На надежность систем коммунального хозяйства влияют два вида воздействий: случайные и прогнозируемые. Случайные воздействия возникают вне всяких закономерностей. К ним относятся механические повреждения элементов систем, внезапные отключения электроснабжения, природные катастрофы (ураган, наводнение, землетрясение). Прогнозируемые воздействия возникают вследствие протекания естественных процессов: старение элементов систем, коррозия, плановые ремонтные работы, повышение потребности в услугах систем вследствие роста населения или промышленности и т.д.

Иногда воздействия делят на внешние и внутренние. Внешние - возникают от внешних причин (природные катастрофы, отключения электроэнергии). Внутренние воздействия связаны с работой самих систем: повреждением или старением оборудования и сооружений, уровнем эксплуатации и т.д.

Все виды воздействий могут вызвать снижение качества функционирования систем, в частности:

а) временное снижение подачи воды, газа, тепла, электроэнергии, или отвода стоков, причем это снижение не достигает предельно допустимого уровня;

б) временное снижение подачи воды, газа, тепла, электроэнергии, или отвода стоков, превосходящее предельно допустимый уровень, т.е. частичный отказ системы;

в) перерывы в оказании вышеперечисленных услуг - полный отказ системы.

Для каждой отрасли коммунального хозяйства существуют свои нормативы в снижении качества функционирования. Однако действующие нормы не регламентируют уровень надежности, за редким исключением. Чаще всего задача оценки надежности систем сводится к выполнению следующих операций:

1. Поверочные расчеты существующих или проектируемых сооружений и оборудования с целью проверки соответствия проектных решений действующим строительным нормам.

2. Расчет параметров надежности действующих или проектируемых систем.

3. Разработка мер по повышению надежности систем.

4. Определение качества функционирования с учетом условий эксплуатации и допустимых перерывов в оказании услуг и внесении необходимых для повышения качества мер.

Рассмотрим методы определения надежности наиболее характерных систем.

5.1. Нормативы надежности систем водоснабжения.

Системы водоснабжения являются одними из жизненно важных систем жизнеобеспечения городов и предприятий. Для них действующими нормами (СНиП 2.04.02-84 п.4.4) нормируется сокращение или прекращение оказания услуг по подаче воды. По этим параметрам системы водоснабжения разбиты на три категории (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Нормативы качества функционирования систем водоснабжения.

Наименование нормативов	Величины нормативов для категорий систем водоснабжения
	I	II	III
1. Численность населения, соответствующая категории, чел.	более 50 тыс	5-50 тыс	до 5 тыс
2. Продолжительность 30%-го сокращения расчетной подачи воды, сут.	до 3	до 10	до 15
3. Продолжительность полного прекращения подачи воды или снижение подачи воды более чем на 30 %	до 10 мин	до 6 часов	до 24 часов

Итак, для систем водоснабжения снижение расчетного уровня водопотребления на хозяйственно-питьевые нужды допускается не более чем на 30 %. Если снижение будет больше, то это означает отказ. Для водопотребления на промышленные нужды нормативы устанавливаются ведомственными техническими условиями или аварийным графиком работы предприятий.

5.2. Надежность водозаборных сооружений.

На надежность водозаборов влияют следующие факторы: время (продолжительность эксплуатации), метеорологические, гидрологические и гидрогеологические, биохимические и механические.

Фактор времени проявляется в старении сооружений и оборудования, цикличности изменения водопотребления в течении суток и по сезонам года.

Метеорологические факторы заключаются в изменении температуры воды и воздуха, появлении льда и шуги, изменений уровня и качества воды, перемерзании и пересыхании источников водоснабжения, наступления паводков и т.д. Действию этого вида факторов наиболее подвержены поверхностные водозаборы.

Гидрологические и гидрогеологические факторы характеризуют изменение расходов поверхностных и подземных вод, колебания качества воды, движение наносов и изменение свойств водоносных горизонтов.

К биохимическим факторам относятся фитопланктон, зоопланктон, рыб и животных.

К механическим факторам относятся судоходство, сплав леса, работу строительных механизмов, передвижения наносов и деформацию грунтов.

Надежность водозабора определяется надежностью (обеспеченностью) источника водоснабжения и надежностью сооружений и оборудования. Надежность источника зависит от обеспеченности расчетных расходов и уровней воды, эти параметры нормируются в зависимости от категории водозаборов п.5.80 СНиП 2.04.02-84. Категории водозаборов в общем соответствуют категориям систем водоснабжения.

Таблица 5.2. Нормативы обеспеченности условий и расходов воды

В поверхностных источниках водоснабжения.

Параметры источников водоснабжения	Категории водозаборных сооружений по обеспеченности параметров
	I	II	III
1. обеспеченность (вероятность превышения) расчетных уровней воды в поверхностных источниках, %: максимальный уровень минимальный уровень	1 97	3 95	5 90
2. обеспеченность среднемесячных или среднесуточных расходов воды поверхностных источников, %	95	90	85

Эти цифры значат, что в водозаборе I категории максимальные уровни воды могут быть превышены только в 1% данных многолетних наблюдений, а минимальные уровни в реке могут быть ниже принятой отметки только в 3% наблюдений. Максимальный уровень необходим для определения отметки пола водозабора, а минимальный – для определения отметки оси насосов. Вероятностная оценка расходов воды в реке позволяет оценить соответствие источника заданной категории надежности водозабора.

Для получения упомянутых оценок строят кривые (гистограммы) повторяемости уровней воды и обеспеченности расходов. Распределение характеристик стока обычно достаточно хорошо соответствует биноминальному закону.

В принципе достаточно высокую надежность водоснабжения обеспечивает наличие двух независимых источников. Лучше всего поверхностного и подземного.

Для подземных водозаборов надежность отбора воды из водоносных горизонтов обеспечивается резервированием скважин (п. 5.13. СНиП 2.04.02-84), хотя это не всегда гарантирует сохранение постоянного притока воды к ним.

Таблица 5.3. Нормативы резервирования скважин подземных водозаборов.

Количество рабочих	Количество резервных скважин при категории водозабора
скважин	I	II	III
1-4	1	1	1
5-12	2	1	--
13 и более	20%	10%	--

После оценки надежности источника переходят к оценке надежности водозаборных сооружений. Она зависит от показателей надежности и ремонтопригодности элементов сооружений.

Таблица 5.4. Показатели надежности элементов водозаборов (при =0,95).

( - надежность данных)

Наименование	Интенсивность отказов, 104 1/час, 104 1/часкм			Интенсивность ремонтов 102,
элементов	min	ср	max	1/час
1. Водоприемники: раструбные	0,01	0,02	0,2	0,5
ряжевые	0,01	0,02	0,1	0,5
железобетонные	0,005	0,01	0,05	0,5
2. Самотечные линии: стальные трубы	0,1	0,25	0,40	0,5
железобетонные	0,2	0,40	0,60	0,5
3. Элементы скважин:
а) обсадные трубы - стальные асбоцем.	0,1 0,3	0,12 0,80	0,16 0,90	0,5 0,5
б) фильтры: проволочные каркасно-стержневые гравийные	0,5 0,2 0,1	1,25 0,30 0,2	2,0 0,5 0,3	0,5 0,5 0,5
в) скважинные насосы: ЭЦВЧ-2,5-63 ЭЦВЧ-4-130 ЭЦВЧ-6,3-60 ЭЦВЧ-10-110 ЭЦВЧ-63-65 ЭЦВЧ-120-60	1 1,2 0,8 0,9 1,25 2,0	1,25 1,4 1,3 1,5 2,0 2,5	1,6 1,6 2,6 3,6 4 4	2 2 2 2 2 2
4. Задвижки с электроприводом	0,1	0,6	1,0	4
5. Обратные клапаны	0,04	0,08	1,0	4
6. Резервуары	0,01	0,03	0,1	1

Водозаборные сооружения представляют собой обычную техническую систему и оценка надежности такой системы состоит из стандартных этапов.

1. Выполняют поверочные расчеты водозаборных сооружений с целью проверки соответствия их действующей нормативно-технической документации.

2. Из состава сооружений выделяют расчетные элементы одинакового технологического назначения и составляется расчетная (структурная) схема для оценки надежности. Для поверхностного водозабора эта схема приведена на рис. 5.1, подземного - на рис. 5.2.

3. Составляются формулы для расчета надежности водозаборных сооружений как технической системы со своей структурой. Например, для поверхностного водозабора, приведенного на рисунке 5.1, составление формул слагается из следующих этапов (без учета восстановления):

а) вычисляем Р(t) для первого блока, как последовательного соединения трех элементов (1,2,3):

;

, ,.

Время, за которое оценивается вероятность безотказной работы t чаще всего принимается равным 1 году (8760 часов). Но t = t₁ = t₂ = t₃ = 8760 часов только в том случае, если все элементы новые, либо имели к началу периода оценки P(t) одинаковую наработку t_o. В общем же случае

где t_0,1, t_0,2, t_0,3 - наработка каждого элемента к началу периода t. Если же все элементы новые, тогда

б) определяем вероятность безотказной работы двух I блоков в секции водозабора, как системы двух параллельных элементов. Считаем один I блок рабочим, другой резервным (n=1; m=1). Резерв постоянно включен, общее резервирование

в) вычисляем аналогично вероятность безотказной работы II блока и двух вторых блоков, работающих параллельно (n=1; m=1)

если все элементы новые, то

г) вычисляем вероятность безотказной работы одной секции водозабора, как системы последовательно соединенных элементов:

д) вычисляем вероятность безотказного действия всего водозабора как системы двух параллельно соединенных элементов (секций), один из них можно считать рабочей, другую резервной (n=1; m=1).

4. Определяем время безотказной работы Т_ср (наработку на отказ), для этого используем следующие выкладки:

значит

5. Сравниваем эти величины с нормативами, обычно считается необходимым иметь вероятность безотказного действия P(t)0,95, а перерывы вообще недопустимы. При недостаточно большой величине Р_{водозаб} необходимо предусмотреть меры по повышению надежности: увеличить количество секций, либо поставить более надежное оборудование, возможно - устроить два отдельных водозабора в разных створах.

Следует отметить, что возможно определение вероятности безотказного действия с учетом ремонта (восстановления). для этого используем видоизмененную формулу:

Ход вычислений тот же, что и был выше.

6. Определяем показатель качества функционирования (коэффициент обеспеченности расходов)  при отключении одной секции водозабора. Необходимо, чтобы 0,7. Отключение сразу двух секций, по опыту эксплуатации, считается маловероятным. Для вычисления  проводятся гидравлические расчеты водозабора при работающей одной секции.

Для вычислений можно использовать готовые формулы, приведенные в книге Ильина Ю.А. (табл. 5.5).

Таблица 5.5. Формулы для определения P(t)