bilans wody
Ocena stanu eksploatacyjnego wybranej sieci wodociągowej
Wprowadzenie
Prawidłowe i racjonalne planowanie modernizacji, renowacji i wymiany sieciowych przewodów wodociągowych powinno opierać się o kompleksową analizę stanu technicznego sieci. Analiza taka powinna uwzględniać kwestie awaryjności przewodów oraz określenie poziomu strat wody, które występują we wszystkich sieciach wodociągowych i kanalizacyjnych na całym świecie [1-3]. W przypadku planowania przyszłościowego, w teorii planowane remonty powinny uprzedzać awarie występujące w przewodach przewidzianych do wymiany. W tym celu często wykorzystuje się dostępne na rynku narzędzia wspomagające tworzenie planów renowacji poprzez przeprowadzanie analizy wielokryterialnej, modelowej analizy hydraulicznej oraz nadawanie priorytetów obszarom (przewodom) o najpilniejszych potrzebach renowacji [4]. Jednakże, mimo nawet najbardziej dokładnej analizy stanu eksploatacyjnego sieci, nie jest możliwe dokładne przewidzenie czasu, miejsca i zakresu awarii wodociągowej. Wynika to z losowego charakteru awarii i szeregu potencjalnych ich przyczyn [5-7]. Dodatkowo, reakcja na występującą awarię może być opóźniona z uwagi na charakter wycieków – w pierwszej kolejności naprawiane są najbardziej uciążliwe wycieki, powodujące wypływ wody na powierzchnię lub brak dostawy wody. Wycieki mniejsze, infiltrujące do gruntu, często przez długi okres pozostają niewykryte i nienaprawione. Dążenia zarządców sieci do eliminacji wszystkich nieszczelności są dodatkowo hamowane przez istnienie tzw. ekonomicznego poziomu wycieków, którego osiągnięcie powoduje, że dalsze próby ograniczenia wycieków przewyższają finansowo potencjalne korzyści z zaoszczędzonej w ten sposób wody [8]. Z drugiej strony, na przedsiębiorstwach wodociągowych ciąży pewna presja społeczna i ekologiczna do minimalizowania strat wody.
Straty wody definiowane są jako różnica pomiędzy wodą wtłoczoną do sieci, a wodą zafakturowaną [9]. Ich podstawowy podział obejmuje rozróżnienie na straty rzeczywiste i pozorne [10]. Prawidłowo wykonana analiza wielkości strat wody w sieci wodociągowej powinna opierać się o podział sieci na odrębne strefy opomiarowania [ang. District Meter Area DMA], umożliwiające dokładną kontrolę dopływów i odpływów wody ze strefy, a następnie porównanie tych wartości z wielkością wody zafakturowanej [11]. Zarówno ilość traconej wody, jak i awaryjność przewodów są parametrami indywidualnie charakteryzującymi każdy system wodociągowy. Stąd też by porównywać ze sobą różne systemy wodociągowe stosowane są liczne współczynniki (awaryjności i strat wody), umożliwiające porównanie i ocenę stanu technicznego poszczególnych sieci wodociągowych.
Obiekt badań
Tytułową ocenę stanu eksploatacyjnego przeprowadzono dla przykładowej sieci wodociągowej zlokalizowanej w mieście liczącym około 60 000 mieszkańców. Odbiorcami wody w przeważającej większości są gospodarstwa domowe oraz obiekty użyteczności publicznej (urzędy, szkoły). System wodociągowy, zaopatrujący w wodę blisko 100% mieszkańców miasta, charakteryzuje się 2-strefową strukturą geometryczną z dwoma niezależnymi ujęciami wody podziemnej. Wydzielone dwie strefy mają charakter jedynie terytorialny i nie mogą być traktowane indywidualnie pod względem hydraulicznym. Stąd, pomimo 2-strefowego charakteru, cała sieć wodociągowa traktowana jest jako jedna strefa opomiarowania (DMA) z uwagi na brak odpowiednich punktów monitoringu (brak urządzeń mierzących natężenie przepływu wody na granicy stref). Poszczególne strefy zaopatrują w wodę odpowiednio: 20% (strefa I) i 80% (strefa II) mieszkańców, co sugeruje ich nierówne obciążenie hydrauliczne i powinno stanowić podstawę do indywidualnego ich opomiarowania. Dostawa wody do odbiorców zapewniana jest poprzez układ pompowni II stopnia współpracujący z kilkoma zbiornikami i hydroforniami sieciowymi. Średnie ciśnienie panujące w sieci wynosi 0,36 MPa, a współczynnik intensywności obciążenia sieci 24,39 m3/(d∙km).
Najstarsze fragmenty sieci wodociągowej zostały wybudowane w latach 50. XX w., zaś największy rozwój struktury sieci przypadł na lata 80. XX w. W 2018 roku łączna długość przewodów sieci wodociągowej bez przyłączy wynosiła 315 km (przewody rozdzielcze: 229 km, przewody magistralne: 86 km), uwzględniając także fragmenty sieci znajdujące się poza administracyjnym obszarem miasta. W analizowanych latach (2014÷2018) sumaryczna długość sieci zwiększyła się tylko o 4 km, co wynika z wcześniejszego objęcia zasięgiem sieci całego miasta. Struktura materiałowa sieci obejmuje głównie przewody z żeliwa szarego (44,5%) i stali (27,6%). Pozostałe materiały wykorzystane do budowy sieci to PE-HD (12,0%), PVC (10,8%), azbestocement (5,0%) i żeliwo sferoidalne (0,1%). W 2018 roku sieć zasilała 10800 przyłączy, których średnia długość była równa 15 m.
Procentowy udział poszczególnych materiałów w strukturze materiałowej sieci wodociągowej sugeruje jej znaczny wiek (przewaga przewodów z żeliwa szarego oraz stali), co z kolei może przekładać się na wysoką awaryjność i straty wody. W związku z takim podejrzeniem, przedsiębiorstwo wodociągowe podjęło decyzję o opracowaniu kompleksowego wieloletniego planu renowacji i wymiany przewodów, które dotychczas przeprowadzane były przypadkowo, głównie w sytuacjach awarii. W ramach opracowywanego planu, zasadnym było przeprowadzenie analizy awaryjności i strat wody w badanej sieci wodociągowej.
Metodyka badań
Aby ocenić stan eksploatacyjny wybranej sieci wodociągowej w pierwszej kolejności określono jej awaryjność. W tym celu obliczono współczynniki intensywności uszkodzeń przewodów (λ) z podziałem na przyłącza, przewody rozdzielcze i magistrale. Następnie określono straty wody wykorzystując bilansowanie według International Water Association (IWA) oraz metodę wskaźnikową. Wyznaczono wskaźniki tradycyjnie stosowane w Polsce – procentowy wskaźnik strat wody (PWS), jednostkowy wskaźnik strat wody przypadających na jednego mieszkańca (OWS), jednostkowy wskaźnik strat wody przypadających na kilometr długości sieci (LWS), oraz wskaźniki zalecane przez IWA – wskaźnik jednostkowych strat rzeczywistych, przy co najmniej 20 przyłączach przypadających na 1 km sieci (RLB), wskaźnik przecieków infrastruktury (ILI) oraz wskaźnik objętości wody niedochodowej (NRWB). Ponadto wyznaczono współczynnik intensywności obciążenia sieci (WNII). Zastosowane metody badawcze są metodami standardowymi, od wielu lat stosowanymi w kraju i na świecie [12- 15]. Dane niezbędne do przeprowadzenia obliczeń uzyskano z przedsiębiorstwa zarządzającego siecią. Wartości, których nie można było dokładnie określić, zostały oszacowane na podstawie literatury [16] – przyjęto, że błędy pomiarów i odczytów wodomierzy stanowią 2%, a nieautoryzowana konsumpcja – 0,5% zafakturowanej zmierzonej konsumpcji wody. Badaniami objęto pracę całej sieci wodociągowej w latach 2014÷2018.
Wyniki badań i dyskusja
Wartości współczynników intensywności uszkodzeń oraz odpowiadającą im liczbę uszkodzeń oraz długość poszczególnych rodzajów przewodów zestawiono w tabeli 1. Długości w poszczególnych latach odnoszą się do stanu na grudzień danego roku, natomiast dla całego analizowanego okresu podano średnią arytmetyczną długości przewodów z poszczególnych lat.
Podobnie jak w przypadku innych opisanych w literaturze sieci wodociągowych [15, 17] największą intensywnością uszkodzeń we wszystkich analizowanych latach charakteryzują się przyłącza wodociągowe (0,52÷0,87 uszk/(km · rok)), a najmniejszą przewody magistralne (0,00 ÷ 0,05 uszk/ (km · rok)). Biorąc pod uwagę cały analizowany okres, intensywność uszkodzeń przyłączy jest 3-krotnie większa niż pozostałych przewodów (magistralnych i rozdzielczych razem). Należy jednak zauważyć, że wszystkie uzyskane wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń spełniają kryteria europejskie podane w pracy [18] i są wyraźnie mniejsze od wartości granicznych, wynoszących: 1,0 uszk/(km · rok) dla przyłączy wodociągowych, 0,5 uszk/(km · rok) dla przewodów rozdzielczych i 0,3 uszk/ (km · rok) dla przewodów magistralnych.
Zgodnie z przyjętą metodyką kolejnym etapem badań było sporządzenie bilansów wody dla analizowanej sieci w poszczególnych latach. Wybrane składniki bilansów – ilość wody wtłoczonej do sieci (SIV), straty wody (WL), rzeczywiste straty wody (RL) oraz ilość wody nieprzynoszącej dochodu (NRW), zestawiono w tabeli 2. Składniki te stanowiły podstawę obliczenia wskaźników strat wody zestawionych w tabeli 3.
Niemal wszystkie obliczone wskaźniki strat wody osiągnęły maksymalną wartość w 2015 r., który charakteryzował się stosunkowo niską awaryjnością przyłączy (λ = 0,58 uszk/(km · rok)) i całej sieci (λ = 0,33 uszk/(km · rok)) w rozpatrywanym okresie. Jedynie wskaźnik PWS osiągnął największą wartość w 2018 r., w którym awaryjność całej sieci była największa (λ = 0,47 uszk/(km · rok)). Z kolei najmniejsze wartości wskaźników uzyskano w roku 2014, z wyjątkiem wskaźnika NRWB zarówno w postaci procentowej (NRWB%), jak i w przeliczeniu na 1 przyłącze (NRWBconn), który osiągnął minimum w 2017 r., przy czym awaryjność zarówno przyłączy, jak i całej sieci była w latach 2014 i 2017 stosunkowo duża. W analizowanej sieci wodociągowej nie stwierdzono więc bezpośredniej zależności między wielkością strat wody a liczbą wykrytych awarii. Podobne wnioski były już przedstawiane w publikowanych analizach innych sieci wodociągowych [19-20].
Porównując uzyskane wartości wskaźników strat z analogicznymi wynikami dla sieci o zbliżonym obciążeniu hydraulicznym i gęstości przyłączy [20] można stwierdzić, że stan techniczny analizowanej sieci jest lepszy od prezentowanej w literaturze – tylko wskaźniki PWS i NRWB% mają wartości porównywalne w obu sieciach, natomiast wskaźniki OWS, RLB i ILI są znacznie mniejsze w przypadku analizowanej sieci (około 1,5-krotnie dla OWS i 2‑krotnie dla RLB i ILI). Wskaźnik intensywności uszkodzeń jest w obu sieciach porównywalny.
Liczba uszkodzeń przewodów (N), długość przewodów (L) oraz współczynnik intensywności uszkodzeń (λ) w latach 2014÷2018
Tab. 1.
Number of failures (N), pipes length (L), and failure rate (λ) over the period 2014÷2018
Wybrane składniki bilansu wody dla analizowanego systemu w latach 2014÷2018
Tab. 2.
Selected components of the water balance for the system over the period 2014÷2018
Wartości wskaźników strat wody w systemie wodociągowym w latach 2014÷2018
Tab. 3.
Water losses performance indicators in water network system over the period 2014÷2018
![Rys. 1.
Wartości strat wody LWS w analizowanym
systemie na tle akceptowalnych
wielkości wycieków [25]Fig. 1. Water losses in the analysed
system in reference to the
acceptable level of water losses
[24]](https://informacjainstal.com.pl/wp-content/uploads/2019/12/Ocenastanueksploatacyjnego.rys1_.jpg "Ocenastanueksploatacyjnego.rys1")
Wartości strat wody LWS w analizowanym systemie na tle akceptowalnych wielkości wycieków [25]
Fig. 1.
Water losses in the analysed system in reference to the acceptable level of water losses [24]
Z kolei porównując uzyskane wskaźniki strat z wartościami dla dwóch sieci o podobnej długości i liczbie przyłączy, lecz 2-krotnie większym obciążeniu hydraulicznym (sieci A i B przedstawione w pracy [21]), można stwierdzić gorszy stan techniczny analizowanej sieci. Wskaźniki OWS, RLB i NRWB% są wyraźnie większe dla analizowanej sieci (RLB 1,5-krotnie, pozostałe dwa 3-krotnie), porównywalne są natomiast wartości wskaźnika ILI we wszystkich sieciach. Z drugiej strony analizowana sieć charakteryzuje się 3-krotnie mniejszym współczynnikiem intensywności uszkodzeń, co może potwierdzać wspomniany wcześniej wniosek o braku zależności między wielkością strat wody a liczbą wykrytych awarii.
Aby pełniej ocenić stan eksploatacyjny analizowanej sieci, odniesiono wskaźniki ILI, RLB i LWS do opublikowanych w literaturze wartości granicznych [22-25]. Obliczone wartości wskaźnika ILI z zakresu od 1,82 do 2,54 sugerują:
- według kryteriów American Water Works Association (AWWA) [22] bardzo dobry stan techniczny analizowanej sieci (ILI ≤ 3),
- według kryteriów IWA [23] średni stan sieci w latach 2014, 2016 i 2017 (1,5 < ILI ≤ 2) i słaby w pozostałych latach (2,5 < ILI ≤ 3),
- według kryteriów Deutsche Vereinigung des Gas – und Wasserfaches e.V. (DVGW) [22] średnią wartość ILI dla obszarów zurbanizowanych o liczbie przyłączy 25÷40 na kilometr sieci w latach 2014, 2016 i 2017 (1,17 ≤ ILI ≤ 2,5) i wysoką w pozostałych latach (2,5 < ILI).
- według kryteriów World Bank Institute (WBI) [24] w latach 2014, 2016 i 2017 możliwość zaliczenia analizowanej sieci do kategorii A (najlepszej z czterech), dla której dalsze ograniczanie strat wody może być ekonomicznie nieuzasadnione (1< ILI ≤ 2), natomiast w pozostałych latach do kategorii B, dla której możliwa jest dalsza poprawa stanu technicznego sieci (2< ILI ≤ 4).
Z kolei wartości wskaźnika RLB wskazują we wszystkich latach wysoki poziom rzeczywistych strat wody według DVGW [22] (RLB > 96 dm3/(szt. przył.∙d); jest to najniższa kategoria dla obszarów zurbanizowanych, natomiast według WBI [24] sieć można zaliczyć sieci do kategorii B – drugiej z czterech.
Równie niejednoznaczna jest ocena wskaźnika LWS (rys. 1) w oparciu o wytyczne niemieckie [25]. Wartości uzyskane dla trzech z pięciu lat znalazły się w obszarze wycieków akceptowalnych, jednak 2 z nich znajdują się bardzo blisko obszaru odpowiadającego wyciekom o nieakceptowalnym poziomie. Ponadto wartości LWS uzyskane dla dwóch pozostałych z 5 lat znajdują się wyraźnie w obszarze wycieków nieakceptowalnych.
Podsumowanie
Na przestrzeni lat (2014÷2018) brak jest widocznego malejącego lub rosnącego trendu wielkości zapotrzebowania na wodę w analizowanym systemie wodociągowym. Zmieniająca się wielkość rzeczywistych strat wody (od 15,61% do 21,80%) wydaje się mieć charakter losowy i może być konsekwencją np. różnych warunków atmosferycznych (mroźne i łagodne zimy), a nie poprawy warunków technicznych sieci wodociągowej. Pomimo wielkości rzeczywistych strat wody na poziomie średnio 18,43% w analizowanym 5-letnim okresie, według zastosowanej metodyki oceny stanu eksploatacyjnego, stanu sieci nie można jednoznacznie ocenić jako słaby. Taka kwalifikacja wprowadza pewien dysonans: z jednej strony blisko 1/5 wody wtłaczanej do sieci jest tracona do gruntu, z drugiej uśredniony stan techniczny całej sieci nie sugeruje konieczności jej gruntownej modernizacji.
Potencjalnie mylna ocena stanu eksploatacyjnego analizowanej sieci może wynikać z traktowania całej sieci jako jednej strefy opomiarowania (pomimo terytorialnego wydzielenia dwóch stref zasilanych z dwóch różnych źródeł i pracujących w różnych warunkach hydraulicznego obciążenia i zasilania). Takie rozwiązanie powoduje zatarcie istotnych informacji na temat poszczególnych obszarów sieci: najstarsze fragmenty sieci, wykonane z żeliwa szarego i stali oraz charakteryzujące się teoretycznie największymi stratami wody, są uśredniane z obszarami o dobrym stanie technicznym, wynikającym ze stosunkowo niedawnego wykonania i zastosowanego materiału (np. PE-HD). To z kolei uniemożliwia wprowadzenie hierarchii i nadawania priorytetów renowacji przewodom najstarszym, o najgorszym stanie technicznym.
Ocena stanu technicznego sieci powinna stanowić podstawę do opracowania planów renowacji i wymiany przewodów wodociągowych. Szczególnie w systemach, w których znaczny udział w strukturze mają przewody stare (powyżej 50 lat eksploatacji) i wykonane z podatnych na uszkodzenia i korozję materiałów (żeliwo szare, stal), kompleksowe plany renowacji są narzędziem do racjonalnego gospodarowania zasobami ludzkimi, finansowymi i czasowymi w celu poprawy stanu technicznego eksploatowanej sieci wodociągowej.
L I T E R AT U R A
[1] Ana E.V., Bauwens W., Modeling the structural deterioration of urban drainage pipes: the state-of-the-art in statistical methods, Urban Water Journal 7(1), 2010, s. 47-59, DOI: 10.1080/15730620903447597
[2] Puust R., Kapelan Z., Savic D.A., Koppel T., A review of methods for leakage management in pipe networks, Urban Water Journal. 7(1), 2010, s. 25-45, DOI: 10.1080/ 15730621003610878
[3] Rak J.R., Wybrane aspekty badania awarii sieci wodociągowej, Technologia Wody 4(36), 2014, s. 14-17.
[4] Kleiner Y., Adams B.J., Rogers J.S., Water distribution network renewal planning, Journal of Computing in Civil Engineering, 1(15), 2001, s. 15-26.
[5] Hotloś H., Analiza uszkodzeń i kosztów naprawy przewodów wodociągowych w okresie zimowym, Ochrona Środowiska 31(2), 2009, s. 41-48.
[6] Królikowska J., Zastosowanie metody PHA do oceny ryzyka uszkodzeń sieci kanalizacyjnej na przykładzie systemu kanalizacyjnego miasta Krakowa, Rocznik Ochrona Środowiska 13, 2011, s. 693-710.
[7] Romano M., Kapelan Z., Savić, D.A., Geostatistical techniques for approximate location of pipe burst events in water distribution systems, Journal of Hydroinformatics 15(3), 2013, s. 634-651. DOI: 10.2166/ hydro.2013.094
[8] Speruda S., Radecki R., Ekonomiczny poziom wycieków: modelowanie strat w sieciach wodociągowych, Translator, Warszawa, 2003.
[9] Hotloś H., Analiza strat wody w systemach wodociągowych, Ochrona Środowiska 25(1), 2003, s. 17-24.
[10] Berger M., Ways M., Poszukiwania przecieków sieci wodociągowych, Seidel-Przywecki Sp. z.o.o., Warszawa, 2003.
[11] Zheng Y.W., Farley M, Turtle D., Kapelan Z., Boxall J., Mounce S., Dahasahasra S., Mulay M., Kleiner Y., Water Loss Reduction, Bentley Institute Press, 2011.
[12] Alegre H., Baptista J.M., Cabrera Jr E., Cubillo F., Duarte P., Hirner W., Merkel W., Parena R., Performance indicators for water supply services. Second Edition. IWA publishing, 2006.
[13] Lambert A., Taylor R., Water loss guidelines, New Zealand, Water New Zealand, 2010.
[14] Kwietniewski M., Awaryjność infrastruktury wodociągowej i kanalizacyjnej w Polsce w świetle badań eksploatacyjnych. XXV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, 2011, s. 127–140.
[15] Rak J., Trojnar D., Analiza i ocena strat wody w wodociągu Łańcuta, Czasopismo Inży-nierii Lądowej, Środowiska i Architektury, t. XXXI, z. 62 (1/14), 2014, s. 245-256.
[16] Lambert A.O., Charalambous B., Fantozzi M., Kovac J., Rizzo A., Galea St John S., 14 years experience of using IWA best practice water balance and water loss performance indicators in Europe, In: Proceedings of the IWA Water Loss 2014 Conference (International Water Association, Ed.), Vienna: Water Loss Specialist Group, 2014.
[17] Kowalski D., Kowalska B., Kwietniewski M., Wdowiak A., Analiza uszkodzeń sieci wodociągowej Lublina w latach 2008-2010, Instal 11, 2014, s. 92-95.
[18] Bergel T., Awaryjność sieci wodociągowych małych wodociągów grupowych w Polsce, Gaz, woda i technika sanitarna 12, 2012, s. 536-538.
[19] Rak J.R., Tunia A., Analiza i ocena strat wody w wodociągu Rzeszowa, Instal 5, 2012, s. 42-45.
[20] Rak J., Misztal A. Analiza strat wody w wodociągu miasta Jarosław. Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury 64 (4/17), 2017, s. 125-138, DOI: 10.7862/ rb.2017.198
[21] Ociepa E., Mrowiec M., Deska I. Analysis of Water Losses and Assessment of Initiatives Aimed at their Reduction in Selected Water Supply Systems, Water 11(5), 2019, 1037, DOI: 10.3390/w11051037
[22] Liemberger R., The New German Water Loss Regulations in context with other international applications of the IWA water balance and real loss performance indicators. Chile: IWA Conference, April 2005
[23] Rak J., Kwietniewski M., Kowalski D., Tchórzewska- Cieślak B., Zimoch I., Bajer J., Iwanejko R., Miszta-Kruk K., Studziński A., Boryczko K., Pietrucha-Urbaniak K., Piegdoń I., Metody oceny niezawodności i bezpieczeństwa dostawy wody do odbiorców, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2013
[24] Liemberger R., Brothers K., Lambert A., McKenzie R., Rizzo,A., Waldron T., Water loss performance indicators. Water Loss Conference 2007, Vol. 1, s. 148-160
[25] Weimer D., Technische und wirtschaftliche Bewertungskriterien fur Wasserverluste, GWF Wasser Abwasser, 13, 1999.