Для успешной борьбы с огнем необходимо соблюсти два главных условия: доставить воду к месту пожара и подать ее на горящий объект. Как бы ни была хорошо организована доставка воды к месту пожара, но возможности имеющейся техники не позволяли успешно вести борьбу с огнем. А в результате городские пожары (не говоря уже о сельской местности, где имелись только ручные насосы) распространялись на большой площади. По расчетам российских специалистов минимальная подача воды для успешного тушения пожара должна составлять 200 ведер в минуту при наличии четырех стволов производительностью 50 ведер в минуту. При неблагоприятных условиях для тушения одного пожара, по данным американских специалистов, требовалось 700 ведер воды в минуту (например, 14 стволов производительностью 50 ведер в минуту.) Какие же были возможности у имевшихся насосов? Большая ручная труба обеспечивала подачу 20 ведер в минуту, средняя - от 10 до 15 ведер в минуту при высоте струи 6-7 сажень. Все имеющиеся в Санкт-Петербурге большие насосы, которых в конце XIX в. насчитывалось 5 штук, могли подать всего 100 ведер воды в минуту. Это, как видно, далеко не соответствовало норме. Такая картина была характерна для многих крупнейших городов мира. Лучшие паровые насосы обеспечивали подачу от 100 до 250 ведер воды в минуту. Эти данные соответствуют тому случаю, когда водоисточник находится рядом с насосом. Если насос отсутствует (что характерно для сельской местности) или его установка оказывается невозможной, то вода доставляется бочками, ведрами и т.п.
С другой стороны, с появлением более производительной техники резко увеличился расход воды. Например, в Берлине ежегодно на пожарные нужды расходовалось 3,5 млн литров воды, в Лондоне (1896 г.) - 28 млн литров. Городские водопроводы не были приспособлены для одновременного обслуживания водой пожарных и городского хозяйства. Выход из этого положения специалисты видели в устройстве противопожарных водопроводов.
В 1865 г. в США в штате Нью-Йорк был построен водопровод по системе прямого давления протяженностью 45 верст, на котором имелся 331 пожарный кран. Давление воды в водопроводе достигало 14атм. Опыт использования противопожарных водопроводов дал положительные результаты. Теперь не требовалось тратить драгоценное время на развертывание как ручных, так и паровых насосов, на доставку к ним воды. Пожарный кран водопровода по своей производительности (300 - 400 ведер в минуту), высоте подачи воды превосходил средний паровой насос. Экономия времени достигалась за счет выезда пожарных без полного обоза. Все это повышало боеспособность пожарных команд.
Несмотря на очевидное преимущество противопожарных водопроводов, их строительство наталкивалось в Европе на ряд трудностей. Одна из них - повсеместное строительство городских водопроводов, рассчитанных только на хозяйственные нужды. На них, правда, имелись пожарные краны, от которых можно было протянуть рукава, но при повсеместном заборе воды на пожарные цели не хватало напора.
Выступая на съезде русских деятелей по пожарному делу в 1892 году, Н.П. Зимин отмечал, что «при наличии в городах водопроводов приходится употреблять для тушения пожаров ручные, а иногда и паровые трубы; воду нередко приходится возить к месту пожара на лошадях». «Водопроводная практика Европы, - говорил он, - не сделала почти ничего, слагая все тягости борьбы с пожарами на специалистов пожарного дела, которым с громадными затруднениями приходится восполнять крупные недостатки водопроводного дела».
Хозяйственное водоснабжение России в XIX в. также было не в состоянии обеспечить необходимое количество воды для тушения огня. В среднем на городского жителя приходилось пять ведер воды в сутки. Для города со 100 тыс. жителей - 500 тыс. ведер. Это, по расчетам специалистов, составляло лишь половину той нормы, которая могла потребоваться для тушения одного пожара в городе (из расчета 42 тыс. ведер в час). Но строительство водопроводов, удовлетворяющих как хозяйственные нужды, так и потребности пожарных, требовало больших затрат и, как отмечала печать тех дней, «большинство русских городов долго еще не решится строить такие водопроводы».
Проблема противопожарного водоснабжения на базе имеющейся водопроводной сети была блестяще решена русским инженером Н.П. Зиминым. Простое повышение давления в водопроводной сети при заборе из нее в случае возникновения пожара могло легко привести к ее разрушению. Н.П. Зимин, указывая на этот недостаток водопроводов с переменным давлением, предложил свою систему «хозяйственно-противопожарного водопровода». По его проекту напор воды в водопроводе в случае пожара немедленно увеличивался. Увеличение давления осуществлялось либо водоподъемными машинами, либо подключением к сети труб резервуара, находящегося на более высоком месте. Подача воды для хозяйственных целей при этом немедленно прекращалась, так как при увеличении давления до 4 атмосфер и более автоматически закрывались вентили в ответвлениях, через которые шла подача воды в дома. В этом случае функция водопроводной сети с хозяйственной менялась на противопожарную, а вода для тушения бралась из ближайших пожарных кранов, установленных на водопроводной сети. После окончания тушения, когда напор уменьшался до 3 - 4 атмосфер, запорные вентили вновь пропускали воду в дома. Используя предложенную систему в больших городах, можно было отключить воду лишь на некоторых участках. По мнению автора проекта, расходы на противопожарное водоснабжение при его реализации снижались на 50 процентов.
Оригинальность водопроводов системы Зимина заключалась в использовании специальных вентилей (клапанов), посредством которых при повышении давления в сети автоматически отключалось хозяйственное водопотребление (жилые дома, фонтаны и др.) и весь дебит воды можно было направить на тушение пожаров. Николаем Петровичем был предусмотрен и ряд других новшеств, повысивших надежность действия водопроводов в условиях возможных пожаров: установка в насосных станциях резервных водоподъемных насосов, укладка всасывающих труб в два ряда, обязательное кольцевание водопроводной сети, установка на водопроводе задвижек, посредством которых возможно отключение отдельных участков сети.
В 1882 г. Зимин строит в Москве Преображенский водопровод длиной чуть более 3 км с 24 пожарными кранами и четырьмя водозаборными столбами. Забор воды из четырех колодцев осуществлялся насосной станцией, оснащенной двумя паровыми насосами и котлами.
Спустя год Николай Петрович Зимин представил в Московскую городскую управу «Проект снабжения города Москвы водою и охраны его от пожаров», в котором разработал условия тушения без пожарных насосов. Согласно проекту, из пожарных кранов, расположенных в восемь рядов, представлялось возможным получать по 50 ведер воды в минуту в виде свободных струй высотой не менее 25 м. Городская сеть водопроводных труб при этом разбивалась на 6 частей с самостоятельными насосными станциями.
В 1892 г. по проекту Зимина был сооружен новый мытищинский водопровод с сетью труб протяженностью более 110 км. Через каждые 100 м на всей сети были установлены пожарные краны. Зимин участвовал также в составлении проектов и строительстве водопроводов во многих русских городах. Так, по его проекту в 1886 г. был построен самарский городской противопожарный водопровод прямого давления с сетью труб протяженностью 25 км., где было установлено 247 пожарных кранов, от которых в любое время суток можно было получить 200 ведер воды в минуту при напоре в сети до 9 атмосфер.
Самарский водопровод для своего времени был уникален не только в России, но и в Европе. Он обеспечил такое количество воды, которое полностью удовлетворяло все хозяйственные нужды и потребности при пожаротушении. Подача воды во время пожара достигала в нем 12 тыс. ведер в час. Установленные на трубопроводах пожарные краны конструкции Зимина сразу же повысили эффективность тушения пожаров. О значении его системы можно судить по следующим цифрам. За период 1877-1886 гг., когда в Самаре пожары тушились без использования водопровода, то есть вода доставлялась бочками, каждый пожар приносил убыток в сумме 11 тыс. 105 руб., а ежегодно в среднем сгорало на 218 тыс. 785 руб. За шесть лет эксплуатации водопровода убытки от одного пожара составляли в среднем 1 тыс. 827 руб., а ущерб за год - 64 тыс. 588 руб.
Из 42 пожаров в Самаре в 1887 г. 31 ликвидирован с использованием противопожарного водопровода, а в 1888 г. из 34 - 17. Средняя продолжительность тушения пожаров при использовании водопровода системы Зимина в 1887 г. составила 1 час 15 мин, а в 1888 г. - 35,5 мин. Общественность и городские власти были признательны автору за его проект. Подобные водопроводы были сооружены в Царицыне, Рыбинске, Тобольске и ряде других городов. В 1890 г. на Казанской научно-промышленной выставке хозяйственно-противопожарная система Н.П. Зимина была удостоена медали Русского технического общества. Труды Зимина сыграли большую роль в усовершенствовании пожарного водоснабжения. Им были определены необходимые размеры водопроводных труб, разработаны конструкции первых пожарных гидрантов и стендеров, ряд конструкций задвижек, пожарных кранов, колодцев и прочего.
Хозяйственно-водопроводная система водоснабжения Зимина была применена не только к вновь строящимся, но и к существующим городским, сельским, фабричным и другим водопроводам, если только трубопровод обладал достаточной прочностью. При соблюдении этого условия вместо запорных кранов устанавливались автоматические запорные клапаны на всех ответвлениях от водопроводной магистрали, не имеющих пожарных кранов. Теперь при необходимости можно было подключать к кранам паровые насосы. В 90-х годах прошлого века в США уже насчитывалось свыше 350 пожарных водопроводов. Если учесть, что водопроводы с резервуарами и водонапорными колонками также были приспособлены для подачи воды под увеличенным давлением, то их общее число приближалось к 700. Этим отчасти объясняется тот факт, что в США в те годы практически не употреблялись ручные и паровые пожарные насосы. Хотя в городах все же имелись полные пожарные обозы с насосами. Эти цифры наглядно показывают, что идея создания противопожарных водопроводов оказалась настолько плодотворной, что практически сразу, с момента ее зарождения, она была реализована во всем мире.
Важнейшей частью водопроводной системы являлись пожарные краны. По своей конструкции они делились на подземные и наземные. Своим основанием кран устанавливался на водопроводной магистрали, имеющей в месте их соединения отверстие, закрываемое крышкой в виде шара. При вращении рукоятки крана перемещался медный стендер, выполненный в виде стержня с резьбой. Шар при этом опускался, а вода из магистрали устремлялась наружу.
Лучшие конструкции гидрантов и стендеров были разработаны в России. Например, стендер Мартынова позволял одновременно подавать воду в пожарный рукав и для наполнения бочек. Однако, как уже неоднократно случалось в России, гидранты и стендеры завозились, в основном, из-за границы. В конце XIX в. в столицах европейских государств имелось следующее количество пожарных кранов: в Вене - 2364, Санкт-Петербурге - 3245, Гамбурге - 5722, Берлине - 7551.