Przemarzanie gruntów w aspekcie eksploatacji systemów dystrybucji wody

Problem przemarzania gruntu i wpływu tego zjawiska na ciągłość dostaw wody występuje w wielu krajach o klimacie zimnym i umiarkowanym. Jeśli warstwa ziemi ma wystarczające właściwości izolacyjne, infrastruktura wodociągowa funkcjonuje poprawnie, jeśli nie, zjawisko zamarzania elementów systemu dystrybucji wody może zwiększyć jego awaryjność.

Ten typ awarii występuje stosunkowo rzadko, stwarza jednak szereg problemów na etapie przywracania sprawności eksploatacyjnej, ponieważ wymaga prawidłowego zlokalizowania miejsca, w którym woda zamarzła, i wreszcie samego rozmrożenia. Może się to wiązać z koniecznością odkrycia przewodu na znacznej długości, co w warunkach zimowych jest trudne i kosztowne.

Dlatego tak ważne jest poprawne posadowienie przewodów, na głębokości poniżej granicy przemarzania gruntu [1], zapewniające ograniczenie ich awaryjności wywołanej przez niską temperaturę.

Głębokość, na jakiej należy układać przewody, jest różna, ponieważ na rozkład temperatury w gruncie ma wpływ nie tylko temperatura otoczenia, ale również takie parametry fizyczne i cieplne gruntów, jak: dyfuzyjność, przewodność cieplna, zawartość wody w gruncie i jego rodzaj oraz rodzaj nawierzchni.

W miarę precyzyjnie można oszacować głębokość zamarzania, wykorzystując formuły opracowane przez Owodowa i Dębskiego [2] czy Stefana [3]. Nie mniej istotne wydaje się zwrócenie uwagi na te elementy systemów dystrybucji wody, które są najbardziej narażone na wpływ niskiej temperatury, czyli statystycznie najczęściej zamarzają.

Prognozowanie miejsc, gdzie może wystąpić awaria wskutek zamarznięcia, pozwoli uchronić przedsiębiorstwa wodociągowe przed ponoszeniem dodatkowych kosztów związanych z uciążliwą lokalizacją i usuwaniem awarii oraz koniecznością stosowania alternatywnego sposobu zaopatrywania konsumentów w wodę.

W artykule przedstawiono wyniki ankiety na temat występowania zjawiska zamarzania w sieciach i przyłączach wodociągowych w Polsce w sezonie zimowym 2011/2012 uzyskane w zakładach wodociągowych.

Podstawa opracowania

Podstawą oceny występowania zjawiska zamarzania elementów systemów dystrybucji wody były wyniki ankiety wysłanej do blisko 450 przedsiębiorstw wodociągowych.

Ankieta zawierała pytania na temat liczby zamarznięć, lokalizacji awarii, kosztów poniesionych z tytułu usuwania awarii i przywrócenia systemu do eksploatacji, czasu potrzebnego do ich usunięcia.

W badaniu wzięły udział 43 przedsiębiorstwa wodociągowe. Informacje otrzymane w odpowiedzi na zapytanie były bardzo zróżnicowane, jednak praktycznie wszyscy ankietowani potwierdzili, że zima 2011/2012 była wyjątkowa, jeśli chodzi o liczbę zamarznięć.

Analiza wyników ankietyzacji

Otrzymane dane podzielono według lokalizacji przedsiębiorstw w różnych strefach o różnej głębokości zamarzania gruntu. W I strefie przemarzania (głębokość 0,8 m) znalazło się 10 przedsiębiorstw, w strefie II (1 m) – 32, w III (1,2 m) – 1.

Przewaga danych z II strefy wynika z faktu, że jest ona największa powierzchniowo.

Dodatkowo poszczególne miejscowości – siedziby zakładów wodociągowych – podzielono na małe i duże (powyżej 100 tys. mieszkańców). Do grupy małych zakwalifikowano 26 przedsiębiorstw, a 17 uznano za duże. W 14 wodociągach zjawisko przemarzania nie wystąpiło w ogóle – były to głównie wodociągi małe powierzchniowo.

Najszersze dane uzyskano z zakładu zlokalizowanego w rejonie Sudetów. W latach 2004–2012 wystąpiły tam 463 awarie spowodowane przemarzaniem przyłączy, sieci i wodomierzy. Od 2004 do 2010 r. zaistniało więcej przypadków zamarznięcia sieci niż przyłączy, co w porównaniu z innymi zakładami jest nietypowe.

Liczba zamarznięć sieci w rozpatrywanym okresie wahała się od 21 do 39 rocznie, przy czym w sezonie 2007/2008 było ich tylko 5. Z kolei liczba uszkodzeń przyłączy w latach 2004–2005 wyniosła od 2 do 5, w sezonie 2005/2006 wzrosła do 20, a najwięcej zamarznięć odnotowano w sezonie zimowym 2011/2012 – 67 (ponad trzykrotnie więcej niż w 2005/2006).

Liczba uszkodzeń wodomierzy w latach 2004–2012 wynosiła rocznie od 6 do 28. W sezonie 2011/2012 zanotowano 24 takie przypadki. Od 2004 do 2011 roku koszty napraw związanych z przemarzaniem wynosiły blisko 90 tys. zł rocznie, w sezonie 2008/2009 wyniosły 15 tys. zł. Najbardziej kosztowny był sezon 2011/2012 – koszty usuwania awarii spowodowanych przemarzaniem wyniosły 540 tys. zł.

Ogólna liczba awarii w przeliczeniu na rok wyniosła 2771 zdarzeń w 2007, a w 2011 już tylko 1778. Pomiędzy 2007 a 2011 r. liczba ta sukcesywnie malała – naprawa sieci wpływała na zmniejszenie puli potencjalnych źródeł awarii.

W 2007 r. uszkodzenia spowodowane mrozem stanowiły 1,15%, a w roku 2011 2% wszystkich awarii. Całkowita długość przyłączy wyniosła 580 km, sieci 1950 km, a zatem w ostatnim sezonie zimowym jedna awaria przyłączy przypadała na 8,6 km przewodu, w przypadku sieci jedna na 50 km.

Najwięcej zamarznięć przyłączy, wodomierzy i sieci w rozpatrywanym okresie miało miejsce w lutym 2012 r. Przykładowo na obszarze Śląska, w jednym tylko mieście, w sezonie 2011/2012 odnotowano 82 zamarznięcia przyłączy, 9 zamarznięć wodomierzy i 2 przypadki uszkodzenia sieci rozdzielczej.

Łącznie na obszarze działania wszystkich zakładów objętych badaniem w okresie zimy 2011/2012 zamarzły: 662 wodomierze, 1012 przyłącza i 143 przewody rozdzielcze. Zamarznięcia wodomierzy stanowiły więc ok. 36%, przyłączy 55%, a sieci 9%.

Na podstawie uzyskanych danych podjęto także próbę oszacowania kosztów związanych z usuwaniem tych specyficznych awarii. Koszt naprawy zamarzniętego przewodu jest zróżnicowany i zależy od przyjętej metody (rozmrożenie, prace naprawcze, odtworzenie nawierzchni). Usunięcie skutków zamarznięcia jednego przyłącza wyniosło od 200 do ponad 5 tys. zł.

Z punktu widzenia odbiorców wody istotny jest czas, w jakim awaria może zostać usunięta. Jednak uzyskane dane były w tym względzie bardzo ograniczone.

Niemniej prawdopodobne wydają się informacje z wybrzeża potwierdzające, że średni czas potrzebny na rozmrożenie przyłącza wynosi 1,5 godziny, przewodów wodociągowych 2,5 godziny (maksymalnie 4), a gniazd wodomierzowych 2 godziny. Jako metody rozmrażania wymieniano np. stosowanie opalarek do usuwania farby z drewna, rozcinanie przewodów i wpuszczanie rozgrzanego pręta.

Najpowszechniej stosowano gorącą wodę wprowadzaną pod ciśnieniem do przewodu. Czasem, choć jest to niebezpieczne, używano rozgrzewającego stal prądu zwarciowego otrzymanego np. za pomocą spawarki.

Podsumowanie

W ankietach jako potencjalną przyczynę zamarznięć podawano niskie temperatury, a zwłaszcza brak pokrywy śnieżnej (sieć, przyłącza). Zamarzały głównie przewody wypłycone, umieszczone w strefie przemarzania oraz niezabezpieczone wodomierze i instalacje wewnętrzne w nieogrzewanych piwnicach lub pomieszczeniach pozbawionych okien.

Zdecydowanie częściej przemarzały przewody o małych średnicach, głównie przyłącza.

Rzadkie były przypadki zamarzania przewodów rozdzielczych. Nie odnotowano awarii na magistralach.

Obserwacje te znajdują potwierdzenie w doniesieniach literaturowych. Przykładowo w publikacji [4] znajdziemy informację, że zjawisko zamarzania wody w systemie jej dystrybucji częściej występowało w przewodach o małych średnicach, czemu dodatkowo sprzyjały małe natężenia przepływu wody, oraz sugestię, że jedną z metod przeciwdziałania omawianemu zjawisku jest utrzymywanie „przepływów przeciwmrozowych” na poziomie co najmniej 0,5 dm3/min.

Wyniki ankiety dodatkowo porównano z informacjami meteorologicznymi z różnych lat. Na tej podstawie wyciągnięto wniosek, że główną przyczyną zamarznięć były niskie temperatury w połączeniu z brakiem pokrywy śnieżnej. Współwystępowanie tych czynników stanowiło główne źródło awarii mrozowych infrastruktury podziemnej.

Literatura

1. PN-97/B-10725 Wodociągi. Przewody zewnętrzne. Wymagania i badania.
2. Szpindor A., Zaopatrzenie w wodę i kanalizacja wsi, Arkady, 1992.3. Smith D.W., Low N., Cold Regions Utilities Monograph,
3. Edition, ASCE, USA, 1996.
4. Hotłoś H., Analiza uszkodzeń i kosztów naprawy przewodów wodociągowych w okresie zimowym, „Ochrona Środowiska” Vol. 31, No. 2/2009.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!