POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA mgr inż. Wojciech Kruszyński Modelowanie ciśnienia i przepływów w sieci wodociągowej przy zmniejszającym się zapotrzebowaniu na wodę (autoreferat rozprawy doktorskiej) Promotor: Prof. dr hab. inż. Lech Dzienis Recenzenci: Prof. dr hab. inż. Mirosław Krzemieniewski Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Prof. dr hab. inż. Marek Lebiedowski Politechnika Białostocka BIAŁYSTOK 2011
1. WSTĘP Zmiany zachodzące w gospodarce polskiej po roku 1989 zdecydowanie wpłynęły na spadek zapotrzebowania na wodę, zwłaszcza w małych miejscowościach i gminach, w których upadł lokalny przemysł. W regionach tych zmniejszyła się liczba ludności. Kolejnymi czynnikami powodującymi mniejsze, niż planowane przy projektowaniu wodociągów zużycie wody, były wzrost cen za wodę i zainstalowanie wodomierzy u każdego indywidualnego odbiorcy (wymuszające kontrolę i oszczędzanie wody). Długoletnia stagnacja w transferze nowoczesnych technologii i rozwiązań technicznych doprowadziła obecnie do wzrostu zainteresowania przedsiębiorstw wodociągowych w dziedzinie wdrażania narzędzi informatycznych wspomagających modelowanie i monitoring sieci wodociągowych. Wynika to w głównej mierze z konieczności ograniczania kosztów eksploatacyjnych, poprawy działania istniejących sieci, a także zwiększenia efektywności zarządzania przedsiębiorstwem. Dynamiczny model sieci wodociągowej jest wydajnym narzędziem wspomagającym obserwację i regulowanie ciśnień i przepływów wody, pozwalającym na podejmowanie uzasadnionych decyzji odnośnie eksploatacji, modernizacji i rozbudowy całego systemu wodociągowego miasta lub gminy. W niniejszej rozprawie zaprezentowano symulacje komputerowe modeli systemów dystrybucji wody gminy Czarna Białostocka i miasta Łapy w warunkach zmniejszającego się w czasie zapotrzebowania na wodę (w ostatnich 15 latach). Specyfika funkcjonowania układów wodociągowych w miejscowościach i regionach nie przekraczających 20 tysięcy mieszkańców wymagała opracowania własnych metod badawczych i pomiarowych. Do badań wybrano układy wodociągowe charakterystyczne dla małych gmin położonych w terenach rolniczo przemysłowych, mało zróżnicowanych pod względem rzeźby terenu i o zbliżonym zapotrzebowaniu na wodę. Podstawowym obiektem badań była sieć wodociągowa w gminie Czarna Białostocka. Zebrano tu największą ilość danych o funkcjonowaniu sieci. W celu potwierdzenia wniosków jakie wysunęły się z analizy tej sieci, wykonano model sieci wodociągowej w Łapach. Oba obszary miały po trzy ujęcia wody, podobną liczbę ludności oraz ukształtowanie terenu. Ważnym kryterium był udokumentowane zmiany w czasie w zapotrzebowaniu na wodę. Symulacje poprzedzono analizą tendencji zmian ilości produkowanej i zużywanej przez odbiorców wody w okresie ostatnich piętnastu lat. Wykazano wyraźny spadek zapotrzebowania w wodę. 2
Symulacje komputerowe przeprowadzono przy pomocy programu Epanet sprawdzonego w środowiskach naukowych jak i w zastosowaniach praktycznych. Do odwzorowania układu sieci przewodów z dokładnymi średnicami, długościami i rzędnymi wykorzystano nowoczesne mapy cyfrowe. Integralną częścią procesu tworzenia modeli były badania terenowe, które umożliwiły dostosowanie wartości i ich parametrów do warunków rzeczywistych. Podstawową częścią badań terenowych było wykonanie pomiarów ciśnienia przy pomocy nowoczesnych rejestratorów. Uzyskane dane pozwoliły na kalibrację wykonanych modeli. W części badawczej wykonano szereg wariantów symulujących działanie istniejących systemów dystrybucji oraz rozwiązania mające na celu regulację ciśnienia i przepływów wody. W pracy przedstawiono po pięć, na jedną sieć, najbardziej reprezentatywnych rozwiązań. 3
2. CEL, TEZA I ZAKRES PRACY Celem niniejszej rozprawy jest opracowanie metody symulacji komputerowego modelowania sieci wodociągowych przy zmniejszającym się w czasie zapotrzebowaniu na wodę. W związku z przedstawionym celem pracy postawiono następującą tezę: Możliwa jest modyfikacja wybranych parametrów układów wodociągowych przy zastosowaniu symulacji komputerowych w warunkach zmniejszającego się zużycia wody. Przy tak sformułowanych celu i tezie, rozprawa obejmuje: analizę tendencji spadku zapotrzebowania na wodę na przełomie XX i XXI wieku, badanie rzeczywistych układów zaopatrzenia w wodę w oparciu o: opracowanie komputerowego modelu sieci wodociągowych wybranych miejscowości na podstawie cyfrowych podkładów geodezyjnych oraz danych dotyczących funkcjonowania poszczególnych sieci - produkcja i zużycie wody, kalibrację modelu na podstawie danych pomiarowych, telemetrię ciśnień i przepływów wody na ujęciach, pomiary ciśnień w wybranych punktach badanych wodociągów, symulacje modelowania układów wodociągowych, w tym: likwidację zbędnych ujęć i modernizację istniejących, poprawę wydajności ujęć, zmiany średnic przewodów, wybór i ocenę najlepszych wariantów, dyskusję wyników i wnioski końcowe. 4
3. CHARAKTERYSTYKA BADANYCH OBIEKTÓW Przedmiotem badań są sieci wodociągowe w dwóch gminach województwa podlaskiego: Łapy i Czarna Białostocka. Oba systemy dystrybucji wody charakteryzują się podobną ilością odbiorców. W obu sieciach odnotowano spadek zużycia wody na przestrzeni ostatnich 15-20 lat spowodowany upadkiem lokalnego przemysłu, zmniejszania się liczby ludności, czy też tendencji do oszczędzania wody w gospodarstwach rodzinnych. Badane obiekty charakteryzują się tą samą liczbą ujęć wody i podobną strukturą przewodów, obecnie większość zużycia wody przypada na mieszkalnictwo. Kryteria decydujące o wyborze sieci wodociągowych do badań obejmowały: Lokalizację w obrębie województwa podlaskiego Liczbę odbiorców Budowę techniczna sieci wodociągowych (ilość i charakterystyka ujęć, średnice przewodów, układ sieci przewodów, obecność zbiornika wyrównawczego) Tendencje w ilości zużywanej wody w ostatnich 15-20 latach Dostępność dokumentacji technicznej, map cyfrowych wodociągów, niezbędnych do odtworzenia struktury sieci wodociągowej Dostępność do baz danych odczytów z wodomierzy Wstępnie wzięto pod uwagę dziewięć sieci wodociągowych zlokalizowanych w woj. podlaskim (Łapy, Czarna Białostocka, Supraśl, Wasilków, Choroszcz, Hajnówka, Sokółka, Grajewo, Bielsk Podlaski) i jedną w woj. lubelskim (Chełm). Z powodu braku dostępności do map cyfrowych i baz danych odczytów wodomierzy, niezbędnych do stworzenia modelu istniejących sieci wodociągowych odrzucono cztery miejscowości (Hajnówka, Sokółka, Grajewo, Bielsk Podlaski). Po dokładnej analizie pozostałych kryteriów wybrano dwie najbardziej podobne do siebie sieci wodociągowe, w których wyraźnie widać tendencję spadkową w ilości zużywanej wody sieć wodociągową gminy Czarna Białostocka oraz miasta Łapy. 5
3.1. Sieć wodociągowa gminy Czarna Białostocka Aktualnie zapotrzebowanie miasta i gminy Czarna Białostocka na wodę do picia i pozostałe cele socjalno-bytowe oraz gospodarcze, pokrywane jest z trzech ujęć wody, zlokalizowanych w różnych częściach analizowanego obszaru. Jakość ujmowanej wody determinuje obowiązek jej uzdatniania przed wtłoczeniem do sieci wodociągowej. Ujęcia wód głębinowych znajdują się w: w Czarnej Białostockiej (produkcja: 747 m3/d, ciśnienie 3,5-4,5 bar), w Czarnej Wsi Białostockiej (produkcja: 110 m3/d, ciśnienie 3,8-4 bar), w Niemczynie (produkcja: 52 m3/d, ciśnienie 3,8-4 bar) Dodatkowo w północnej części sieci położonej najwyżej pracuje pompownia hydroforowa podnosząca ciśnienie. Łączna długość sieci przewodów w gminie to 87 km. Liczba mieszkańców: 12000 Analiza tendencji spadku zapotrzebowania na wodę w gminie Czarna Białostocka LM 12200 12100 12000 11900 11800 11700 11600 11500 11400 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Rys. 3.1. Zmiany demograficzne w gminie Czarna Białostocka 6
Jednostkowe zużycie wody na mieszkańca gminy 140 Zużycie wody na miszkańca gminy [dm3/d] 120 100 80 60 40 20 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Rok Rys. 3.2. Jednostkowe zużycie wody na mieszkańca gminy Czarna Białostocka 3.2. Sieć wodociągowa miasta Łapy Aktualnie zapotrzebowanie miasta Łapy na wodę do picia i pozostałe cele socjalnobytowe oraz gospodarcze, pokrywane jest z trzech ujęć wody, zlokalizowanych w różnych częściach analizowanego obszaru. Ujęcia wód głębinowych znajdują się w: Stacja wodociągowa (nr 1) przy ul. Spółdzielczej, (produkcja 525 m3/d, ciśnienie 3,8 bar) Stacja wodociągowa (nr 2) przy ul. Płonkowskiej, (produkcja 173 m3/d, ciśnienie 3,8 bar) Stacja wodociągowa (nr 3) przy ul.długiej (produkcja 667 m3/d, ciśnienie 3,8 bar) Łączna długość sieci przewodów w gminie to 23 km. Liczba mieszkańców: 16167 7
Rys. 3.3. Zestawienie zbiorcze (fragment) ciśnień i przepływów na ujęciach wód w Łapach 8
Analiza tendencji spadku zapotrzebowania na wodę w Łapach 17400 17200 17000 Liczba mieszkańców 16800 16600 16400 16200 16000 15800 15600 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Rok Rys. 3.4. Zmiany demograficzne w Łapach 1000000 900000 800000 700000 m 3 600000 500000 400000 300000 produkcja sprzedaż 200000 100000 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 rok Rys. 3.5. Sprzedaż i produkcja wody w Łapach 9
4. METODYKA BUDOWY I BADANIA MODELI KOMPUTEROWYCH BADANYCH SIECI WODOCIĄGOWYCH W celu wyliczenia rozbiorów wody w wyznaczonych węzłach pobrano bazę odczytów z wszystkich znajdujących się w badanych sieciach wodomierzy. Dane w postaci plików tekstowych pobrano z programów obsługujących rozliczenia zużycia wody w badanych gminach. Odczyty przetworzono do formatu arkusza kalkulacyjnego MS Excel, w którym stworzono ostateczne ze średnim dobowym zużyciem wody. W tabelach odczytów zestawiono informacje w sposób umożliwiający obliczenie średniego dobowego rozbioru na poszczególnych wodomierzach, a następnie - w wyniku pogrupowania wg adresu wyznaczenie średniego dobowego rozbioru w danym węźle sieci. W pierwszej fazie budowy modelu wykorzystano cyfrową mapę w skali 1:500 z Powiatowego Urzędzu Geodezji i Kartografii w Białymstoku. Wynikiem przetworzenia mapy cyfrowej sieci wodociągowej był wektorowy plik służący jako podkład do modelu komputerowego. Znajdują się na nim podstawowe elementy wodociągu główne odcinki z zaznaczonymi średnicami, zasuwy, hydranty, przyłącza. Naniesiono także rzędne tych elementów w terenie. W celu ułatwienia lokalizacji dołączono warstwę budynków i granic działek. Wektorowy podkład sytuacyjny umożliwia automatyczne wyliczanie długości nanoszonych odcinków. Model sieci wodociągowych wykonano za pomocą programu EPANET. Model systemu dystrybucji wody odwzorowany w programie komputerowym to zbiór połączeń podłączonych do węzłów. Połączenia reprezentowane są przez rury, pompy i zawory kontrolujące przepływ. Węzłami są złącza, zbiorniki i rezerwuary. Straty w wodzie przepływającej w rurze z powodu tarcia o ścianki obliczone zostały przy użyciu wzoru Hazen-Williams a. Poprawne pod względem doboru ciśnień i przepływów warianty przeprowadzonych symulacji poddano testom zachowania się badanych sieci wodociągowych w przypadku wystąpienia pożaru. Zapotrzebowanie na wodę do celów gaśniczych określono na podstawie Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 lipca 2009 r. w sprawie przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych (tekst ujednolicony Stan prawny na 31 sierpnia 2009 r.), rozdział 4 - Wymagania przeciwpożarowe dla sieci 10
wodociągowych i Załącznik, tabela nr 1 - Wymagana ilość wody do celów przeciwpożarowych dla jednostek osadniczych. W celu zweryfikowania wartości ciśnienia budowanego modelu sieci wodociągowej w wybranych podziemnych hydrantach sytuowano rejestrator ciśnienia i temperatury Biatel Cellbox-H. Do pomiarów ciśnienia poza miastami, gdzie nie ma hydrantów nadziemnych użyto rejestrator Biatel Cellbox-HN, przystosowany do montażu na hydrantach naziemnych. Zebrane w ten sposób pomiary posłużyły do porównania i kalibracji ciśnienia w danych punktach sieci uzyskiwanych za pomocą modelu oraz za pomocą rzeczywistych wartości z rejestratora. Wybór lokalizacji punktów pomiaru uzależniony jest od położenia hydrantów, ich dostępności oraz ich stanu technicznego umożliwiającego założenie rejestratora. Pomiary przeprowadzone były w warunkach normalnej bezawaryjnej pracy sieci przez okres od 1 do 2 tygodni bez przerwy, rejestracja wyników odbywała się co 15 min. Na podstawie weryfikacji ciśnień uzyskanych z modelowania ze zmierzonymi w wybranych punktach sieci przy pomocy mierników ciśnienia wykonano kalibracje badanych sieci wodociągowych warunkującą prawidłową ocenę hydraulicznych warunków jej pracy. Więcej niż 85% pomierzonych wartości ciśnień z poprawnie zarejestrowanych pomiarów znajduje się w przedziale +/-1 m zgodności z wielkościami symulowanymi. Liczba pomiarów niepoprawnych nie przekracza 5% całkowitej liczby wykonywanych pomiarów Uzyskanie powyższych wyników zgodności obserwowanych i symulowanych wartości związane jest z dokładnością wykonania testów terenowych. Tolerancja pomiarów wynosi: +/-250 mm słupa wody dla ciśnienia. 11
5. OCENA PORÓWNAWCZA WYNIKÓW POMIARÓW I SYMULACJI W celu oceny wiarygodności utworzonych modeli ze stanem rzeczywistym przeprowadzono statystyczną ocenę porównawczą wyników pomiarów i symulacji ciśnień. Współrzędne poszczególnych punktów (węzłów) zawierają średnią obserwowaną wartość, średnią symulowaną wartość, średni błąd bezwzględny pomiędzy wszystkimi parami wartości (obserwowaną i symulowaną). Te same wartości obliczone zostały dla sieci jako całości. Obliczono współczynnik korelacji między średnią wartością obserwowaną a średnią wartością symulowaną w każdym porównywanym punkcie. Na wykresie korelacji wykreślono rozrzut obserwowanych i modelowanych wartości dla pomiarów w każdym rozważanym punkcie (węźle). Każdy punkt jest przedstawiony innym kolorem. Im bardziej punkty te skupiają się wokół prostej o nachyleniu 45 0, tym lepiej pasują do siebie wyniki pomiarów i modelowania. Tabela 5.1. Średni wynik pomiaru i modelowania oraz średni błąd bezwzględny dla punktów pomiaru w sieci wodociągowej gminy Czarna Białostocka średni średni średni Nr węzła wynik pomiaru wynik modelowania błąd bezwzględny ----------------------------------------------------------- 2 36.20 35.88 0.316 12 32.90 33.94 1.038 16 33.70 34.21 0.507 20 29.90 30.85 0.950 22 32.00 31.41 0.590 27 31.00 28.06 2.943 36 34.10 33.57 0.531 37 32.10 32.89 0.790 42 28.50 28.96 0.461 44 23.60 23.92 0.317 46 41.80 42.69 0.892 48 40.20 39.24 0.960 100 47.10 47.34 0.242 103 57.10 58.63 1.527 112 32.20 32.85 0.651 123 51.00 57.65 6.645 128 42.90 43.61 0.713 134 29.60 40.66 11.061 138 36.80 37.72 0.920 145 46.60 46.05 0.548 178 50.20 50.47 0.265 183 44.00 43.60 0.399 184 39.20 38.69 0.507 186 20.00 22.34 2.338 ----------------------------------------------------------- 24 37.20 38.13 1.505 Korelacja pomiędzy średnimi: 0.957 12
Rys. 5.1. Wykres korelacji pomierzonych i modelowanych wartości ciśnienia pomiaru w sieci wodociągowej gminy Czarna Białostocka Rys. 5.2. Średnie wartości ciśnienia modelowane i obserwowane w punktach (węzłach) pomiarowych pomiaru w sieci wodociągowej gminy Czarna Białostocka 13
Tabela 5.2. Średni wynik pomiaru i modelowania oraz średni błąd bezwzględny dla punktów pomiaru w sieci wodociągowej miasta Łapy. średni średni średni Nr węzła wynik pomiaru wynik modelowania błąd bezwzględny ----------------------------------------------------------- 2 43.10 42.97 0.129 7 38.10 39.37 1.267 14 37.80 38.66 0.862 22 38.00 38.33 0.325 34 36.50 37.46 0.961 36 38.70 39.19 0.488 41 35.50 36.17 0.666 43 33.30 34.39 0.088 46 30.30 31.07 0.769 52 39.80 40.37 0.566 55 34.04 36.18 1.277 61 38.00 38.02 0.016 62 36.90 37.43 0.529 ----------------------------------------------------------- 13 36.99 37.66 0.688 Korelacja pomiędzy średnimi: 0.992 Rys. 5.3. Wykres korelacji pomierzonych i modelowanych wartości ciśnienia pomiaru w sieci wodociągowej miasta Łapy. 14
Rys. 5.4. Średnie wartości ciśnienia modelowane i obserwowane w punktach (węzłach) pomiarowych pomiaru w sieci wodociągowej miasta Łapy. 15
6. WYNIKI MODELOWANIA CIŚNIEŃ I PRZEPŁYWÓW W SIECI WODOCIĄGOWEJ W GMINIE CZARNA BIAŁOSTOCKA Przy pomocy modelu wykonano symulację pracy sieci w następujących warunkach: 1. Wariant 1 odwzorowanie stanu istniejącego 2. Wariant 2 otwarto zasuwę na połączeniu nr 252, dodano połączenie nr 42 (średnica 150mm) łączące miejscowość Osierodek z Jezierzyskiem, dodano połączenie głównej sieci gminnej z miejską - połączenie nr 45 (średnica 150mm). 3. Wariant 3 - wyłączono ujęcia w Niemczynie i Czarnej wsi kościelnej, otwarto połączenie nr 252, dodano połączenie nr 250 pomiędzy Chmielnikiem i Niemczynem (100 mm), dodano odcinek 45 (150mm) i 47 (100mm) w celu połączenia z sieci gminnej z miejską. 4. Wariant 4 - z modelu usunięto ujęcia w Niemczynie i w Czarnej Wsi Kościelnej, otwarto połączenie nr 252, dodano połączenia nr 27(150 mm) pomiędzy główną sieci gminną i miejską, zamiast ujęcia w Niemczynie wstawiono pompownie zwiększającą ciśnienie o 2 m, dodano połączenie nr 42 (200mm) między Chmielnikiem a Niemczynem. 5. Wariant 5 - otwarto połączenie nr 252, usunięto ujęcie w Czarnej Wsi Kościelnej,, dodano połączenie głównej sieci gminnej z miejską - połączenie nr 45 (średnica 200mm) 6. Wariant 6 - w wariantach nr 2,3,4 i 5 wydatki węzłowe nr 108 i 21 powiększono o hipotetyczny wydatek pożarowy (odpowiednio 5 l/ i 10 l/s, wg Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 lipca 2009 r. w sprawie przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych). Punkty dobrano tak, aby były położone daleko od źródeł zasilania, w miejscach o najniższym ciśnieniu wody. 16
0,14 0,12 średnia prędkość [m/s] 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 1 2 3 4 5 nr wariantu Rys. 6.1. Średnia prędkość wody w sieci wodociągowej w gminie Czarna Białostocka w zależności od symulowanego wariantu 70,00 60,00 50,00 ciśnienie [m] 40,00 30,00 20,00 10,00 wariant 1 wariant 2 wariant 3 wariant 4 0,00 1 4 8 11 15 20 23 26 29 32 36 40 43 46 49 52 wariant 5 100 103 106 109 112 116 119 123 128 131 134 137 140 143 146 178 181 184 188 nr węzła Rys. 6.2. Ciśnienia wody w sieci wodociągowej w gminie Czarna Białostocka w zależności od symulowanego wariantu. 17
70,00 60,00 50,00 ciśnienie [m] 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 w ariant 2 pożar w ariant 3 pożar w ariant 4 pożar w ariant 5 pożar 1 6 10 15 21 25 29 33 38 43 47 51 100 104 108 112 117 121 128 132 136 140 144 177 181 185 193 nr węzła Rys. 6.3. Ciśnienia wody w trakcie hipotetycznego pożaru w sieci wodociągowej w gminie Czarna Białostocka w zależności od symulowanego wariantu Całkowite zapotrzebowanie na wodę dla wszystkich miejscowości gminy Czarna Białostocka może być pokryte z głównego ujęcia wody w Czarnej Białostockiej. Maksymalna wydajność jednego głównego ujęcia wynosi 3000 m 3 /d. Natomiast obecnie dobowa produkcja w całej sieci (ze wszystkich ujęć) nie przekracza 1369 m 3 /d. Licząc rozbiory dla dni o zwiększonym zapotrzebowaniu na wodę przy użyciu wskaźników nierównomierności uzyskano maksymalne dobowe zużycie łącznie z całej gminy: 1779 m 3 /d. Porównując zdolności produkcyjne oraz istniejące, jak również prognozowane zużycie wody do 2015 r wykazano, że system dystrybucji wody w tej gminie ma znaczące rezerwy. Wyniki modelowania stanu istniejącego wariant nr 1 pokazują, że obecnie w sieci prędkości i przepływy wody są bardzo niskie. Średnia prędkość wynosi 0,04 m/s, średni przepływ 45 m 3 /d. W kolejnych wariantach podjęto próbę poprawy tych parametrów sieci wraz z utrzymaniem właściwego ciśnienia wody, przy pomocy komputerowego modelowania zmiany ilości ujęć i spinania sieci dodatkowymi połączeniami. Przeprowadzone symulacje wykazały, iż najlepsze wyniki ciśnień i przepływów uzyskano w wariancie nr 5 - model symulujący odłączenie jednego z trzech ujęć - w Czarnej Wsi Kościelnej, połączenie sieci wodociągowej miasta Czarna Białostocka z resztą miejscowości należących do sieci wodociągowej badanej gminy. W wariancie tym uzyskano 18
znaczną poprawę średniej prędkości w przewodach zwiększając ją do 0,08 m/s i średnią wielkości przepływów zwiększając do 109 m 3 /d. Słabym punktem wariantu nr 5 jest utrzymywanie wysokich ciśnień w kilku miejscach obecnej sieci wodociągowej w gminie. Miejsca te w przypadku zastosowania wariantu nr 5 wymagają zastosowania zaworów redukcyjnych. 7. WYNIKI MODELOWANIA CIŚNIEŃ I PRZEPŁYWÓW W SIECI WODOCIĄGOWEJ W ŁAPACH Przy pomocy modelu wykonano symulację pracy sieci w następujących warunkach: 1. Wariant 1 odwzorowanie stanu istniejącego 2. Wariant 2 usunięto 3 obecnie pracujące ujęcia, dodano 1 nowe przy węźle 61 (połączenie ulic Nadnarwiańskiej i Nowowiejskiej). Wszystkie obecne średnice rur pozostawiono bez zmian. 3. Wariant 3 - usunięto 3 obecnie pracujące ujęcia, dodano 1 nowe przy węźle 61 (połączenie ulic Nadnarwiańskiej i Nowowiejskiej), zwiększono średnice przewodu nr 82 (z 100mm na 150), nr 57 (z 100mm na 150mm), nr 56 (z 100mm na 250mm), nr 1 (z 100mm na 150mm) oraz dodano połączenie nr 46 (150mm) łączące węzeł nr 29 z nr 63 oraz połączenie nr 84 (300 mm) łączącą węzeł nr 36 z nr 29 dodatkowe połączenie pierścienia wodociągowego znajdującego się po drugiej stronie torów. 4. Wariant 4 - usunięto 3 obecnie pracujące ujęcia, dodano 2 nowe ujęcia wiejskie z obu stron Łap ze strony wschodniej oddalone o 4 km, połączone z węzłem nr 2 przy oczyszczalni ścieków na ul. Płonkowskiej i ze strony zachodniej, oddalone o 5 km, podłączone z węzłem nr 61 - połączenia ulic Nadnarwiańskiej i Nowowiejskiej. Wszystkie obecne średnice rur pozostawiono bez zmian. 5. Wariant 5 - usunięto 3 obecnie pracujące ujęcia. Dodano 2 nowe ujęcia z obu stron Łap w pobliskich miejscowościach (mające być podstawą zasilania dalszej części wodociągów gminy) ze strony wschodniej oddalone o 4 km, połączone do węzła nr 2 przy oczyszczalni ścieków na ul. Płonkowskiej i ze strony zachodniej, oddalone o 5 km, podłączone do węzła nr 61 - połączenia ulic Nadnarwiańskiej i Nowowiejskiej, zwiększono średnice przewodów nr 82, 57, 1 oraz dodano nowe przewody - nr 87 łączącą węzeł 61 z 42 oraz nr 84 19
łączącą węzeł nr 36 z nr 29 dodatkowe połączenie pierścienia wodociągowego znajdującego się po drugiej stronie torów. 6. Wariant 6 - w wariancie 3 i 5 w węzłach nr 22 i nr 43 wydatek powiększono o hipotetyczny wydatek pożarowy 20 l/s (wg Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 lipca 2009 r. w sprawie przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych), symulując tym wystąpienie pożaru w dwóch miejscach jednocześnie. Punkty dobrano tak aby były położone daleko od źródeł zasilania, w miejscach o najniższym ciśnieniu wody. 0,14 0,12 0,10 prędkość [m 3 /s] 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 1 2 3 4 5 nr wariantu Rys. 7.1. Średnia prędkość wody w sieci wodociągowej w Łapach w zależności od symulowanego wariantu 20
ciśnienie [m] 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 w ariant1 w ariant2 0,00 2 5 8 11 14 17 20 23 26 30 33 36 39 43 46 49 52 55 58 61 64 w ariant3 w ariant4-10,00 w ariant5 w ariant3pożar w ariant5pożar nr węzła Rys. 7.2. Ciśnienia wody w sieci wodociągowej w Łapach w zależności od symulowanego wariantu. Najbardziej odpowiednie wartości ciśnień i przepływów, potrzebne do poprawnego funkcjonowania sieci wodociągowej wody w modelowanej sieci wodociągowej w Łapach, uzyskano w wariantach nr 3 i 5. W obu przypadkach uzyskano ciśnienia zbliżone do aktualnie panujących na sieci, pomimo zmniejszenia liczby ujęć. Średnia prędkość przepływu wody w wariancie nr 5 wynosi 0,9 m/s i jest prawie dwukrotnie większa niż obecnie uzyskiwana w sieci. W wariancie nr 3 średnia prędkość przepływu wody jest identyczna jak w stanie istniejącym i wynosi 0,5 m/s. W wariancie nr 5 uzyskano także największe wielkości przepływów wody w przewodach modelowanej sieci. W celu ostatecznego wyboru najpoprawniej funkcjonującego wariantu, modele poddano testom na wypadek pożaru i porównano wartości uzyskiwanych ciśnień z pozostałymi symulacjami. Stwierdzono że oba badane warianty zapewniają wymaganą ilość ciśnienia wody w całej sieci w przypadku wystąpienia pożaru. Uzyskane z symulacji wyniki ciśnień i przepływów wody wykazują, że najlepsze warunki funkcjonowania sieci wodociągowej w Łapach panować będą w przypadku zastosowania wariantu nr 5. Zwiększenie przepływów i prędkości wody zmniejszy ryzyko nadmiernego gromadzenia się osadów w przewodach, wpłynie także pozytywnie na jakość 21
dostarczanej wody do odbiorców. Obniżenie ilości ujęć zmniejszy koszty funkcjonowania systemu dystrybucji wody. Na podstawie uzyskanych z modelowania ciśnień i przepływów wody stwierdza się, iż najlepszym rozwiązaniem zwiększającym przepływy i regulującym ciśnienia w sieci wodociągowej w Łapach będzie zastosowanie zmian w funkcjonowaniu wodociągu wg rozwiązań modelowanych w wariancie nr 5. 8. PODSUMOWANIE I WNIOSKI W niniejszej rozprawie zaprezentowano symulacje komputerowe modeli systemów dystrybucji wody gminy Czarna Białostocka i miasta Łapy w warunkach zmniejszającego się w czasie zapotrzebowania na wodę. Specyfika funkcjonowania układów wodociągowych w miejscowościach i regionach nie przekraczających 20 tysięcy mieszkańców wymagała opracowania własnych metod badawczych i pomiarowych. Do badań wybrano układy wodociągowe charakterystyczne dla małych gmin położonych w terenach rolniczo przemysłowych, mało zróżnicowanych pod względem rzeźby terenu i o zbliżonym zapotrzebowaniu na wodę. Podstawowym obiektem badań była sieć wodociągowa w gminie Czarna Białostocka. Zebrano tu największą ilość danych o funkcjonowaniu sieci. W celu potwierdzenia wniosków jakie wysunęły się z analizy tej sieci, wykonano model sieci wodociągowej w Łapach. Oba obszary miały po trzy ujęcia wody, podobną liczbę ludności oraz ukształtowanie terenu. Ważnym kryterium był udokumentowane zmiany w czasie w zapotrzebowaniu na wodę. Symulacje poprzedzono analizą tendencji zmian ilości produkowanej i zużywanej przez odbiorców wody w okresie ostatnich piętnastu lat. Wykazano wyraźny spadek zapotrzebowania w wodę. Opracowanie danych o funkcjonowaniu sieci wymagało opracowania własnych metod przetwarzania zdobytych informacji o rzeczywistych zużyciach wody. Do odwzorowania układu sieci przewodów z dokładnymi średnicami, długościami i rzędnymi wykorzystano nowoczesne mapy cyfrowe. Symulacje komputerowe przeprowadzono przy pomocy programu Epanet sprawdzonego w środowiskach naukowych jak i w zastosowaniach praktycznych. Integralną częścią procesu tworzenia modeli były badania terenowe, które umożliwiły dostosowanie wartości i ich parametrów do warunków rzeczywistych. Podstawową częścią 22
badań terenowych było wykonanie pomiarów ciśnienia przy pomocy nowoczesnych rejestratorów. Uzyskane dane pozwoliły na kalibrację wykonanych modeli. W części badawczej wykonano szereg wariantów symulujących działanie istniejących systemów dystrybucji oraz rozwiązania mające na celu regulację ciśnienia i przepływów wody. W pracy przedstawiono po pięć, na jedną sieć, najbardziej reprezentatywnych rozwiązań. Badania potwierdziły założoną tezę rozprawy, a mianowicie, iż możliwe jest modelowanie zmian wybranych parametrów sieci wodociągowych przy zmniejszającym się zużyciu wody. Na podstawie analizy otrzymanych wyników obliczeń hydraulicznych sformułowano następujące wnioski: 1. Badane systemy dystrybucji wody projektowane były na dużo większe zapotrzebowania na wodę. Restrykcyjne normy przeciwpożarowe, które musiały spełniać budowane dawniej wodociągi, spowodowały wraz ze spadkiem zapotrzebowania na wodę, że obecnie wodociągi tego typu są przewymiarowane. Analiza rozkładu prędkości wykonana na modelach stanu istniejącego badanych sieci wodociągowych wykazała iż w większości przewodów jej wartości są mniejsze od zalecanego poziomu 0,5 m/s. W ponad połowie przewodów panują wartości zbliżone do stagnacji wody prędkość jest mniejsza niż 0,1 m/s. 2. Zwiększenie prędkości przepływów wody przy zmniejszającym się zapotrzebowaniu na wodę uzyskać można poprzez: zmniejszenie ilość istniejących ujęć wodnych wykonanie dodatkowe spięć głównych przewodów magistralnych. Lokalizacja ujęć oraz nowe połączenia muszą być poprzedzone wykonaniem szeregu symulacji na modelach komputerowych 3. Ostateczna decyzja o wyborze wariantu funkcjonowania systemu nie musi pokrywać się z decyzją stanowiącą wynik modelowania, jej zadaniem jest pomoc w procesie podejmowania decyzji przy uwzględnieniu szeregu innych czynników, jak np. ekonomicznych. Zastosowany system modelowania wykorzystano w praktyce. Modelowanie rozwiązań sieci wodociągowej w Łapach posłużyło jako studium oceny lokalizacji nowych ujęć 23
opracowane przez katedrę Systemów Inżynierii Środowiska dla Zakładu Wodociągów i Kanalizacji w Łapach. Wyniki wariantowego modelowania rozwiązań dotyczących wyłączenia ujęcia w Czarnej Wsi Kościelnej i połączenia wodociągu grupowego wykorzystane zostanie przez Zakład Wodociągów i Kanalizacji w Czarnej Białostockiej. Zakład ten także wykorzystuje obecnie do weryfikacji ustawień pompowni, wykonane w trakcie badań pomiary ciśnienia na hydrantach. Znalezienie najlepszego schematu rozwiązań problemów sieci wodociągowych wymaga kontynuacji prowadzonych badań. Obecne modele mogą posłużyć także do symulacji zmian jakości wody. W dalszych badaniach uwzględnione będą kolejne systemy dystrybucji wody w województwie podlaskim. 24