Měření a výpočet kapacity vodovodních přivaděčů - matematické modelování Ing. Jan Berka; Ing. Rostislav Kasal Ph.D.; Ing. Jan Cihlář VRV a.s. Úvod Matematické modelování je moderním nástrojem pro posouzení a návrh zásahů do systému zásobování vodou. Zpracovaný zkalibrovaný matematický model umožňuje posouzení stávajícího systému zásobování vodou v návaznosti na připojení dalších lokalit. Základním podkladem pro kalibraci modelu je měření kapacity vodovodní sítě. Měření je založeno na měření tlaků a průtoků ve vodovodní síti a provádění hydrantových testů pro zvýšení zátěže vodovodní sítě dodatečným odběrem. V rámci analýzy byla vybrána metodika řešení ve vybrané lokalitě Úvalska. Příkladem stavby a následným technickým opatření, jejímž cílem bylo vyhodnotit kapacitu vodovodního řadu je Měření kapacity Úvalského vodovodního přivaděče. Zprovozněním Úvalského přivaděče v prosinci roku 2009 došlo napojení Úvalského regionu na Káranský vodovodní systém. Během zimního provozu tohoto přivaděče se zjistilo, že stávající vodovodní řady mimo rozsah nově realizovaného systému vykazují nedostatečnou průtokovou kapacitu. Cílem projektu Měření kapacity Úvalského vodovodního přivaděče bylo zjištění a lokalizování míst (úseků) na Úvalském přivaděči, s nedostatečnou kapacitou a s největšími tlakovými ztrátami. Provozovatelé na Úvalském přivaděči provedli průzkumnou kampaň: byly protočeny šoupátka, zkontrolována vytipovaná místa, kde by mohl být problém s kapacitou potrubí. Dále byl proveden výřez na stávajícím potrubí DN 200 a odposlech uzlových bodů (detekce šumu) v místě šoupátek. Průzkumem provozovatele v části Jirny a Nové Jirny nebyl zjištěn zdroj ztrát v přivaděči. Z tohoto důvodu byla navržena základní měrná kampaň, na základě které byly určeny úseky Úvalského přivaděče, které vykazovaly největší tlakové ztráty na 1 km potrubí a zkalibrován matematický model. Detailní měrná kampaň, navazovala bezprostředně na základní měrnou kampaň a jejím cílem bylo přesnější určení nekapacitních míst v rámci úseků, která vyšly z hlediska tlakových ztrát nejhůře z předešlé kampaně. 165
Obr. 1 Celková situace Úvalského přivaděče s pražskou vodovodní síti a Škvoreckým vodovodem Metodika vyhodnocení kapacity měrných úseků v Úvalském přivaděči Metodika vyhodnocování kapacity Úvalského přivaděče vychází z měření poklesu kóty tlakové čáry mezi měrnými profily od zdroje (ČS U Kapličky) podél vodovodního přivaděče až do PČS Fibichova na konci vodovodního systému během hydrantového testu pro zvýšení zátěže vodovodní sítě, při které se měřily ve stejný časový okamžik tlaky (v podzemních hydrantech) a průtoky v potrubí. Z rozdílů tlakových výšek mezi úseky, které byly dány počtem funkčních hydrantů a výkopů s navrtávkami, se vypočítaly jednotlivé tlakové ztráty v úsecích, na základě kterých byla vyhodnocena jejich kapacita. Celková ztráta v přivaděči je pak dána součtem všech tlakových ztrát. Aby mohla být vypočítána kóta tlakové čáry v jednotlivých měrných profilech, byly všechny podzemní a nadzemní hydranty a místa navrtávky na potrubí geodeticky zaměřeny. Koncový tlak vodovodního přivaděče PP3 byl měřen pomocí dat dispečerského systému. Základní a detailní měrná kampaň Základní měrná kampaň pro měření a výpočet kapacity Úvalského přivaděče proběhla 16. 3. 2010, na základě které byly určeny dva úseky Úvalského přivaděče B2 a B3, které vykazovaly největší tlakové ztráty na 1 km potrubí. Detailní měrná kampaň, která se konala 29. 4. 2010, navazovala bezprostředně na tuto základní měrnou kampaň a jejím cílem bylo přesnější určení míst v rámci úseků B2 a B3, která vyšly v základní měrné kampani kapacitně nejhorší. Plán základní měrné kampaně vycházel z reálných podmínek na síti, především z rozmístění funkčních hydrantů. Plán měrné kampaně znázorňuje Obr. 2. 166
Obr. 2 Plán základní měrné kampaně měření tlaků a průtoků s hydrantovými testy Během měrné kampaně se měřily tlaky deseti datalogery osazené na podzemní hydranty a proběhly dva hydrantové testy. Měrné body PP1, QP1, PP2, QP2, PP3 a QP3 byly vyhodnoceny na základě dat stálého SCADA měření získané od provozovatele. Během detailní měrné kampaně se měřily tlaky v rámci úseků B2 a B3, které se rozdělily na dalších sedm nových měrných úseků B2a, B2b, B3a, B3b, B3c, B3d a B3e. Aby se mohly úseky B2 a B3 rozdělit na kratší vzdálenosti, musel se udělat výkop s navrtávkou a také opravit některé podzemní hydranty. Obr. 3 Plán detailní měrné kampaně rozdělení vyhodnocované části přivaděče na měrné úseky 167
Matematický model Úvalského vodovodního přivaděče Matematický model Úvalského přivaděče byl kalibrován na základě měrné kampaně z 16. 3. 2010 a následně verifikován z výsledků měření detailní měrné kampaně, která se konala 29. 4. 2010. Pomocí zkalibrovaného modelu byla vyhodnocena koncepčnímu řešení pro výhledový stav a navrhovaná opatření na Úvalském přivaděči. Obr. 4 Ukázka kalibračního grafu měrný profil P10 Vyhodnocení výsledků měření a výpočtů základní měrné kampaně Z vyhodnocení výsledků základního měření a výpočtů matematického modelu vyplynulo, že nedostatečná průtoková kapacita Úvalského přivaděče je ve starém řadu zejména pak mezi obcemi Jirny a Nové Jirny v úsecích B2 a B3 mezi tlakoměry P7 a P9 (ulice Luční a Brandýská v Jirnech) a tlakoměry P9 a P10 (ulice Hlavní, V Alejích a V Dubinách v Nových Jirnech). V následujících tabulkách a grafech jsou tyto závěry prezentovány. Obr. 5 Vyznačení měrných úseků B2 a B3, které vykazují největší tlakové ztráty na 1 km potrubí v rámci Úvalského přivaděče s tabulkovým vyhodnocením 168
Obr. 6 Časový průběh kót tlakových čar měrných profilů P1 až P10 s hydrantovými testy Vyhodnocení tlakových a průtokových poměrů měrných úseků B2 a B3 Úvalského přivaděče Z vyhodnocení výsledků detailního měření vyplynulo, že kapacitní nedostatečnost není způsobena lokálním škrcením na jednom místě, ale velké tlakové ztráty jsou ve všech sledovaných měrných úsecích. Nicméně největší tlakové ztráty na 1 km potrubí v rámci sledovaných úseků B2 a B3 jsou v úsecích B2b, B3a a B3b mezi tlakoměry P7a až P9c. Obr. 7 Podélný profil tlakové čáry Úvalského přivaděče při čerpacím testu PČS Fibichova 169
V těchto úsecích, jejichž celková délka je cca 700 m (což je 15,6 % délky staré části Úvalského přivaděče), došlo k poklesu tlakové čáry během čerpacího testu stanice Fibichova o 32% z celkové tlakové ztráty staré části Úvalského přivaděče. Během čerpacího testu PČS Fibichova se zkoušelo, jaké maximální množství se dá čerpat do vodojemu Rohožník při snížení tlaku na nátoku PČS Fibichova na minimální provozní hodnotu (0.8 ATM). Z tohoto testu vyšlo, že se maximální výtlačný průtok do vodojemu Rohožník při stávajících kapacitních podmínkách Úvalského přivaděče, je jen 15 l/s. Závěry a doporučení Cílem projektu Měření kapacity Úvalského vodovodního přivaděče bylo zjištění a lokalizování míst (úseků) na Úvalském přivaděči, s nedostatečnou kapacitou a s největšími tlakovými ztrátami. Postup provedených prací: základní měrná kampaň, geodetické zaměření, stavba modelu, kalibrace vyhodnocení, zvolení dalšího postupu, podrobná měrná kampaň, verifikace modelu vyhodnocení, kamerový průzkum vyhodnocení, zvolení dalšího postupu, technická opatření čištění potrubí vysokotlakem, další koncepční opatření Z vyhodnocení výsledků základního měření a výpočtů matematického modelu vyplynulo, že nedostatečná průtoková kapacita Úvalského přivaděče je ve starém řadu zejména pak v části obce Jirny a Nové Jirny (měrné úseky B2 a B3). Detailní měrná kampaň, navazovala bezprostředně na základní měrnou kampaň a jejím výsledkem bylo přesnější určení nekapacitních míst v rámci úseků B2 a B3, která vyšly z hlediska tlakových ztrát nejhůře z předešlé kampaně. Z vyhodnocení výsledků detailního měření vyplynulo, že kapacitní nedostatečnost není způsobena lokálním škrcením na jednom místě, ale velké tlakové ztráty jsou způsobeny velkými inkrustacemi podél potrubí ve všech sledovaných měrných úsecích. Nejhorší tlakové ztráty na 1 km potrubí pak vyšly v úsecích nacházejících se mezi obcemi Jirny a Nové Jirny. Výsledkem měření a matematického modelování bylo provedení technických a koncepčních opatření na skupinovém vodovodu umožňující bezpečné provedení požadované kapacity průtoku. Technickým opatřením pak bylo provedení čištění potrubí vysokotlakem v nejhorší části Úvalského přivaděče z hlediska tlakových ztrát. Vyčištění relativně krátkého potrubí (dl. 450 m) umožnilo zvýšení průtoku v celém systému cca o 17 % oproti stávajícímu průtočným poměrům. Matematické modelování podložené podrobným detailním měřením (včetně provedení hydrantových testů) je nezpochybnitelným nástrojem pro detekci problémových míst vodovodních sítí. Kontakt: Ing. Jan Berka, VRV a.s., Nábřežní 4, 150 56 Praha 5, tel. 257 110 278, mail: berka@vrv.cz Ing. Rostislav Kasal, Ph.D., VRV a.s., Nábřežní 4, 150 56 Praha 5, tel. 257 110 287, mail: kasal@vrv.cz 170