W artykule przedstawiono przyczyny i rodzaje awarii opisywane w literaturze. Zaprezentowano jednostkowe wskaźniki intensywności uszkodzeń do oceny stopnia awaryjności systemów dystrybucji wody. Przywołano wartości graniczne wskaźnika intensywności uszkodzeń do oceny stopnia awaryjności badanego systemu oraz wartość średnią dla Polski. Zdefiniowano obszar badawczy obejmujący województwo pomorskie, warmińsko-mazurskie i zachodniopomorskie. Obszar badawczy dobrano z uwagi na charakterystykę historycznych podstaw powstania i rozwoju systemów dystrybucji wody na obszarze badawczym oraz zbliżone warunki topograficzne i klimatyczne w porównaniu do reszty kraju. Przeprowadzono analizę wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń sieci wodociągowych w powiatach obszaru badawczego oraz dokonano analizy uzyskanych wartości w poszczególnych województwach. Do porównania uzyskanych wyników w stosunku do wartości średniej dla Polski, zdecydowano się użyć wartości środkowej wyników z uwagi na liczne wartości ekstremalne zawyżające uzyskane wartości średnie wskaźnika intensywności uszkodzeń na obszarze badawczym.
1. Wprowadzenie
System dystrybucji wody jako układ połączonych elementów (rur, kształtek, zasuw, hydrantów, wodomierzy itd.) narażony jest na występowanie awarii. Ilość elementów tworzących system wodociągowy sprawia, iż praktycznie niemożliwym jest uniknięcie awarii któregoś z elementów. Dodatkowo dochodzą czynniki niezwiązane bezpośrednio z elementami systemu dystrybucji wody, np. czynniki zewnętrzne związane z temperaturą otoczenia, czy też wpływ działania sił zewnętrznych, tj. ruchy gruntu czy działania mechaniczne w trakcie prac ziemnych w pobliżu systemu dystrybucji wody. Czynniki odpowiedzialne za powstawanie awarii w systemie dystrybucji wody można podzielić na trzy rodzaje [1, 2, 4, 5, 10]:
związane z przewodem wodociągowym, np.:
- rodzaj i materiał przewodu,
- rodzaj zabezpieczenia antykorozyjnego,
- funkcja przewodu i jego średnica,
- sposób łączenia rur i armatury,
- wielkość ciśnienia i charakter zmian jego wartości w przewodzie,
- podatność materiału na korozję wewnętrzną,
- jakość wykonania rur i armatury.
związane z otoczeniem przewodu, np.:
- rodzaj i wilgotność gruntu,
- obciążenia dynamiczne i statyczne gruntu,
- występowanie szkód górniczych,
- zmiany temperatury gruntu.
związane z eksploatacją, np.:
- zakres oraz intensywność prac naprawczych i remontowych,
- szybkość lokalizowania nieszczelności,
- szybkość usuwania awarii,
- powstawanie uderzeń hydraulicznych,
- prowadzenie robót ziemnych – uszkodzenia w wyniku pomyłek.
W wyniku działania czynników związanych z materiałem, czynników zewnętrznych i czynników eksploatacyjnych dochodzi do uszkodzeń rur lub armatury. Do głównych rodzajów takich uszkodzeń można zaliczyć [4, 8]:
- pęknięcia (poprzeczne, podłużne, spiralne),
- punktowe wżery korozyjne,
- dziury (uszkodzenia mechaniczne w wyniku prowadzonych prac ziemnych lub nacisku elementów znajdujących się w gruncie na ściany rury),
- rozdzielenie połączeń (np. połączenia kielichowe),
- uszkodzenia połączeń (złamanie kielicha, uszkodzenie zgrzewu),
- uszkodzenia uszczelnienia.
Awaria przewodu wodociągowego prowadzi do zwiększenia objętości strat wody, konieczności wykonania naprawy, a tym samym do zaangażowania ekip eksploatacyjnych, poniesienia nakładów inwestycyjnych na przywrócenie przewodu i terenu wokół miejsca awarii do stanu przed awarią.
Umiejętność zarządzania częstotliwością występowania awarii w systemie dystrybucji wody opiera się na odpowiednim stosowaniu czterech filarów zarządzania stratami wody [7]:
- szybkość i jakość napraw,
- zarządzanie ciśnieniem w sieci,
- jakość materiałów używanych do budowy oraz napraw,
- prowadzenie aktywnej kontroli wycieków.
Oceny awaryjności przewodów wodociągowych dokonuje się przy użyciu wskaźników uszkodzeń [9]:
a) jednostkowy wskaźnik intensywności uszkodzeń dla obiektów liniowych (przewody, rury) [9]:
b) jednostkowy wskaźnik intensywności uszkodzeń dla obiektów punktowych (np. zasuwy) [9]:
gdzie:
λ(Δt) – jednostkowy wskaźnik intensywności uszkodzeń dla obiektów liniowych [uszk./km/rok] i innych [uszk./jedn./rok];
n(Δt) – liczba uszkodzeń w czasie Δt;
L – długość badanych przewodów w czasie Δt [km];
N – liczba badanych obiektów punktowych w przedziale czasu Δt;
Δt – rozpatrywany przedział czasu [lata].
Wartości jednostkowych wskaźników intensywności uszkodzeń porównuje się do wartości zaproponowanych przez Kwietniewskiego [6] i określających trzy poziomy intensywności awarii:
niska awaryjność – λ ≤ 0,1;
średnia awaryjność – 0,1 < λ ≤ 0,5;
wysoka awaryjność – λ > 0,5.
Ważnym punktem odniesienia dla oceny stanu systemów dystrybucji wody jest wartość średnia wskaźnika intensywności uszkodzeń dla Polski określonego przez Bergela jako λ = 0,27 uszk./km/rok [3]. Wartość wskaźnika została określona na podstawie badań wykonanych w oparciu o informacje z 374 systemów wodociągowych.
2. Materiały i metody
Obszar badawczy, dla którego wykonano obliczenia i analizę wartości wskaźników intensywności uszkodzeń systemów dystrybucji wody w jednostkach administracyjnych stanowiły trzy województwa położone w północnej części Polski, tj. województwo pomorskie, województwo warmińsko-mazurskie oraz województwo zachodniopomorskie (rys. 1).
W skład obszaru badawczego wchodzi 9 miast na prawach powiatu, 53 powiaty i 342 gminy. Większa część obszaru badawczego stanowiła w przeszłości obszar Prus Wschodnich. W centrach miast i miejscowości bardzo często eksploatowane są przewody wodociągowe wybudowane przez niemieckich inżynierów.
Systemy dystrybucji wody rozwijały się z wykorzystaniem słabej jakości materiałów żeliwnych z lat 70. XX wieku, rur azbestocementowych, rur z PVC, a dalej rur z PE. Coraz więcej najstarszych odcinków sieci wodociągowych wymienianych jest na nowe materiały PEHD lub żeliwo sferoidalne.
Do obliczeń i analizy wykorzystano dane opublikowane przez Główny Urząd Statystyczny (GUS) dla lat 2015-2018 [11]. Obliczenia wskaźników intensywności uszkodzeń wykonano dla jednostek administracyjnych każdego z powiatów w obszarze badawczym. Do oceny stopnia awaryjności ustanowiono pięć przedziałów (na podstawie uzyskanych wyników):
- niska awaryjność – λ ≤ 0,1 [uszk./km/rok],
- średnia awaryjność – 0,1 < λ ≤ 0,5 [uszk./km/rok],
- wysoka awaryjność stopnia I – 0,5 < λ ≤ 1,0 [uszk./km/rok],
- wysoka awaryjność stopnia II – 1,0 < λ ≤ 5,0 [uszk./km/rok],
- wysoka awaryjność stopnia III – 5,0 < λ ≤ 15,0 [uszk./km/rok].
3. Wyniki
Minimalne wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń przewodów wodociągowych w poszczególnych powiatach na przestrzeni lat 2015-2018 zaprezentowano na rys. 2.
W 53 powiatach uzyskano niską awaryjność, tj. minimalna wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła λ < 0,1 uszk./km/rok. W 6 powiatach uzyskano średnią awaryjność, tj. minimalna wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła 0,1 < λ < 0,5 uszk./km/rok. W 3 powiatach uzyskano wysoką awaryjność stopnia I, tj. minimalna wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła 0,5 < λ < 1,0 uszk./km/rok
Średnie wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń przewodów wodociągowych w poszczególnych powiatach na przestrzeni lat 2015-2018 zaprezentowano na rys. 3.
W trzech powiatach uzyskano niską awaryjność, tj. średnia wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła λ < 0,1 uszk./km/rok. W 43 powiatach uzyskano średnią awaryjność, tj. średnia wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła 0,1 < λ < 0,5 uszk./km/rok. W 13 powiatach uzyskano wysoką awaryjność stopnia I, tj. średnia wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła 0,5 < λ < 1,0 uszk./km/rok. W trzech powiatach uzyskano wysoką awaryjność stopnia II, tj. średnia wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła 1,0 < λ < 5,0 uszk./km/rok.
Maksymalne wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń przewodów wodociągowych w poszczególnych powiatach na przestrzeni lat 2015-2018 zaprezentowano na rys. 4.
W żadnym powiecie nie uzyskano niskiej awaryjności, tj. maksymalna wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła λ < 0,1 uszk./km/rok. W 8 powiatach uzyskano średnią awaryjność, tj. maksymalna wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła 0,1 < λ < 0,5 uszk./km/rok. W 23 powiatach uzyskano wysoką awaryjność stopnia I, tj. maksymalna wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła 0,5 < λ < 1,0 uszk./km/rok. W 29 powiatach uzyskano wysoką awaryjność stopnia II, tj. maksymalna wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła 1,0 < λ < 5,0 uszk./km/rok. W dwóch powiatach uzyskano wysoką awaryjność stopnia III, tj. maksymalna wartość wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostce administracyjnej danego powiatu wynosiła 5,0 < λ < 15,0 uszk./km/rok.
Uzyskane wyniki wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń w jednostkach ewidencyjnych zostały zebrane i przedstawiono ich rozkład dla poszczególnych województw obszaru badawczego dla każdego z lat 2015-2018. W trakcie analizy odrzucono uzyskane górne wartości ekstremalne większe niż Q3 + IQR3 oraz górne outliery większe niż Q3 + IQR 1,5
W roku 2015 (rys. 5) uzyskano mediany wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń λ = 0,17 uszk./km/rok dla woj. pomorskiego, λ = 0,18 uszk./km/rok dla woj. warmińsko-mazurskiego, λ = 0,22 uszk./km/rok dla woj. zachodniopomorskiego. Najwyższy wynik niebędący wartością ekstremalną lub wartością odstającą przekroczył wartość λ = 1,0 uszk./km/rok dla woj. warmińsko-mazurskiego i zachodniopomorskiego. 75% uzyskanych wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń we wszystkich województwach było mniejszych niż λ = 0,5 uszk./km/rok.
W roku 2016 (rys. 6) uzyskano mediany wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń λ = 0,16 uszk./km/rok dla woj. pomorskiego, λ = 0,17 uszk./km/rok dla woj. warmińsko-mazurskiego, λ = 0,21 uszk./km/rok dla woj. zachodniopomorskiego. Najwyższy wynik niebędący wartością ekstremalną lub wartością odstającą przekroczył wartość λ = 1,0 uszk./km/rok dla woj. zachodniopomorskiego. W pozostałych województwach wartość ta nie przekroczyła λ = 0,8 uszk./km/rok. 75% uzyskanych wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń we wszystkich województwach było mniejsze niż λ = 0,5 uszk./km/rok.
W roku 2017 (rys. 7) uzyskano mediany wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń λ = 0,16 uszk./km/rok dla woj. pomorskiego, λ = 0,19 uszk./km/rok dla województwa warmińsko-mazurskiego, λ = 0,26 uszk./km/rok dla województwa zachodniopomorskiego. Najwyższy wynik niebędący wartością ekstremalną lub wartością odstającą przekroczył wartość λ = 1,0 uszk./km/rok dla województwa zachodniopomorskiego. W woj. pomorskim był niższy niż wartość λ = 0,8 uszk./km/rok, a w woj. warmińsko-mazurskim był niższy niż wartość λ = 1,0 uszk./km/rok. 75% uzyskanych wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń w województwach pomorskim i warmińsko-mazurskim było mniejsze niż λ = 0,5 uszk./km/rok.
W roku 2018 (rys. 8) uzyskano mediany wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń λ = 0,15 uszk./km/rok dla woj. pomorskiego, λ = 0,17 uszk./km/rok dla woj. warmińsko-mazurskiego, λ = 0,20 uszk./km/rok dla woj. zachodniopomorskiego. Najwyższy wynik niebędący wartością ekstremalną lub wartością odstającą nie przekroczył wartości λ = 1,0 uszk./km/rok dla wszystkich województw. 75% uzyskanych wartości wskaźnika intensywności uszkodzeń we wszystkich województwach było mniejsze niż λ = 0,5 uszk./km/rok.
4. Dyskusja wyników
Uzyskane wyniki mediany wartości wskaźników intensywności uszkodzeń w analizowanym okresie (2015-2018) na obszarze badawczym w każdym województwie nie przekroczyły wartości λ = 0,27 uszk./km/rok, czyli średniej wartości dla Polski według badań Bergela. Mediany wartości wskaźników intensywności uszkodzeń zmieniały się w zakresie od 0,15 do 0,26 uszk./km/rok. W każdym z analizowanych lat najmniejsze wartości wskaźników intensywności uszkodzeń uzyskiwano w województwie pomorskim, a największe w województwie zachodniopomorskim. Wynika z tego, iż przynajmniej połowa systemów dystrybucyjnych wody na badanym obszarze charakteryzuje się mniejszą awaryjnością niż średnia dla Polski.
Średnie wartości wskaźników intensywności uszkodzeń w powiatach wskazują, iż systemy wodociągowe charakteryzują się średnią lub wysoką awaryjnością. Potwierdzenie tego znajduje się w w wartościach maksymalnych wskaźników intensywności uszkodzeń zaobserwowanych w każdym z powiatów – tylko w 8 powiatach wartości wskaźników intensywności uszkodzeń wskazują na średnią awaryjność.
Z uwagi na dużą rozbieżność między wartościami mediany i wartościami średnimi wskaźników intensywności uszkodzeń zasadne jest korzystanie z wartości mediany do oceny awaryjności w poszczególnych powiatach i województwach.
5. Podsumowanie i wnioski
Przeprowadzone analizy mogą stanowić podstawę do dalszych badań problematyki awaryjności systemów dystrybucji wody w Polsce. Dane GUS stanowią ważny punkt wyjścia do ogólnego scharakteryzowania stanu awaryjności w jednostkach administracyjnych. Dane te zawierają jednak wiele informacji odbiegających od większości zbioru danych, przez co mogą zakłócać ogólny wynik analiz. Stąd też zdecydowano się w analizie wskaźników w województwach odrzucić wartości ekstremalne.
Otrzymane wartości średnie wskaźników intensywności uszkodzeń w powiatach obszaru badawczego wskazują, iż 69% powiatów charakteryzuje się średnią awaryjnością sieci wodociągowych, 26% wysoką awaryjnością, a jedynie 5% niską awaryjnością. Jednakże, biorąc pod uwagę wartości mediany wskaźników intensywności uszkodzeń, ponad połowa systemów dystrybucyjnych wody w obszarze badawczym charakteryzuje się lepszymi wynikami niż średnia dla Polski.
Uzyskane wyniki analiz można traktować jako uogólniony obraz awaryjności systemów dystrybucyjnych wody w badanym obszarze. Szczegółowym badaniom i ocenie należałoby poddać każdy system z osobna. Należy zwrócić również szczególną uwagę na jakość danych, np. rzetelność rejestracji awarii, rejestrację opisu awarii i jej przyczyn, zastosowanie systemów GIS do zarządzania systemami wodociągowymi.
6. Literatura
[1] Bajer J., Knapik K.: Wodociągi. Politechnika Krakowska, Kraków 2011.
[2] Bauer A., Dietze G., Müller W., Soiné K.J., Weideling D., 2005. Poradnik eksploatatora systemów zaopatrzenia w wodę. Wydawnictwo „Seidel-Przywecki” Sp. z o.o., Warszawa.
[3] Bergel T., Kaczor G., Bugajski P., 2013. Stan techniczny sieci wodociągowych w małych wodociągach województwa małopolskiego i podkarpackiego. Infrastruktura i ekologia terenów wiejskich, Nr 3/IV/2013, PAN, Oddział w Krakowie: 291–304.
[4] Berger M., Ways M., 2003. Poszukiwanie przecieków sieci wodociągowej. Wydawnictwo „Seidel-Przywecki” Sp. z o.o., Warszawa.
[5] Kunkel G.: Sturm R., Thornton J., 2008. Water Loss Control. The McGraw-Hill Companies.
[6] Kwietniewski M., 2013. Zastosowanie wskaźników strat wody do oceny efektywności jej dystrybucji w systemach wodociągowych. Ochrona środowiska, vol. 35, nr 4, 9-15.
[7] Lambert A., Hirner W., 2000. The blue pages the IWA information source on drinking water issues. Losses from Water Supply Systems: Standard Terminology and Recommended Performance Measures, IWA.
[8] Misiunas D., 2005. Failure Monitoring and Asset Condition Assessment in Water Supply Systems. Lund.
[9] Praca zbiorowa pod redakcją: Kwietniewski M., Tłoczek M., Wysocki L., 2011. Zasady doboru rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych do budowy przewodów wodociągowych. Izba Gospodarcza „Wodociągi Polskie”, Bydgoszcz.
[10] Pilcher R., 2003. Leak detection practices and techniques: a practical approach. WATER 21, 44-45.
[11] www.stat.gov.pl.
mgr inż. Kamil Świętochowski
Biuro Inżynierskie Wodnik Kamil Świętochowski
…
Źródło: Technologia Wody 6/2019
