Matematický model vodovodní sítě obce Velké Přílepy

Transkript

1 Matematický model vodovodní sítě obce Velké Přílepy Hydraulická analýza vodovodní sítě ZPRACOVATEL: Vodárenská společnost Chrudim, a.s. Novoměstská Chrudim květen 2017

2 Obsah 1 Identifikační údaje Zadání Podklady Metodika řešení Rozsah řešeného území a princip zásobování pitnou vodou Topologie sítě Odběry a průtoky ve vodovodní síti Kalibrace modelu Měrná kampaň Kalibrace Verifikace Hydrantový test Posouzení vodovodní sítě obce Posouzení tlakových poměrů při stávajícím stavu Plánovaný rozvoj obce výpočet potřeby vody Návrh opatření Závěr...26

3 1 Identifikační údaje Zadavatel: Obec Velké Přílepy Pražská Velké Přílepy Kontaktní osoba zadavatele: Ing. Eva Aulická referentka Zpracovatel: Vodárenská společnost Chrudim, a.s. Novoměstská Chrudim Kontaktní osoba zhotovitele: Ing. Martin Soudek, Ph.D. vedoucí střediska vodohospodářsko-inženýrských služeb telefon:

4 2 Zadání Zadání studie je následující: sestavení matematického modelu vodovodní sítě obce Velké Přílepy kalibrace a verifikace modelu analýza a návrh opatření na vodovodní síti s ohledem na budoucí rozvoj obce 3 Podklady Pro zpracování matematického modelu byly použity následující podklady: [1] Osobní a písemná konzultace se zadavatelem [2] Geografický informační systém VaK Beroun, a.s. [3] Údaje o fakturaci pitné vody v dotčeném spotřebišti [4] Údaje z dispečinku průtoky, hladiny [5] Kontrolní měření tlaku a hydrantový test provedené provozovatelem [6] Mapový server ČÚZK datové podklady ZM10, ORTOFOTO, DMR4, KN, RÚIAN [7] Vyhláška 428/2001 Sb. ve znění pozdějších předpisů, kterou se provádí Zákon 274/2001 Sb. o vodovodech a kanalizacích pro veřejnou potřebu, ve znění pozdějších předpisů [8] EPANET2 Users Manual, Lewis A. Rossman, EPA, Cincinnati, September 2000 [9] Hydraulická analýza vodovodních sítí využití aplikace EPANET, T.Kučera, Brno, 2013 [10] GISWATER Manual, dostupné z [11] Norma ČSN Navrhování vodovodního potrubí [12] Norma ČSN Výpočet vnitřních vodovodů [13] Technický průvodce TP 7 Tesařík a kol. Vodárenství, SNTL Praha 1985 [14] Rozpracovaný územní plán obce Velké Přílepy [15] Vodovodní přivaděč Velké Přílepy, Statenice, Úholičky Projektová dokumentace pro provádění stavby 4

5 4 Metodika řešení 4.1 Rozsah řešeného území a princip zásobování pitnou vodou Studie řeší poměry ve vodovodní síti obce Velké Přílepy. Obec Velké Přílepy je připojena na vodovod Roztoky Velké Přílepy. Voda je přiváděna z VDJ Suchdol m 3 přívodným řadem DN 400 resp. DN 350 do vodojemu Žalov II. Přívodný řad pro obce Úholičky a Velké Přílepy je napojen v armaturní šachtě před VDJ Žalov II. přímo na přívodný řad z VDJ Suchdol. Přívodný řad pro obce Úholičky a Velké Přílepy DN 150 je veden do VDJ Velké Přílepy m 3. Obrázek 1 - Schéma vodovodní sítě obce Velké Přílepy Napouštění vodojemu je řízeno šoupětem (v schématu onačeno YV901), které se otvírá při 65% hladiny a zavírá při 80% hladiny. V případě nedostatečného plnění vodojemu (zejména v letních měsících) se šoupě YV901 při 45% hladiny uzavře a spustí se čerpadlo M5 na obtoku tohoto šoupěte a začne se otevírat šoupě před čerpadlem. Šoupě před čerpadlem (YV902) se uzavírá a potom se vypíná i čerpadlo při 55% hladiny. Poté se opět otevře šoupě YV901. Vlastní odtok z vodojem ve směru Velké Přílepy je posilován ATS osazenou třemi čerpadly (M1, M2 a M3). Tato čerpadla disponují frekvenčními měniči otáček, které 5

6 umožňují řízený průtok dle okamžité spotřeby. Mimo špičky je v provozu vždy jedno čerpadlo, v době špičkových odběrů pak dvě. Výstupní tlak je nastaven na cca 170 kpa a je vyrovnáván tlakovou nádobou objemu 200 l. Zásobování obcí Statenice a Úholičky z tohoto vodojemu je řešeno gravitačně. Obrázek 2 - Schéma vodojemu Velké Přílepy 4.2 Topologie sítě Nosným jádrem matematického modelu vodovodu je software EPANET. Pro potřeby výpočtu byl sestaven matematický model vodovodní sítě v prostředí softwaru QGIS s využitím nadstavby WATERGIS, která integruje klasický software pro modelování procesů ve vodovodních sítí EPANET do prostředí GIS s využitím databáze PostgreSQL. Toto řešení umožňuje komfortní práci při stavbě modelu s využitím všech prostředků geografických informačních systémů a prostorových databází. Všechny výše uvedené programy jsou volně šiřitelné. Koncovým výstupem vlastního matematického modelů zůstává soubor s příponou INP resp. NET jako nativní formát EPANETu. Prvky použité v modelu a jejich počet jsou popsány v následující tabulce. Tento model je schopen velmi podrobným způsobem popsat chování vodovodní sítě při jednotlivých zatěžovacích stavech. 6

7 Prvek (anglicky) Počet Vybrané zadávané parametry Uzel (Junction) 250 nadmořská výška, spotřeba vody a její průběh Trubní úsek (Pipe) 271 průměr, hydraulická drsnost (materiál) Vodojem (Tank) 1+2 ATS nadmořská výška, hladina (min/max), objem Nádrž (Reservoir) 1 nadmořská výška hladiny (neomezená zásoba vody) Čerpadlo (Pumps) 5 Q-H křivka Tabulka 1 - Prvky matematického modelu vodovodní sítě obce Velké Přílepy Z výše uvedené tabulky je patrné, že matematický model vodovodní sítě je poměrně rozsáhlý. Na následujícím obrázku je detailně zobrazena část řešeného území se zakreslenými trubními úseky a uzly. Obrázek 3 - Detail topologie matematického modelu vodovodní sítě 7

8 4.3 Odběry a průtoky ve vodovodní síti Informace o odběrech byly získány z podkladu [3] v podobě dlouhodobého denního průměru fakturované vody za jednotlivá odběrná místa, která byla jednoznačně identifikována prostřednictvím čísla popisného, resp. parcelního čísla. Informace o odběrech byla přiřazena adresným místům a definičním bodům parcel získaných z databáze RÚIAN. Spotřebiště obce Statenice a Úholičky bylo simulováno tzv. bodovým odběrem na základě měřeného průtoku (odtoku) z vodojemu. Obrázek 4 - Vizualizace odběrných míst v prostředí QGIS Protože výpočtové jádro EPANET pracuje s odběry v jednotlivých uzlech, byla počátečnímu a koncovému uzlu daného úseku přiřazena polovina odběru každého úseku. Tento přepočet byl proveden kontingenční tabulkou v MS EXCEL a hodnoty následně přeneseny do databáze. 8

9 Obrázek 5 - Časové rozdělení odtoku z vodojemu Obrázek 6 - Časové rozdělení odtoku z vodojemu Uvedené časové rozdělení průtoku zahrnuje pouze rozdělení během 24 hodin s časovým krokem 5minut. Toto rozdělení je pak přiřazeno uzlům sítě matematického modelu. Všechny hydraulické zatěžovací stavy tedy budou posuzovány kvazi dynamickým výpočtem o době trvání 24 hodin, časový krok 5 minut. Následně byl proveden přepočet stávající vodovodní sítě. Pro výpočet ztrát bylo použito Darcy-Wiesbachovy rovnice. 9

10 5 Kalibrace modelu 5.1 Měrná kampaň Kalibrace a verifikace modelu spočívá v porovnání hodnot skutečně změřených (tlak, průtok, hladina ve vodojemu) s hodnotami, které jsou výstupem výpočtu matematického modelu. Měrná kampaň je tedy nedílnou součástí každého relevantního matematického modelu vodovodní sítě. Vlastní měření tlaku probíhalo ve čtyřech etapách za použití až tří datallogerů. Poslední etapa měření byla spojena s tzv. hydrantovým testem (viz dále). Následující tabulka a mapa popisují umístění, průběh a typ měření. Datum Místa měření Poznámka KM1, KM2, KM3 měření tlaku s periodou 15 min KM3, KM4, KM5 měření tlaku s periodou 15 min KM7 doplňkové měření tlaku s periodou 30 s KM-HT1, KM-HT1 měření tlaku s periodou 30 s v rámci tzv. hydrantového testu Tabulka 2 - Přehled měrné kampaně Obrázek 7 - Umístění dataloggerů pro měření tlaku 10

11 5.2 Kalibrace Pro kalibraci bylo zvoleno měření z v měrných místech KM1, KM2 a KM3, pro verifikaci pak měření z 8.2. v měrných profilech KM4, KM5 a KM6. Na následujících grafech jsou prezentovány výsledky těchto měření v porovnání s výstupy matematického modelu. Obrázek 8 Kontrolní měření tlaku (KM1) Obrázek 9 - Kontrolní měření tlaku (KM2) 11

12 Obrázek 10 - Kontrolní měření tlaku (KM3) Obrázek 11- Hladina VDJ Velké Přílepy Obrázek 12 Odtok z vodojemu Velké Přílepy Výše uvedené grafy dokladují dobrou shodu matematického modelu s reálným stavem vodovodní sítě. 12

13 5.3 Verifikace Jak bylo uvedeno výše, tak pro verifikaci modelu bylo zvoleno měření z , které probíhalo v měrných profilech KM4, KM5, KM6. Základní parametry vstupující do matematického modelu zůstaly stejné, pouze byla upravena hodnota počáteční hladiny ve vodojemu. Následující grafy ukazují výsledky těchto měření v porovnání s výstupy matematického modelu. Obrázek 13 - Kontrolní měření tlaku (KM4) Obrázek 14 - Kontrolní měření tlaku (KM5) Obrázek 15 - Kontrolní měření tlaku (KM6) 13

14 Obrázek 16 - Hladina VDJ Velké Přílepy Výše uvedené grafy ukazují dobrou verifikační shodu matematického modelu s reálnými poměry ve vodovodní síti. Je potřeba si však uvědomit, že provedená měření zachycují tlak v síti po 15 minutách. Vzhledem ke skutečnosti, že v místní části Kamýk (prostor podchycený kontrolním měřením KM5) si spotřebitelé stěžují na znatelný pokles tlaku, který nebyl výše provedeným měřením prokázán, bylo po konzultaci s pořizovatelem studie a provozovatelem vodovodu přistoupeno k opakovanému kontrolnímu měření. To proběhlo ve dnech v Nerudově ulici čp 610 (KM7). Datalogger v tomto případě zaznamenával hodnoty tlaku každých 30 sekund. Z následujícího grafu je patrné, že k výkyvům tlaku v délce trvání maximálně dvě minuty skutečně dochází. Tento pokles tlaku však nebyl modelem zaznamenán (Obrázek 18). Pro dodatečné ověření správnosti matematického modelu byl dne proveden tzv. hydrantový test. 14

15 0:00:01 0:58:01 1:55:31 2:56:01 3:54:31 4:52:31 5:47:31 6:42:01 7:36:31 8:31:31 9:25:31 10:21:01 11:15:01 12:09:31 13:04:01 13:59:01 14:55:01 15:49:31 16:45:01 17:40:01 18:35:01 19:29:31 20:23:01 21:20:01 22:14:01 23:09:01 Tlak (m v. sl) Matematický model části vodovodní sítě obce Velké Přílepy Měření tlaku Nerudova č.p. 610 (KM7) Čas (h) Obrázek 17- Detailní záznam kontrolního měření tlaku (KM7) Obrázek 18 - Kontrolní měření tlaku vs. matematický model (KM7) 5.4 Hydrantový test Veškeré nestandardní jevy ve vodovodní síti jako uzavřené nebo přivřené uzávěry, snížení profilů řadů vlivem inkrustací, neexistující propoje mezi řady (v rozporu s dokumentací) atd. se v principu projevují poklesem tlaku v síti oproti stavu normálnímu. Abychom mohli využít této skutečnosti pro identifikaci problematických míst, musíme zajistit dva základní předpoklady. Předně musíme znát tlakové poměry, které by nastaly za normálního stavu. Tuto informaci jsme schopni získat pouze simulací v matematickém modelu. Další stěžejní podmínkou je získat dostatečný, tj. měřitelný pokles tlaku. Vzhledem k tomu, že velká většina rozvodných sítí je v ČR předimenzovaná, je nutno provádět měření za zvýšených průtokových poměrů. V zásobních sítích se typicky dosahuje zvýšení průtoků hydrantovými testy. 15

16 Vlastní realizace hydrantového testu proběhla následujícím způsobem. V problémové lokalitě Kamýk byly nainstalovány dva dataloggery (viz Obrázek 19). Dne došlo na čtyřech místech k postupnému opakovanému otevření hydrantů (viz Obrázek 19) Obrázek 19 - Hydrantový test Během hydrantového testu nebyl v problematické lokalitě zaznamenán mimořádný pokles tlaku síti. Dosažené maximální odběry okolo 2,7 l/s neměly zásadní vliv na tlakové poměry. Měřený pokles tlaku byl následně potvrzen simulací matematickým modelem. Hydrantovým testem byla potvrzena správná funkce matematického modelu. Během hydrantového testu byla taktéž sledována hodnota výstupního tlaku posilovací ATS na vodojemu V. Přílepy. Lze konstatovat, že během zvýšených odběrů (otevření hydrantu) nedocházelo k výrazným poklesům výstupního tlaku, které by měly za následek nedostatečné tlakové poměry ve vzdálenějších částech sítě. 16

17 6 Posouzení vodovodní sítě obce Dle zadání jsou posuzovány zejména tlakové poměry. Vodovodní sítě obce je v každém zatěžovacím stavu posouzena při chování během 24 hodin s časovým krokem 5 minut (kvazi dynamická analýza). S ohledem na velký rozsah zde nebudou publikovány všechny časové kroky, které jsou výstupem výpočtu (jsou však k dispozici v datové části této práce). 6.1 Posouzení tlakových poměrů při stávajícím stavu Při tomto zatěžovacím stavu je obec zásobována vodou z VDJ Velké Přílepy, který je osazen posilovací ATS. V době špičkových odběrů jsou v chodu dvě čerpadla (jedno na plný výkon, druhé s regulací výkonu frekvenčním měničem). Mimo špičky je v chodu pouze jedno čerpadlo. Tlakové poměr v lokalitě Horní H-Systém jsou řízeny ATS s průměrným výstupním tlakem cca 4,4 baru. Zároveň je tzv. bodovým odběrem simulován odtok z VDJ do spotřebiště Statenice a Úholičky. Výchozím stavem je časový krok v 20:00 hodin, který odpovídá špičkovým odběrům ze sítě a je prezentován na obrázku č. 20. Jednotlivé výpočetní uzly sítě jsou vždy označeny barevně dle tlaku. Barevná škála je uvedena v legendě. Podle [7] by tlak ve vodovodní síti měl být v rozmezí 0,15 0,6 (0,7) MPa v případě zástavby do dvou nadzemních podlaží. V případě zástavby nad 2 NP se dolní mez tlaku zvyšuje na 0,25 MPa. Výstupy z modelu jsou v metrech vodního sloupce (m v. sl.). Meze dle [7] pak odpovídají hodnotám (70) m v.sl. (resp (70) m v.sl.). Z obrázku je patrné, že k překročení mezí stanovených vyhláškou dochází zejména v nejníže položené části obce. Jedná se o ulice Na Rybníčku, Dany Medřické, Werichova, Roztocká. Tlakové poměry v ostatních částech obce jsou vyhovující. V lokalitě Kamýk však dochází ke krátkodobým poklesům tlaku v síti, které jsou pravděpodobně způsobeny kombinací tzv. hydraulických rázů a nedostatečné hydraulické kapacity sítě. Software EPANET hydraulický ráz simulovat nedokáže, ale byl potvrzen kontrolním měření z (viz Obrázek 21) a orientačním výpočtem. Hydraulické rázy jsou způsobeny následujícími faktory ev. jejich kombinací: nestandardní chování redukčního ventilu, který reguluje průtok směrem ke spotřebišti ve východní části Noutonic rychlé zavírání/otevírání klapky na přítoku do akumulace p. Čonky nestandardní chování ATS H-SYSTÉM Pro definitivní stanovení původu hydraulických rázů bude provedeno další kontrolní měření a místní šetření. 17

18 Obrázek 20- Stávající tlakové poměry v čase 20:00 18

19 Obrázek 21 Hydraulické rázy v síti měření Na obrázku výše je zobrazeno kontrolní měření tlaku a průtoku v předávacím bodě Čonka (na styku ulic B. Němcové a Halasova). Průtok, tj. odběr směrem Noutonice se přibližuje hodnotě 0,3 l/s. Náhlé poklesy tlaku (na obrázku identifikovány) červenou čarou přičítáme hydraulickým rázům ve vodovodní síti. 19

20 6.2 Plánovaný rozvoj obce výpočet potřeby vody Výpočet potřeby vody byl proveden na základě údajů poskytnutých zadavatelem a projednávaného územního plánu. Počet nově zásobených obyvatel je mírně naddimenzován. Potřebu vody uvádí následující tabulka a poloha plánované výstavby je patrná z níže publikované mapy. Do stávajícího matematického modelu byly tedy přidaný úseky a uzly sítě s vypočtenými odběry vody. Pracovní identifikátor plochy Počet obyvatel Typ zástavby m3/rok m3/den l/s 1 80 rodinné domy ,08 0, bytové domy ,21 0, rodinné domy ,82 0, rodinné domy ,60 0, dům seniorů ,59 1, rodinné domy ,60 0, bytové domy ,56 0, rodinné domy ,04 0, rodinné domy ,56 0, rodinné domy ,45 0, rodinné domy ,30 0,07 Celkem ,82 2,48 Tabulka 3 - Výpočet potřeby vody v rozvojových plochách 20

21 Obrázek 22 - Rozvojové plochy v obci včetně plánovaného počtu obyvatel 6.3 Návrh opatření S ohledem na výše popsané problémy v lokalitě Kamýk a plánovaný rozvoj obce je nutno postupně realizovat opatření, které zajistí bezproblémové zásobovaní obce vodou. Nezbytným předpokladem rozvoje obcí Velké Přílepy, Statenice a Úholičky je posílení kapacity vodovodního přivaděče z VDJ Žalov, případně i zvýšení akumulace VDJ Velké Přílepy až na 1800 m 3. Tato problematika je mimo rozsah předkládané práce a je řešena samostatnou studií. Návrh opatření byl diskutován se zadavatelem Propojení vodovodních řadů v ulicích B. Němcové a Halasova K stabilizaci tlakových poměrů v lokalitě Kamýk přispěje vybudovaní propojení PE DN 100 v délce cca 91 m, mezi ulicemi Boženy Němcové a Halasova. Voda bude tedy do problematické lokality natékat ze dvou směrů, což sebou nese i nezanedbatelné výhody v případě nečekaných poruch či havárií. Toto opatření je realizovatelné v krátkodobém horizontu a relativně finančně nenákladné. 21

22 6.3.2 Rekonstrukce přivaděče VDJ V. Přílepy ATS H-SYSTÉM na PE DN 250 Zásadním prvkem k posílení hydraulické kapacity sítě a udržitelnosti rozvoje obce je zbudování kapacitního přívodního řadu z VDJ Velké Přílepy k k ATS H-SYSTÉM délky cca 760 m v PE DN 250. Posílení kapacity v tomto úseku je nutné i z důvodu, že rozvoj lokality H-SYSTÉM není ukončen a dojde zde ke zvýšení odběrů. Výše popsaná opatření povedou ke zlepšení tlakových poměrů v lokalitě Kamýk při stávající spotřebě vody. Po provedení těchto opatření doporučeme provést kontrolní měření tlaku ve vybraných lokalitách Páteřní propojení DN 200 a ATS Kamýk V současnosti prochází rekonstrukcí vodovod v ulici Pod Hajnicí, kde dochází ke zvětšení dimenze na DN 200. Navrhujeme v započaté rekonstrukci postupně pokračovat tak, aby došlo k vybudování páteřního vodovodu v DN 200 od ATS H-SYSTÉM po styk ulic Halasova a B. Němcové v délce cca 1177 m. Rekonstrukce se týká ulic Roztocká, Nová, Pražská, Pod Lesem, Polní, Kladenská a Halasova. Současně navrhujeme v blízkosti fotbalového hřiště vybudovat ATS (Kamýk) s objemem akumulace 20 m 3 s vyzbrojením dvěma čerpadly o výkonu 8 l/s a dopravní výšce 44 m. Nezávislé tlakové pásmo této ATS bude postupně rozšiřováno v souladu s postupem výše popsané rekonstrukce páteřního vodovodu a rozvojem této části obce. Nezbytnou podmínkou pro rozšíření tlakového pásma je realizace propojení mezi ulicemi B. Němcové a Oblouková Zakruhování stávajících a navrhovaných vodovodních řadů Navrhujeme systematické zakruhování stávajících i plánovaných vodovodních řadů, které bude mít pozitivní vliv na stabilitu sítě. Minimalizace slepých koncových úseků v lokalitách s malými odběry (např. postupně zastavované rozvojové plochy) zajistí únosnou dobu zdržení pitné vody v síti Redukční ventil Roztocká V současné době jsou tlakové poměry ve východní, nejníže položené části obce, na hranici limitů stanovených vyhláškou [7]. Realizace výše navrhovaných opatření umožní v této části obce zřídit samostatné tlakové pásmo, které bude řízeno redukčním ventilem v ulici Roztocká (v blízkosti čp 153) s výstupním tlakem 3 bary. Všechna navrhovaná opatření a budoucí tlakové poměry jsou zachyceny na následujících obrázcích. Z nich je patrné, že realizace opatření zajistí bezproblémové zásobování obyvatel pitnou vodou a na celém území obce tlakové poměry předepsané vyhláškou [7]. 22

23 Obrázek 23 - Komplexní návrh opatření 23

24 Obrázek 24 - Tlakové poměry v síti v čase 20:00 - navrhovaný stav bez ATS Kamýk, rekonstrukce v DN250 a DN 200 v plném rozsahu realizována, RV Roztocká neosazen, rozvojové plochy naplněny 24

25 Obrázek 25 - Tlakové poměry v čase 20:00 po provedení všech navrhovaných opatření a naplnění rozvojových ploch 25

26 7 Závěr Matematický model a kontrolní měření tlaku prokázalo problémy ve vodovodní síti obce, které jsou způsobeny kombinací hydraulických rázů a nedostatečné hydraulické kapacity sítě. Byla navržena následující opatření, která postupně zlepší poměry v síti i s ohledem na plánovaný rozvoj obce: 1. propojení vodovodu v ulicích Boženy Němcové a Halasova (PE DN 100; délka cca 90 m; orientační cena Kč) 2. rekonstrukce přivaděče v úseku VDJ Velké Přílepy ATS H-SYSTÉM (PE DN 250; 766 m; Kč) 3. rekonstrukce páteřního vodovodu mezi ATS H- SYSTÉM a ulicí Halasova (PE DN 200; 1177 m; Kč) 4. vybudovaní ATS Kamýk s akumulací a zřízení samostatného tlakového pásma (objem akumulace 20 m 3, 2 ks čerpadel Q=8 l/s, H=44 m; výstupní tlak 4,2 bary; Kč) 5. zakruhovaní stávajících i navrhovaných vodovodních řadů, zásobování rozvojových ploch (PE DN 100; celková délka m; Kč) 6. osazení redukčního ventilu v ulici Roztocká a zřízení samostatného tlakového pásma (výstupní tlak 3 bary; Kč) Po každé realizované etapě opatření doporučujeme provést kontrolní měření tlaku a jeho ověření v matematickém modelu. Ing. Michal Nosál referent střediska vodohospodářsko-inženýrských služeb 26