Rent vatten är ett av mänsklighetens mest grundläggande behov och de av oss som bor i stadsområden hämtar vanligtvis vårt vatten från något slags centraliserat offentligt system. Att driva ett vattensystem är ett stort ansvar som har konsekvenser för folkhälsan och säkerheten. I täta stadsområden är en ren och riklig vattenförsörjning en absolut nödvändighet, inte bara för att dricka, utan också för sanitet och brandbekämpning. Och det är inte bara något vi behöver så ofta; vatten är en konstant nödvändighet både dag och natt, på helger, helgdagar och när som helst däremellan. Så jobbet med att hitta tillräckligt med vatten, göra det säkert att använda och sedan på ett tillförlitligt sätt distribuera det till systemkunderna utan stillestånd är en monumental uppgift som kräver mycket infrastruktur. Och förmodligen den mest synliga komponenten i ett offentligt vattensystem är den upphöjda lagringstanken, även känd som ett vattentorn. Jag är Grady och det här är Public Works, min videoserie om infrastruktur och den mänskliga världen runt oss.

Låt oss säga att du är ägare till ett offentligt vattensystem . Du har hittat en vattenkälla av tillräcklig mängd för dina kunder, du har hittat ett sätt att rengöra vattnet så att det är säkert för dem att använda och nu är det dags att skicka vattnet på väg. Det finns några sätt att få vatten från en plats till en annan. En av dem är bara att bära den dit. Oavsett om det är på baksidan av ett djur, på en lastbil eller en flaska i din ryggsäck, bär vi fortfarande vatten hela tiden. Men det är vanligtvis inte det mest effektiva sättet. Den första infrastrukturen för vattentransport var den öppna kanalen. Vare sig det är i ett dike, kanal eller akvedukt, vattnet bärs av tyngdkraften, ibland över mycket långa avstånd. Vi använder fortfarande öppna kanaler för att transportera vatten för bevattning och dränering, men de har också vissa nackdelar. Vattnet är utsatt för föroreningar och föroreningar, kanaler delar upp landet, vilket gör det svårt att komma över och vattnet kan bara rinna till områden med lägre höjd än där det började. Och den sista är en stor nackdel, särskilt om du försöker leverera vatten till ett område med kullar eller berg. Så de flesta offentliga vattensystem idag är beroende av rör för distribution.

Att helt enkelt sätta en topp på en öppen kanal gör att vi kan dra nytta av trycket för att flytta vätskor dit vi vill ha dem att gå. Precis som elektroner i ett trådflöde från hög till låg spänning, kommer en vätska i ett rör att strömma från högt till lägre tryck. Så om du höjer trycket i ena änden av ett rör kan du skicka rent vatten till vart du vill att det ska gå. Och hur höjer du vattentrycket? Med en pump. En pump är en anordning som flyttar vätskor. I vissa fall lyfter en pump bokstavligen vätskan till en högre höjd, men i de flesta fall tillför en pump energi till en vätska genom att höja sitt tryck. Och pumpar, särskilt storleken på pumpar som betjänar hela städer, är dyra. Så om du har till uppgift att välja storlek på pumpen du behöver för ditt offentliga vattensystem, vad gör du? Kanske mäter du mängden vatten som staden använder en viss dag och väljer en pump som kan matcha den flödeshastigheten. Låt oss se hur det skulle fungera.

Det är midnatt i din stad och de flesta av dina vattenkunder sover. Förutom industrikunderna som kör 24/7 är vattenbehovet minimalt och din pump har inga problem att möta dem. Men runt 5 på morgonen börjar automatiserade sprinklersystem sparka in. Omkring 6 på morgonen börjar människor vakna, ta duschar, borsta tänderna, laga frukost, allt som kräver vatten. Det tar inte lång tid innan vattenbehovet överstiger pumpens kapacitet. Nästan precis utanför lagret kan din nya pump inte tillgodose ditt systembehov, eftersom den bara var dimensionerad för genomsnittet. Vattenbehov i stora stadsområden kan variera kraftigt under en normal dag, där det högsta timbehovet (vanligtvis på morgonen eller kvällen) ibland är så mycket som 5 gånger den genomsnittliga dagliga efterfrågan. Så om du försöker tillgodose dina kunders vattenbehov med bara pumpar, istället för bara en, kan du behöva så många som fem pumpar (eller en enorm pump som kan göra jobbet med 5). Och inte bara det, du måste ständigt cykla pumparna på och av för att möta den varierande efterfrågan, vilket ökar slitaget på din utrustning. Och här är där lagring kommer in. Låt oss lägga till ett vattentorn i systemet och prova det här experimentet igen.

Det är midnatt och efterfrågan är låg, men din pump går helt vidöppen. Istället för att kunder som strömmar över vatten flyter det in i ditt vattentorn och fyller tanken långsamt men säkert. När morgonen kommer och efterfrågan börjar öka fortsätter din pump att gå. Det kan inte möta efterfrågan på egen hand, men det lagrade vattnet i tanken gör skillnaden. Alla dina kunder får det vatten de behöver.När människor börjar sin dag sjunker efterfrågan igen under genomsnittet. Men pumpen fortsätter att gå och det extra flödet går in i tanken. Efterfrågan börjar igen öka när invånarna i staden börjar laga middag, bada och vattna växterna. All denna extra vattenanvändning dränerar tanken igen innan de flesta går och lägger sig och cykeln börjar igen.

Det är ganska enkelt att se hur lagring gör ditt vattensystem mer effektivt . Det utjämnar topparna och dalarna i vattenbehovet inte bara på dina pumpar utan all din infrastruktur uppströms, inklusive din vattenreningsanläggning och råvattenförsörjning. Utan lagring skulle alla dessa anläggningar behöva dimensioneras för maximal efterfrågan, vilket skulle öka deras kostnad. Med tillräcklig lagring kan pumpar och annan infrastruktur dimensioneras för genomsnittliga krav, vilket sparar inte bara kostnader utan också komplexitet eftersom du inte behöver förutsäga förändringar i efterfrågan och svara därefter. Ibland är dessa toppar och dalar förutsägbara, men ibland inte. Några av de största vattenbehoven i stadsområdena är från bränder. Utan en brandbekämpningsstyrka och tillräckligt med vatten för att förse dem kan bränder brinna utom kontroll i täta stadsområden. Faktum är att många av de dödligaste katastroferna i historien var bränder i städer före moderna vattensystem. Nu har de flesta kommuner och byggnormer minimikrav för den mängd vatten som måste finnas tillgängligt för brandmän. Och att ha vatten lagrat och klart, som i ett vattentorn, går långt för att kunna svara på en nödsituation.

Du kanske tänker, kom igen Grady . Det här är inget nytt. Lagring är den gamla lösningen för alla situationer där utbudet inte matchar efterfrågan. Och ja, det kanske inte är något anmärkningsvärt att förvara vatten i en stor tank. Men vattentorn är inte bara stora tankar, de är stora tankar upphöjda över marken. Och det beror på att vattentorn inte bara lagrar vatten; de lagrar också energi. Vattenfördelningssystem är beroende av tryck för att få vattnet dit det ska. Om du någonsin har tagit en dusch med lågt vattentryck vet du hur frustrerande det kan vara, för du kan inte få ut tillräckligt med vatten ur kranen. Att trycka på ett vattensystem är också viktigt för folkhälsan. Utan tillräckligt tryck i rören kan föroreningar ta sig in i systemet genom kranar eller små läckor. De flesta vattensystem får sitt tryck från pumpar, och det tar mycket energi att bibehålla detta tryck. Så att ha förmågan att lagra inte bara själva vattnet utan också den energi som pumparna har tillförts är viktigt. I vissa områden, där elkostnaderna varierar beroende på efterfrågan, kan du köra pumparna på natten när det är billigt att fylla ditt vattentorn. Lämna sedan pumparna av under dagen när el är dyrare, så att bara tornet kan trycksätta systemet och betjäna dina kunder. Att lagra energi på detta sätt utförs också i större skala för att hjälpa till med elnäts tillförlitlighet, men det är ett ämne för en annan video. Förhöjd lagring är också fördelaktig under ett strömavbrott, genom att hålla systemet under tryck även när pumpar är ur drift.

Men hur förhöjda behöver de vara? Du kanske vet att trycket i en vattenkropp är relaterat till djupet. Ju djupare du går, desto större blir trycket. Precis som i en pool eller i havet har ett vattendistributionssystem samma förhållande mellan djup och tryck. Det råkar bara vara begränsat i en serie rör. Så du kan föreställa dig ett vattendistributionssystem som ett virtuellt hav under vilket vi alla lever, och vattenytan i upphöjda lagringstankar representerar ytan på det virtuella havet. Att föreställa sig ett vattensystem på det här sättet gör det enkelt att se utmaningen att leverera vatten till kunder med rätt tryck. Om våra städer var plana skulle det vara ganska enkelt. Alla byggnader skulle sitta på samma djup i det virtuella havet. Men de flesta områden har åtminstone en viss topografisk lättnad. Kunder i låga höjder är längst ner i det virtuella havet, där trycket kan vara för högt. Du kanske tycker att det här är bra, men rörledningar och apparater värderas bara till vissa tryck, så att överskridande av dessa värden kan orsaka allvarliga skador. Ibland kommer byggnader i låga höjder att vara utrustade med speciella ventiler för att minska trycket. Kunder i höga höjder är nära ytan av det virtuella havet med mycket lågt vattentryck. Som jag nämnde kan detta inte bara vara frustrerande utan också leda till förorening av systemet. För att lösa denna utmaning upprätthåller många stora städer separata distributionssystem som kallas tryckzoner, var och en med sitt eget vattentorn, för att betjäna kunder i olika höjder inom staden.

, vad händer om du behöver betjäna kunder på olika höjder på samma plats?Höga byggnader, som skyskrapor, kan ha tillräckligt vattentryck på de nedre våningarna, medan de högre våningarna kan gå upp nära ytan eller till och med över det virtuella havet i vattendistributionssystemet. Så istället för att lita på stadens vattentryck använder de flesta höga byggnader sina egna pumpar för att ge vatten till de övre våningarna. Och vissa städer, som New York, kräver till och med att varje byggnad har sin egen upphöjda lagringstank.

Inte varje stad använder vattentorn. Vissa har hela vattenförsörjningen i högre höjd, vilket minimerar behovet av att lägga till tryck på systemet. Och ibland är det vettigare att förlita sig på pumpar ensamma för att hålla systemet igång. När allt kommer omkring är vattentorn inte billiga, de tar ganska mycket utrymme och de kan låta vatten stagnera om det inte cirkulerar tillräckligt. Men med offentliga vattenförsörjningar är tillförlitlighet nyckeln. Och det har gått länge sedan tyngdkraften slogs offline från åskväder, så upphöjda lagringstankar (i någon form eller på något sätt) är definitivt här för att stanna. Tack för att du tittade och låt mig veta vad du tycker!