат.

ВДОСКОНАЛЕННЯ ФЕРИТИЗАЦІЙНОГО ОЧИЩЕННЯ КОНЦЕНТРОВАНИХ СТІЧНИХ ВОД ВІД ІОНІВ МІДІ

Єлизавета Дзюндзя — 2025-07-18

Розглянуто перспективи підвищення рівня екологічної безпеки промислових підприємств в результаті використання новітньої технології очищення стічних вод від сполук важких металів. Досліджено ефективність вилучення іонів міді зі стічних вод методом феритизації за умов активації реакційної суміші ультрафіолетовим та мікрохвильовим випроміненням. В результаті рентгенофазового аналізу отриманих осадів феритизації встановлено наявність гідроксиду заліза, оксидів міді (І) і (ІІ) та фериту міді. Досліджено ефективність вилучення іонів міді із стічних вод методом феритизації за умов активації реакційної суміші ультрафіолетовим та мікрохвильовим випроміненням. Визначено вплив співвідношення важких металів при вихідній концентрації іонів міді 2 г/л на ефективність вилучення цих іонів із стічних вод лінії міднення. Найкращі показники були досягнуті при ультрафіолетовому випроміненні і співвідношенні Cu²⁺/Fe²⁺= 1/2. Ультрафіолетове випромінення дозволяє знизити залишкову концентрацію іонів міді у воді до 2,03 мг/л в порівнянні із мікрохвильовим випроміненням, при якому цей показник становить 6,89 мг/л. Ступінь очищення сягає 99,90% при використанні ультрафіолетового та 99,66% при мікрохвильового випромінення. Стійка хімічна фаза фериту міді утворюється при активації реакційної суміші мікрохвильовим випроміненням при співвідношенні важких металів Cu/Fe = 1/3,5; її вміст в осаді становив 89,91%. Така якість води задовольняє вимогам для повторного використання на гальванічному виробництві для промивних операцій. Застосування результатів дослідження на гальванічних підприємствах сприятиме зменшенню викидів токсичних речовин, вдосконаленню технологічних процесів очищення стічної води.

ВИЛУЧЕННЯ ІОНІВ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ ІЗ ПРОМИВНИХ РОЗЧИНІВ МАТРИКСНИМИ СТРУКТУРАМИ ФЕРОБАКТЕРІЙ

Олександр Квартенко — 2025-07-18

В результаті антропогенного навантаження в природні води разом із недостатньо очищеним стоком промислових підприємств, мийок автотранспорту, дощовим стоком надходять іони важких металів (ІВМ): Zn, Cd, Cr, Cu, Ni, та інш. – токсичні канцерогени, які характеризуються високою біохімічною активністю, здатністю до міграції та комплексоутворення. Існуючі способи їх вилучення які в основному базуються на фізико-хімічних та баромембранних методах є досить дорогими та складними при експлуатації. Розвиток біотехнологій дозволяє розглянути бактерії, гриби, дріжджі як інструмент для вилучення цих забруднень із природних вод та промивних розчинів гальванічного виробництва. На даний час відомо багато родів бактерій та грибів здатних вилучати іони важких металів з розчинів, зокрема, мікроорганізми родів Aeromonas, Bacillus thuringiensis, Escherichia, Pseudomonas. Enterobacter, Thiobacillus ferrooxidans; мицелии грибів Aspergillus flavus, Aspergillus niger. В роботі проведено аналітичний огляд публікацій за даною тематикою. Описано відомі механізми акумуляції йонів важких металів бактеріями та міцеліальними грибами. Метою роботи є дослідження можливості видалення іонів Cr⁶⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ із промивних розчинів матриксними структурами феробактерій.

Об’єктами досліджень виступали водні розчини які містили іони Cr⁶⁺(0,8 мг/дм³) та промивні розчини від цеху гальванічного виробництва. В роботі наведена методика проведення досліджень та схеми пілотних установок. В якості реагенту-осаджувача виступали матриксні структури феробакерій Gallionella та Lepthothrix.

В результаті досліджена кінетика вилучення Cr⁶⁺матриксними структурами при різних їх концентраціях в одиниці об’єму досліджуваного розчину. Встановлено, що максимальний ефект очищення досягався при концентрації осаду 200 мг/дм³, найменший при концентрації С=40 мг/дм³. Визначено залежності ефективності очищення промивних вод гальванічного виробництва від ІВМ (Cu²⁺ до 16 мг /дм³, Zn²⁺до 50 мг/дм³, Ni²⁺ до 1,3 мг/дм³) на осаді матриксних структур феробакерій.

ВИЗНАЧЕННЯ СИЛИ ГІДРОСТАТИЧНОГО ТИСКУ НА КРИВОЛІНІЙ-НУ ПАРАБОЛІЧНУ ПОВЕРХНЮ МЕТОДОМ К123

Юрій Копаниця — 2025-07-18

Застосування мікропроцесорних технологій у персональних гаджетах й комп’ютерах, поширення в мережі Інтернет відкритих клієнт-серверних розрахункових сервісів майже всіх відомих систем комп’ютерної математики (Wolfram Mathematica, Waterloo Maple, MATHLAB,PTC Mathcad, R, CAS MAXIMA тощо) дозволяє використовувати сучасні інженерні розрахунки. Але це теоретичне твердження має певні практичні обмеження.

Складність сучасних інженерних розрахунків суттєво спрощено для типових задач шляхом розвитку програмної компоненти.

Стандартний механізм розширення функціоналу програм для визначення нетипових рішень також відомий й реалізовано вбудованою мовою програмування, додатковими модулями та бібліотеками. Саме цей стандартний механізм використання сучасних програмних продуктів вимагає суттєвого підвищення загальної математичної культури, яка поєднує аналітичні, чисельні, графічні методи розрахунку в алгоритмах реалізації в межах одної сучасної інженерної задачі.

В статті представлено дослідження методів розрахунку на прикладі, на перший погляд, простої гідравлічної задачі визначення величини, напряму й координат центру тиску для вектору сили тиску на бокову криволінійну поверхню параболічного каналу. Запропоноване рішенні базуються на новій теоретичній базі й відповідних методах, які лежать в основі універсального авторського методу трьох команд К123 © Копаниця Ю.Д. [1-14].

Розглянутий принцип багатоваріантності вирішення прикладів стандартних задач шляхом проведення обчислювального експерименту в системах комп’ютерної математики із використанням методів з різних розділів математики має бути покладено в основу навчального процесу. Паралельно розроблено захищену програму клієнт-серверних розрахунків на технології CGI з веб формою вводу вихідних даних для мережі Інтернет із відкритим доступом. Веб форма програми доступна в мережі Інтернет без обмежень за посиланням - https://www.k123.org.ua/_jh_ex2b_3b.html. Програма реалізує розрахунки за всіма запропонованими новими алгоритмами, генерує детальні звіти проміжних результатів, дозволяє моделювати й проводити обчислювальні експерименти на широкому наборі даних для даного класу задач. Візуалізацію графічної складової рішення реалізовано у векторному форматі SVG, математична нотація записів у форматі TEX. Передбачено різні режими роботи програми, забезпечено парольний доступ, обмеження вихідного набору даних, перевірка формату та розмірності вихідних та результуючих даних, яка базується на технології регулярних виразів. Інтерфейс програми розроблено із урахуванням використання мобільних пристроїв із обмеженою шириною каналу в мережі Інтернет.

Запропоновано нові розрахункові формули для певного класу задач, що базуються на авторському методі трьох команд К123 © Копаниця Ю.Д. На цей момент означені задачі відсутні у сучасних навчальних підручниках.

СУЧАСНІ ПІДХОДИ ДО ГІДРАВЛІЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМ ВОДОПОСТАЧАННЯ ТА ВОДОВІДВЕДЕННЯ: МІЖНАРОДНИЙ ДОСВІД ТА ПЕРСПЕКТИВИ ДЛЯ УКРАЇНИ

Олександр Кравченко — 2025-07-18

У статті представлено поглиблений аналіз сучасного міжнародного досвіду у сфері гідравлічного моделювання систем водопостачання та водовідведення. Детально розглянуто фундаментальні гідравлічні принципи, які покладено в основу моделювання, та їх реалізація у спеціалізованих програмних комплексах (зокрема, EPANET, WaterGEMS, SewerGEMS, InfoWorks ICM та ін.). Спираючись на міжнародні керівництва, зокрема AWWA M32, особливу увагу приділено вимогам до побудови, рівням деталізації (від скелетонізованих до повнотрубних моделей), процедурам калібрування та валідації гідравлічних моделей, наведено загальноприйняті критерії точності моделювання для різних інженерних завдань. Також досліджено вітчизняний досвід застосування програмних продуктів, зокрема українських комплексів "РІКОМ" та "ГІДРА", створенні геоінформаційних систем (ГІС) водоканалів. Проведено комплексний аналіз чинного українського законодавства у цій сфері, зокрема ДБН В.2.5-74:2013, щодо наявності та повноти вимог до гідравлічного моделювання. Виявлено суттєві прогалини у вітчизняній нормативній базі щодо стандартизації процесів створення, верифікації, використання та інтеграції гідравлічних моделей з ГІС. Обґрунтовується нагальна необхідність удосконалення українських нормативних документів для встановлення чітких та сучасних "правил гри" у сфері гідравлічного моделювання при проєктуванні, експлуатації та розробленні ГІС для підприємств водопровідно-каналізаційного господарства, що сприятиме підвищенню ефективності та надійності їх роботи.

ПЕРЕСУВНІ КОМПЛЕКСИ ЗАБОРУ І ОЧИЩЕННЯ ВОДИ, ЯК ІНСТРУМЕНТ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТІЙКОСТІ В УМОВАХ СУЧАСНИХ КОНФЛІКТІВ

Тетяна Куба — 2025-07-18

У статті представлено комплексний аналіз мобільної системи водоочищення, як важливого елемента гуманітарного реагування в умовах сучасних збройних конфліктів та в умовах відсутності централізованого водопостачання.

Розглянуто еволюцію підходів до водозабезпечення під час військових конфліктів, починаючи з античних часів, коли контроль над водними джерелами був тактичною необхідністю і до сучасних гібридних загроз, що вимагають високотехнологічних рішень.

На прикладі розробки пересувного комплексу забору і очищення води проаналізовано сучасні технологічні особливості, зокрема, багатоступеневе очищення та багаторежимна операційна здатність, конструктивні особливості, зокрема, мобільність комплексу та захист обладнання від вібрації під час транспортування.

Проаналізовано сучасну тактику "вепонізації води" – цілеспрямованого руйнування цивільної водної інфраструктури у конфліктах в Україні та інших країнах.

Особливу увагу приділено стратегічній важливості децентралізації систем водопостачання в умовах війни, спираючись на актуальні праці українських науковців. Запропоновано рекомендації щодо подальшої оптимізації мобільних систем з урахуванням глобального досвіду та специфіки сучасних викликів, що стоять перед Україною.

СПРОЩЕНА МЕТОДИКА ОЦІНКИ ОПТИМАЛЬНОСТІ СХЕМИ ДВОРОВОЇ КАНАЛІЗАЦІЇ

Олександр Кушка — 2025-07-18

В статті розглядається проблема оптимального трасування дворових мереж побутової каналізації при забудові нових територій або реконструкції існуючих житлових кварталів. Незважаючи на тривалий період існування централізованих каналізаційних систем, чинні державні будівельні норми (ДБН) не містять чітких критеріїв та методик оцінки ефективності схем прокладання трубопроводів на локальному рівні (дворових мереж). Це ускладнює ухвалення економічно доцільних проєктних рішень і може призводити до суттєвих перевитрат у масштабах країни. У роботі проаналізовано недоліки нормативної бази, а також актуальні підходи до оптимізації каналізаційних мереж, зокрема методи динамічного програмування, математичного моделювання та використання комп’ютерних застосунків. Запропоновано використання безрозмірного показника ефективності трасування YSN, який враховує довжину мережі, середню глибину залягання труб і колодязів, кількість колодязів та площу кварталу. Окрему увагу приділено практичному інструменту — застосунку "Canalisation", розробленому у співпраці з колишнею співробітницею Інституту гідромеханіки Наталією Степовою для розрахунку технологічних параметрів дворової каналізаційної мережі. Запропонований підхід дозволяє здійснити швидку попередню оцінку ефективності трасування дворової мережі, спрощуючи процес прийняття проєктних рішень та знижувати витрати на проєктування й будівництво. Робота спрямована на удосконалення методики проєктування дворових каналізаційних систем з урахуванням економічних і технічних чинників.

АНАЛІЗ ВЗАЄМОЗВ'ЯЗКУ МІЖ ДИНАМІКОЮ ПОХИБОК І ЗАГАЛЬНИМ РІВНЕМ РИЗИКУ У ФУНКЦІОНУВАННІ СИСТЕМ ВОДООЧИЩЕННЯ

Інга Уряднікова — 2025-07-18

На сьогодні забезпечення надійної та безпечної роботи систем водоочищення, що входять до складу критичної інфраструктури, є одним із ключових завдань екологічної та техногенної безпеки. Незважаючи на досконалість сучасних технологій, жодна складна інженерна система не функціонує в умовах повної стабільності – постійна змінність параметрів вихідної води, коливання активності реагентів, інерційність процесів та інші фактори зумовлюють виникнення похибок у роботі окремих функціональних блоків. Ці похибки, навіть за умов штатної експлуатації, формують відхилення, що можуть негативно впливати на результуючу якість очищеної води. Їх накопичення або недооцінка потенційної шкоди підвищує ризики порушення санітарно-технічних норм та створює загрозу для довкілля.

З метою дослідження науково-методологічного підходу до аналізу взаємозв’язку між динамікою похибок у функціонуванні систем водоочищення та формуванням загального рівня ризику, у роботі поетапно проаналізовані похибки в системах водоочищення та їх прямий зв'язок з ризиками, зв'язок з передаточними функціями та часом відновлення і розроблений математичний апарат для кількісної оцінки та управління ризиками. Аналіз отриманих результатів показав, що похибки, які виникають на кожному технологічному етапі, не є ізольованими, а підсумовуються та трансформуються по всьому ланцюгу водоочищення, що призводить до формування результуючої похибки і безпосередньо впливає на відповідність якості води нормативам. Встановлено, що ймовірність перевищення критичних показників якості води прямо залежить від результуючої похибки, яка, у свою чергу, є функцією від стандартних відхилень похибок окремих блоків та довірчого коефіцієнта (t). Доведено, що масштаб наслідків є функціонально залежним від тривалості проблеми (T_{проблеми}), яка охоплює час виявлення (T_{виявлення}), час реагування (T_{реагування}) та, що особливо важливо, час відновлення (T_{відновлення}) функціональності системи водоочищення. Застосування передаточних функцій у поєднанні з перетворенням Лапласа забезпечує можливість динамічного моделювання передачі та накопичення похибок у часовій області, а також їх впливу на параметри T_{проблеми}. Розроблена інтегрована формула ризику надає математичний апарат для кількісної оцінки та управління ризиками, що поєднує статистичні характеристики похибок блоків та операційні параметри реагування системи на відхилення.