Ograniczanie strat wody w systemach wodociągowych

Problemy wynikające z powstawania wycieków w sieci wodociągowej dotyczą każdego przedsiębiorstwa wodociągowego. Przyczyny uszkodzeń są uwarunkowane działaniem wielu czynników lub ich sumą. Najważniejsze z nich to: zbyt duże ciśnienie, wadliwe ułożenie rurociągu, uderzenia hydrauliczne, nieprawidłowo zastosowane materiały, wzrost oporności hydraulicznej, nadmierne wyeksploatowanie rurociągu i wiele innych. Nie każda awaria powstała w sieci wodociągowej powoduje przerwę w ciągłości dostaw wody do odbiorców. Najczęściej przyczyną braku dostawy wody są nieszczelności i mała przepustowości oraz uszkodzenia uzbrojenia, wymagające naprawy z odcięciem dopływu wody w sieci wodociągowej.

 

Z uwagi na ukształtowanie terenu w systemach wodociągowych występują duże różnice wysokości pomiędzy ujęciami i zbiornikami wody a odbiorcami. W ten sposób tworzą się obszary, na których panuje nadwyżka ciśnienia. Nadmierne ciśnienie w sieciach rozdzielczych przyczynia się bezpośrednio do zwiększenia liczby awarii dla przewodów wykonanych z różnych materiałów, w gruntach o wysokim stopniu agresywności, a także do rozszczelniania połączeń kielichowych rur żeliwnych i zasuw (fot. okładka).

Wadliwe ułożenie wodociągu jest częstą przyczyną powstawania nieszczelności w sieciach wodociągowych. Dotyczy to w szczególności posadowienia przewodów wodociągowych w gruntach nadmiernie nawodnionych czy skalistych. Brak odpowiedniego zagęszczenia gruntu, a także niezastosowanie lub złe wykonanie podsypki pod i „obsypki” nad rurą skutkuje powstawaniem nieszczelności na skutek przesunięcia osiowego rury lub nacisku punktowego podłoża rodzimego (fot. 1). W przypadku połączeń kołnierzowych powoduje to przesunięcie osiowe rury i w rezultacie pęknięcie korpusu przewodu. Należy zwrócić uwagę na narastające skutki, które generuje wypływająca woda. Może ona wypłukiwać spodnią warstwę podłoża, rozszczelniając kolejne odcinki. Lokalizacja nieszczelności w wyżej wymienionych gruntach jest szczególnie pracochłonna z uwagi na fakt braku wypływu wody na powierzchnię.

 

Fot. 1. Przykład awarii wodociągu PVC DN 200 – nacisk punktowy

 

Uderzenia hydrauliczne powstają na skutek nagłej zmiany prędkości przepływu wody, silnie oddziałującej na wewnętrzne ścianki rury wodociągowej oraz jej połączenia. W skrajnych przypadkach może doprowadzić to do pęknięcia korpusu rury. Najbardziej odpornym materiałem na skutki oddziaływania uderzeń hydraulicznych jest PEHD, charakteryzujący się zdolnością do sprężystego odkształcania podczas działania ciśnienia.

Sieci wodociągowe wykonane są głównie z następujących materiałów: żeliwa, stali, PCV, PE, AC. Nieodpowiednio dobrany materiał do planowanych warunków pracy skutkuje powstawaniem licznych nieszczelności. Działające czynniki zewnętrzne na rurę, takie jak obciążenie dynamiczne, nadmierne wstrząsy czy drgania wymuszają dobór materiałów o odpowiednich parametrach technicznych i jakości. Trafny wybór odpowiedniego materiału zapewnia prawidłową eksploatację sieci wodociągowej.

Wyróżnić należy dwa źródła powstawania wad materiałowych: powstałe w czasie procesu produkcji (fot. 2) oraz nabyte podczas transportu lub składowania i magazynowania.

 

Fot. 2. Przykład awarii stalowego wodociągu DN 1000 – wada materiału.

 

Powszechnie panująca opinia, że im starsza sieć wodociągowa, tym wyższe prawdopodobieństwo wystąpienia awarii nie zawsze znajduje potwierdzenie w praktyce. Na fotografii 3 przedstawiono rurę żeliwną z 1935 r. Można stwierdzić brak oznak zużycia materiału, pomimo bardzo długiego czasu eksploatacji, wynoszącego powyżej 70 lat. Za zły stan techniczny materiałów odpowiada wiele czynników, m.in. dokładność wykonania wyrobu i jego montażu. Po 1940 r. dokładność wykonania krajowych wyrobów uległa znacznemu pogorszeniu, co wpłynęło na obniżenie parametrów technicznych. Zazwyczaj – szczególnie w przypadku przewodów stalowych i żeliwnych – na skutek upływu czasu średnica eksploatowanego rurociągu zmniejsza się i pogarszają się własności hydrauliczne sieci wodociągowej. Z drugiej strony starzenie się materiału powoduje, że łatwiej ulega on uszkodzeniom.

 

Fot. 3. Rury żeliwne na podłączeniu wodociągowym z 1935 r.

 

Wzrost oporności hydraulicznej występuje głównie na przewodach wykonanych ze stali i częściowo z żeliwa. Oporność hydrauliczna wzrasta na skutek zachodzących procesów fizykochemicznych, w wyniku których następuje odkładanie się związków chemicznych na wewnętrznych ściankach przewodu. Proces ten powoduje zmniejszenie przekroju przepływu rury (fot. 4). W celu zapewnienia ciągłości dostaw wody o odpowiednich parametrach zwiększa się ciśnienie w danej strefie, aby pokonać narastający opór hydrauliczny, co skutkuje zwiększeniem ilości awarii. Problemem są również zgromadzone osady, które powodują wtórne zanieczyszczenie wody. Po oderwaniu się osadu od wewnętrznych ścianek (zwykle po zmianie kierunku przepływu wody lub zwiększeniu prędkości przepływu) następuje zabarwienie wody na kolor brunatny. Częstym zjawiskiem jest zapychanie filtrów wody u odbiorców, czyli utrudnienia w prawidłowej eksploatacji instalacji wodociągowych.

 

Fot. 4. Przykład inkrustracji – przewodu przyłącza wodociągowego

 

W działalności górniczej ruch górotworu powoduje obniżenie terenu na powierzchni. Następstwami tego procesu są rozszczelnienie połączeń na sieci wodociągowej oraz niszczenie zabudowanej armatury. W przypadku połączeń tzw. sztywnych ruchy gruntu prowadzą do pękania rur na korpusach lub na złączach, co powoduje całkowite rozszczelnienie układu.

Awarie w systemie dystrybucji wody przekładają się na częściową lub całkowitą utratę wymaganych parametrów funkcjonalnych przewodów wodociągowych. Jednym z ważniejszych wskaźników oceny stanu technicznego przewodów jest jednostkowa intensywność uszkodzeń, określająca liczbę usterek przypadających na jednostkę długości przewodu (najczęściej 1 km) i jednostkę czasu (najczęściej 1 rok). W odniesieniu do przewodów wodociągowych można bowiem przyjąć założenie, że strumień uszkodzeń jest strumieniem bez następstw, pojedynczym i stacjonarnym. Taki proces odnowy przewodu nazywa się procesem Poissona, z którego wynika, że czas pracy między uszkodzeniami ma rozkład wykładniczy, a parametrem tego rozkładu jest właśnie intensywność uszkodzeń, która przyjmuje stałe wartości w zadanym przedziale czasu^{1, 2}.

Parametr ten dostarcza nam wstępnych informacji o stanie technicznym przewodu i ułatwia planowanie modernizacji przewodów wodociągowych.

Średnia intensywność uszkodzeń, wg badań sieci wodociągowych w 174 miastach Polski, w 1998 r. wyniosła l= 1,06 uszk./km rok³.

Są to wartości bardzo uśrednione, obliczone dla sumarycznych długości przewodów, które w sumie stanowiły 55 008 km.

 

Fot. 5. Przykład awarii stalowego przewodu wodociągowego – wżer korozyjny

 

Według nowszych badań, przeprowadzonych w 2006 r. dla sieci wodociągowych o łącznej długości 68 313 km, uzyskano następujące wartości wskaźników⁴ (dla przewodów magistralnych – l= 0,16 uszk./km rok, dla przewodów rozdzielczych – l= 0,46 uszk./km rok, dla przyłączy wodociągowych – l= 0,70 uszk./km rok).

W porównaniu z badaniami prowadzonymi w 1998 r. odnotowano obniżenie współczynnika. Spowodowane jest to najprawdopodobniej zastosowaniem do budowy sieci przewodów z tworzywa sztucznego (PEHD, PVC) w większości przypadków wypierających materiały tradycyjne, takie jak żeliwo szare i stal. Przykład awarii stalowego przewodu wodociągowego pokazano na fotografii 5.

 

Głównym celem diagnostyki sieci wodociągowej jest podejmowanie systematycznych przeglądów, które zminimalizują prawdopodobieństwo występowania wycieków przez zakładany okres czasu. Diagnostyka sieci wodociągowej opiera się głównie na metodzie akustycznej, wykorzystującej zjawisko generowania szumów o określonej częstotliwości przez wodę wypływające z nieszczelnego przewodu. W ramach diagnostyki wykonuje się systematyczne przeglądy tras przebiegu sieci wodociągowych wraz z uzbrojeniem, analizuje się dane otrzymywane z monitoringu sieci dotyczące spadku ciśnienia dyspozycyjnego czy nadmiernej wydajności pomp itp. Działania zmierzające do zmniejszania strat w sieci wodociągowej należy ująć w ramy procesu, który zależny jest od ekonomicznego poziomu wycieków. Odpowiednio do pierwotnej wielkości wycieków i możliwości zaoszczędzenia konkretnej kwoty należy wprowadzić do systemu narzędzia walki z wyciekami przy zaangażowaniu niezbędnych środków finansowych. Wskutek powyższego kontrola szczelności sieci wodociągowej powinna być oparta na realizacji działań nazywanych aktywną kontrolą wycieków. W celu wykrycia nieszczelności należy prowadzić przeglądy sieci wodociągowej na wybranych obszarach z określoną ekonomiczną częstotliwością. Obszar sieci wodociągowej podlegający wnikliwej diagnostyce typowany jest do przeglądu, m.in. na podstawie danych archiwalnych o awaryjności przewodów.

 

Naturalny wzrost wycieków

 

System oceny stanu przewodów wodociągowych opiera się na: ewidencji uszkodzeń i napraw, uszczelnianiu i wymianie przewodów oraz połączeń wodociągowych.

Celem tych działań powinno być wdrożenie do stałej praktyki eksploatacyjnej programu systematycznych planowych remontów kapitalnych sieci wodociągowej. Przy założeniu, że średni okres trwałości technicznej przewodów wynosi 50 lat, dla utrzymania całości sieci w należytym stanie technicznym, należałoby rocznie poddawać kapitalnemu remontowi 2% jej długości, zakładając, że nie było 50-letniej przerwy w prowadzeniu gospodarki remontowej. W dużych systemach wodociągowych podstawowym zagadnieniem jest typowanie przewodów do remontu na każdy rok, aby sukcesywnej odnowie podlegały te rurociągi, których stan techniczny jest najgorszy, a funkcja w systemie zaopatrzenia w wodę najważniejsza.

Do tego celu może służyć program oceny stanu przewodów wodociągowych uwzględniający cztery kryteria oceny: budowa przewodu wodociągowego, intensywność uszkodzeń (awaryjność), utrudnienia w usuwaniu awarii oraz okoliczności specjalne.

Tego rodzaju system oceny pozwala kwalifikować przewody do remontów kapitalnych w oparciu o racjonalne przesłanki techniczne i przejrzystą listę potrzeb.

Niezależnie od wyników kwalifikacji przewodów do wymiany, przy podejmowaniu decyzji o zakresie rzeczowym remontów kapitalnych należy mieć na uwadze trzy podstawowe zasady.

Przy wymianie przewodów rozdzielczych trzeba bezwzględnie dokonać równoczesnej wymiany przyłączy wodociągowych z uzbrojeniem. W pierwszej kolejności należy wymienić przewody w strefach, w których ciśnienie jest najwyższe, gdyż tam straty wody są największe. Tylko wymiana całej sieci wraz z uzbrojeniem w wydzielonych ciśnieniowo strefach zaopatrzenia przynosi trwałe efekty w postaci zmniejszenia strat wody na sieci. Wymiana wybranych tylko odcinków nie daje oczekiwanego efektu ze względu na poprawę warunków ciśnieniowych w pozostałych niewymienionych odcinkach i zwiększenie przecieków wody oraz pojawienie się nowych awarii.

 

Aktywna kontrola wycieków to działania polegające na cyklicznym dokonywaniu przeglądów wyznaczonych obszarów sieci wodociągowej w celu wykrycia istniejących nieszczelności. Polegają one na obniżeniu strat wody do poziomu, w którym koszty eksploatacji sieci wodociągowej osiągną minimum. Częstotliwość przeglądów zwykle dyktowana jest czynnikami ekonomicznymi. W aktywnej kontroli wycieków można wyróżnić dwa podstawowe elementy – wyszukiwanie i lokalizacja wycieków oraz obserwacja minimalnego nocnego przepływu.

Szybkość napraw – polega na skróceniu czasu od momentu faktycznego powstania wycieku do jego usunięcia. Większość eksploatatorów sieci wodociągowych zgłoszenie awarii uważa za moment powstania wycieku. Wyciek wody zanim zostanie zgłoszony, czyli wypłynie samoczynnie na powierzchnię gruntu, trwa nawet do 100 dni. Uzależnione jest to od intensywności wycieku, rodzaju gruntu, w którym ułożony jest przewód wodociągowy i występowania uzbrojenia podziemnego. Czas trwania niezgłoszonego wycieku można zredukować poprzez wczesne jego wykrycie przy udziale monitoringu sieci, AKW i obserwowaniu wzrostu minimalnego przepływu nocnego, które umożliwiają szybkie i precyzyjne lokalizowanie awarii w sieci wodociągowej^{4, 5}.

 

Działania te polegają na obniżeniu wysokości ciśnienia w przewodach sieci wodociągowej do minimalnej wartości, zapewniającej zaspokojenie potrzeb odbiorców pod względem dostawy wody. Są one prowadzone zwykle w oparciu o matematyczny model hydrauliczny. W sieci wodociągowej powinny być umieszczone w punktach charakterystycznych urządzenia pomiarowe, służące do określenia ciśnienia minimalnego i maksymalnego w danej strefie pomiarów (fot. 6.). Wpływ wysokości ciśnienia na zużycie materiału i ilość wody wypływającej z wycieku jest oczywisty. Szczególnie uwidacznia się to w przypadku, gdy rozpatrujemy prędkość wypływu wody przez mały otwór.

 

 

Fot.6. Przykład pomiaru przepływu i ciśnienia w pompowni strefowej

 

Minimalny przepływ wody na wydzielonym obszarze sieci, mierzony jest w najbardziej miarodajnej porze, zwykle w godzinach od 1.00 do 4.00, gdy pobór wody przez odbiorców jest najmniejszy. Dane otrzymywane z monitoringu sieci wodociągowej są porównywane z obliczeniową minimalną objętością wody, jaka powinna przepływać przez badany obszar, z uwzględnieniem strat nieuniknionych, występujących w badanej strefie.

Podczas badania sieci wodociągowej metodą testowania stopniowego pomiar wykonywany jest bezpośrednio w sieci wodociągowej, w której funkcjonuje monitoring. Badanie polega na stopniowym zamykaniu dopływu wody dla kolejnych odgałęzień odcinków sieci wodociągowej przy jednoczesnej analizie wpływu tych czynności na mierzony przepływ w strefie^{6, 7}. Pomiar prowadzony jest w celu zlokalizowania obszaru o największym udziale w stratach wody (ponad poziom strat nieuniknionych) na badanym obszarze sieci wodociągowej.

Ustalenie ekonomicznego poziomu wycieków to docelowy poziom, do jakiego powinny być ograniczone straty wody w określonych warunkach eksploatacji sieci wodociągowej. Osiąga się to wówczas, gdy przy najniższych kosztach eksploatacyjnych utrzymane są najniższe straty. Gdy zbilansujemy oszczędności powstałe na skutek działań diagnostyki i poniesione koszty otrzymamy stan równowagi, czyli ekonomiczne uzasadnienie działań prowadzonych na sieci wodociągowej.

Strefowanie sieci wodociągowej to działania polegające na wydzieleniu obszarów, w których poprzez zastosowanie przepływomierzy i monitoring otrzymujemy informacje o ilości wody wpływającej na dany obszar. Strefowanie można osiągnąć poprzez opomiarowanie wydzielonego obszaru z całego systemu wodociągowego lub poprzez całkowite wydzielenie.

Podział metod wyszukiwania wycieków jest wiele. Są to metody: wizualne (polegające na obserwacji trasy przebiegu rurociągu), związane z obserwacją ciśnienia czy też polegające na ciągłej rejestracji danych – pomiary wzrostu i spadku poboru wody, bilansowanie wody dostarczonej i pobranej. Ponadto wyróżnia się także metodę: hydrantową, akustyczną – za pomocą rejestratorów szumów i geofonów, korelacyjną oraz rezystorową.

Pomocne w wykrywaniu awarii mogą też okazać się także: system informacji przestrzennej GIS, metody trasowania sieci oraz regulacja ciśnienia w sieci za pomocą sterowników zaworów PRV. Przykładowy zestaw urządzeń wykorzystywanych do AKW składa się z: rejestratora przepływów, lokalizatora podziemnego uzbrojenia, systemu Permalog, geofonu i korelatora.

 

1. Kwietniewski M., Roman M., Kłoss-Trębaczkiewicz H.: Niezawodność wodociągów  i kanalizacji. Arkady. Warszawa 1993.

2. Wieczysty A.: Niezawodność systemów wodociągowych i kanalizacyjnych Cz. I i II. Teoria niezawodności i jej zastosowania. Skrypt Politechniki Krakowskiej. Kraków 1990.

3. Dohnalik P.: Straty wody w miejskich sieciach wodociągowych. Polska Fundacja Ochrony Zasobów Wodnych. Bydgoszcz 2000.

4. Speruda S., Radecki R.: Ekonomiczny poziom wycieków. Wydawnictwo Translator 2006.

5. Speruda S.:, Straty wody w Polskich sieciach wodociągowych. Akademia strat wody WaterKey 2006.

6. Piechurski F.G.: Monitoring i jego efekty w eksploatacji systemu wodociągowego. „Napędy i Sterowanie” 11/2007.

7. Piechurski F.G., Bomersbach Z., Kasperek K.: Monitorowanie sieci wodociągowej
 w PWIK Sp. Z o.o. w Gliwicach, Materiały konferencyjne „GIS, modelowanie
 i monitoring w zarządzaniu systemami wodociągowymi i kanalizacyjnymi. PZITS Warszawa 2007.

 

dr inż.

Instytut Inżynierii Wody i Ścieków, Politechnika Śląska