PASELA Rafał 1 DWORAK Jarosław 1 TOTCZYK Grażyna 1 RAMCZYK Marek Antoni 1 NAPIERAJ Krzysztof 1 MARCHEWKA Adam 2 Analiza awaryjności systemu dystrybucji wody miasta Toruń WSTĘP Problematyka oceny niezawodności systemów zaopatrzenia w wodę miast w Polsce poruszana jest w literaturze naukowej i branżowej od szeregu lat [1, 8, 11, 13, 15]. Prowadzone badania i analizy niezawodności systemów są procesami złożonymi, wynikającymi głównie ze zmienności i różnorodności parametrów eksploatacyjnych, a także mnogości czynników wpływających na jakość zadań jakie wykonują [4, 5, 12, 14, 16]. Podstawą przeprowadzenia rzetelnej analizy zjawiska uszkodzeń sieci wodociągowej jest dostęp do kompletnej bazy danych o zaistniałych i usuwanych awariach sieci. Dane te w przypadku dużych przedsiębiorstw wodociągowych są zazwyczaj pełne i dokładne, jednak w odniesieniu do małych wodociągów jest z tym już znacznie gorzej. Niepełne bazy danych mogą być przyczyną wyciągnięcia błędnych wniosków. W dzisiejszych czasach badania niezawodnościowe są powszechnie stosowane, ponieważ pozwalają na racjonalne zarządzanie infrastrukturą techniczną systemu. Ponadto wyniki prowadzonych badań mogą być podstawą do podjęcia decyzji przy planowaniu modernizacji systemu oraz planowaniu strategii rozwoju przedsiębiorstwa wodociągowego [9]. 1. METODYKA I ZAKRES BADAŃ Podstawą wykonania badań mających na celu wyznaczenie wskaźników intensywności uszkodzeń, które pozwoliły na określenie stanu technicznego oraz ocena działania sieci dystrybucji wody były zapisy z dzienników ich awarii. Informacje o historycznych danych eksploatacyjnych uzyskano z Toruńskich Wodociągów Sp. z o.o. z lat 2002-2012. Otrzymane dane z 11 lat eksploatacji poddano selekcji pod kątem materiału i średnicy przewodów oraz funkcji pełnionej w systemie. Uzyskane w ten sposób dane poddano analizie intensywności uszkodzeń magistralnej i rozdzielczej sieci wodociągowej na terenie miasta Toruń. Do wyznaczenia wskaźnika intensywności posłużono się wzorem, który wielokrotnie przytaczany jest w literaturze [8, 9, 11, 15]. Intensywność uszkodzeń obiektów liniowych określa się jako średnią częstość uszkodzeń tych obiektów odniesioną do ich całkowitej długości. Z danych literaturowych wynika, iż bez względu na lokalizację sieci jak i jej rozmiar nie należy dopuścić do przekroczenia określonych wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń tj.: dla przewodów magistralnych i tranzytowych λ=0,3 uszk. km -1 rok -1 dla przewodów rozdzielczych λ=0,5 uszk. km -1 rok -1 dla przyłączy wodociągowych λ=1,0 uszk. km -1 rok -1 2. CHARAKTERYSTYKA BADANEGO SYTEMU WODOCIĄGOWEGO System dystrybucji wody w Toruniu zarządzany jest przez Toruńskie Wodociągi Sp. z o.o., które stanowią własność Gminy Miasta Toruń. Dla zaspokojenia potrzeb mieszkańców miasta oraz gmin ościennych woda dostarczana jest z pięciu ujęć, w tym trzech gruntowych oraz jednego infiltracyjnego 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, 85-796 Bydgoszcz, ul. Kaliskiego 7. rafal.pasela@utp.edu.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Telekomunikacji, Informatyki i Elektrotechniki, 85-796 Bydgoszcz, ul. Kaliskiego 7. adimar@utp.edu.pl 5247
i powierzchniowego. Maksymalny sumaryczny dobowy pobór wody dla wszystkich ujęć wynosi 116 586,4 m 3 dobę -1 [10]. Ujmowana woda dostarczana jest do odbiorców o odpowiedniej jakości, ilości i ciśnieniu za pomocą dobrze rozwiniętej sieci wodociągowej. System wodociągowy miasta tworzy w głównej mierze układ pierścieniowo-rozgałęźny. Sieć pracuje w dwóch strefach ciśnień. Strefa wysokiego ciśnienia zaopatrywana poprzez pompownię wody Stare Bielany zaopatruje w wodę osiedla: Św. Józefa, Wrzosy I, Wrzosy "Gromadzka", Wrzosy "Słoneczne", Wrzosy "Leśne", Wrzosy "Polana" i Jar. Strefa niskiego ciśnienia obejmuje pozostałe dzielnice miasta. Rys. 1. Struktura materiałowa sieci wodociągowej w latach 2002-2012. AC - azbestocement, PVC - polichlorek winylu, PE - polietylen Całkowita długość sieci wodociągowej (stan na dzień 31.12.2012 r.) to 457,8 km, w tym 96,0 km to przewody magistralne, 351,8 km rozdzielcze, natomiast przyłącza do budynków stanowią 109,6 km [3, 10]. Dynamika rozwoju sieci wodociągowej na przestrzeni badanego okresu została przedstawiona na rysunku 1. Wskutek 120-letniej eksploatacji sieci wodociągowej i ciągłej jej rozbudowy, charakteryzuje się ona dużą różnorodnością materiałową. Znaczne zróżnicowanie struktury materiałowej sieci związane jest nie tylko z dynamiczną rozbudową sieci, a także z rozwojem technologii budowy sieci wodociągowych. Największy udział w strukturze materiałowej toruńskiego systemu wodociągowego posiadają przewody wykonane z żeliwa. W ostatnich latach zauważyć można wyraźny wzrost ich udziału. W 2002 roku stanowiły one 48,24% systemu, a w roku 2012 już 57,59%. Obecnie żeliwo sferoidalne jest najpowszechniej stosowanym materiałem do budowy sieci magistralnych i rozdzielczych w największych miastach Polski [4, 6, 7]. Kolejnymi materiałami występującymi w budowie przewodów rozdzielczych są polietylen i polichlorek winylu, które nie znalazły większego zastosowania mimo wielu zalet. Ze względu na małą odporność na korozję gruntową zrezygnowano ze stosowania rur stalowych. W latach 2005 2007 [2] zrealizowano program modernizacyjny dotyczący wymiany rurociągów z azbestocementu, w ramach którego dokonano wymiany 17 km przewodów z AC na przewody żeliwne i całkowicie wyeliminowano go z sytemu wodociągowego. 5248
Rys. 2. Struktura wiekowa sieci wodociągowej stan na rok 2012 [2]. Poza zróżnicowaniem materiałowym sieć wodociągowa charakteryzuje się również dużym zróżnicowaniem pod względem struktury wiekowej (rysunek 2). Przewody liczące powyżej 50 lat, stanowią 27% długości całej sieci wodociągowej, a przewody w wieku 26 50 lat 32%. Niespełna 41% stanowią przewody młodsze niż 25 lat, z czego aż 62,8% to rurociągi wybudowane w ciągu ostatniej dekady. W ogólnej strukturze sieci wodociągowej przewody młodsze niż 10 lat stanowią 25%. Stosunkowo duży ich udział w całościowej strukturze eksploatowanej sieci spowodowany jest dynamiczną rozbudową sieci, a także prowadzonymi w ostatnich latach pracami modernizacyjnymi. W latach 2002 2012 zbudowanych zostało 108 km sieci wodociągowych, co stanowi 24,1% całego sytemu. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Zebrane dane z jedenastu lat eksploatacji sieci wodociągowej wskazują, że w analizowanym czasie zanotowano 920 uszkodzeń. W tabeli 1 zestawiono procentowy rozkład poszczególnych uszkodzeń w ich ogólnej liczbie. Z opracowanego zestawienia wynika, że najczęściej dochodziło do pęknięcia przewodu, co stanowiło 63% wszystkich awarii. Zjawisko to najczęściej zaobserwowano na przewodach z rur żeliwnych oraz azbestocementowych. Pęknięcie było również główną przyczyną wystąpienia awarii na terenie Kielc [6]. Następna grupa uszkodzeń to rozszczelnienie, stanowiące 23% wszystkich awarii, uszkodzenia spowodowane korozją stanowiące 8% wszystkich przypadków. Awarie powstałe w wyniku uszkodzenia mechanicznego (7% wszystkich obserwacji) wynikały z prowadzonych robót ziemnych, przy których używano koparek i urządzeń wiertniczych. Te uszkodzenia spowodowane były brakiem wiedzy o rzeczywistym przebiegu sieci wodociągowej przez osoby nadzorujące roboty budowlane. Tab. 1. Procentowy rozkład przyczyn awarii sytemu wodociągowego w latach 2002-2012 Przyczyna awarii Rok obserwacji 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Średnio Rozszczelnienie 31 33 28 19 29 30 25 16 13 16 8 23 Pęknięcie rurociągu 57 51 62 67 59 51 56 60 75 74 76 63 Korozja 6 5 0 8 3 12 14 15 9 3 10 8 Uszkodzenie mechaniczne 6 11 9 7 8 8 5 9 4 7 6 7 Razem 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 5249
Rys. 3. Wpływ liczby uszkodzeń systemu wodociągowego na straty wody w latach 2002-2012 w Toruniu. Awaryjność sieci wodociągowych oraz straty wody są zjawiskami, pomiędzy którymi istnieje ścisłe powiązanie przyczynowo-skutkowe. Można to zaobserwować na przykładzie toruńskiego sytemu wodociągowego (rysunek 3), gdzie przebieg krzywych obrazujących sumaryczną liczbę uszkodzeń oraz strat wody przedstawiają podobną tendencję. W 2006 roku odnotowano największą liczbę uszkodzeń wynoszącą 116 awarii, co przełożyło się na uzyskanie maksymalnej wielkości strat wody w badanym okresie - 25,12%. W kolejnych latach udział strat wody malał, aż do 14,12% w 2012 roku, co wynikało ze spadku liczby uszkodzeń na sieci wodociągowej. Wyłączenie z eksploatacji przewodów wodociągowych z rur AC (od 2007r.), które charakteryzowały się wysoką intensywnością uszkodzeń (rysunek 4), przyczyniło się do znacznego spadku liczby awarii, a to z kolej wpłynęło na obniżenie wielkości strat wody w całym systemie wodociągowym. Zmiany wartości wskaźników intensywności awarii dla poszczególnych grup przewodów przedstawiono na rysunkach 4, 5 i 6. Jednostkowa częstość uszkodzeń pozwala na porównywanie awaryjności systemów wodociągowych w świetle ich średnic i materiału z którego zostały wykonane, z podziałem na przewody magistralne i rozdzielcze. Na rysunku 4 przedstawione zostały wskaźniki intensywności uszkodzeń dla przewodów wykonanych z wybranych materiałów. Zdecydowanie najwyższą awaryjnością charakteryzowały się przewody wykonane z rur azbestocementowych, gdzie w 2007 roku zarejestrowano najwięcej awarii (λ=1,161 uszk. km -1 ). Podobną sytuację obserwuje się w innych wybranych sieciach dystrybucji wody w Polsce [15]. AC jest materiałem kruchym, wrażliwym na uderzenia hydrauliczne oraz stwarzającym duże trudności podczas usuwania awarii. Dlatego też przedsiębiorstwa wodociągowe m.in. Wodociągi Toruńskie dążą do wyeliminowania tego materiału z eksploatacji. W przypadku analizowanego systemu wodociągowego nastąpiło to na przełomie lat 2007 i 2008. Zdecydowanie najkorzystniej wypadają przewody wykonane z PE, dla których średnia jednostkowa częstość uszkodzeń wynosi tylko 0,031 uszk. km -1. Zaskakująca natomiast jest niska awaryjność przewodów stalowych 0,077 uszk. km -1, wrażliwych na korozję rur i spawów. 5250
Rys. 4. Intensywność uszkodzeń przewodów wodociągowych w zależności od materiału. Analizując awarie przewodów w odniesieniu do ich średnicy (rysunek 5) z których są wykonane, najwyższą awaryjność wykazują przewody o średnicy 80 mm, gdzie na 1 km przewodu przypadało średnio 0,722 awarii. W grupie sieci rozdzielczych (80 250 mm) najkorzystniej przedstawiają się przewody o średnicy 90 mm (0,072 uszk. km -1 ) i 160 mm (0,0 uszk. km -1 ), wykonane z rur PE i PVC. Wśród przewodów magistralnych (300 1000 mm) najwięcej uszkodzeń odnotowano dla rur o średnicy 500 mm (średnia 0,315 uszk. km -1 ), przewody o średnicy 375, 600 i 1000 mm w badanym okresie charakteryzowały się bezawaryjnym funkcjonowaniem. Powyższe wyniki potwierdzają dotychczasowe badania ukazujące wzrost liczby uszkodzeń wraz ze zmniejszającym się przekrojem rurociągu [9]. Rys. 5. Intensywność uszkodzeń przewodów wodociągowych w zależności od ich średnicy. 5251
Intensywność uszkodzeń λ [uszk. / km rok] Na rysunku 6 przedstawiono zmiany intensywności uszkodzeń przewodów na przestrzeni 11 lat eksploatacji. Wartości wskaźnika awaryjności w grupie przewodów magistralnych wahała się od 0,023 uszk. km -1 w 2010 r. do 0,217 uszk. km -1 w roku 2002. Sieci rozdzielcze charakteryzowały się wyższą intensywnością uszkodzeń, która oscylowała w granicach od 0,157 uszk. km -1 w 2004 r. do 0,386 uszk. km -1 w roku 2006. Obserwacja średniego wskaźnika intensywności uszkodzeń dla całego systemu wodociągowego wskazuje na tendencję malejącą. Trend ten widoczny jest w szczególności od 2006 roku do końca okresu badawczego. Dla toruńskiej sieci wodociągowej w badanym okresie uzyskano średnią uszkadzalność przewodów magistralnych λ=0,120 uszk. km -1 rok -1, rozdzielczych λ=0,257 uszk. km -1 rok -1 a dla całego systemu λ=0,225 uszk. km -1 rok -1. Są to wartości wyraźnie niższe od wartości zalecanych podanych w literaturze [11]. Poza tym uzyskane niskie wskaźniki świadczą o stosunkowo dobrym stanie technicznym przewodów na tle sieci wodociągowych w takich miastach jak Kielce [6] czy Głogów [7]. 0,45 0,40 0,35 0,327 0,30 0,25 0,280 0,259 0,249 0,262 0,229 0,20 0,209 0,198 0,15 0,152 0,168 0,138 0,10 0,05 0,00 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Lata Sieci magistralne Sieci rozdzielcze Średnia Rys. 6. Wartości wskaźników awaryjności sieci wodociągowej magistralnej i rozdzielczej w latach 2002-2012. WNIOSKI Analiza zebranych materiałów dotyczących awaryjności systemu zaopatrzenia w wodę miasta Toruń w okresie 2002-2012, pozwoliła na sformułowanie następujących wniosków: 1. W okresie jedenastu lat eksploatacji wystąpiło 920 uszkodzeń przewodów, co daje średnio 83,6 uszkodzenia w ciągu roku. 2. Najmniej uszkodzeń całej sieci dystrybucji wody odnotowano w latach 2004 (53 uszkodzeń) i 2012 (62 uszkodzeń), najwięcej w roku 2006 (116 uszkodzeń). 3. Główną przyczyną występowania awarii sieci wodociągowych było pęknięcie rurociągu, które stanowiło 63% wszystkich uszkodzeń. 4. Awariom ulegały najczęściej przewody azbestocementowe, które w 2006 roku całkowicie zostały wyłączone z eksploatacji i zastąpione przewodami żeliwnymi. Najmniejszą intensywność uszkodzeń stwierdzono dla rur wykonanych z PE, która wyniosła średnio dla całego okresu badawczego 0,031 uszk. km -1 rok -1. 5. Analiza uszkodzeń przewodów w zależności od średnic rurociągów wykazała, że najczęściej awariom ulegały przewody o średnicy 80 mm (0,722 uszk. km -1 rok -1 ), a najrzadziej 160, 375, 600 i 1000 mm (0,0 uszk. km -1 rok -1 ). 6. Jednostkowa częstość uszkodzeń przewodów rozdzielczych wahała się od 0,157 uszk. km -1 rok -1 w 2004 r. do 0,386 uszk. km -1 w roku 2006. Średnia wartość uszkodzeń dla całego analizowanego okresu wynosiła 0,257 uszk. km -1 rok -1. 5252
7. Zaobserwowany spadek wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń przewodów magistralnych i rozdzielczych wraz z wydłużającym się ich okresem użytkowania, świadczy o prawidłowo prowadzonej przez przedsiębiorstwo wodociągowe optymalizacji eksploatacji i renowacji przewodów. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki analizy awaryjności toruńskiego systemu dystrybucji wody. Analizę intensywności uszkodzeń dokonano w oparciu o dane eksploatacyjne, które uzyskano z toruńskiego przedsiębiorstwa wodociągowego z okresu 2002-2012. Badania uszkodzeń przewodów, wodociągowych prowadzono w różnych aspektach, tj. w ujęciu czasowym w poszczególnych grupach przewodów wydzielonych ze względu na funkcję przewodu oraz materiał i średnicę rur. Najczęściej zarejestrowane awarie były następstwem takich uszkodzeń jak: pęknięcia, rozszczelnienia, korozja i uszkodzenia mechaniczne. Uzyskane wyniki wskazują na stały spadek w zakresie wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń zarówno sieci magistralnych i rozdzielczych w Toruniu. Obserwacja tendencji zmian awaryjności systemu dystrybucji wody pozwala eksploatatorowi na dokonanie prognozy z kilkuletnim wyprzedzeniem, co z kolei umożliwia prowadzenie optymalnej strategii eksploatacyjnej. Słowa kluczowe: system zaopatrzenia w wodę, niezawodność, zagrożenie, ryzyko, awaryjność sieci wodociągowej The evaluation of the reliability of the water distribution system of the Toruń city Abstract The article presents the results of analysis of the failure of water distribution system in Toruń city. The analysis of the intensity of the damages was based on operating data from the water company from the period of 2002-2012. The damage to water pipes were investigated of water supply network terms of time in each group of wires separated due to the function of water pipe and the diameter of the pipe. The failures resulting from cracks, leaks, corrosion and mechanical damage. The research results presented in the paper show a steady failure rate of water-pipe networks and distribution networks in Toruń. Observation of trends of change of water distribution system failure could made predictions several years in advance to enable optimal exploitation strategy conduct. Keywords: water supply system, reliability, threat, risk, water mains failure BIBLIOGRAFIA 1. Budziło B., Ocena niezawodności systemów zaopatrzenia w wodę wybranych miast. Czasopismo Techniczne Środowisko, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 1-Ś/2011. 2. Dworak J., Ocena niezawodności systemu zbiorowego zaopatrzenia w wodę aglomeracji miejskiej. Praca magisterska 2013, UTP w Bydgoszczy. 3. Główny Urząd Statystyczny, Mały rocznik statystyczny Polski 2012, Zakład Wydawnictw Statystycznych, Warszawa 2012. 4. Hotloś H., Analiza kosztów naprawy uszkodzeń przewodów wodociągowych we Wrocławiu. Ochrona Środowiska 2005, Rok 27, Nr 2. 5. Hotloś H., Analiza uszkodzeń i kosztów naprawy przewodów wodociągowych w okresie zimowym. Ochrona Środowiska 2009, Vol. 31, Nr 2. 6. Kuliczkowski A., Parka A., Stefański G., Analiz awaryjności przewodów sieci wodociągowej w Kielcach. Instal 2013, Nr 2. 7. Kutyłowska M., Analiza intensywności uszkodzeń sieci dystrybucji wody na przykładzie wybranego miasta. Instal 2013, Nr 5. 8. Kwietniewski M., Roman M., Kłoss H., Niezawodność wodociągów i kanalizacji. Arkady, Warszawa 1993. 9. Kwietniewski M., Rak R.J., Niezawodność infrastruktury wodociągowej i kanalizacyjnej w Polsce. Monografie Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN, Studia z zakresu Inżynierii nr 67, Warszawa 2010. 5253
10. Miejska Pracownia Urbanistyczna w Toruniu: Studium uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego miasta Torunia, Toruń 2005. 11. Rak R.J., Tchórzewska-Cieślak B., Metody analizy i oceny ryzyka w systemach zaopatrzenia w wodę. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2005. 12. Rak R.J., Tchórzewska-Cieślak B., Pietrucha K., Zagrożenia i ryzyko w systemie zbiorowego zaopatrzenia w wodę. Inżynieria Ekologiczna 2011, Nr 26. 13. Tchórzewska-Cieślak B., Rozmyty model ryzyka awarii sieci wodociągowej. Ochrona Środowiska 2011, Vol. 33, Nr 1. 14. Tchórzewska-Cieślak B., Zarządzanie ryzykiem w ramach planów bezpieczeństwa wody. Ochrona Środowiska 2009, Vol. 31, Nr 4. 15. Wieczysty A., Niezawodność systemów wodociągowych i kanalizacyjnych. Skrypt Politechniki Krakowskiej, Cz. II, Kraków 1990. 16. Zimoch I., Niezawodnościowa interpretacja awaryjności podsystemu dystrybucji wody. Czasopismo Techniczne Środowisko, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 1-Ś/2011. 5254