Porovnání konvenčního a jednosměrného proplachování vodovodní sítě

Příspěvek se zabývá možnostmi čištění vodovodní rozvodné sítě pomocí konvenčního a jednosměrného proplachování. Jednosměrné proplachování zahrnuje systematické uzavírání šoupátek a otevírání hydrantů s cílem dosáhnout jednosměrného proudění vody. Oba přístupy jsou porovnány za pomoci simulačního modelování. Rozdíl mezi metodami je analyzován pomocí dosáhnutých rychlostí, vypuštěného objemu vody a celkového času pro vypouštění. Jednosměrné proplachování hydrantů pomáhá dosáhnout vyšších rychlostí. Tím dojde k lepšímu odplavení usazených nečistot ve vodovodním potrubí. Jednosměrné proplachování také spotřebuje menší množství vody...

Porovnání konvenčního a jednosměrného proplachování vodovodní sítě

Ing. Lubomír Macek, Csc., MBA; Ing. Jan Škripko, konference Voda Zlín 2014

Aquion, s.r.o., Osadní 324/12A, 170 00  Praha 7, e-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Úvod

Jedním ze základních kamenů údržby vodovodní sítě je její proplachování. Proplachování provádíme po opravách potrubí i během nové výstavby potrubí tak, abychom z potrubí pokud možno vyplavili všechny nečistoty, pokud už se do potrubí dostaly. Častěji proplachujeme síť také, pokud se množí připomínky odběratelů na kvalitu dodávané vody. Proplachování by mělo být jednou z pravidelných činností, která zlepšuje kvalitu dodávané vody a snižuje množství sedimentu na dně potrubí, ev. i množství biofilmu na jeho stěnách.

Příčiny „hnědé“ vody

Hnědá voda je jednou z hlavních stížností odběratelů vodu, která se objeví, když odběratel otočí kohoutkem a vidí, že z něho teče méně čistá voda. To může být způsobeno několika příčinami. Jedna příčina, při které se téměř vždy objeví hnědá voda, je velmi vysoký průtok v potrubí. Za normálních okolností teče voda ve vodovodním potrubí pomalu a převážně středem potrubí, mezní vrstva je plně vyvinutá a proudění je převážně laminární. Se zvyšující se rychlostí se zvyšuje gradient rychlosti u stěny potrubí, mezní vrstva se zmenšuje a blíže ke stěnám potrubí zasahují turbulence z proudění (Kolář, Patočka, Bém, 1983). Jak se zvyšuje rychlost proudění, začíná docházet k vznosu sedimentů uložených na dně potrubí. Jemné sedimenty jsou uvedeny do vznosu a opět sedimentovat mohu až s poklesem rychlosti proudění. Jakmile se sediment dostane do plného průřezu potrubí, je transportován dále. Vzhledem k tomu že u jemných sedimentů je sedimentační rychlost velmi nízká, dojde k jejich vyplavení u odběratelů z kohoutků (Bellevue Fire, 2012).

Pokud ignorujeme produkty koroze a další vznikající inkrusty a sedimenty v potrubí, může docházet díky postupnému zarůstání potrubí ke zvyšování hydraulických ztrát, ke zmenšování průtočného průřezu a tím ke snižování tlaku. Tyto látky mohou také přispívat ke snižování koncentrace chloru. Proplachováním potrubí pečujeme o bezpečnost vody, zlepšujeme její kvalitu a správně pečujeme o rozvodný systém. Proplachováním potrubí, v závislosti na dosažených rychlostech v potrubí při proplachování, odstraníme jen část sedimentů či inkrustů. V závislosti na místních možnostech je možné použít chemický nebo mechanický způsob eliminace inkrustů. V našem příspěvku se chceme zabývat výhradně odstraňováním sedimentů a pravděpodobně i nějakého podílu inkrustů pomocí proplachování vodovodního potrubí.

Výměna stagnující vody je zvlášť důležitá na mrtvých koncích a v oblastech s malými průtoky. Tyto oblasti je vhodné proplachovat častěji.

Testování hydrantů

Při proplachování vodovodního potrubí je žádoucí dosáhnout co největší rychlosti proudění v potrubí. Když naplno otevřeme hydrant pro proplachování, zvýšení průtoků můžeme vnímat také jako příležitost ke kontrole hydrantu a vodovodní sítě. Při otevření hydrantu máme příležitost kontrolovat a zapisovat následující parametry:

• Odvodnění hydrantu
• Viditelné a slyšitelné úniky
• Správná funkce uzávěru
• Vyplachované produkty koroze a rez
• Vyplavované pevné částice, např. štěrk
• Tlak vody
• Stanovení zákalu – umožní vyhodnotit množství znečištění
• Stanovení barvy vody
• Stanovení pH vody v řadu – může identifikovat případné problémy s potrubím
• Koncentrace chloru na začátku a na konci proplachování – identifikuje případné organické látky
• Průtok

Informace o velikosti výtoku z hydrantu, tlakových poměrech, kvalitě vody a o technickém stavu hydrantu představují základní informace o stavu vodovodní sítě.

Preventivní údržba hydrantů

Většina vodáren má nějaký program preventivní péče o svou infrastrukturu. Většinou to zahrnuje „protáčení uzávěrů“ a „protáčení hydrantů“, které se provádí postupně během roku. Tyto programu jsou často prováděny odděleně od proplachování sítě. Jeden z přínosů jednosměrného proplachování je schopnost zkombinovat všechny preventivní protáčecí programy do jednoho. Správně navržené jednosměrné proplachování umožňuje provést všechny potřebné aktivity najednou. Všechny uzávěry, hydranty, výtokové objekty a další zařízení mohou být použity současně.

Úspory

Úspory z implementace jednosměrného proplachování jako součásti programu preventivní péče jsou podstatné. Pokud běží jednotlivé preventivní činnosti odděleně, jsou vyšší náklady. Spojení všech programů do jednoho spoří náklady na vozidla, lidskou sílu a palivo. Podstatné mohou být také úspory vody, protože pro jednosměrné proplachování spotřebujeme méně vody a dosahujeme vyšších rychlostí proplachování.

Doba a čas proplachování

V literatuře (např. Brand, 2014) je doporučována maximální doba odkalení jednoho hydrantu 20 min. Při své práci jsme se setkali s místy, kdy z hydrantu i po takovéto době vytékala zabarvená voda. To jsou ovšem výjimky.

V případě, že provozovatel vodovodu disponuje simulačním modelem, může stanovit čas proplachování individuálně vzhledem k místním podmínkám a k potřebě vyměněného množství vody v potrubí (viz. výpočty na konci příspěvku). V tomto případě se to projeví v šetření času a spotřebované vody.

Oblasti s vysokým zákalem nebo z potrubí z litiny by měly být proplachovány v noci (Brand, 2014), aby byl omezen dopad na běžné odběratele. Některé vodárny provádějí proplachování sítě v období mezi 22:00 a 6:00 hodinami.

Strategie proplachování

1. Bodové proplachování – jedná se o retroaktivní přístup, který je nejčastěji používaný. V případě, že se objeví stížnosti na kvalitu vody, je otevřen nejbližší hydrant, ze kterého se vypouští voda.
2. Proplachování stagnujících míst v síti - se používá v oblastech se stagnující vodou, jako jsou mrtvé konce, oblasti s nízkými průtoky apod. Jedná se o preventivní krátkodobá opatření ke zlepšení kvality vody v síti.
3. Systematické proplachování rozvodného systému - zajišťuje dobrou kvalitu vody a pomáhá prodlužovat životnost systému. Jedná se o nejkomplexnější a nejúčinnější způsob proplachování. Jedná se o preventivní opatření s dlouhodobým účinkem.

Metody proplachování

1. Konvenční proplachování. Běžnou praxí, pokud se objeví stížnosti na kvalitu vody, je otevření nejbližšího hydrantu na dobu, po které z něho vytéká zakalená voda. To může představovat velmi dlouhý proces, který stojí hodně vody a času. Voda přitéká ze všech směrů, rychlosti proudění jsou nízké a nedochází k tak významnému vyčištění potrubí. Tato metoda neumožňuje řídit směr proplachování.
2. Jednosměrné proplachování. Jednosměrné proplachování je relativně nový proces, který zahrnuje systematické zavírání šoupátek v rozvodné síti a otevírání hydrantů s cílem vytvořit jednosměrné proudění vody pro proplachování a čištění usazenin uvnitř potrubí. Jednosměrné proplachování umožňuje izolovat vodovodní síť v nejbližším okolí proplachovaného potrubí a přesně potrubí propláchnout. Jedná se o vysoce účinný proces, který využívá tlak v rozvodném systému pro vyčištění vnitřku potrubí bez použití druhotných zařízení jako např. čistících prasátek. Voda teče jedním směrem, jsou dosaženy vyšší rychlosti v potrubí, což podporuje jeho propláchnutí, eventuálně i odstranění části biofilmu z povrchu potrubí a dosahuje se lepšího vyčištění potrubí. Tento proces je možné použít za různých situací na rozvodné síti: při odstraňování stížností na kvalitu vody, po opravách potrubí nebo jednoduše pro zajištění vysoké úrovně kvality rozváděné vody.
3. Kontinuální výtok. Jedná se o nepřetržitý výtok vody ve stagnujících oblastech, dosahují se nízké rychlosti v potrubí (do 0,3 m.s^-1). Tato metoda má malý vliv na vyčištění potrubí a má velkou spotřebu vody. Jejím opodstatněním může být snížení kritické doby zdržení vody ve vodovodním systému.

Pravidla pro jednosměrné proplachování

Pravidla pro jednosměrné proplachování vycházejí ze stávajících směrů proudění vody:

• Proplachovat od potrubí větších průměrů k menším
• Proplachovat od čistých míst k zaneseným
• Proplachovat ve směru proudění vody v potrubí při běžném zásobování vodou
• Maximální délka proplachovaného úseku do 500 m
• Proplachovat dostatečně dlouho, aby došlo k dvojnásobné výměně vody v řadu
• Proplachovat řady do průměru 300 mm. Řady většího průměru jsou zásobní řady, v kterých předpokládáme rychlejší proudění vody a menší usazování. V případě nutnosti můžeme proplachovat řady do průměru 500 mm. U řadů větších průměrů je rychlost proplachování omezena kapacitou vlastního vodovodního systému a možností otevřít maximálně dva hydranty.
• Proplachovat vodu až do okamžiku, kdy splňuje požadavky na její kvalitu
• Při proplachování zajistit dostatečný tlak ve vodovodu v okolí otevřených hydrantů
• Dodávka vody odběratelům musí zůstat plně funkční

Proplachovací plán vodovodní sítě nejsnadněji sestavíme za použití simulačního modelu vodovodu. Díky použití simulačního modelu, jak je vidět v další části příspěvku, známe přesněji rychlosti a tlaky v potrubí při proplachování. Výsledky simulačního modelování umožňují nastavit správně čas proplachování.

Směrnice AWWA pro rychlosti při proplachování

AWWA uvádí tyto rychlosti (Brand, 2004):

• 0,9 m.s^-1 – odstraňuje sedimenty a snižuje spotřebu dezinfekčního prostředku
• 1,5 s^-1 – odstraňuje biofilm a podporuje strhávání částic ze stěn potrubí
• 3,7 m.s^-1 – odstraňuje písek za sifonů

AWWA doporučuje při každém proplachování dosáhnout rychlosti 1,5 m.s^-1.

Kritičtí odběratelé

Kritický odběratel je definován jako „každý odběratel, který potřebuje vodu pro zdravotní nebo obchodní účely“. Zahrnuje to:

• Nemocnice, kliniky a zubní ordinace
• Pečovatelská zařízení
• Průmysl - potravinářský, nápojový, specializovaná výroba – např. mikrochipy
• Dialyzační jednotky veřejné a soukromé

Tito odběratelů musí být zvlášť pečlivě informování o plánovaných proplachováních potrubí. Současně při plánování proplachů musíme těmto kritickým odběratelům zajistit nepřerušenou dodávku vody s potřebnými parametry a pokud toho není možné, proplachování provádět po dohodě ve vhodný čas.

Příklad proplachovacího plánu a jeho vývoje, Edmonton

Na obr. 1 vidíme proplachovací plán Edmontu (Kanada, cca 730 tisíc obyvatel). V roce 1995 se proplachovací plán sestával z 80 oblastí, 4 500 navržených proplachovacích hydrantů, s dvouletou frekvencí, kdy v prvním roce bylo proplachováno potrubí z tvárné litiny, v druhém roce potrubí z azbestocementu a PVC. V roce 2002 byly analyzovány informace ze sedmi let proplachování a došlo ke snížení četnosti proplachování na jednou za tři roky. Pro určení četnosti proplachování v jednotlivých oblastech je nyní používáno pět parametrů:

• Procento potrubí z tvárné litiny
• Délka jednotlivých proplachovaných potrubí
• Průměrná doba proplachování v minutách
• Průměrná hodnota zákalu na začátku proplachování
• Počet stížností na kvalitu vody.

Každá oblast má nyní výsledné číslo, podle kterého se stanovuje priorita proplachování:

• 5 bodů – proplachováno každý rok
• 0 bodů – proplachováno každé 4 roky

V roce 2012 je město rozděleno, jak je vidět na obr. 1, do 108 proplachovaných oblastí, které se sestávají z 6 000 navržených proplachů/proplachovacích hydrantů.

Obr. 1. Proplachovací plán Edmonton z roku 2005

Proč používat simulační model vodovodu?

Přemýšleli jste o využití simulačního modelu jako podpůrného nástroje pro plánování proplachovacích aktivit? Provozní simulační model, který využívá aktuálních dat z GISu a výsledky dispečerského měření je velmi hodnotným nástrojem pro plánování a vyhodnocení proplachovací kampaně nebo proplachování jednotlivými hydranty. Je to zejména proto, že podrobný simulační model sestavený pro provozní účely dokáže zohlednit většinu místních specifik a plán proplachování je tak připraven a ověřen pomocí vhodného nástroje. Tím je zkalibrovaný a ověřený provozní simulační model vodovodu, který umí simulovat rychlosti, tlaky a další parametry ve vodovodu v čase, tak jak postupují jednotlivá proplachování. Díky simulačnímu modelu můžeme levněji posoudit více scénářů proplachování a vybrat vhodný způsob, návrhy jsou přesné a rychleji a lépe je možné plánovat a posuzovat rozsáhlé systémy.

Porovnání obou přístupů proplachování pomocí simulačního modelu vodovodu

Pro demonstrování rozdílu obou přístupů proplachování byla vytvořena případová studie okruhové vodovodní sítě malého města s celkovým průměrným odběrem 23,6 l.s^-1. Pomocí programu SiteFlow jsme vytvořili simulační model vodovodu a provedli výpočty hydraulických poměrů za konvenčního a jednosměrného proplachování. Ve výpočtech předpokládáme průměrný odběr. Jak je zřejmé z celkové situace na obr. 2, je struktura vodovodní sítě simulačního modelu schematizovaná, co umožňuje lépe pochopit podstatu chování sítě. Plocha posuzované oblasti je 1 km², a je sestavena z 10x 10 čtverců o hraně (délce vodovodního potrubí) 100 m. Základní parametry zásobovaní pitnou vodou jsou: 10 000 obyvatel, průměrný odběr pro obyvatelstvo 11,6 l.s^-1, odběr pro průmysl 12 l.s^-1, tlak vody 66 m vodního sloupce.

Předpokládáme, že v celé síti je potrubí z jednoho materiálu - litiny. Terén je rovinatý, v našem modelovém případě je horizontální. Přivaděč z vodojemu do spotřebiště je dlouhý 3 km s průměrem DN 400 mm. Celková délka rozvodných řadů je 22 km. Jak je vidět z  obr. 2, přivaděč DN 400 vede do středu města a dál pokračuje potrubí DN 250. Jižním a severním směrem vedou vždy tři řady o průměru 150 mm, ostatní vodovodní potrubí má DN 100.

Pro porovnání jsme spočítali proplachování vodovodního řadu A s průměrem potrubí DN 100 mm a přilehlých úseků v severní části města. Jednosměrné proplachování bylo provedeno ve směru J-S ve dvou etapách po 300 metrů dlouhých úsecích pomocí hydrantu H1 a H2 (obr. 2). Konvenční proplachování bylo provedeno otevřením hydrantů za plně otevřené sítě. Při jednosměrném proplachování jsme uzavřeli všechny boční větve po celé délce 300 m a nechali otevřený jenom přívod vody na začátku proplachovaného úseku. V následující tabulce jsou uvedené výsledky výpočtů.

Tab. 1 Výsledky výpočtů – proplachování Řadu A, DN 100, celková délka 600 m

Z výsledků je zřejmé, že při jednosměrném proplachování je dosaženo více než 2krát vyšších rychlostí než při konvenčním proplachování. Konvenční proplachování dosáhlo maximální rychlost 0,8, resp. 1,0 m.s^-1. Maximální rychlost jednosměrného proplachování 2,4 resp. 2,3 m.s^-1 je dostatečná pro odstranění biofilmu, sedimentačních a korozních částic ze stěn potrubí (viz doporučení AWWA výše).

Obr. 2 Přehledná situace schematizovaného vodovodu. Tloušťkou čáry je znázorněn průměr potrubí (DN 400, 250, 150 a 100 mm). Základní čtverec má rozměr 100 x 100 m.

Tlaky vodního sloupce v okolí hydrantů během jednosměrného proplachování výrazně poklesly na minimální úroveň 27,3 m v. s. v proplachovaném úseku. Nejnižší tlak je v místě napojení hydrantu. V případě lokalit s nízkými tlaky, s kombinací nízké a výškové zástavby, nebo s kopcovitým terénem, může jednosměrné proplachování způsobit dočasné snížení tlaků pod potřebnou úroveň. To by mělo být zohledněno při vytváření proplachovacího plánu.

Porovnávací kritérium pro určení doby trvání proplachování bylo u konvenčního přístupu 1x objem všech přilehlých 100 metrových úseků směrujících k hydrantu a u jednosměrného přístupu 1x objem 300 dlouhého jednosměrného úseku. Samotný proplach 1x objemu potrubí trvá u obou přístupů cca 2 minuty. Propláchnutí 300 m dlouhého úseku trvá přibližně stejně dlouho, jako propláchnutí tří nebo čtyř přilehlých úseků, je ovšem dosaženo výrazně vyšších rychlostí vody při proplachování. Celkově trvá jednosměrné proplachování delší dobu kvůli přípravným pracím spojených s manipulacemi na sítí - uzavření bočních řadů pro vytvoření jednosměrného proudění.

Ekonomickou efektivitu jednosměrného proplachování demonstruje snížení spotřeby vody. Celkem jsme u konvenčního proplachování spotřebovali 6,4 m³ a u jednosměrného proplachování pouze 4,8 m³ vody, tj. o 25 % méně vody.

V  obrázcích 3,4,5 a 6 jsou graficky zobrazené výsledky simulačních výpočtů pro obě varianty.

Závěr

Jak je z příspěvku zřejmé, je jednosměrné proplachování vodovodní sítě ve většině případu vhodnější způsob proplachování vodovodní sítě. Umožňuje řídit směr proplachování, dosahovat vyšších proplachovacích rychlostí a má menší spotřebu vody než konvenční proplachování. Na druhé straně vyžaduje větší počet manipulací na síti, takže je vhodné zařadit jednosměrné proplachování sítě do programu preventivní péče.

Za pomoci simulačního modelu vodovodu je možné rychle a dobře sestavit proplachovací plán a ověřit vhodnost proplachování. Výsledky zkalibrovaného simulačního modelu mohou dokonce v případě běžného proplachování nahradit fyzikální měření průtoku hydrantem a mohou pomoci spočítat množství vody, spotřebované pro proplachování.

Literatura

Bellevue Fire (2012): Confidence Testing for Fire Hydrants. A Guide to the Maintenance, Testing, and Marking of Private Fire Hydrants. Fire Prevention Bureau.

Brand, B. (2014): Unidirentional Flushing: A Guide to a Cleaner Water. The design, process, and practical implementation of a Uni-Diretional Flushing Program for Operators. EPCOR Water Services.

Kolář, V.; Patočka, C. a Bém, J.:(1983): Hydraulika. SNTL Praha, 1. vydání, 480 s.

Sandusky (2014): Fire hydrant Flushing and Flow Testing. Division of Water Distribution, Department of Water Services, City of Sandusky, Ohio,

SiteFlow (2014): Manuál programu. Aquion, s.r.o. Praha.

Obr. 3 Tlakové poměry a rychlosti při konvenčním proplachování hydrantem H1. Maximální rychlosti dosahují 1,0 m.s^-1 a minimální tlaky 61,4 m v. s.

Obr. 4 Tlakové poměry a rychlosti při konvenčním proplachování hydrantem H2. Maximální rychlosti dosahují 0,8 m.s^-1 a minimální tlaky 61,8 m v. s.

Obr. 5 Tlakové poměry a rychlosti při jednosměrném proplachování hydrantem H1. Maximální rychlosti dosahují 2,4 m.s^-1 a minimální tlak 28,2 m v. s.

Obr. 6 Tlakové poměry a rychlosti při jednosměrném proplachování hydrantem H2. Maximální rychlosti dosahují 2,3 m.s^-1 a minimální tlak 27,3 m v.