Modernizacja systemu zaopatrzenia w wodę wsi Boszkowo

Systemy wodociągowe projektowane są przy założeniu ich wieloletniej eksploatacji. Występujące w tym czasie zmiany liczby odbiorców i wielkości zużycia wody [6], a także układów sieci wodociągowych czy sposobów ich zasilania rzutują na poziom parametrów charakteryzujących niezawodne działanie – dostawę wody w niezbędnej ilości, pod odpowiednim ciśnieniem, w godzinach dogodnych dla użytkowników.

Wprowadzane w systemie zmiany powinny być analizowane przed ich realizacją, a odpowiednie narzędzia umożliwiają oszacowanie efektów w układach projektowanych [4], eksploatowanych i modernizowanych [1, 2, 7, 8].

Analizie poddano system zaopatrzenia w wodę we wsi Boszkowo, w którym w ciągu kilku lat eksploatacji nastąpiła zmiana liczby odbiorców, układu sieci wodociągowej i sposobu zasilania.

System zaopatrzenia w wodę wsi Boszkowo

Wieś Boszkowo należy do gminy Włoszakowice, położona jest na granicy północno--zachodniej części powiatu leszczyńskiego w województwie wielkopolskim. Zamieszkuje ją 205 osób (stan z 31.12.2012), a powierzchnia wsi obejmuje 4,32 km².

System zaopatrzenia wsi w wodę zaprojektowano w 2002 r. Stacja uzdatniania wody, mieszcząca się obok ujęcia wód podziemnych w Ujazdowie, wybudowana została w latach 70. XX wieku. Woda ujmowana z dwóch studni wierconych o głębokości 60–68 m p.p.t. uzdatniana była, ze względu na zbyt wysoką zawartość żelaza i manganu, na dwóch filtrach pospiesznych otwartych. Pojemność zbiornika wyrównawczego wynosiła 50 m³.

Sieć wodociągowa w Boszkowie miała układ otwarty rozgałęzieniowy. Różnica rzędnych terenu, na którym wytrasowana została sieć, nie przekracza 3 m, ale na początkowym odcinku prowadzącym od stacji uzdatniania wody na długości 600 m różnica ta wynosi 27 m – taka topografia terenu pozwoliła na grawitacyjne zasilanie sieci.

W 2010 r. do sieci podłączono Centrum Konferencyjno-Wypoczynkowe, co spowodowało konieczność wprowadzenia zmian w systemie. Od połowy 2012 r. Boszkowo podłączone jest do systemu, którego pompy tłoczą wodę do miejscowości Ujazdowo, Grotniki, Boszkowo oraz do części Włoszakowic, a układ sieci wodociągowej jest mieszany. Pompownia II stopnia wyposażona jest w trzy pompy połączone równolegle typu 65WR-20/32 z silnikiem o mocy 4,0 kW. Jedna pompa pracuje cały czas, natomiast pozostałe uruchamiane są przy większych rozbiorach wody.

Metodyka obliczeń

Model symulacyjny systemu zaopatrzenia w wodę zasilającego wieś Boszkowo wykonano przy pomocy programu EPANET opracowanego przez Dział Zaopatrzenia w Wodę i Gospodarki Wodnej Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska.

Jest to program umożliwiający wykonanie symulacji parametrów hydraulicznych oraz jakości wody w sieciach. Przy jego użyciu można obliczyć zmiany tych wielkości w zadanych przedziałach czasu, a tym samym analizować zmiany warunków pracy układu w czasie. Danymi wejściowymi do obliczeń są: grafy sieci, rzędne osi rurociągów w poszczególnych węzłach, średnice, materiał i chropowatość rurociągów, wielkości węzłowych rozbiorów wody.

Wyniki obliczeń prezentowane są w postaci tabel danych dotyczących rzędnych i wysokości ciśnienia w węzłach sieci, spadku hydraulicznego, prędkości i natężenia przepływu wody w rurociągach, które graficznie mogą być także prezentowane w formie grafów, profili czy warstwic [5].

Straty hydrauliczne w rurociągu mogą być obliczane w programie przy użyciu trzech formuł: Hazena–Williamsa, Darcy–Weisbacha lub Chezy–Manninga. Do przedstawionych w artykule obliczeń wybrano wzór Darcy–Weisbacha [3]:

gdzie:

Dh_l – straty ciśnienia na długości przewodu, m;
l – współczynnik liniowych oporów tarcia;
v – średnia prędkość przepływu wody, m · s^–1;
g – przyspieszenie ziemskie, m · s^–2;
l – długość przewodu, m;
d – średnica wewnętrzna przewodu, m.

Do przeprowadzenia obliczeń przygotowano modele symulacyjne systemu, z którego zaopatrywana była w wodę wieś Boszkowo. Na wstępie opracowano model systemu grawitacyjnego. Graf sieci składa się z ośmiu węzłów obliczeniowych i zbiornika górnego, ośmiu odcinków rurociągów z PVC, których średnice i długości to ø 160 – 3904 m i ø 100 – 785 m. Rzędne terenu węzłów sieci wynoszą od 60,8 do 63,4 m n.p.m., zbiornika 91,2 m  n.p.m., a przyjęte zagłębienie rurociągów to 1,30–1,40 m. Graf przedstawiono na rys. 1.

W kolejnym wariancie modelu systemu uwzględniono podłączenie nowego odbiorcy wody – Centrum Konferencyjno-Wypoczynkowego (CK-W). Rozbudowany graf składa się z 10 węzłów i 10 odcinków, a dodatkowy odcinek o średnicy ø 100 ma długość 220 m (rys. 2).  

Model systemu pompowego, którego podsystemem stał się wcześniej eksploatowany system wsi Boszkowo, przedstawiono na rys. 3. Układ mieszany z jednym obwodem zamkniętym składa się z 20 węzłów i 20 odcinków o średnicach i długościach ø 160 – 1404 m, ø 100 – 5505 m i ø 80 – 675 m. Rzędne terenu w poszczególnych węzłach wynoszą 60,8–97,1 m n.p.m.

Wyniki obliczeń

Na wstępie przeanalizowano system zasilany grawitacyjnie. Analiza miała na celu zweryfikowanie parametrów pracy sieci: prędkości przepływu wody na odcinkach i ciśnienia w poszczególnych węzłach. Wartość chropowatości dla eksploatowanych przewodów przyjęto jako k = 0,4 mm, a rozbiory węzłowe ustalono na podstawie wielkości zużycia wody Q/_{h max} = 13,2 m³ · h^–1.

Kolejny wariant obliczeń opracowano dla systemu zasilanego grawitacyjnie, uwzględniając zmiany układu sieci i wielkości rozbiorów wody po podłączeniu kolejnego odbiorcy. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 1.

Podczas maksymalnego rozbioru wody ciśnienie w węzłach sieci przed rozbudową utrzymywało się na poziomie wystarczającym do poboru wody w najbardziej niekorzystnie położonych punktach czerpalnych, po podłączeniu CKW nie spełniało jednak wymagań nowego odbiorcy. 

Wyniki obliczeń przedstawiono w postaci warstwic wysokości ciśnienia wsieci systemu grawitacyjnego po rozbudowie (rys. 4).

Po podłączeniu sieci wodociągowej wsi Boszkowo do pompowni ciśnienie w węzłach przekraczało wartości dopuszczalne – z tego względu na stacji wprowadzono redukcję ciśnienia. W obliczeniach został też uwzględniony wariant wystąpienia pożaru, dla którego, odpowiednio do liczby mieszkańców, założono w węźle numer 4 dodatkowy rozbiór 5 dm³ · s^–1. Zakresy prędkości przepływu na odcinkach i wysokości ciśnienia w węzłach sieci w poszczególnych wariantach rozbiorów wody zamieszczono w tabeli 2.

Ciśnienia w warunkach rozbioru maksymalnego po zastosowaniu reduktora i przy założeniu pożaru będą zachowane na odpowiednim poziomie, natomiast prędkości przepływu wody w większości odcinków są zbyt niskie, co stwarza konieczność okresowego, systematycznego płukania sieci. 

Warstwice wysokości ciśnienia w sieci systemu pompowego z reduktorem ciśnienia podczas maksymalnego rozbioru wody przedstawiono na rys. 5.

Wnioski

W artykule przedstawiono analizę parametrów systemu zaopatrzenia w wodę we wsi Boszkowo. Układ ten został zaprojektowany jako odrębny system grawitacyjny, a po jego rozbudowie został podsystemem większego układu pompowego, dzięki czemu jest ciekawym przykładem zmian parametrów w trakcie eksploatacji. 

W programie EPANET opracowano model symulacyjny eksploatowanego układu grawitacyjnego, a wyniki wykonanych przy jego pomocy obliczeń potwierdziły, że ciśnienie w poszczególnych węzłach sieci było na odpowiednim poziomie, co umożliwiało prawidłową eksploatację. Po kilku latach nastąpiła rozbudowa sieci i podłączenie kolejnych odbiorców. Przeprowadzone symulacje, z uwzględnieniem rozbudowy sieci i zwiększonych rozbiorów wody, wykazały, że ciśnienie u niektórych odbiorców nie było wystarczająco wysokie.

Konieczne okazało się zatem podłączenie sieci wodociągowej Boszkowo do systemu pompowego zaopatrującego także okoliczne wsie. Obliczenia wykazały, że konieczne jest zastosowanie reduktora ciśnienia, co potwierdzały informacje uzyskane od eksploatatora. Obecnie system umożliwia czerpanie wody pod odpowiednim ciśnieniem przez wszystkich odbiorców, a wyniki obliczeń symulacyjnych wariantu rozbioru maksymalnego z pożarem pokazują także, że ciśnienie w takim przypadku pozostanie na odpowiednim poziomie. 

Model symulacyjny systemu zaopatrzenia w wodę wsi Boszkowo jest wartościowym narzędziem pozwalającym na ocenę parametrów eksploatowanego układu oraz na symulację wprowadzanych w przyszłości zmian. Może także zostać rozbudowany do modelu obejmującego podsystemy wodociągowe całej gminy.

Literatura

1. Cheung P.B., Van Zyl J.E., Reis L.F.R., Extension of Epanet for pressure driven demand modeling in water distribution system, „Computing and Control for the Water Industry” No. 1/2005.
2. Kotowski A., Pawlak A., Wójtowicz P., Modelowanie miejskiego systemu zaopatrzenia w wodę na przykładzie osiedla mieszkaniowego Baranówka w Rzeszowie, „Ochrona Środowiska” Vol. 32 nr 2/2010.
3. Mielcarzewicz E., Obliczanie systemów zaopatrzenia w wodę, Arkady, Warszawa 2000.
4. Nowogoński I., Wykorzystanie modeli symulacyjnych sieci wodociągowych na etapie planowania inwestycji w: Oczyszczanie ścieków i przeróbka osadów ściekowych, Sadecka Z. red., t. 4, Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, 2010.
5. Rossmann L., EPANET 2, Users Manual, National Risk Management Research Laboratory Office of Research and Development U.S. Environmental Protection Agency, Cincinati 2000.
6. Siwoń Z., Cieżak J., Model przepływów w systemie dystrybucji wody na terenie Polanicy-Zdroju, „Ochrona Środowiska” nr 2(69)/1998.
7. Sowiński J., Srogosz M., Analiza skutków łączenia lokalnych sieci wodociągowych, „Inżynieria Ekologiczna” nr 26 (2011).
8. Trębicka A., Modelowanie funkcjonowania elementów podsystemu dystrybucji wody w warunkach dynamicznych, „Civil and Environmental Engineering” nr 2/2011.