Hydraulické posouzení vodovodních sítí v rámci plánovaných investic

Princip a účel hydraulického posouzení

Hydraulické posouzení vodovodní sítě, nebo jednotlivých vodovodních řadů, je prováděno za účelem ověření jeho funkčnosti. Důvod vzniku posouzení může být na základě již prvotně indikovaných problémů při samotném provozu nebo se může jednat o posouzení na základě současné nebo budoucí očekávané funkce vodovodního řadu.

Samotné posouzení řadů je prováděno na základě ustáleného proudění v potrubí, výjimku tvoří posuzování vodního rázu, který je speciální úlohou řadící se do specifické samostatné kategorie. Následné prováděné výpočty jsou v režimu takzvaného kvaziustáleného proudění, kdy jsou uvažované změny v průtocích prováděny v krocích, které jsou samostatně řešeny jako ustálené stavy.

Posouzení je prováděno na matematickém modelu, kterým je schematizována vodovodní síť či samostatný vodovodní řad. Prováděné výpočty je možné realizovat ručně, s pomocí excelu, či při rozsáhlejších modelech pomocí k tomu vytvořených softwarů. Fyzikální podstata je založena na základních zákonech popsaných již řadu let v odborné literatuře [1] a základních výukových podkladech [2]. Volba míry schematizace závisí na dostupnosti podkladů a účelu prováděného posouzení. V rámci stavby modelu jsou pro jednotlivé prvky udávány parametry, na kterých závisí přesnost sestaveného modelu. Sestavené matematické modely můžeme rozdělit do dvou kategorií. První jsou nekalibrované modely, které jsou postavené na získaných informací od majitele a provozovatele. Druhým typem jsou kalibrované modely, které jsou povýšeny o kalibraci vodovodní sítě na základě provedených měření na zájmovém vodovodu či řadu. Kalibrací jsou ověřeny vstupní parametry a případně upraveny zadávané parametry matematického modelu vodovodní sítě.

S využitím sestaveného, případně kalibrovaného, modelu je následně možno pro jednotlivé části ověřovat chování vodovodní sítě, které má následně vliv na samotnou distribuci vody s možností stanovení tlakových poměrů.

Kalibrační zásahy

Kalibrační zásahy do sestaveného modelu můžou být různých druhů. Od a) úpravy nastavených parametrů řídících armatur nebo b) úpravy řízení při zjištěném rozporu provozního řádu oproti zjištěné skutečnosti při měření, přes c) zásahy uzavírání zokruhovaných vodovodních řadů, které se ve skutečnosti chovají jako větevnatá síť, až po poslední velkou část úprav, což jsou d) úpravy parametrů samotných vodovodních řadů. Nejčastěji upravovaným parametrem je hydraulická drsnost potrubí, kterou si je možno zjednodušeně představit jako velikost výstupků zasahujících do průtočného profilu. Velikost tohoto parametru se typicky pohybuje od setin milimetru po několik desítek milimetru [3]. V případech velikosti hydraulické drsnosti odpovídající desítkám milimetrů přichází v úvahu zasáhnout i do změny velikosti samotného potrubí. Tento kalibrační zásah nejčastěji zohledňuje zmenšení průtočného profilu inkrustací. Při kalibraci je samozřejmě možno narazit i na opačné případy, kdy je potřeba průtočný profil zvětšovat. Tento případ obvykle nastává buď při špatné evidenci velikosti profilu řadu nebo při úplné neznalosti dimenze potrubí řadu. Příklad velmi inkrustované stěny potrubí z důvodu historicky používaného zdroje s velkým obsahem železa je na následujícím obrázku č. 1 v levé části. Jedná se o výřez potrubí z místní části spadající pod Mníšek pod Brdy.

Obrázek 1. Inkrustované litinové potrubí DN 100 výřez v porovnání s novým TLT potrubím

Možná interpretace kalibračních zásahů

Kalibrační zásahy jsou v rámci prací na modelu prováděny pro jednotlivé úseky vodovodních řadů mezi realizovanými měrnými profily, kdy je pro kalibraci řadů nutno vždy znát průtok daným řadem a rozdíl tlaků na začátku a na konci kalibrovaného úseku. Následně se pro tento úsek nastavují jednotlivé parametry hromadně. Takovýto přístup má jednu nevýhodu, která ovšem nelze odstranit. Tou je nemožnost rozlišení místní ztráty například přivřeným šoupětem od zhoršeného stavu celého kalibrovaného úseku.

Proto je vždy nutno k výsledku kalibrace přistupovat individuálně na základě všech známých informací. Například při zjištěné menší než očekávané kapacity u relativně nového plastového úseku je pravděpodobnější, že se jedná o lokální omezení, které snižuje možné průtočné množství a špatný stav celého úseku potrubí je v tomto případě méně pravděpodobným vysvětlením. Jednak se může jednat o přivřenou armaturu nebo jinou lokální překážku, další možnou příčinou může být přítomnost vzduchu v potrubí.

Praktickým příkladem nežádoucího vlivu vzduchu přítomného ve vodovodním potrubí je přiváděcí řad zobrazený v podobě podélného profilu s čárami energie na obrázku 2. Při prvním provedeném měření byla na PE řadu d355 identifikována zvýšená drsnost odpovídající spíše staršímu ocelovému potrubí. Po představení výsledků provozovatel provedl kontrolu řadu s odkalením a odvzdušněním. Následně bylo provedeno opakované měření, při kterém byla hydraulická drsnost identifikována v rozmezí běžných hodnot odpovídajícím PE přiváděcím řadům.

Obrázek 2. Podélný profil přivaděče před a po odvzdušnění přivaděče

Způsob hodnocení a návrh opatření

Po sestavení a případném kalibrování modelu je následně možno přikročit k samotnému posuzování řadu či vodovodní sítě. Je nutné si uvědomit, že ne vždy při zjištění vysokých hodnot hydraulické drsnosti musí být potrubí problematické, důležitým faktorem je množství převáděné vody. Model se proto musí zatížit dle současných realizovaných odběrů, případně i očekávanými výhledovými odběry. Po zadání těchto odběrů je možno posoudit distribuci vody vzhledem k tlakovým poměrům na vodovodní síti nebo přivaděčích. U přiváděcích řadů je kontrolováno, že tlaková třída potrubí není překročena a nedochází ke vzniku podtlaku. U vodovodní sítě sloužící pro zásobování vodou jsou hodnoty tlaku porovnávány s hodnotami požadovanými vyhláškou 146/2024 Sb. Ty jsou stanoveny na rozmezí 0,25 až 0,6 MPa. V případě zástavby do dvou pater je možno s pracovat tlakem minimálně 0,15 MPa. V ojedinělých případech může naopak být tlak až do 0,7 MPa. Při návrhu úprav vodovodní sítě je nutno přihlédnout ke stávající zástavbě. Případné snižování tlaku v rozmezí předepsaných hodnot nesmí mít negativní vliv na odběratele.

Navrhované úpravy mohou být běžné výměny potrubí za větší, menší, či stejný profil o lepších průtočných parametrech. Může se jednat o návrh nového tlakového pásma, změnu způsobu zásobování (přepojení na jiný řad) nebo jen o doporučení změny nastavení výstupních parametrů redukčního ventilu nebo čerpací stanice.

Návrh opatření s pozitivním efektem

Příkladem využití hydraulického posouzení je zpracovaný generel vodovodní sítě ve Starém Plzenci, kdy byly provozovatelem identifikovány poruchy v dodávce vody – myšleno jako poklesy tlaku vody v odběrových špičkách. Z tohoto důvodu došlo dokonce k vyhlášení omezení připojování nových odběratelů v této lokalitě. Tato skutečnost vedla k zadání posouzení vodovodní sítě za účelem vyhodnocení současného stavu a návrhu opatření tak, aby byla zajištěn spolehlivá dodávka vody pro výhledový stav.

V rámci zpracování posouzení byl na základě provedené měrné kampaně sestaven kalibrovaný matematický model, který potvrdil provozovatelem indikované nevyhovující tlakové poměry v odběrových špičkách. Tato skutečnost je znázorněna na obrázku 3 zobrazujícím minimální tlaky právě při odběrových špičkách.

Obrázek 3. Minimální tlaky v odběrových špičkách při zhotovení generelu

Pro zlepšení poměrů na síti byla navržena řada opatření tak, aby bylo možno povolit připojování dalších odběratelů. Po určení hlavního navrženého opatření se podařilo zasáhnout před samotnou stavbou do plánovaného propojení a tím navýšit dimenzi propojení z plánované DN 80 na realizovaný řad DN 200. Po realizaci tohoto opatření bylo znovu zadáno posouzení sítě s cílem stanovit současnou zbytkovou kapacitu pro připojení nových odběratel. Po provedení měrné kampaně umožňující rekalibraci matematického modelu bylo zjištěno, že provedené úpravy na vodovodní síti jsou dostačující pro možnost napojení všech plánovaných odběratelů dle očekávání v územním plánu. Zbylá navržená opatření ještě zlepší provozní podmínky i při neplánovaných událostech na vodovodní síti.

Obrázek 4. Tlakové poměry po realizaci hlavních navržených opatření

Přínos provedení posouzení

Zhotovením hydraulického posouzení je možno efektivně rozhodovat o plánovaných investicích na vodovodní síti z krátkodobého i dlouhodobého hlediska.

Posouzení mohou být provedena ve dvou úrovních podrobností. První je pouze na základě předaných informací od objednatele a druhá je provedení měrné kampaně pro následnou kalibraci jednotlivých řadů.

Při provedení měrné kampaně je možno odhalit nesrovnalosti v teoretických a skutečných kapacitách jednotlivých vodovodních řadů, ať už je příčinnou jakýkoliv důvod. Zároveň je možné určit skutečný stav jednotlivých řadů, který je přenesen do sestavovaného matematického modelu.

Literatura

1. Hydraulika (1983), SNTL Praha, V. Kolář, C. Patočka a J. Bém
2. Hydraulika 10, 20 – Příklady (2001), Vydavatelství ČVUT, Praha, V. Havlík a I. Marešová
3. Simulation of Hydraulic Parameters in Water Distribution Network using EPANET: A Case Study of Surat City (2015) D. Mehta, S. Waikhom, V. Yadav Water Resources and River Engineering (HYDRO - 2015)