Assignation emergency efficiency of Bielany Water Treatment Plant for ensuring safety in Krakow water supply system

Wstęp

System wodociągowy powinien cechować się dużą niezawodnością oraz odpowiednią wydajnością pozwalającą na pokrycie zapotrzebowania mieszkańców. W art. 1 ustawy z dnia 7 czerwca 2001 r. o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków (Dz. U. z 2017 r. poz. 328 i 1566) zapisano „Ustawa określa zasady i warunki zbiorowego zaopatrzenia w wodę przeznaczoną do spożycia przez ludzi oraz zbiorowego odprowadzania ścieków, w tym: tworzenia warunków do zapewnienia ciągłości dostaw i odpowiedniej jakości wody oraz niezawodnego odprowadzania i oczyszczania ścieków.” Z kolei art. 5. 1. stanowi iż „Przedsiębiorstwo wodociągowo- kanalizacyjne ma obowiązek zapewnić zdolność posiadanych urządzeń wodociągowych i urządzeń kanalizacyjnych do realizacji dostaw wody w wymaganej ilości i pod odpowiednim ciśnieniem oraz dostaw wody i odprowadzania ścieków w sposób ciągły i niezawodny, a także zapewnić należytą jakość dostarczanej wody i odprowadzanych ścieków”.

Zapisy ustawy wymuszają na przedsiębiorstwach wodociągowych nie tylko zapewnienie bieżącego zaspokajania potrzeb mieszkańców, ale również przewidywania możliwych scenariuszy awaryjnych oraz podejmowania działań inwestycyjnych zapobiegających przerwom w dostawie wody w razie braku możliwości jej poboru z ujęcia lub wystąpienia awarii na sieci. Wiąże się to niejednokrotnie z koniecznością posiadania zwiększonych zdolności produkcyjnych, które w normalnych warunkach nie są wykorzystywane. Wymusza również taką modernizację systemu zaopatrzenia w wodę, aby była możliwa zmiana źródła wody lub kierunku jej przepływu. W celu oszacowania rzeczywistych potrzeb w zakresie dostawy wody do jednego z obszarów na terenie miasta Krakowa przeprowadzono analizę zapotrzebowania wyznaczonej strefy.

Krakowski system wodociągowy jako przykład zaopatrzenia w wodę dużej aglomeracji

Krakowski system zaopatrzenia w wodę jest jednym z największych w Polsce, a pod względem, jakości wody drugi na świecie, zaraz po Singapurze. [badanie Europejskiej Organizacji Współpracy na rzecz Benchmarkingu (EBC), 2016]. Wodę do systemu dystrybucji dostarczają cztery zakłady uzdatniania pracujące w oparciu o ujęcia powierzchniowe wykorzystujące wodę z czterech niezależnych źródeł: rzeki Sanki, Dłubni, Raby i Rudawy. Zakłady uzdatniania wody posiadają odpowiednio dobrane ciągi technologiczne, co pozwala na uzyskanie wody o wymaganej jakości, ilości i ciśnieniu, zgodnie z obowiązującymi normami i przepisami. Największym zakładem jest ZUW Raba, który pobiera wodę ze zbiornika Dobczyckiego. Zaopatruje około 500 tys. mieszkańców południowej części Krakowa oraz sąsiadujących gmin. Maksymalna produkcja wody ZUW Raba to 186 tys. m3/d, natomiast bieżąca wydajność wynikająca z normalnego zapotrzebowania wynosi około 110 tys. m3/d [1,2,3].

 

Rys.1.
Lokalizacja zbiorników na sieci wodociągowej miasta Krakowa. [2]

 

W przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnej, dzięki posiadanej rezerwie wydajności, zakład może zwiększyć produkcję, a woda może być skierowana do stref, które normalnie są zaopatrywane z pozostałych zakładów uzdatniania. ZUW Raba może w takim przypadku pokryć około 85% zapotrzebowania miasta. Takie rezerwy pozwalają na bezpieczne funkcjonowanie systemu zaopatrzenia w wodę również w sytuacjach nadzwyczajnych. [4]

Woda po procesie uzdatniania odbywającym się w poszczególnych zakładach jest kierowana do sieci wodociągowej, którą tworzy około 2250 km przewodów tranzytowych, magistralnych i rozdzielczych, pracujących w większości w układzie pierścieniowym. Przewody wodociągowe wykonane są głównie z żeliwa szarego i sferoidalnego, stali oraz PE [5].

W krakowskim systemie wodociągowym obserwujemy zmieniające się zapotrzebowanie na wodę. Po okresie spadku sprzedaży w ostatnich latach obserwujemy wzrost zapotrzebowania. Dochodzi do tego dobowa zmienność zapotrzebowania, która wacha się od ok 130 tys m3 do ok 200 tys m3. W celu zniwelowania wpływu zmieniającego się zapotrzebowania oraz stworzenia zapasu na sytuacje nadzwyczajne system wyposażony jest w zbiorniki wodociągowe, w których zgromadzone może być 310 tys m3 wody. Zespól największych zbiorników o łącznej pojemności 158 tys m3 zlokalizowany jest w Sierczy na południe od aglomeracji krakowskiej, na trasie tranzytu od ZUW Raba [3,4].

Natomiast oddane do eksploatacji w 2016 r. zbiorniki Górka Narodowa Wschód, o łącznej pojemności 30 tys m3 zdecydowanie poprawiają bezpieczeństwo zasilania w wodę północnych rejonów miasta [5]. Na rys. 1 została przedstawiona lokalizacja zespołów zbiorników wodociągowych aglomeracji krakowskiej.

Główny „szkielet” systemu wodociągowego, został zaprojektowany w latach 80 ubiegłego stulecia z nadmiarem, co pozwala na przesył wody pomiędzy poszczególnymi obszarami miasta. Dzięki temu jest możliwe wykorzystanie zdolności produkcyjnych ZUW Raba dla zapewnienia dostawy wody do obszaru, który normalnie jest zasilany z innych zakładów uzdatniania.

Oszacowanie awaryjnej wydajności ZUW Bielany

Zakład Uzdatniania Wody Bielany pracuje w oparciu o wodę ujmowaną z rzeki Sanki. Woda po procesie powolnej filtracji pompowana jest do zbiorników Kopiec, skąd grawitacyjnie spływa w kierunku odbiorców. Średnia wydajność zakładu Bielany wynosi około 15 tys m3 na dobę i jest ograniczona dostępnością wody na ujęciu i w terenie wodonośnym. Pozostała objętość wody wymagana do zasilania strefy jest uzupełniana z ZUW Raba za pośrednictwem rurociągu DN 1200 biegnącego z Nastawni Piaski Wielkie do Zbiorników Kopiec. W artykule przeprowadzono analizę oczekiwanej wydajności ZUW Bielany w przypadku braku możliwości podawania wody z ZUW Raba do zbiorników Kopiec. Analizę przeprowadzono na podstawie danych z pomiarów przepływu zainstalowanych na ZUW Bielany i kładce technologicznej przy przejściu rurociągu DN 1200 przez Wisłę. Do analizy wybrano lata 2016 – 2018 z uwagi na fakt, iż w tym okresie nastąpił znaczny wzrost zapotrzebowania na wodę.

Na rys. 2 zestawiono produkcję ZUW Bielany (kolor niebieski) oraz zasilanie zbiorników Kopiec z ZUW Raba w 2016 roku (kolor pomarańczowy).

Kolorem fioletowym zaznaczono całkowite zużycie wody w analizowanym rejonie. Składa się na to woda uzdatniona na ZUW Bielany oraz woda dosłana z ZUW Raba. W przypadku całkowitego zaprzestania pompowania wody z zakładu Bielany (co miało miejsce trzykrotnie) za całość zaopatrzenia obszaru w wodę jest odpowiedzialny ZUW Raba. Taka zmiana źródła zasilania w wodę nie powoduje dla odbiorców żadnych kłopotów. Ustalając reżim technologiczny pracy poszczególnych obiektów przyjęto założenie, iż ZUW Bielany w danym momencie pracuje z optymalną możliwą wydajnością na poziomie około 15 tys. m3/d, a pozostała część wody jest podawana od Nastawni Piaski.

Na rysunku 3 przedstawiono zużycie wody w analizowanym obszarze w roku 2017. W tym okresie nie nastąpiły przerwy w pracy ZUW Bielany, natomiast możemy zaobserwować niewielki średni wzrost zużycia wody na poziomie około 1%. Jednocześnie obserwujemy zmniejszenie wydajności ZUW Bielany. Oczywiście do strefy dostarczana była wymagana objętość wody kosztem zwiększenia rozbioru od strony Nastawni Piaski. Podobnie jak w poprzednim przypadku kolor fioletowy obrazuje całkowite zapotrzebowanie na wodę w analizowanym obszarze.

Rysunek nr 4 przedstawia zapotrzebowanie na wodę w analizowanym obszarze w 2018 roku.

 

Rys. 2.
Produkcja ZUW Bielany i zasilanie od strony ZUW Raba w 2016r. (kolorem fioletowym zaznaczono łączne zapotrzebowanie obszaru
Rys. 3.
Produkcja ZUW Bielany i dosył wody od strony ZUW Raba w 2017r. (kolorem fioletowym zaznaczono łączne zapotrzebowanie obszaru)

Text content

Rys. 4.
Produkcja ZUW Bielany i przepływ wody od strony ZUW Raba w 2018 r. (kolorem fioletowym zaznaczono łączne zapotrzebowanie obszaru)

 

Obserwujemy dalszy spadek wydajności ZUW Bielany, co jest spowodowane niskim stanem wody dopływającej do ujęcia. Jednocześnie w analizowanym okresie obserwujemy wzrost przepływu od strony ZUW Raba. Sytuacja taka może mieć miejsce zarówno w okresach suszy letniej jak i w okresie zimowym, gdyż w ostatnich latach nie występują zwiększone opady śniegu. Biorąc pod uwagę rzeczywiste rozbiory wody oraz możliwości produkcyjne ZUW Bielany, które są ograniczone wydajnością ujęcia, można stwierdzić, iż w obszarze tym systematycznie zwiększa się udział wody uzdatnianej na ZUW Raba. Na potwierdzenie powyższej tezy przeprowadzono symulacje na modelu hydraulicznym. Symulacja polegała na stopniowym ograniczaniu wydajności pompowni na ZUW Bielany i obserwacji zmian przepływu przez rurociąg DN 1200 od strony Nastawni Piaski Wielkie. Założeniem było, iż w każdym momencie następuje pełne pokrycie zapotrzebowania strefy. Przeprowadzone symulacje potwierdziły, iż dla pokrycia zapotrzebowania na wodę analizowanej strefy należy do niej dostarczyć około 50 000 m3/d. Natomiast analizując średnie zapotrzebowanie w poszczególnych latach wyliczone na podstawie danych z pomiarów możemy przyjąć, iż średnio odbiorcy zużywają następujące objętości wody:

w roku 2016 – 52 386 m3/d,

w roku 2017 – 52 589 m3/d,

w roku 2018 – 52 815 m3/d.

Biorąc pod uwagę aktualną średnią wydajność ZUW Bielany należy przyjąć, iż system musi posiadać zdolność do dodatkowej dostawy około 40 000 m3 wody w przypadku braku możliwości jej przesyłu rurociągiem DN 1200, czyli zasilanie strefy od strony ZUW Raba. Z kolei, gdyby założyć również brak możliwości podawania wody przez ZUW Bielany do analizowanej strefy należałoby dosłać średnio dobowo około 53000 m3 wody.

Podsumowanie

System wodociągowy powinien być przygotowany na zaistnienie sytuacji nadzwyczajnych, kiedy występuje zagrożenie przerwy w dostawie wody dla odbiorców. W trakcie eksploatacji systemu wodociągowego możemy mieć do czynienia z różnymi sytuacjami, powodującymi zakłócenia lub przerwy w dostawie wody. Mogą to być zdarzenia nieplanowane jak i planowane. Sytuacje nieplanowane to głównie zdarzenia mogące wystąpić niespodziewanie jak np. skażenie wody czy też poważna awaria infrastruktury. Natomiast planowany brak dostaw wody jest związany z modernizacjami i remontami infrastruktury wodociągowej.

Przygotowując się do sytuacji, w której może nastąpić konieczność wyłączenia poboru wody z ujęcia dla ZUW Bielany czy też brak możliwości dostawy wody od strony ZUW Raba przedsiębiorstwo opracowuje scenariusze postępowania w takich przypadkach. Znajduje to odzwierciedlenie w planach wieloletnich dotyczących przedsięwzięć inwestycyjnych. Całość tych działań przekłada się na zapewnienie pełnego pokrycia zapotrzebowania i ograniczenie ryzyka braku dostawy wody.

B I O G R A F I A

[1] Wierzbicki R. Wodociągi, Nakładem Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji, Kraków 2011

[2] Woda źródło życia. Materiały reklamowe MPWiK S.A. w Krakowie

[3] Raport roczny 2017 www.mpwik.krakow.pl

[4] Bochnia T., Żaba T.: Wdrażanie systemu prewencyjnego zarządzania ryzykiem w Wodociągach Krakowskich. Instal nr 3/2012 s. 55-59

[5] Żaba T., Iwanejo R., Bajer J., Wybrane zagadnienia monitoringu krakowskich wodociągów. Instal nr 12/2012 s. 80-83