Przykład wykorzystania modelu komputerowego do opracowania procedury płukania i dezynfekcji wodociągu wiejskiego
Wstęp
Systemy wodociągowe należą do tzw. infrastruktury krytycznej, której prawidłowe funkcjonowanie warunkuje zarówno komfort, zdrowie, jak i życie mieszkańców terenów zurbanizowanych [1]. Dostarczana za ich pośrednictwem woda powinna spełniać wymagania zawarte w Rozporządzeniu Ministra Zdrowia z dnia 7.12.2017r. [2,3]. Brak spełnienia tych wymogów, szczególnie w zakresie mikrobiologicznym powoduje konieczność zamknięcia wodociągu i podjęcia szeregu działań naprawczych. Pogorszenie jakości wody dostarczanej do odbiorców najczęściej pojawia się w wyniku zanieczyszczenia źródła wody, występowania zjawiska wtórnego zanieczyszczenia wody w obrębie sieci dystrybucyjnej lub obu tych czynników jednocześnie [4-6]. Problem powyższy jest szczególnie dotkliwy w wodociągach wiejskich, w których nie prowadzi się ciągłej dezynfekcji wody. Dodatkowo w wodociągach tych badania jakości wody prowadzi się okresowo, najczęściej raz, dwa razy w ciągu roku. W takich warunkach często o pogorszeniu jakości wody przedsiębiorstwa wodociągowe dowiadują się bezpośrednio od jej odbiorców, kiedy zanieczyszczenie obejmuje znaczną część systemu wodociągowego. Niezależnie więc od tego czy zanieczyszczone zostało źródło wody czy same przewody dystrybucyjne, przedsiębiorstwa zmuszone są podejmować działania związane z płukaniem i dezynfekcją sieci dystrybucyjnej.
Przeprowadzenie powyższych działań jest stosunkowo łatwe w przypadkach sieci obsługujących wsie o zabudowie liniowej. Praktycznie wystarczy wówczas rozpoczęcie intensywnej dezynfekcji (najczęściej chlorowania) w stacji wodociągowej z jednoczesnym otwarciem najbardziej oddalonego od niej hydrantu [7].
Sytuacja znacznie komplikuje się w przypadkach, w których struktura sieciowa jest bardziej złożona (obecność długich odgałęzień czy też pierścieni). Bardzo często powyższe działania prowadzone są tam nieskutecznie, prowadzi to do przedłużenia okresu wyłączenia wodociągu i powtórzenia całej procedury. Każdego roku w lokalnej prasie i telewizji pojawiają się informacje o co najmniej kilku tego typu zdarzeniach. Złożone struktury sieci wodociągowej wymagają w takich przypadkach starannego opracowania procedur płukania i dezynfekcji [8]. Procedury te muszą obejmować zarówno lokalizację otwieranych hydrantów, kolejność ich otwierania, jak również czas otwarcia każdego z nich.
Celem artykułu jest prezentacja przykładu wykorzystania modelu komputerowego do opracowania takiej procedury dla rzeczywistej wiejskiej sieci wodociągowej. Procedurę opracowano przy wykorzystaniu modelu numerycznego rozpatrywanej sieci, zbudowanego w programie EPANET 2.0 [9].
Opis obiektu
Rozpatrywana sieć wodociągowa posiada, jak na warunki wiejskie, złożoną strukturę geometryczną (rys. 1). Zasila ona w wodę ok. 500 mieszkańców, głównie gospodarstwa rolne, drobne podmioty gospodarcze, zazwyczaj o charakterze usługowym (20), jak również jedną przemysłową fermę drobiu. Sieć dystrybucyjna zawiera ok. 150 przyłączy. Całkowita długość przewodów sieciowych (bez przyłączy) wynosi ok. 53,8 km. Przewody sieciowe zbudowane są z rur PE HD, o średnicach od 110 do 225 mm. Woda do sieci dystrybucyjnej wprowadzana jest za pośrednictwem pojedynczej stacji wodociągowej, ujmującej wody podziemne, wyposażonej w zbiornik zapasowo-wyrównawczy, pompownię II-go stopnia oraz chlorator bazujący na podchlorynie sodu. Chlorator podłączono do przewodu łączącego studnie ze zbiornikiem zapasowo-wyrównawczym. Dezynfekcja wody tłoczonej do wodociągu odbywa się okresowo.
W latach 2017, 2018 w rozpatrywanym systemie wodociągowym pojawiły się problemy z jakością mikrobiologiczną wody dostarczanej do odbiorców, skutkujące podjęciem przez lokalne przedsiębiorstwo wodociągowe, działań związanych z płukaniem i dezynfekcją. Początkowo działania te nie przynosiły spodziewanych skutków. Konieczne okazało się opracowanie stosownych procedur. Ich opracowanie zespół autorski oparł o metodę symulacji komputerowej. Wykorzystał w tym celu model numeryczny rozpatrywanej sieci, zbudowany i skalibrowany w latach poprzedzających wspomniane wydarzenia. Jako program narzędziowy wykorzystano tu program EPANET 2.0. Model obejmował 143 węzły i 142 przewody. Na bazie obliczeń symulacyjnych dokonano oceny warunków hydraulicznych „normalnej” pracy rozpatrywanego wodociągu. Rozkład wysokości ciśnienia w węzłach oraz prędkości przepływu wody w przewodach analizowanej sieci, w godzinie maksymalnego poboru wody przedstawiono na rysunku 1.
Analizowana sieć wodociągowa pracuje w warunkach przewymiarowania, typowych dla warunków wiejskich. Maksymalna prędkość przepływu wody w przewodach sieciowych, w godzinie maksymalnego poboru wody wynosi 0,17 m/s. Przy tak niewielkich prędkościach przepływu rozkład wysokości ciśnienia związany jest przede wszystkim z ukształtowaniem wysokościowym sieci. W jej północnej części wysokość ciśnienia sięga maksymalnie 72 mH2O.
Rozkład wysokości ciśnienia (węzły) oraz prędkości przepływu wody (przewody) w godzinie maksymalnego poboru wody. Strzałka wskazuje lokalizację stacji wodociągowej
Założenia do opracowania procedury płukania i dezynfekcji
Przed rozpoczęciem opracowania koncepcji procedury płukania i dezynfekcji rozpatrywanej sieci wodociągowej przyjęto następujące założenia:
–– źródłem środka dezynfekcyjnego jest chlorator zlokalizowany w stacji wodociągowej, wymagane stężenie dezynfektanta osiągane jest na wyjściu ze stacji wodociągowej,
–– w pierwszej kolejności dezynfekowane są studnie, zbiornik i urządzenia stacji wodociągowej,
–– środek dezynfekcyjny powinien być dostarczony do każdego punktu odbioru, co wymaga minimum 1-krotnej wymiany wody w przewodach na całej trasie pomiędzy pompownią a odbiorcą,
–– proces dezynfekcji powinien być połączony, na ile to możliwe, razem z płukaniem przewodów. Wymagane jest zatem osiągnięcie jak najwyższych prędkości przepływu wymienianej wody. Głównym celem działań jest jednak wymiana wody, a nie usuwanie osadów potencjalnie zalegających w przewodach sieciowych,
Sposób podłączenia hydrantu do przewodów rozpatrywanej sieci wraz z odwzorowaniem tego podłączenia w modelu numerycznym zbudowanym w programie EPANET 2.0 (szczegół A)
–– wymiana wody oparta jest o otwarcie wytypowanych hydrantów sieciowych,
–– ze względu na parametry istniejącej pompowni II-go stopnia możliwe jest otwarcie jedynie pojedynczego hydrantu w danym czasie,
–– po zakończeniu procesu dezynfekcji konieczna jest ponowna wymiana wody zawartej w rozpatrywanym wodociągu,
–– opracowane procedury powinny zawierać informacje o lokalizacji otwartego hydrantu, niezbędnym czasie tego otwarcia, wymaganiach dotyczących ukierunkowania przepływu oraz kolejności otwieranych hydrantów,
–– procedury zostały opracowane w oparciu o badania symulacyjne bazujące na opisanym powyżej modelu numerycznym sieci, zbudowanym w programie EPANET 2.0.
Jednym z problemów obliczeniowych przy pracy z programem EPANET 2.0 jest sposób odwzorowania otwarcia hydrantu. W rozpatrywanej sieci wodociągowej hydranty podłączono do sieci za pomocą własnych odgałęzień, w sposób przedstawiony na rysunku nr 2. Na rysunku tym przedstawiono jednocześnie (szczegół A) sposób tego podłączenia w programie EPANET 2.0.
Procedura płukania i dezynfekcji rozpatrywanej sieci
Zgodnie z przyjętymi założeniami procedura płukania i dezynfekcji sieci wodociągowej powinna rozpocząć się od obiektów i urządzeń stacji wodociągowej, w tym przypadku dwóch studni, zbiornika zapasowo-wyrównawczego, pompowni oraz układu przewodów. Znajdujący się na terenie stacji chlorator powinien być zatem tak podłączony, aby dezynfekować obiekty stacji. Stężenie chloru wolnego w wodzie wykorzystywanej do dezynfekcji powinno być znacznie wyższe od dopuszczalnego dla wody przeznaczonej do spożycia i wynosić ok. 3,0 mgCl2/dm3 [10].
Ze względu na to, że czas przetrzymania wody w zbiorniku zapasowo wyrównawczym przekracza 12 godzin, stężenie chloru w zgromadzonej w nim wodzie, na skutek zachodzących reakcji chemicznych z wodą i ściankami zbiornika, stopniowo zanika. W efekcie woda tłoczona do sieci zawiera znacznie niższe stężenie chloru niż wprowadzana do zbiornika. W związku z powyższym przed rozpoczęciem płukania i dezynfekcji sieci wodociągowej należy podłączyć chlorator do przewodu tłocznego za pompami II-go stopnia. Uzyska się dzięki temu wymagane stężenie środka dezynfekującego na wejściu do sieci, przy jednoczesnym zmniejszeniu jego dawki, w stosunku do podłączenia przed zbiornikiem.
W dalszej kolejności płukanie i dezynfekcję podzielono na dwa etapy: dla części północnej i południowej rozpatrywanej sieci. W pierwszej kolejności zaproponowano otwarcie hydrantu oznaczonego żółtą strzałką na rysunku 3. Ze względu na konieczność uzyskania największej możliwej prędkości przepływu wody w przewodach sieciowych, razem z otwarciem hydrantu przewidziano zamknięcie jednej zasuwy sieciowej, oznaczonej na rysunku 3 czerwoną strzałką. Uzyskane w ten sposób ukierunkowanie zwiększyło prędkość przepływu w przewodach płukanego pierścienia z 0,43 do 0,75 m/s.
Czas otwarcia hydrantu wskazanego na rysunku 3, umożliwiający wymianę wody w przewodach sieciowych na trasie od źródła wody wyznaczono wykorzystując możliwość obliczenia przez program EPANET 2.0 tzw. wieku wody w węźle. Wyniki tych obliczeń przedstawiono na rysunku 4. Biorąc pod uwagę wyniki obliczeń czas dopływu wody z pompowni do hydrantu oszacowano na 7,1 godz.
W następnej kolejności przyjęto otwarcie hydrantu w węźle oznaczonym numerem 1 na rysunku 5. Tym razem zrezygnowano z zamknięcia zasuwy sieciowej wymuszające ukierunkowanie przepływu. Badania symulacyjne wskazały, że takie zamknięcie powodowało istotny spadek wydajności hydrantu.
Wymagany czas otwarcia hydrantu określono jako różnicę wieku wody w węzłach oznaczonych na rysunku 5 numerami 1 i 2, jako że poprzednie otwarcie hydrantu (rysunek 3) spowodowało wymianę wody na trasie od źródła do węzła nr 2. Do wymiany pozostała więc woda zawarta w przewodach sieciowych pomiędzy węzłem 2 i 1. Obliczona różnica wieku wody wyniosła 2,3 godziny (rys. 6).
Kolejne zadania w ramach tego etapu procedury to płukanie i dezynfekcja pozostałych 8 odgałęzień. Podobnie, jak miało to miejsce poprzednio związane jest to z otwarciem końcowych hydrantów. Określony na podstawie badań symulacyjnych, analogicznych do przedstawionych powyżej, czas otwarcia tych hydrantów wahał się od 10 do 30 minut. Całkowity czas otwarcia hydrantów w trakcie pierwszego etapu (część północna wodociągu) 11,7 godziny. Czas ten nie obejmuje ewentualnego płukania przyłączy wodociągowych, które nie zostały odwzorowane w modelu.
W drugim etapie opracowano procedury płukania dla części południowej rozpatrywanego wodociągu. Zarówno założenia, jak i sposób opracowania były identyczne z etapem poprzednim. Przykładowy rozkład prędkości przepływu wody po otwarciu najbardziej oddalonego od pompowni hydrantu przedstawiono na rysunku 7.
Wymagany czas otwarcia hydrantu wskazanego strzałką na rysunku 7 wyniósł 5,5 godz. – rys. 8.
Dalszy tryb postępowania w celu przeprowadzenia płukania i dezynfekcji przewodów sieciowych południowej części wodociągu określono w sposób analogiczny jak dla części północnej. Sumaryczny czas otwarcia wszystkich hydrantów w części południowej wodociągu wyniósł 13,4 godziny.
Całość procesu wymiany wody w rozpatrywanej sieci wodociągowej, obliczana jako sumaryczna długość czasu otwarcia wszystkich wytypowanych hydrantów wynosi 25,1 godziny. Po zakończeniu procesu wymiany wodociąg musi być poddany działaniu środka dezynfekcyjnego przez minimum 24 godziny, po czym powinna nastąpić ponowna wymiana wody. Jakość wprowadzanej do wodociągu wody na tym etapie powinna spełniać wymagania stawiane w aktualnym rozporządzaniu Ministra Zdrowia. Wymagania te obejmują także dopuszczalne stężenie chloru.
Wyniki obliczeń symulacyjnych prędkości przepływu po otwarciu hydrantu płuczącego. Strzałkami oznaczono lokalizację hydrantu (żółta) oraz lokalizację zamkniętej zasuwy sieciowej (czerwona)
Wyniki obliczeń tzw. wieku wody w węźle reprezentującym otwarty na rysunku 3 hydrant
Rozkład prędkości w badanej sieci po otwarciu hydrantu wskazanego strzałką.1 i 2 – lokalizacja węzłów wybranych do obliczeń wieku wody. Strzałką oznaczono lokalizacje otwartego hydrantu
Porównanie wieku wody w węzłach 1 i 2, wg obliczeń symulacyjnych
Wyniki obliczeń symulacyjnych prędkości przepływu wody po otwarciu hydrantu płuczącego. Strzałka wskazuje lokalizację otwartego hydrantu
Wyniki obliczeń wieku wody w węźle reprezentującym otwarty hydrant zgodnie z rys. 7
Podsumowanie
Proces płukania i dezynfekcji wiejskich sieci wodociągowych o złożonej strukturze geometrycznej wymaga starannego planowania. Ważna jest tu nie tylko lokalizacja otwieranych hydrantów upustowych, ale także kolejność oraz czas ich otwarcia. Przedstawiony w artykule przykład wykorzystania badań symulacyjnych wskazuje, że wygodnym narzędziem planowania tego procesu jest modelowanie komputerowe. Podejmowane na jego podstawie działania eksploatacyjne zwiększają prawdopodobieństwo skuteczności procesu płukania i dezynfekcji. Pozwalają także na wstępne oszacowanie czasu trwania tego procesu, zapewnienie odpowiedniego zapasu środka dezynfekcyjnego, a także odpowiednie planowanie działań związanych z alternatywną dostawą wody do odbiorców w czasie zamknięcia wodociągu.
L I T E R AT U R A
[1] Rak J., Pietrucha-Urbanik K. Badania sondażowe związanych z brakiem wody wodociągowej w sytuacjach kryzysowych. Instal 2 (370), 2016.
[2] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 7 grudnia 2017 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Dz.U. 2017 poz. 2294.
[3] Zimoch I, Mulik B. Rozporządzenie Ministra Zdrowia w sprawie jakości wody przeznaczonej do spozycia przez ludzi – nowe wyzwania sektora wodociągowego. Instal 2 (392), 2018.
[4] Kuś K., Osińska U. Zapobieganie wtórnemu zanieczyszczeniu wody w systemach dystrybucji. Międzynarodowa Konferencja Naukowo- Techniczna: Innowacyjne rozwiązania techniczne i organizacyjne w przedsiębiorstwach wodociągowo-kanalizacyjnych, 87-106, Szczyrk 2007.
[5] Kowalska B. Kowalski D., Suchorab P., Iwanek M. Secondary contamination of water in the selected zone of water supply in Lublin. W: Zimoch I. (red.) Current issues in water treatment and water distribution. vol. 5, 161- 172, Gliwice, 2016.
[6] Nowak R., Imperowicz A. Problemy eksploatacyjne ujmowania, uzdatniania i dystrybucji wody w wiejskich systemach zaopatrzenia w wodę. Instal 7-8 (364), 2015.
[7] Żuchowicki W. (red.) Poradnik Wodociągi i kanalizacja. Verlag Dashofer, Warszawa 2011
[8] Kulbik, M. Komputerowa symulacja i badania terenowe miejskich systemów wodociągowych. Monografie vol. 49, Politechnika Gdańska, 2004.
[9] Rossman L.A. EPANET 2. Users Manual. EPA/600/R-00/057, 2000
[10] Sawicki W. Wodociągi i kanalizacje. PWRiL, Warszawa 1985