zaopatrzenie w wodę

21 maj 2023

Metoda oceny alokacji objętości wody w sieciowych zbiornikach wodociągowych na terenie województwa podkarpackiego według wskaźnika Simpsona

stopień alokacji, zaopatrzenie w wodę, zbiorniki wodociągowe

18 grudzień 2019

Problematyka zjawiska suszy a systemy zaopatrzenia w wodę

odpływ, susza, system wodociągowy, wody podziemne, wody powierzchniowe, zaopatrzenie w wodę, zasoby wodne

Wprowadzenie

Polska jest krajem stosunkowo ubogim w zasoby wodne [1], których ilość i jakość w ostatnich latach szczególnie jest zagrożona przez często występujące zjawisko suszy. Zasoby wodne kraju, kształtowane głównie przez opady atmosferyczne i ewapotranspirację, charakteryzują się dużą zmiennością w czasie i przestrzeni. Tą dużą zmienność czasową i przestrzenną odpływu w małym stopniu równoważy retencja wody w naturalnych i sztucznych zbiornikach wodnych szacowana na ok. 36,7 km3 [2]. W warunkach klimatu Polski największe przepływy w ciekach (największe zasoby wód powierzchniowych) występują wiosną, natomiast najmniejsze jesienią i zimą. Duża zmienność opadów atmosferycznych i przepływów w ciekach powoduje występowanie zarówno okresów znacznego niedoboru wody, jak również katastrofalnych powodzi. Na deficyt zasobów wodnych w zlewniach rzecznych mają wpływ przede wszystkim wydłużające się okresy posuszne w ciepłej porze roku oraz bezśnieżne, ciepłe zimy [3].

Ma to swoje przełożenie bezpośrednio na zaopatrzenie ludności w wodę oraz pracę systemów wodociągowych, które bazują na wodach podziemnych i powierzchniowych.

Zagadnienie suszy

Zjawisko suszy wielokrotnie występowało w Polsce [4], w latach współczesnych, szczególnie w drugiej połowie XX w. (lata 80-te, początek lat 90-tych) [5]. Jednakże w ostatniej dekadzie XXI w. obserwuje się nasilenie występowania dotkliwych w skutki susz notowanych w latach: 2012, 2015, 2016, 2018, czy w obecnym 2019 roku. Do wyjątkowych należały lata hydrologiczne 2015 i 2016 (rys.1), w których odpłynęła polskimi rzekami najmniejsza ilość wody, w okresie 1951-2018, wynosząca odpowiednio: 40,8 km3 w roku 2015 i 41,4 km3 w roku 2016, przy średniej wieloletniej wynoszącej 60,4 km3 [6].

Z punktu widzenia systemów zaopatrzenia w wodę zagrożenia wynikające z występowania zjawiska suszy dotyczą przede wszystkim ilości i jakości dostępnych zasobów wodnych możliwych do wykorzystania. Podczas długotrwałej suszy poziom wody w korytach rzek drastycznie maleje, jak również poziom zwierciadła wód gruntowych i podziemnych, powodując wysychanie płytko kopanych studni przydomowych.

W 2017 roku w Polsce pobory wody wykorzystywane do zbiorowego zaopatrzenia ludności w 72% pochodziły z ujęć podziemnych i w 28% z ujęć powierzchniowych (rys.2). W latach 2000-2017 obserwuje się stałą malejącą tendencję do wykorzystywania wody z ujęć powierzchniowych, na rzecz ujęć podziemnych [7]. Ujęcia wód powierzchniowych narażone są na pogorszenie jakości pobieranej wody, będącej skutkiem wysokich temperatur towarzyszących zjawisku suszy.

Należy się spodziewać, iż wyzwania związane z zapewnieniem odpowiedniej ilości wody o dobrej jakości będą narastać gdyż obserwujemy corocznie w ostatniej dekadzie bardzo ciepłe lata, anomalnie ciepłe lata (Tabela 1).

Rys.1.
Roczny całkowity odpływ rzek Polski w stosunku do średniej wieloletniej [%], w okresie 2011-2018. Opracowanie własne na podstawie [6]

Rys. 2
Pobór wody z podziałem na wody powierzchniowe i podziemne w latach 2000-2017. Opracowanie własne na podstawie [7]

Tabela 1.
Termiczna klasyfikacja lat dla wybranych (referencyjnych) stacji meteorologicznych w okresie 2011-2018 [6]

Wpływ suszy na systemy zaopatrzenia w wodę

Podczas ostatnich notowanych susz w latach 2018 i 2019 poziom wód w rzekach i zbiornikach ulegał znacznym obniżeniom, pogorszała się także jakość wody w wyniku podwyższonej temperatury i stężenia zanieczyszczeń, przede wszystkim z powodu mniejszego rozcieńczenia. Towarzyszące występowaniu susz wysokie temperatury zwiększają zużycie wody przypadające na mieszkańca, z około 100 l/Md nawet do 300-500 l/Md [8, 9], tym samym ujęcia wody często pracują na granicy maksymalnych dobowych przepływów, wynikających z pozwolenia wodnoprawnego. Sprowadza się to do ograniczania możliwości pobierania wody na potrzeby zaopatrzenia ludności. Przedłużający się brak opadów, powoduje wyczerpywanie się zasobów wodnych w rzekach, zbiornikach (jeziorach) i wodach podziemnych, które w główniej mierze są źródłami systemów zaopatrzenia w wodę. Utrzymanie równowagi pomiędzy zapotrzebowaniem na wodę, a jej dostępnością przy powtarzających się okresach suszy, w wielu obszarach Polski, ale również i Europy, nie jest już możliwe [10,11].

Rys. 3.
Przykład zużycia wody w budynku jednorodzinnym w dniach poniedziałek- środa w okresie lipca i marca. Opracowanie własne [9]

W Polsce lata 2018 i 2019 były jednymi z najbardziej kryzysowych okresów w eksploatacji systemów wodociągowych. Z danych MGMiŻŚ zamieszczonych w propozycji Planu Przeciwdziałania Skutkom Suszy (PPSS) [10], wynika, że 95,4% powierzchni kraju jest zagrożonych występowaniem susz hydrologicznych (występowanie niżówek wód powierzchniowych), natomiast zasięg obszarów zagrożonych suszą hydrogeologiczną (występowanie niżówek wód podziemnych) stanowi 35,6% powierzchni Polski. Na ponad 60% powierzchni kraju stopień wykorzystania dyspozycyjnych zasobów powierzchniowych wody jest wysoki lub bardzo wysoki. W dokumencie PPSS, wskazano na brak rezerwy wód podziemnych na Górnym Śląsku, w południowej części województwa łódzkiego oraz we wschodniej Wielkopolsce.

Wyniki tych analiz mają swoje odzwierciedlenie, w problemach z jakimi musiały zmierzyć się systemy wodociągowych w okresach występowania deficytów wody. W 2019 roku ponad 100 gmin wprowadziło ograniczenie zużycia wody lub zakaz podlewania ogródków i mycia samochodów. Sytuacja była na tyle poważna, że do niektórych mniejszych miejscowości, woda dowożona była codziennie beczkowozami. Inne miejscowości monitorowały wykorzystywanie wody w ujęciach (wód podziemnych), aby nie zostały przekroczone normy ilościowe i jakościowe ujmowanej wody. Często nie był to precedens, a zdarzenie powtarzające się każdego dnia, jeśli tylko występowała wysoka temperatura powietrza. Sieci wodociągowe pracowały w warunkach:

Dużej zmienności dobowego zużycia wody, co przekładało się na pracę ujęcia, szczególnie pracę pomp w pompowniach (wzrost wydajności w okresie lipiec-sierpień 2019 roku osiągał nawet kilkukrotność średniej godzinowej wartości zużycia wody).
Zmiany specyfiki godzinowych rozbiorów wody; ze względu na zwiększone zużycie wody szczególnie w godzinach wieczornych i nocnych (zmianie uległ rozkład dobowy zużycia wody przez mieszkańców), godziny o maksymalnym zużyciu wody w szczycie wieczornym to czas od 17:00-18:00 do 22:00-23:00, rys.3.
Trudne do przewidzenia określenie godzin o maksymalnym zużyciu wody (przede wszystkim ze względu na zautomatyzowanie systemów podlewania trawników, napełniania basenów, podlewanie roślin itp.) rys.3.
Zmiana procentowego udziału ilości wody wykorzystywanej w budynkach jednorodzinnych (w okresie lipiec-sierpień); około 25% na cele bytowo-gospodarcze, w stosunku do wykorzystywanej wody na cele podlewania zieleni i inne 75%.

Nie wszystkie systemy wodociągowe w ten sam sposób reagują na zjawisko suszy. Na niektóre ten wpływ jest większy i bezpośredni, a na niektóre mały lub niewielki. W wielu przypadkach uzależnione jest to od niezawodności układów wodociągowych, wynikającej z możliwości ujmowania wody, z kilku różnych ujęć. W tym przypadku strefowanie sieci i kierowanie wody do obszarów o wzmożonym zapotrzebowaniu, są jednym z możliwych rozwiązań na określony czas lata. Wymaga to dobrej znajomości układu sieci wodociągowej i często podejmowania decyzji w bardzo krótkim czasie. Mieszkańcy dużych ośrodków, podchodzą do problemów zaopatrzenia w wodę w okresie suszy, z dużym dystansem, ponieważ tam ten problem na razie nie występuje. Przede wszystkim dlatego, iż charakteryzują się one inną strukturą miasta, w porównaniu do mniejszych miejscowości, gdzie przeważa zabudowa jednorodzinna.

Obecnie działania podejmowane, po ostatnich doświadczeniach wynikających z pojawiającym się brakiem wody w systemach wodociągowych małych i średnich przedsiębiorstw, to budowa nowych ujęć. Jest to zapewne jeden ze sposobów na zwiększenie niezawodności układów wodociągowych, jednak nie jest to rozwiązanie, które przyniesie natychmiastowy efekt, ponieważ budowa trwa. Rozwiązaniem równie pożądanym, jest budowa zbiorników magazynujących wodę, czy uszczelnienie systemów wodociągowych, aby zapobiegać stratom, co jest sposobem zatrzymywania wody w układzie. Jednak są to możliwości, które zapewne przyniosą oczekiwany efekt, jednak nie zrealizują swojego zadania, w krótkim czasie, to jest w przyszłym roku zakładając, że susza również się pojawi. Dlatego racjonalne wykorzystywanie istniejących ujęć wody (jeśli w systemie zaopatrzenia w wodę występuje ich kilka) oraz sterowanie zasuwami, tak aby strefować układ sieci wodociągowej, bez konieczności planowania rozbudowy o kolejne, wydaje się podejściem optymalnym. W sytuacjach trudnych pomoc sąsiednich gmin w dostawie wody w okresach jej deficytu, może okazać się konieczna. Każdy z pomysłów rozwiązywania problemów związanych z okresami deficytów wody, powinien być rozpatrywany w odniesieniu do indywidualnego systemu wodociągowego.

Zawsze niezawodność systemu zaopatrzenia w wodę wzrastała przy wykorzystywaniu do zasilania układu różnych źródeł wód, podziemnych jak i powierzchniowych.

Plany gospodarowania zasobami wodnymi w Polsce zakładają, że do 2027 roku wzrośnie ilość wód gromadzonych w systemach retencyjnych lub w wyniku optymalnej gospodarki zasobami [10]. Jeśli rzeczywiście takie działania będą podejmowane w najbliższym czasie.

Podsumowanie

Susza ma wpływ na pracę systemów zaopatrzenia w wodę, szczególnie na ujęcia, których zasoby mogą ulec wyczerpaniu. Dlatego jednym z podstawowych działań powinny być przemyślane i poparte już doświadczeniem ostatnich lat, działania i decyzje jak postępować w przypadku doraźnego braku wody, jak i rozwiązania co do zabezpieczenia sieci wodociągowych przed występowaniem wieloletnich okresów suszy.

Należy przeanalizować minione lata kiedy występował deficyt wody i wyciągnąć wnioski w postaci przygotowanych scenariuszy. Powinny one wynikać z doświadczenia i poprzez szczegółową analizę sytuacji oraz sieci wodociągowych, wskazywać kierunki postępowania, na wypadek gdyby takie zdarzenia miały zaistnieć w przyszłości. Bardzo pomocnym narzędziem do podejmowania czasem trudnych decyzji, o sposobie zaopatrzenia w wodę konkretnej jednostki osadniczej, są modele matematyczne służące do symulacji sieci wodociągowej oraz GIS.

B I B L I O G R A F I A :

[1] Gutry-Korycka M., Andrzej S., Kundzewicz Z., Pociask-Karteczka J., Skrzypczyk L. 2014: Zasoby wodne a ich wykorzystanie, Nauka 1, 77-98

[2] Suchożebrski J., 2018: Zasoby wodne Polski, Zarządzanie zasobami wodnymi w Polsce 2018, Global Compact Network Poland, 33-37

[3] Lorenc H., 2018, Z życia Towarzystwa: konferencja Współczesne problemy klimatu Polski (maj/czerwiec 2019), Przegląd Geofizyczny, 53 (1-2), 170-171

[4] Fal B. 2004: Czy niżówki ostatnich lat są zjawiskiem wyjątkowym? Gazeta Obserwatora IMGW, nr.3, 16-18

[5] Farat R., Kępińska-Kasprzak M. Kowalczak P., Mager P., 1995: Susze na obszarze Polski w latach 1951-1990, Materiały Badawcze IMGW, Seria: Gospodarka Wodna i Ochrona Wód nr.16 s.140

[6] Biuletyn Państwowej Służby Hydrologiczno – Meteorologicznej Rok 2018, IMGW-PIB, Nr 13 (202)

[7] Główny Inspektorat Sanitarny (GIS) 2019: Główny Stan Sanitarny Kraju w roku 2018

[8] Kowalski D., Kowalska B., Suchorab P., Nakonieczna S., Skwarek M., 2019, Badania wzorców zmian poboru wody przez odbiorców charakterystycznych w wybranym systemie wodociągowym. Instal 7-8, (408) 2019, s.54-59.

[9] Miszta-Kruk K., Analiza poborów wody w sieci wodociągowych średnich miejscowości w okresie 2018-2019. Materiały własne, 2019

[10] Ministerstwo Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej. Projekt Planu Przeciwdziałania Skutkom Suszy (PPSS). Analiza stanu dyspozycyjnych zasobów wodnych oraz zagrożenia suszą. Warszawa, wrzesień 2019.

[11] Dz.U.UE.C.2010.9E.33 z dnia 15 stycznia 2010 r.; Sposób rozwiązania problemu dotyczącego niedoboru wody i susz w Unii Europejskiej; P6_TA(2008)0473; Rezolucja Parlamentu Europejskiego z dnia 9 października 2008 r. w sprawie sposobu rozwiązania problemu dotyczącego niedoboru wody i susz w Unii Europejskiej (2008/2074(INI)).

5 listopad 2019

Wodociągi i kanalizacja Paradygmaty analizy i oceny ryzyka w systemach wodociągowych

ryzyko, zaopatrzenie w wodę

Wprowadzenie

Pojęcie bezpieczeństwa (ang. safety) systemu zbiorowego zaopatrzenia w wodę (SZZW) odnosi się do zdolności systemu do bezpiecznego wykonywania swoich funkcji w danym środowisku, zdolności do unikania zagrożeń i narażeń oraz minimalizacji ewentualnych strat z nimi związanych. Bezpieczeństwo SZZW można scharakteryzować za pomocą następujących cech systemu [2, 3, 21, 24-26, 29]:

ochranialność – cechy systemu opisującej jego przysposobienie do ochrony operatora i użytkowników (konsumentów wody) przed skutkami zewnętrznych i wewnętrznych narażeń, obejmującej system ostrzegawczo- monitorująco-blokujący uniemożliwiający działanie systemu w stanie zagrożenia dla jego użytkowników;
podatność na zagrożenie (ang. vulnerability) to cecha systemu opisująca jego przysposobienie do unikania zagrożeń. Do głównych składowych podatności zalicza się:

–– ekspozycję czyli narażenie (ang. exposure),

–– wrażliwość (ang. sensitivity, suceptibility),

–– zdolność radzenia sobie i adaptacji (ang. coping, adaptive capacity, capacity),

–– elastyczność czyli sprężystość (ang. resilience),

–– odporność (ang. resistance),

nieszkodliwość (ang. harmlessnes) – cecha systemu opisująca jego przysposobienie do ograniczania szkodliwego oddziaływania systemu na środowisko naturalne;
funkcjonalność (ang. functionality) to cecha systemu opisująca jego prawidłowość zaprojektowania, w celu przysposobienia do wykonywania określonych zadań w normalnych i ekstremalnych (kryzysowych) warunkach użytkowania, obejmuje również kompatybilność czyli zdolność dostosowania do wymagań odbiorców oraz sterowalność jako zdolność do sprawnego i ekonomicznego użytkowania. Bezpieczeństwo może być zdefiniowane w ujęciu opisowym jako stan lub właściwość obiektu, systemu, charakteryzująca jego zdolność do przeciwstawiania się wypadkom [8, 19]. W pracy [11] zostało zdefiniowane pojęcie ryzyka w systemach technicznych. Można powiedzieć, że od tej pory paradygmatem w analizach funkcjonowania systemów technicznych pod kątem utraty bezpieczeństwa przyjęto za jego miarę ryzyko. Pierwotnie ryzyko definiowane było jako trójelementowy zbiór prawdopodobieństwa zajścia zdarzeń niepożądanych, konsekwencji tych zdarzeń oraz scenariusza zajścia zdarzeń niepożądanych [5, 11]. Obecnie stosowana jest rozbudowana definicja ryzyka, w której wprowadza się dodatkowo tzw. parametr ochrony (O), jako odwrotnie proporcjonalny do wielkości ryzyka [20], lub zamiennie parametr podatności na zagrożenie (V) [21, 29]. Podatność na zagrożenie jest związana z [17, 29]:
niezawodnością działania poszczególnych obiektów;
efektywnością usuwania awarii;
strukturą połączeń poszczególnych elementów sieci wodociągowej i urządzeń oraz metody rezerwowania;
mobilnością technologii uzdatniania wody, a nawet okresowego wprowadzania alternatywnych jej wariantów;
liczbą źródeł dostawy wody (np.: ujęcia wód powierzchniowych i podziemnych). Ochrona (ang. protection, security) wiąże się z [14, 17]: l monitoringiem jakości wody i sposobami reagowania na złą jej jakość, np.: wczesne ostrzeganie – (stacje osłonowe ujęć wody);
strefami ochrony ujęć wody;
monitorowaniem i zarządzaniem parametrami hydraulicznymi pracy sieci wodociągowych;
dysponowaniem objętością asekuracyjną w sieciowych zbiornikach wody czystej;
alternatywnymi sposobami zaopatrzenia w wodę do spożycia w sytuacjach kryzysowych;
profesjonalnym zarządzaniem ryzykiem.

Ryzyko ekologiczne może być określane za pomocą prawdopodobieństwa wystąpienia negatywnych skutków w ekosystemie. Ważną fazą w tym względzie jest oszacowanie czasu jaki jest potrzebny, aby ekosystem powrócił do równowagi po wyeliminowaniu czynnika szkodliwego [18, 29].

Ryzyko zagrożenia zdrowia człowieka może być określone za pomocą prawdopodobieństwa wystąpienia stanu utraty zdrowia lub życia [10, 18]. W tym aspekcie definiuje się tzw. ryzyko zdrowotne, dla którego standardy definiuje szczegółowo WHO [35]. W kontekście wody przeznaczonej do spożycia związane jest z zanieczyszczeniem wody czynnikami mikrobiologicznymi, chemicznymi i radiochemicznymi z uwzględnieniem wszystkich możliwych ścieżek narażenia konsumentów wody (w tym możliwość ataku terrorystycznego z użyciem broni biologicznej lub chemicznej na SZZW) [4, 9, 27, 28].

Ryzyko jakości życia jest definiowane odmiennie. Negatywny wpływ różnych czynników w tym względzie mierzony jest kosztami ekonomicznymi (koszty leczenia, koszty związane ze złą jakością produkcji – obniżenie dochodów w przypadku złej jakości wody np. przemysł spożywczy, koszty związane z przerwami dostawy gazu np. zakłady przemysłowe posiadające kotłownie gazowe) [18].

Ryzyko w działalności gospodarczej można zdefiniować jako prawdopodobieństwo wystąpienia strat finansowych w wyniku zajścia pewnych zdarzeń niepożądanych np. brak dostawy wody potrzebnej do produkcji, przerwy w dostawie gazu, prądu czy ciepła w wyniku czego występują przerwy produkcyjne, lub w wyniku podjęcia nieprawidłowej decyzji np. rozpoczęcie inwestycji, która później okazuje się niedochodowa [18].

Zarządzanie ryzykiem w firmie wodociągowej

Analiza i ocena ryzyka w SZZW jest zagadnieniem złożonym, obejmującym swym zakresem analizę potencjalnych zagrożeń i ich skutków oraz tzw. systemów (barier) bezpieczeństwa. Analizę prowadzi się przede wszystkim pod kątem bezpieczeństwa zdrowotnego konsumentów wody, ale również zagrożeń wynikających z braku lub deficytu dostaw, a także zagrożeń dla środowiska [1]. Proces ten powinien zawierać elementy analizy stanu istniejącego, jak również możliwych potencjalnych zagrożeń oraz procedur zabezpieczających i naprawczych. Analiza ryzyka jest prowadzona w celu jego określenia poprzez estymację prawdopodobieństwa zajścia zdarzeń niepożądanych i ich skutków. W analizie ryzyka powinno się wykorzystywać historyczną wiedzę z eksploatacji danego systemu, metody analityczne i doświadczenie. W wielu przypadkach częścią analizy ryzyka jest analiza czynnika ludzkiego i analiza niezawodności człowieka – dyspozytora systemu [29].

Celem analizy ryzyka jest wyznaczenie jego wartości z wykorzystaniem odpowiedniej metody. Wybór metody zależy przede wszystkim od celu analizy ryzyka, stopnia szczegółowości oraz liczebności danych z eksploatacji systemu. Niejednokrotnie dane pozyskuje się od ekspertów, stąd w analizach ryzyka konieczna jest również wiedza na temat systemów ekspertowych, a niejednokrotnie metod posybilistycznych. Przystępując do analizy i oceny ryzyka należy poznać jego „naturę” oraz podstawowe jego własności.

Rys. 1.
Etapy zarządzania ryzykiem w SZZW [29]
Fig. 1.
Stages of risk management in CWSS [29]

Ocena ryzyka to porównanie wyznaczonych wartości z kryteriami akceptowalności ryzyka, co jest podstawą do analizy bezpieczeństwa. Na tym etapie bardzo istotne jest określenie kryteriów akceptowalności ryzyka, tak aby można je było wykorzystać w procesie podejmowania decyzji dotyczących eksploatacji systemu (np. prac remontowych czy modernizacji). Kryteria takie powinny uwzględniać wymogi związane z niezawodnością funkcjonowania systemu (zarówno pod względem ilościowym, jak i jakościowym, zgodnie z obowiązującymi unormowaniami prawnymi oraz uwarunkowaniami społecznymi i ekonomicznymi), a także aspekt ekonomiczny [15, 18, 29].

Przyjmując, że ryzyko jest miarą utraty bezpieczeństwa SZZW, zarządzanie bezpieczeństwem w firmie wodociągowej można zdefiniować jako techniczno-społeczno-ekonomiczny proces podejmowania decyzji, w celu redukcji zdefiniowanych ryzyk. Obowiązuje zasada, że nie da się wyeliminować ryzyka. Można jedynie podejmować różnego rodzaju działania, mające na celu jego minimalizację do poziomu akceptowalnego z punktu widzenia bezpieczeństwa oraz koniecznych do poniesienia kosztów, o czym mówi tzw. zasada ALARP (ang. As Low As Reasonably Practicable) [18, 29]. Podstawowe etapy zarządzania bezpieczeństwem SZZW z uwzględnieniem zasad zarządzania ryzykiem przedstawiono poglądowo na rys. 1.

W Rozporządzeniu Ministra Zdrowia w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia z 2017 roku [36], wprowadzono pojęcie oceny ryzyka jako proces polegający na identyfikacji zagrożeń i analizie ryzyka przeprowadzony na podstawie obowiązującej w czasie dokonywania tej oceny normy PN-EN 15975-2 Bezpieczeństwo zaopatrzenia w wodę do spożycia – Wytyczne dotyczące zarządzania kryzysowego i ryzyka – Część 2: Zarządzanie ryzykiem. W ocenie ryzyka uwzględnia się badania i oceny stanu wód powierzchniowych, stanu wód podziemnych oraz obszarów chronionych dokonane w ramach państwowego monitoringu środowiska. Ocena ryzyka powinna uzyskać zatwierdzenie przez właściwy organ nadzoru Państwowego Inspektora Sanitarnego w zakresie bezpieczeństwa konsumentów wody. Ocena ryzyka powinna podlegać stałej aktualizacji z uwzględnieniem aspektów ekonomicznych i środowiskowych.

Na ocenę ryzyka SZZW składa się analiza ryzyka oraz ewaluacja ryzyka. W skład analizy ryzyka powinno również wchodzić zdefiniowanie ograniczeń funkcjonowania poszczególnych podsystemów SZZW. Wyniki analizy ryzyka stanowią dane wejściowe do ewaluacji ryzyka. Celem ewaluacji jest podjęcie decyzji, czy ryzyko mieści się w granicach tolerowalnych lub czy należy je zredukować przy pomocy trzech kroków [18]:

rozwiązań systemowych (np. modernizacja sytemu, alternatywne źródło wody utrzymywane w stałej gotowości, pojemności awaryjne w zbiornikach wodociągowych, korekta technologii uzdatniania wody, przeprojektowanie sieci wodociągowej, alternatywne źródła energii, rezerwowanie strategicznych obiektów sieciowych, wprowadzanie zdalnego nadzoru i sterowania systemem z wykorzystaniem systemów GIS);
technicznych i uzupełniających środków ochronnych (wprowadzenie systemu multibariery tj. systemu wczesnego, opóźnionego i późnego ostrzegania);
informacji dla konsumentów wody. Warianty podejścia do analizy ryzyka [29, 30]:
podejście podstawowe – zakłada wprowadzenie standardowych procedur zabezpieczających, bez względu na wynik analizy ryzyka;
podejście nieformalne – zakłada wykorzystanie wiedzy ekspertów w celu zabezpieczenia tych elementów systemu, które są narażone na wysokie ryzyko;
szczegółowa analiza ryzyka – zawiera identyfikację ryzyka, oszacowanie zagrożeń, ich przyczyn, prawdopodobnych skutków oraz podatności na zagrożenie w odniesieniu do wszystkich elementów systemu:
podejście mieszane – w zależności od stopnia złożoności systemu wykorzystuje jedną lub więcej z wymienionych wcześniej metod. W analizie kosztów redukcji ryzyka można zastosować następujące wskaźniki [2]: l
założony koszt zapobiegania zdarzeniom niepożądanym (ICAF – ang. Implied Cost of Averting a Fatality):

gdzie:

∆Cost – koszt ochrony, przeciwdziałanie zdarzeniom niepożądanym, Stopień redukcji ryzyka:

gdzie:

rp – początkowa wartość ryzyka,

rk – wartość ryzyka po wprowadzeniu dodatkowych działań ochronnych, zapobiegawczych.

wskaźnik zwany kosztem redukcji jednostki ryzyka (CURR – ang. Cost of Unit Risk Reduction) [2]:

gdzie:

∆EB (ang. Economic Benefis) – zysk związany z redukcją ryzyka. Analizę i ocenę bezpieczeństwa SZZW wykonuje się wg następującego algorytmu postępowania [5, 28]:

rozpoznanie systemu (budowa, działanie, eksploatacja),
identyfikacja celu, zakresu i stopnia szczegółowości wykonywanej analizy,
identyfikacja zagrożeń,
oszacowanie jakościowe zagrożeń (stopień ciężkości, uciążliwości),
klasyfikacja zagrożeń ze względu na stopień uciążliwości,
wytypowanie zagrożeń mających wpływ na utratę bezpieczeństwa systemu,
wytypowanie zagrożeń krytycznych,
wytypowanie awarii (zdarzeń niepożądanych) mogących spowodować efekt domina (tzw.uszkodzenia kaskadowe),
oszacowanie możliwych strat dla każdej grupy zagrożeń,
oszacowanie prawdopodobieństwa przekroczenia określonej wartości strat granicznych P(C > Cgr),
oszacowanie prawdopodobieństwa zajścia zdarzeń niepożądanych,
identyfikacja barier bezpieczeństwa,
oszacowanie podatności systemu na zagrożenia,
określenie liczby mieszkańców korzystających z SZZW,
wyznaczenie funkcji ryzyka wraz z charakterystyką jego parametrów,
ocena wartości ryzyka, w przyjętej skali trój lub pięciostopniowej (ryzyko tolerowane, kontrolowane, nieakceptowane),
ocena poniesionych kosztów,
opracowanie planów reagowania w sytuacji kryzysowej,
podejmowanie decyzji odnośnie do konieczności wprowadzenia działań naprawczych,
wyznaczenie strategicznych „kamieni milowych” odnośnie do przyszłych celów modernizacji, rozbudowy SZZW, w celu zapewnienia bezpieczeństwa dostawy wody.

Identyfikacja zagrożeń jest zwykle wykonywana za pomocą metod eksperckich. Do najważniejszych metod szczegółowych analizy zagrożeń należą [7, 18, 21, 28]:

HAZID – analiza zagrożeń (ang. Hazard Identification), jest to pierwszy etap analizy zagrożeń oraz możliwych konsekwencji, który często jest wstępem do analizy ryzyka w systemach technicznych,
HAZOP – analiza zagrożeń i zdolności działania (ang. Hazard and Operability Analysis), jest to analiza wykonywana przez zespoły ekspertów pod kierownictwem lidera. Przeprowadza się ją za pomocą listy słów kluczowych i stosuje przede wszystkim w analizie bezpieczeństwa dużych systemów przemysłowych,
FMEA – analiza rodzajów uszkodzeń i ich skutków (ang. Failure Modes and Effect Analysis), jest to metoda stosowana do analizy bezpieczeństwa systemów i instalacji technicznych. Bazuje na analizie niezawodności poszczególnych komponentów systemu,
SWIFT – burza mózgów (ang. Structured What-If Checklist Technique), jest to sesja przeprowadzana przez zespół ekspertów. Podstawowe pytania zadawane podczas burzy mózgów to: „Co jeśli?”, „Jak to możliwe?” i „Czy to możliwe?”. W odpowiedzi na nie uzyskiwane są informacje dotyczące rodzajów zagrożeń i potencjalnych scenariuszy wypadków,
ID – diagramy wpływu (ang. Influence Diagram), jest to metoda służąca do określania zależności statystycznych pomiędzy skutkami i przyczynami,
HE – szacowanie zagrożeń (ang. Hazard Evaluation),
HRA – analizy błędów ludzkich (ang. Human Reliability Analysis),
CL – analizy list kontrolnych (ang. Checklist Analysis),
PHA – metoda wstępnej analizy zagrożeń (ang. Preliminary Hazard Analysis),
WI – analiza “co – jeśli”(ang. “What-if” Analysis);
WI|CL – “Co jeśli”|Listy Kontrolne. Analiza zagrożeń wykonywana jest w oparciu o bazy danych i bazy wiedzy [23, 28]:
z poprzednich analiz bezpieczeństwa,
z wniosków z zaistniałych zdarzeń niepożądanych i ich przyczyn,
z doświadczeń ekspertów z eksploatacji istniejących systemów wodociągowych,
modeli symulacyjnych. Metody analizy ryzyka dzieli się na [6, 22, 28, 29]:
probabilistyczne metody analizy ryzyka zaliczane do metod ilościowych (ang. quantitative methods for risk analysis – QRA lub probabilistic risk analysis – PRA), które przetwarzają dane ilościowe (mierzalne) i wyznaczają konkretną wartość ryzyka. Do tych metod zalicza się metody oparte na statystyce matematycznej oraz rachunku prawdopodobieństwa,
jakościowe metody oceny (szacowania) ryzyka (ang. qualitative methods of risk analysis – QLRA), w odróżnieniu od metod ilościowych nie uwzględniają one liczbowego wyznaczania ryzyka z wykorzystaniem metod probabilistycznych (np. rozkładów gęstości), np. FMEA – Failure mode and effects analysis| FMECA – Failure mode, effects and criticality analysis – FMEA to metoda analityczna dotycząca rodzajów i skutków możliwych błędów,
metody ilościowo-jakościowe analizy ryzyka (ang. quantitative-qualitative methods for risk analysis), do których zalicza się m.in.:

–– metody matrycowe (dwu lub wieloparametryczne),

–– metodę drzewa uszkodzeń (ang. Fault Tree Analysis – FTA),

–– metodę drzewa zdarzeń (ang. Event Tree Analysis – ETA),

–– metody z wykorzystaniem procesów markowa i semi – markowa (markov risk analysis – MRA),

–– metody posybilistyczne (posibilistic risk analysis – PRA),

–– metody z wykorzystaniem sieci Bayesa (Bayes risk analysis – BRA),

–– rozmytą analizę ryzyka (fuzzy risk analysis – FRA),

–– neuronowo – rozmytą analizę ryzyka (neuro – fuzzy risk analysis),

metody symulacyjne z zastosowaniem komputerowych modeli hydraulicznych oraz systemów sterowania, przetwarzania i rejestracji danych (np. typu SCADA), komputerowych baz danych np. typu GIS (ang. Geographic Information System), a także symulację metodą Monte Carlo, jak również algorytmy genetyczne. Stanowią one narzędzie wspomagające proces analizy ryzyka. W analizach ryzyka wykorzystuje się różnego rodzaju narzędzia informatyczne między innymi, takie jak [32, 34]:
programy do symulacji komputerowych (np. bazujące na modelach hydraulicznych sieci wodociągowej jak EPANET, ISYDYW),
programy umożliwiające analizę różnych scenariuszy awaryjnych np. oparte na analizach drzew zdarzeń, niezdatności, związkach przyczynowo – skutkowych powstawania zagrożeń oraz na zarządzaniu i raportowaniu danych (XFMEA 4, BlockSim 7, RCM++4, Javabayes),
programy umożliwiające analizę rozkładów prawdopodobieństwa zdarzeń awaryjnych (np. Weibull++, STATISTICA),
programy do statystycznej analizy danych (np. STATISTICA),
programy dające możliwość prognozowania zdarzeń niepożądanych oraz ryzyka (np. MATLAB, RENO),
programy umożliwiające wizualizację opracowanych modeli zdarzeń awaryjnych (np. SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition), GIS [16, 31].

Fazy cyklu zarządzania ryzykiem

Proces analizy i oceny ryzyka SZZW przebiega w następujących fazach [28]: projektowanie, wykonawstwo i eksploatacja.

Projektowanie

Etap ten powinien uwzględniać następujące czynniki zwiększające bezpieczeństwo:

profesjonalne zarządzanie projektem SZZW;
wybór najlepszych dostępnych technologii i urządzeń do uzdatniania wody (BAT);
pierścieniowa konfiguracja sieci wodociągowej;
objętość awaryjna w zbiornikach wody czystej;
monitoring i automatyczna regulacja pracy SZZW;
zasilanie co najmniej z dwóch niezależnych źródeł (dywersyfikacja dostawy wody);

Rys. 2.
Schemat analizy jakościowej ryzyka zintegrowanego (na podstawie pracy [28]); T – ryzyko tolerowane, K – ryzyko kontrolowane, N – ryzyko nieakceptowane
Fig. 2.
Diagram of qualitative analysis of integrated risk (based on [28]); T – tolerated risk, K – controlled risk, N – unacceptable risk

Tab. 1.
Matryca ryzyka zintegrowanego
Tab. 1.
Integrated risk matrix

stabilizacja ciśnienia roboczego sieci i przepompowni strefowych;
stosowanie zaworów antyskażeniowych uniemożliwiających przepływy wsteczne;
zaprojektowanie systemu zarządzania pracą całego SZZW z wykorzystaniem systemów SCADA i GIS.

Wykonawstwo

Czynniki zwiększające bezpieczeństwo to przede wszystkim realizacja inwestycji z zachowaniem zasad systemu jakości ISO w zakresie dostaw urządzeń i materiałów, jakości połączeń rurociągów i armatury, profesjonalnych procedur nadzoru i odbioru. Bardzo istotne jest również prowadzenie prac budowlanych z wykorzystaniem aktualnych planów uzbrojenia podziemnego z zachowaniem szczególnej ostrożności na terenach gęstej infrastruktury nad i podziemnej jak również zastosowanie materiałów, urządzeń oraz instalacji procesowych posiadających odpowiednie atesty m. innymi PZH czy UDT.

Eksploatacja

Operator SZZW i podległe mu służby powinny bezwzględnie przestrzegać wytycznych eksploatacji, które gwarantują niezawodne funkcjonowanie systemu. Szczególną uwagę w procesie eksploatacji należy zwrócić na możliwość wtórnego zanieczyszczenia wody w podsystemie dystrybucji [13, 33]. Należy wprowadzać metody zarządzania ryzykiem, które obejmują: identyfikację ryzyka, klasyfikację i jego ocenę, planowanie metod reagowania i przeciwdziałania na wypadek realizacji ryzyka. Eksploatacja SZZW powinna opierać się na bieżącej kontroli i monitoringu z wykorzystaniem nowoczesnych technik modelowania, prognozowania i symulacji uszkodzeń, a także metod wizualizacji i nadzoru [12, 29]. Podmioty odpowiedzialne za eksploatację SZZW powinny posiadać wdrożone WSP z uwzględnieniem procedur szybkiego reagowania na wypadek sytuacji kryzysowej, w szczególności zaopatrzenie ludności w wodę z alternatywnych źródeł (studnie awaryjne, beczkowozy czy wodoerki) oraz możliwość szybkiej dodatkowej dezynfekcji wody. Plany takie powinny uwzględniać tzw. odbiorców priorytetowych takich, jak: szpitale, domy opieki. Zintegrowane ryzyko jest wynikiem analizy ryzyka na etapie projektowania rp, wykonawstwa rw i eksploatacji re [28]. Na rysunku 2 przedstawiono schemat postępowania w jakościowej analizie ryzyka zintegrowanego na poszczególnych etapach cyklu życia SZZW, a w tab. 1 matrycę ryzyka zintegrowanego.

Podsumowanie

Podejście oparte na prewencji zagrożeń znacząco ogranicza prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzeń awaryjnych oraz pozwala na minimalizację zagrożeń zdrowotnych dla konsumentów wody i przygotowanie przedsiębiorstwa wodociągowego do odpowiedniej reakcji po wystąpieniu sytuacji kryzysowej. W pracy scharakteryzowano fazy cyklu zarządzania ryzykiem, które powinno być wieloaspektowe i wpisane w codzienne funkcjonowanie SZZW. Funkcjonowanie SZZW oparte na zarządzaniu ryzykiem pozwala na hierarchizację potencjalnych zagrożeń, opracowanie planów modernizacji systemu oraz weryfikację skuteczności prowadzonych działań.

Zarządzanie ryzykiem w systemach wodociągowych (od ujęcia aż do konsumenta) jest zgodne z aktualnymi standardami dotyczącymi bezpieczeństwa wody przeznaczonej do spożycia opracowanymi przez Światową Organizację Zdrowia i Unię Europejską. Niniejsza publikacja jest szczególnie istotna dla przedsiębiorstw wodociągowych, które planują wdrożenie planów bezpieczeństwa wodnego (PBW). Ankiety przeprowadzone wśród przedsiębiorstw wodociągowych przez Izbę Gospodarczą „Wodociągi Polskie” w 2018 roku wskazują, że istnieje spore zainteresowanie PBW, barierą jest jednak brak wiedzy związanej z tworzeniem systemów zarządzania ryzykiem.

L I T E R AT U R A

[1] Aven T.: Conceptual framework for risk assessment and risk management, Summer Safety & Reliability Seminars (Journal of Polish Safety and Reliability Association), 2010, 1, s. 15-27.

[2] Brandowski A.: Projektowanie bezpiecznej siłowni okretowej, Materiały XXIV międzynarodowego Sympozjum SIłowni Okretowych. 2003. 85-94.

[3] Bukowski L.A., Majewski K.: Uogólniona teoria niezawodności – cele, możliwość, koncepcje, Mat. XXXIV Zimowej Szkoły Niezawodności PAN, Wyd. Wydziału Transportu Politechniki Warszawskiej, Szczyrk, 2006, 68-78.

[4] Croddy E., Perez-Armendariz C., Hart J., Broń chemiczna i biologiczna, WNT, Warszawa, 2003.

[5] Haimes Y.Y.: Risk Modelling, Assessment and Management, Wiley, New York, 1998.

[6] Hart K.M., Hart R.F., Quantitative methods for quality improvement, Milwaukee, WI: ASQC Quality Press, 1989.

[7] Iwanejko R., Lubowiecka T.: Analiza ryzyka w systemie zaopatrzenia w wodę – studium zagrożeń. Czasopismo Techniczne, Wyd. Politechniki Krakowskiej, 9/2005, 153-168.

[8] Jaźwiński J., Ważyńska-Fiok K.: Bezpieczeństwo systemów, PWN, Warszawa, 1993.

[9] Jelonek G., Bezpieczeństwo wody a terroryzm, Wodociągi – Kanalizacja, 3(157)/2017, 14-16.

[10] Kaczmarek T.T.: Ryzyko i zarządzanie ryzykiem. Ujęcie interdyscyplinarne, Wyd. Wyższej Szkoły Zarządzania i Marketingu, Warszawa, 2005.

[11] Kaplan S., Garrick B.J.: On the quantitative definition of risk, Risk Analysis, 1981, 1(1), s. 11-27.

[12] Kulbik M.: Komputerowa symulacja i badania terenowe miejskich systemów wodociągowych. Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk, 2004.

[13] Łomotowski J.: Przyczyny zmian jakości wody w systemach wodociągowych, PAN, Warszawa, 2007.

[14] Mays L.W.: Water Supply Systems Security, McGraw-Hill Professional Engineering, Texas, 2004.

[15] Miłaszewski R. Ekonomika ochrony wód powierzchniowych. Wydaw. Ekonomia i Środowisko. 2003

[16] Piegdoń I., Tchórzewska-Cieślak B., Szpak D.: The use of geographical information system in the analysis of risk of failure of water supply network. Environmental Engineering V, TAYLOR & FRANCIS GROUP, s.7-14, Londyn, 2016.

[17] Rak J. R.: Bezpieczeństwo systemów zaopatrzenia w wodę, Polska Akademia Nauk, Instytut Badań Systemowych, Warszawa, 2009.

[18] Rak J.R.: Problematyka ryzyka w wodociągach, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2014.

[19] Rak J.R., Kwietniewski M.: Bezpieczeństwo i zagrożenia systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2011.

[20] Rak J.R., Tchórzewska-Cieślak B.: Metody analizy i oceny ryzyka w systemie zaopatrzenia w wodę, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2005.

[21] Rak J.R., Tchórzewska-Cieślak B.: Ryzyko w eksploatacji systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę, Wyd. Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Rzeszów, 2013.

[22] Rak J.R., Tchórzewska-Cieślak B., Żywiec J.: Nowy segment estymatorów wskaźników niezawodności operatora system wodociągowego. Instal, 4/2019, 40-43.

[23] Rogers J.W., Garrick E., Louis G.E.: Risk and opportunity in upgrading the US drinking water infrastructure system, Journal of Environmental Management, 2008, 87, s. 26-36.

[24] Smalko Z.: Charakterystyki spolegliwości układu człowiek – maszyna – otoczenie, Materiały Szkoły Niezawodności, PAN, 2007, 432-439.

[25] Szopa T.: Bezpieczeństwo a niezawodność systemu, Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, PAN, 3, 4(71, 72), 1987, s. 297-308.

[26] Szymanek A.: Bezpieczeństwo i ryzyko w technice, Wyd. Politechniki Radomskiej. Radom, 2006.

[27] Świątczak J., Skotak K., Bratkowski J., Witczak S., Postawa A.: Metale i substancje towarzyszące w wodach przeznaczonych do spożycia w Polsce, Mat. konf. „Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód”, Wyd. PZiTS O/Wielkopolski, Poznań 2008, 1, s. 289- 301.

[28] Tchórzewska – Cieślak B.: Metody analizy i oceny ryzyka awarii podsystemu dystrybucji wody, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2011.

[29] Tchórzewska-Cieślak B.: Wieloaspektowa analiza bezpieczeństwa w eksploatacji systemów wodociągowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2018.

[30] Tchórzewska-Cieślak B., Rak J.: Funkcja ryzyka jako miara utraty bezpieczeństwa systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę., Technologia Wody. 2017, z.1 (51), s.10-15

[31] Tchórzewska-Cieślak B., Boryczko K., Piegdoń I.: Possibilistic risk analysis of failure in water supply network . Safety and reliability: methodology and applications: proceedings of The European Safety and Reliability Conference, Esrel 2014, Wrocław, Poland,CRC PRESS/BALKEMA, s.1473-1480

[32] Urbaniak A., Komputerowe wspomaganie eksploatacji obiektów i procesów w systemach zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków, Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN, Warszawa 2016.

[33] Zamorska J.: Biological Stability of Water after the Biofiltration Process. Journal of Ecological Engineering, 19 (5)/2018, 234-239.

[34] Zimoch I., Zastosowanie modelowania komputerowego do wspomagania procesu eksploatacji systemu wodociągowego, Ochrona Środowiska, 30(3)/2008, s. 31-35.

[35] Guidelines for Drinking-water Quality. Fourth Edition. WHO, Geneva 2011.

[36] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 7 grudnia 2017 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz. U. 2017 poz. 2294).