Tomasz Jóźwiak 1, Urszula Filipkowska 2, Paula Szymczyk 3, Artur Mielcarek 4 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Katedra Inżynierii Środowiska Projektowanie i wykonywanie systemów wodociągowych Wprowadzenie Projektowanie i wykonywanie systemów wodociągowych to skomplikowany proces logistyczny. Zadaniem systemu wodociągowego jest nieprzerwane dostarczanie wody do wszystkich odbiorców w wymaganej ilości i pod wymaganym ciśnieniem. W skład systemu zaopatrzenia wchodzą następujące elementy: ujęcia wody, pompownie, stacje uzdatniania wody, zbiorniki wyrównawcze oraz sieci wodociągowe. Ogólny schemat systemu wodociągowego zaprezentowany został na rysunku 1. Rys.1. Ogólny schemat wodociągu. Źródło: opracowano na podstawie [1, 2] Rodzaje przewodów wodociągowych W układach wodociągowych występują przewody tranzytowe, magistralne i rozdzielcze. Przewody tranzytowe (przesyłowe) są przeznaczone wyłącznie do transportu wody na dużą odległość. Przewód ten łączy źródło ze zbiornikiem początkowym lub magistralą wodociągową (w zależności od sposobu transportu wody przewód tranzytowy może być grawitacyjny lub tłoczny) [1, 2]. Przewody magistralne doprowadzają wodę do oddzielnych sektorów miasta lub obiektów o dużym zapotrzebowaniu na wodę, np. zakładów przemysłowych. Przewody te zasilają bezpośrednio przewody rozdzielcze. Do magistral zaliczamy najczęściej przewody o średnicy od 300 mm wzwyż, choć w przypadku małych miast przewód magistralny może mieć średnicę nie większą niż 150 mm [3]. Przewody rozdzielcze zasilają poszczególne budynki oraz zaopatrzone są w hydranty. W obszarach miejskich przewody te mają zazwyczaj średnicę 100-250 mm i są zlokalizowane pod chodnikiem wzdłuż krawężnika jezdni. Na obszarach wiejskich przewody rozdzielcze mają zazwyczaj średnicę 80 200 mm i ułożone są wzdłuż ulic. Mieszkańcy zaopatrywanego obszaru pobierają wodę z przewodów rozdzielczych przez połączenia domowe [2]. 1 Tomasz Jóźwiak, mgr inż., asystent, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska. E-mail: tomasz.jozwiak@uwm.edu.pl 2 Urszula Filipkowska, dr hab. inż. prof. UWM, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska. E-mail: ulafil@uwm.edu.pl 3 Paula Szymczyk, mgr. inż., doktorantka, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska. E-mail: paula.szymczyk@uwm.edu.pl 4 Artur Mielcarek, mgr. inż., doktorant, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska. E-mail: artur.mielcarek@uwm.edu.pl 9049
Rodzaje sieci wodociągowych Podstawą każdego systemu wodociągowego jest sieć wodociągowa odpowiedzialna za rozprowadzenie wody do użytkowników. Wyróżnić można trzy główne rodzaje sieci wodociągowych sieć rozgałęzieniową, pierścieniową i pierścieniowo-rozgałęzieniową. Sieć rozgałęzieniowa Sieć rozgałęzieniowa zwana też promienistą jest siecią otwartą. W układzie tym, główny przewód wodociągowy rozgałęzia się na odcinki o coraz mniejszych średnicach. Zaletą sieci rozgałęzieniowej jest niski koszt budowy oraz eksploatacji. Układ ten posiada jednak wiele wad. Uszkodzenie jednego z początkowych przewodów wodociągowych skutkuje wyłączeniem dostaw wody dla dużego obszaru miasta. Konieczne jest również systematyczne przepłukiwanie końcowych przewodów w celu niedopuszczenia do zagniwania wody. Ponadto sieć promienista jest niekorzystna pod względem hydraulicznym, gdyż wzdłuż poszczególnych przewodów występują duże różnice ciśnień. Sieć pierścieniowa Sieć pierścieniowa, zwana też obwodową jest siecią zamkniętą. W układzie tym główne przewody wodociągowe łączą się w pierścienie tworząc układ zamknięty. Dużą zaletą sieci pierścieniowej jest duża niezawodność w dostawie wody. W przypadku awarii odcinka, woda może dopływać do miejsc rozbioru drogą okrężną. Układ ten jest także znacznie korzystniejszym rozwiązaniem pod względem hydraulicznym. Wzajemne powiązanie przewodów stwarza dobre warunki przepływu wody i wyrównania ciśnień. Wadą sieci rozdzielczej jest wyższy koszt budowy oraz eksploatacji. Sieć obwodowa jest powszechnie stosowana w wodociągach miejskich, podczas gdy sieć rozgałęzieniową stosuje się, np. dla dostawy do oddzielnych, oddalonych obiektów, w małych osiedlach, w niektórych zakładach przemysłowych itp. W mieście sieć rozgałęzieniowa stanowi zwykle etap początkowy w budowie wodociągów, ulegając przekształceniu na sieć pierścieniową przez stopniowe łączenie przewodów rozgałęzieniowych w dalszych etapach rozbudowy sieci.[2,4] Sieć pierścieniowo-rozgałęzieniowa Sieć pierścieniowo-rozgałęzieniowa zwana także siecią mieszaną jest najpowszechniej spotykanym rozwiązaniem. Zazwyczaj taki układ ewoluuje i dąży do objęcia pierścieniami możliwie jak największego obszaru zasilania. Przewodami wodociągowymi rozgałęzionymi zaopatrywane są skrajnie położone tereny jednostki osadniczej [4]. Schematy różnych rodzajów sieci wodociągowych wraz z zaznaczonymi typami przewodów wodociągowych, zaprezentowane zostały za rysunku 2. Rys. 2. Schematy układów sieci wodociągowych: promienistej, pierścieniowej i mieszanej. Źródło: opracowano na podstawie [1,2] 9050
Materiały do budowy sieci wodociągowej Materiały wykorzystane do produkcji przewodów wodociągowych nie mogą wpływać negatywnie na jakość wody oraz trwałość układu [5]. Rury sieci wodociągowych mogą być wykonane z : tworzyw sztucznych (wg PN-EN-1452-1:5:2000, ZAT/97-01-001), żeliwa (wg PN EN 545, PN-H-74101, PN-H-74107), stali (wg PN-H-74200, PN-H-74219), żelbetu (wg PN-EN-640, PN-EN-641), betonu (wg PN-EN 639, PN- EN-642) i włókno-cementu - (wg PN-EN-512, PN-EN-639). Przewody wodociągowe wykonane z tworzyw sztucznych są lekkie, tanie i łatwe w montażu. Pozytywną cechą rur z tworzyw sztucznych jest także wysoka odporność chemiczna. Przewody te są gładkie, co przekłada się na niskie opory hydrauliczne w sieci. Wadą instalacji z tworzyw sztucznych jest brak odporności na działanie skrajnie niskich i wysokich temperatur. Tworzywa sztuczne nie stanowią także szczelnej bariery dla gazów i cieczy, dlatego nie należy ich stosować w gruntach podatnych na skażenie. Rury z tworzyw sztucznych mają także względnie małą wytrzymałość konstrukcyjną. Do najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych w instalacjach wodociągowych zalicza się : polichlorek winylu (PCV) oraz chlorowany polichlorek winylu (CPCV) polietylen (PE) różnej gęstości niskiej (PE-LD), średniej (PE-MD) i wysokiej (PE-HD) polietylen sieciowany (PE-X, PE-Xa, PE-Xb, PE-Xc, PE-Xd) polipropylen (PP) oraz polibutylen (PB) Właściwości rur żeliwnych zależą od składu chemicznego zastosowanego żeliwa. Żeliwa zawierające dodatek niklu (5%) lub chromu (18-30%) posiadają bardzo dużą odporność na ścieranie i korozję. Niską podatność na korozję mają także żeliwa wysokokrzemowe, jednak charakteryzują się one niewielką wytrzymałością na rozciąganie i zginanie. Najbardziej wytrzymałe konstrukcyjnie są żeliwa sferoidalne, modyfikowane cerem lub też stopem żelazowo-krzemowo-magnezowym, są jednak dość drogie w produkcji a także bardziej podatne na korozję [6]. Wadami rur żeliwnych są grube ścianki przewodów oraz duża masa, utrudniająca instalację. Rury stalowe, ze względu na mniejszą grubość ścianek, posiadają mniejszą masę niż podobnej długości rury żeliwne. Stalowe przewody cechują się także większą wytrzymałością konstrukcyjną. Ze względu na wysoką podatność stali na korozję, w instalacjach wodnych stosuje się rury stalowe z powłoką metaliczną, najczęściej cynkową, zabezpieczającą przed korozją. Sieć wodociągowa wykonana z rur stalowych bądź żeliwnych charakteryzuje się dużą szczelnością i może być położona w gruncie skażonym bądź też podatnym na skażenie. Przewody betonowe oraz żelbetowe mogą być stosowane do dużych średnic, powyżej 400 mm. Wadą rur betonowych jest brak możliwości stosowania ich do przewodów ciśnieniowych. Przewody pracujące w zakresie ciśnienia 0,2 12,0 MPa wymagają zastosowania droższego w produkcji żelbetu [7]. Przewody z włókno-cementu, podobnie jak rury z tworzyw sztucznych są lekkie, łatwe w transporcie, obróbce i instalacji. Rury włókno-cementowe są w dodatku bardzo wytrzymałe na wysokie ciśnienie wewnętrzne. Niski stopień chropowatości przewodów włókno-cementowych przekłada się na niskie opory hydrauliczne w sieci [7]. Wadą powyższych przewodów jest ich niska odporność chemiczna i wysoka podatność na urazy mechaniczne. Projektowanie sieci wodociągowej Sprawne funkcjonowanie sieci wodociągowej zależy od prawidłowego zaprojektowania systemu. Projekt powinien zakładać także dużą trwałość wodociągu, zapewniającą długowieczność instalacji przy możliwie najniższych kosztach budowy i eksploatacji. Trasowanie sieci wodociągowej W pierwszym etapie projektowania sieci wodociągowej należy zaplanować układ przewodów wodociągowych. Układ sieci powinien być zgodny z topografią obszaru zasilania. Trasa przewodów powinna być wykreślona wzdłuż placów, ulic oraz innych ciągów komunikacyjnych. Jeżeli jest to możliwe to większość 9051
odcinków sieci powinna być ułożona w linii prostej. Liczba załamań na trasie przewodów powinna być jak najmniejsza [8]. Podział obszaru zasilania Teren zasilania powinien zostać podzielony na mniejsze obszary, przyległe bezpośrednio do poszczególnych odcinków sieci wodociągowej. Pola użytkowe przyległe do danego odcinka sieci wyznacza się przy pomocy dwusiecznych kątów tworzących się w węzłach sieci oraz w punktach przecięcia się dwusiecznych wewnątrz pól. Pola powierzchni użytkowych oblicza się wzorami geometrycznymi lub za pomocą planimetru. Z planu zagospodarowania przestrzennego, odczytuje się rodzaj zabudowy na podzielonym terenie, gęstość zaludnienia i przewidywalne jednostkowe zapotrzebowanie wody. Po przeanalizowaniu wszystkich niezbędnych danych, określa się zapotrzebowanie na wodę dla obszarów, przyporządkowanych do poszczególnych odcinków sieci. Powierzchnie nie przeznaczone pod zabudowę, np. zieleńce wyłącza się z obliczeń. Obliczenia hydrauliczne sieci Ilość wody, którą ma dostarczyć dany odcinek przewodu wodociągowego do przyległego obszaru można wyliczyć ze wzoru (1) Q = (F G q ) [ ] (1) Fi powierzchnia terenu zaopatrywanego w wodę bezpośrednio z danego odcinka [ha] Gi gęstość zaludnienia zaopatrywanego terenu [M/ha] Qi zużycie wody na jednego mieszkańca [dm 3 /M. s] Przepływ obliczeniowy dla danego odcinka, wyliczamy ze wzoru (2) Q = Q + 0,55 Q [ ] (2) Qk przepływ na końcu obliczanego odcinka [dm 3 /s] Znając przepływ obliczeniowy dla danego odcinka oraz prędkość przepływu wody (zależną od rodzaju przewodu), można na podstawie nomogramu Manninga określić średnicę przewodu oraz wysokość strat ciśnienia. Po dobraniu średnic i określeniu strat ciśnienia na poszczególnych odcinkach można określić ze wzoru (3) wymagane ciśnienie w punkcie wyjściowym sieci. H = 7 + 3,25 n [m] (3) H ciśnienie w przewodzie ulicznym [m H2O] n liczba kondygnacji Podstawowe warunki techniczne wykonania sieci wodociągowej Sprawne funkcjonowanie systemu wodociągowego w dużej mierze zależy od właściwego wykonania instalacji sieci wodociągowej. Wymagania odnośnie wykonania sieci wodociągowych określone są w Polskich Normach [9,10]. Minimalne odległości rur wodociągowych od obiektów budowlanych Przewody wodociągowe powinny być usytuowane w bezpiecznej odległości od budowli sąsiadujących. Minimalny dystans oddzielający dno wykopu od ściany budowli powinien zostać wyliczony ze wzoru (4). X (, ) + 0,5 [m] (4) 9052
H głębokość wykopu (odległość od rzędnej terenu) [m] h głębokość fundamentu pobliskiej budowli [m] α kąt stoku naturalnego (bezpieczne nachylenie skarpy) [m] Bezpieczne odległości przewodów wodociągowych od innych sieci, oraz urządzeń zależą od średnicy odcinków a także rodzaju i przeznaczenia sąsiadującej instalacji. Dopuszczalne minimalne odległości sieci wodociągowej od poszczególnych obiektów określone zostały w Wymaganiach Technicznych Cobrti Instal Zeszyt 3 [8]. Głębokość położenia wodociągu prowadzonego pod ziemią Wymóg zagłębienia sieci wodociągowej wynika z konieczności zabezpieczenia przewodów przed zamarzaniem w okresie zimowym. Aby ustalić wymagane zagłębienie przewodu warstwą gleby, należy znać głębokość przemarzania gruntu w danej strefie klimatycznej. W Polsce wyróżnia się 4 strefy przemarzania gruntu o głębokości od 0,8 do 1,4 m. Minimalne przykrycie rury wodociągowej warstwą gleby zależy także od średnicy przewodu. W przypadku rur o średnicy < 1000 mm, przewód powinien znajdować się co najmniej 0,4 m pod granicą przemarzania gruntu, a w przypadku przewodów o średnicy 1000 mm i większych, minimum 0,2 m [9]. W przypadku kiedy zagłębienie przewodu do wymaganego poziomu jest niemożliwe bądź nieopłacalne, należy zastosować izolację cieplną instalacji. Dopuszczalne odchylenie osi i spadku przewodu Ułożenie przewodów w gruncie powinno być wykonane zgodnie z projektem. Dopuszczalne odchylenia osi przewodu (od kierunku ustawionego na ławach celowniczych) zależy od materiału z którego wykonana jest sieć wodociągowa. W przypadku rur z tworzyw sztucznych, maksymalna wartość odchylenia osi wynosi 0,1 m. Akceptowalna wartość odchylenia osi dla rur wykonanych z pozostałych materiałów to 0,02 m [9]. Różnice w rzędnych dna przewodu rzeczywistego oraz projektowanego powodują odchylenie spadku w sieci. Dopuszczalna rozbieżność pomiędzy powyższymi rzędnymi nie może być większa w przypadku rur z tworzyw sztucznych niż 0,05 m a w pozostałych przypadkach nie większa niż 0,02 m [9]. Odbiór sieci i przekazanie do użytku Przewody wodociągowe powinny być szczelne i zdolne do pracy pod ciśnieniem 1 MPa (ciśnienie próbne). Przed oddaniem sieci do użytku należy przeprowadzić próby szczelności poszczególnych odcinków sieci. Podczas próby szczelności, odcinki poszczególnych przewodów muszą przez 30 min utrzymać ciśnienie powyżej wartości ciśnienia próbnego. W przypadku próby szczelności całego układu, dopuszczalna ilość wody, jaka może przedostać się w ciągu dnia poza instalację wynosi 1000 dm 3 na 1 km długości przewodu o średnicy 1 m [9]. Układ po przejściu próby szczelności powinien zostać zdezynfekowany wodą zawierającą chlor gazowy lub podchloryn wapnia/sodu. Stężenie chloru w wodzie powinno wynosić około 25 mg/dm 3 a czas przebywania chlorowanej wody w dezynfekowanym układzie nie krótszy niż 24 h. Po całkowitym odkażeniu układu, sieć wodociągowa powinna zostać przepłukana wodą, przy czym prędkość wody do płukania w przewodach nie powinna być niższa niż 1 m/s. Woda do płukania sieci nie powinna mieć gorszych parametrów, niż woda przeznaczona do spożycia przez ludzi [11]. Streszczenie W pracy przedstawiono ogólne zasady projektowania i wykonywania systemów wodociągowych. Opisano oraz porównano różne rodzaje sieci wodociągowych. Scharakteryzowano także materiały stosowane w sieciach wodociągowych oraz wskazano ich wady i zalety. Praca zawiera także informacje na temat czynności związanych z odbiorem sieci i przekazania jej do użytku (próby szczelności oraz dezynfekcja). 9053
Słowa kluczowe: sieć wodociągowa, projektowanie sieci wodociągowych, sieć rozgałęzieniowa, sieć pierścieniowa DESIGN AND MANUFACTURE OF WATER-SUPPLY SYSTEMS Abstract The paper presents general principles for design and construction of water supply systems. Describes and compares the different types of water supply networks. Also describes the materials used in water networks and identifies their advantages and disadvantages. Work also includes information on activities related to the acceptance network and transfer it to use (leak test and disinfection). Keywords: water-supply system, network design, branch/ring network Literatura [1] Gabryszewski T.: Wodociągi. Warszawa 1983 r. [2] Heidrich Z.: Wodociągi. Warszawa 1999 r. [3] Petrozolin W.: Projektowanie sieci wodociągowych. Warszawa 1974 r. [4] www.instsani.pl/sieciwod (dostęp: 26.06.2015) [5] Ustawa z dnia 7 lipca 1994r. Prawo budowlane (Dz. U. Nr 106/00 poz. 1126, Nr 109/00 poz. 1157, Nr 120/00 poz. 1268) [6] Hucińska J.: Metaloznawstwo. Politechnika Gdańska 1995 r. [7] www.muratorplus.pl/technika/instalacje-wodne/rury-wodociagowe_57106.html (dostęp: 26.06.2015) [8] Płuciennik S., Wilbik J.: Warunki techniczne wykonania i odbioru sieci wodociągowych. Wymagania techniczne Corbi Instal Zeszyt 3. Warszawa 2001. [9] PN-B-10725:1997 Wodociągi Przewody zewnętrzne Wymagania i badania [10] PN-81/B-03020: Grunty budowlane - Posadowienie bezpośrednie budowli - Obliczenia statyczne i projektowanie [11] Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 20.04.2010 r. w sprawie wymagań dotyczących jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (Dz. U. 2010 Nr 72 poz.466) 9054