Model hydrauliczny (matematyczny) jako wsparcie planowania płukania sieci wodociągowej

Zgodnie z obowiązującą ustawą i statutami każdego przedsiębiorstwa wodociągowego, odbiorca wody powinien otrzymać medium pod odpowiednim ciśnieniem, w odpowiedniej ilości i jakości, zwłaszcza tej organoleptycznej, która na co dzień jest weryfikowana przez odbiorców. Woda, pomimo dobrych parametrów na wyjściu ze stacji uzdatniania często ulega zanieczyszczeniu wtórnemu, co spowodowane jest w dużej mierze przez wytrącenie się związków żelaza i manganu w sieci wodociągowej w postaci osadu. Osad ten podczas zmian cech hydraulicznych przepływu (awaria, zmiany ciśnienia oraz nagłe pobory wody) zrywa się ze ścianek powodując wtórne zanieczyszczenie wody, co w konsekwencji może prowadzić do pojawienia się rdzawego zabarwienia wody u odbiorców.

Zapobieganie powyższej sytuacji stanowi powszechną praktykę w przedsiębiorstwach wodociągowych i może być realizowane w oparciu o regularne płukanie sieci z nadmiaru osadów, najlepiej zgodnie z opracowanymi na bazie modeli hydraulicznych i zweryfikowanymi w terenie planami, które zapewnią najwyższą skuteczność operacji i najlepsze parametry jakościowe dostarczanej wody.

Analiza przewodów wodociągowych wymagających płukania oparta jest o wyniki prędkości przepływu wody w rurociągach, które gwarantują samooczyszczanie i bezawaryjną pracę sieci. W Polsce funkcjonują wytyczne i zalecenia do projektowania różnego typu sieci dystrybucji wody, z czego najważniejsze w kontekście płukania sieci są:

• Ogólne zalecenia prędkości przepływu wody w przewodach ze względu na typ sieci w szczycie poboru:
  • w sieci wodociągowej miejskiej rozdzielczej 0,5-1,0 m/s, 
  • w sieci wodociągowe magistralnej / tranzytowej 1,3-3,0 m/s.
• Zalecane prędkości przepływu wody w przewodach w zależności od średnicy i funkcji w szczycie poboru:
  • średnica przewodu do 250 mm – prędkość przepływu 0,8-1,2 m/s dla przewodów ssawnych oraz 1,0-1,5 m/s dla przewodów tłocznych, 
  • średnica przewodu od 250 do 800 mm – prędkość przepływu 1,0-1,5 m/s dla przewodów ssawnych oraz 1,2-2,0 m/s dla przewodów tłocznych, 
  • średnica przewodu powyżej 800 m – prędkość przepływu 1,5-2,0 m/s dla przewodów ssawnych oraz 1,8-3,0 m/s dla przewodów tłocznych.

W warunkach większości polskich sieci wodociągowych, ze względu na duży stopień przewymiarowania powyższe warunki nie są spełnione, co powoduje, że kryterium prędkości nie może stanowić jedynego wyznacznika przewodów do płukania.

Kolejnym elementem, który należy wziąć pod uwagę jest wiek wody w sieci, który bezpośrednio przekłada się na jakość wody dystrybuowanej do odbiorców. W ogólnych zaleceniach przyjmuje się 48 h jako czas graniczny, jednak wszelkiego rodzaju zabiegi odświeżające, wpływające bezpośrednio na skład chemiczny i biologiczny wody (dochorowywanie) mogą wpłynąć na wydłużenie akceptowalnego wieku wody w sieci.

Kolejnym elementem jest struktura wiekowa i materiałowa sieci. Na wtórne zanieczyszczenie szczególnie narażone są przewody wykonane ze stali oraz żeliwa (w tym najbardziej żeliwa szarego), których wiek przekracza 30 lat. Przewody z tych materiałów mają tendencję do powstawania wżerów, które stanowią korzystne warunki do rozwoju bakterii, szczególnie przy niskiej zawartości chloru wolnego w wodzie.

W praktyce określenie harmonogramu oraz częstości płukania sieci należy wykonywać na podstawie analizy wieku wody. W tym celu powinno się wykorzystać model matematyczny sieci wodociągowej, pozwalający na symulacje różnych scenariuszy eksploatacyjnych, odzwierciedlających zachowanie systemu dystrybucji wody w zmiennych warunkach funkcjonowania, uwzględniających dobową i sezonową dynamikę rozbioru wody w systemie. Poprawnie skalibrowany model hydrauliczny powinien stanowić podstawę do budowy modelu jakościowego, wspomagającego zarządzenie Systemem Dystrybucji Wody (SDW).

W literaturze funkcjonują również ogólne wytyczne do płukania sieci. Według Kowala płukaniem powinno się objąć głównie: 

• końcówki sieci, niezależnie od miejsca ich lokalizacji, dwa razy w miesiącu, z jednoczesnym poborem próbek do badań jakości wody,
• przewody wodociągowe, znajdujące się pomiędzy końcówkami a pompowniami tłoczącymi wodę do sieci, raz w miesiącu, z jednoczesnym poborem próbek do badań jakości wody, 
• odcinki sieci po zgłoszeniu skargi na złą jakość wody przez odbiorców, stanowiące tzw. płukanie interwencyjne, 
• odcinki sieci po wymianie wodomierza lub przewodu

Narzędzie Flushing Analysis w oprogramowaniu Mike+ umożliwia optymalne opracowanie planu płukania sieci na podstawie wprowadzonych scenariuszy, zróżnicowanych pod kątem lokalizacji, wydajności hydrantów i metod płukania. Wynikiem analizy jest wymagany czas upustu wody, wysokość ciśnienia dyspozycyjnego podczas upustu, sumaryczna objętość upuszczonej wody oraz procentowe określenie skuteczności płukania. Narzędzie w aplikacji do modelowania sieci umożliwia również przeprowadzenie obliczeń w warunkach ukierunkowania przepływu poprzez zamknięcie wskazanych przez program zasuw liniowych.

Rysunek 1 Okno analizy płukania w oprogramowaniu DHI

Rysunek 2 Wizualizacja wyników w obszarze mapy sieci

Wyniki analizy zawierają wyciąg podstawowych informacji z silnika obliczeniowego oraz kluczowe dla eksploatatora wskazówki, takie jak m.in.: wymagany czas prowadzenia płukania w celu oczyszczenia wszystkich analizowanych przewodów, ciśnienie dyspozycyjne na badanym odcinku, ilość wody upuszczonej i średni stopień oczyszczenia przewodów.

Analiza wyników hydraulicznych umożliwia wybór najbardziej efektywnych hydraulicznie scenariuszy, co bezpośrednio przekłada się na optymalizację czasu pracy personelu, zmniejszenie zużycia wody na płukanie czy przeciwdziała negatywnym skutkom zabiegów w postaci nadmiernie obniżonego ciśnienia w sieci. 

Autor: Grzegorz Tatara – Ekspert ds. modelowania sieci wodociągowej w DHI Polska 

Literatura

1. Kowal AL. Przyczyny i zapobieganie zmianom jakości wody w systemach wodociągowych. Ochr Środ. 2003;25:3-6. http://www.os.not.pl/docs/czasopismo/2003/Kowal_4-2003.pdf
2. Zimoch I., Bartkiewicz E. Modelowanie wieku wody jako element wspomagający zarządzanie siecią wodociągową http://tchie.uni.opole.pl/PECO18_2/PL/Zimoch-Modelowanie_PECO18_2.pdf
3. Norma PN-76 M-34034 Rurociągi – Zasady obliczeń strat ciśnienia
4. Poradnik projektanta https://poradnikprojektanta.pl/predkosc-przeplywu-wody-w-rurociagach