Epanet 2.0 jako nástroj pro hydrotechnické posouzení vodovodu

Vodárenství 20 March 2019 20 March 2019 Hits: 3186

Předmětem článku je ukázka využití EPANET 2.0 jako nástroje k hydrotechnickému posouzení vodovodu na lokalitě města Blansko, jež je součástí skupinového vodovodu Blansko. Byl sestaven matematický simulační model stávajícího stavu, který byl doplněn o výhledové plánované odběry dle územního plánu a připravených investičních akcí pro rozšíření vodovodu. Jedná se o poměrně rozsáhlou vodovodní síť délky 55,76 km pro město Blansko a okolí, tedy pro cca 25 000 obyvatel, se 7 zásobních pásem a vysokým množstvím vodohospodářských objektů. Vytvořený model v EPANET 2.0 byl předán provozovateli jako živý otevřený nástroj s možností vlastní editace.

Tomáš Macsek, Pavel Mikulášek, Petr Tioka, Jakub Raček, Petr Hlavínek

Úvod

EPANET 2.0 je softwarová aplikace určená pro statickou a kvazi-dynamickou simulaci hydraulických poměrů a kvalitativních parametrů v tlakových trubních systémech. Jedná se o snadno ovladatelný analytický nástroj, který umožňuje lépe porozumět hydraulickým poměrům, pohybu Newtonovských kapalin a šíření znečištění v síti. V současné době je aplikace využívána po celém světě k analýzám distribučních systémů, výběru míst pro odběr vzorků vody, kalibracím hydraulických modelů, analýzám koncentrací zbytkového chloru atd.

Město Blansko včetně místních částí Dolní Lhota, Horní Lhota, Hořice, Olešná a Klepačov má vodovod pro veřejnou potřebu. Blansko včetně místních částí je zásobené pitnou vodou ze 2 jímacích území (JÚ):

JÚ Lažany;
JÚ Spešov.

Blansko může být dotováno vodou dle potřeby ze skupinového vodovodu Boskovice, jejíž přívod zajišťuje vodovodní přivaděč Boskovice - Blansko. Zdrojem skupinového vodovodu Boskovice je JÚ Velké Opatovice.

Vodovodní systém zásobení vodou města Blanska je velice složitý, dělí se na 7 zásobních pásem (VDJ Staré Blansko, VDJ Sadová II – odtok StBK, VDJ Sadová II - odtok z PK, VDJ Sever, VDJ Sadová III, VDJ 3000, VDJ Podlesí).

Tab. 1 Členění vodovodu ve městě Blansko (bez započtení přivaděčů)

Jedná se o poměrně rozsáhlou vodovodní síť pro město Blansko a okolí, tedy pro cca 25 000 obyvatel, se 7 zásobních pásem a vysokým množstvím vodohospodářských objektů. Všechny vodojemy jsou napojeny na vodárenský dispečink provozovatele v Boskovicích.

Z uvedené tabulky je zřejmý nepoměr délky sítě zásobního pásma VDJ Sadová II-odtok StBk v porovnání s ostatními pásmy. Je vysoce komplikované zjistit poruchu na síti, což pro provozovatele, a tedy i majitele vodohospodářské infrastruktury je časově a finančně náročné.

Hydrotechnické posouzení současného stavu

Hydrotechnické posouzení vodovodu Blansko, který je součástí skupinového vodovodu Blansko, je zpracováno prostřednictvím softwarového nástroje EPANET 2.0, s jehož využitím byl pro stávající vodovod v Blansku a přilehlého okolí sestaven matematický simulační model, který byl následně doplněn o výhledové plánované odběry.

V rámci hydrotechnického posouzení v aplikaci EPANET 2.0 byly použity mapové podklady z GIS poskytnuté od provozovatele s vložením do softwarové aplikace v souřadnicovém systému XY, byla provedena editace dat o stávajícím vodovodu včetně všech řešených vodohospodářských objektů. Byly nastaveny odběry, respektive odtoky z vodojemů pro provádění simulací se zaměřením zejména na průtočné množství, rychlosti vody v potrubí, tlakové poměry v síti a plnění/prázdnění akumulací vodojemů.

V zadání bylo provozovatelem požadováno posoudit:

hydrotechnické posouzení hydraulických poměrů na vodovodní síti;
posouzení vodovodní sítě na požární zásobování pitnou vodou;
optimální plnění vodojemů pro zásobování pitnou vodou;
posouzení objemů akumulací vody;
posouzení vodovodu pro připravované stavby;
návrh na rozčlenění zásobního pásma na menší měrné okrsky;
umístění měrných šachet;
investiční náklady provedených opatření;
vyčíslení provozní úspory a návratnost opatření;
zpracování manuálu pro model vodovodu.

Obr. 1 Situace širších vztahů – stávající stav

Hydrotechnické posouzení hydraulických poměrů na vodovodní síti

V rámci této ucelené části hydrotechnického posouzení je popsán postup tvorby modelu vodovodní sítě v simulačním matematickém modelu EPANET 2.0. Je řešen přepočet stávajícího stavu hydraulických poměrů na vodovodní síti, došlo k zohlednění stáří a poruchovosti části vodovodní sítě s návrhem harmonogramem obnovy jednotlivých úseků vodovodní sítě.

Postup tvorby modelu vodovodní sítě

Tvorba modelu v software EPANET 2.0 probíhala v následujících krocích, které je možné implementovat v případě hydrotechnického posouzení vodovodu jiné lokality:

Export topologie sítě v souřadnicích XY do softwarového prostředí EPANET 2.0
1. Vytvoření uzlů a hran z výkresového formátu *.dgn pomocí aplikace EpaCAD
2. Bylo vygenerováno celkem přes 6000 uzlů a hran.
Nastavení základních vlastností modelu
1. Jednotka vzdálenosti = m
2. Jednotka tlaku = m v.sl.
3. Jednotka průtoku = l·s^-1
4. Rovnice počítání ztrát = Darcy-Weisbach
Editace vygenerované sítě, optimalizace celkové sítě v software pro redukci uzlů a hran na cca 850 uzlů a 1000 hran
Přiřazení atributů jednotlivým uzlům a hranám
1. Uzly (Junction): Elevation: nadmořská výška
2. Hrany (Pipe): Tag: materiál-kategorie stáři
  - Kategorie stáři potrubí:
    - A – 2002 – současnost
    - B – 1986 - 2001
    - C – 1985 a starší
  - Diameter: průměr potrubí v [mm]
  - Roughness: drsnost v [mm]
  - Initial Status: otevřeno/zavřeno – nahrazuje šoupě
  - CV – úsek umožňuje proudění jenom v jednom směru

Přidání zdrojů vody (Reservoir)
- Total Head celková tlaková výška zdroju vody [m v. sl.]
Přidání vodojemů (Tanks)
- Elevation: nadmořská výška dna vodojemu [m n.m.]
- Initial Level: výška hladiny ve vodojemu v čase začátku simulace [m]
- Minimum Level: minimální možná výška vody ve vodojeme [m]
- Diameter: průměr kruhové akumulace vodojemu [m]
Přidání čerpadel (Pump)
- Pump Curve: číslo křivky čerpání čerpadla
- Initial Status: status čerpadla v čase spuštění simulace
Definování Q-H křivek čerpadel
Analýza dat odtoků z vodojemů do jednotlivých tlakových pásem
Zjištění koeficientů denních a hodinových nerovnoměrností a jejich zapsání do Pattern
Analýza velkoodběratelů dle dat poskytnutých provozovatelem vodovodu
Stanovení průměrného denního odběrů obyvatelstvem
Rozdělení odběrů vody obyvatelstvem (domácnosti) a velkoodběrateli do uzlů a přiřazení odběrového patternu pro jednotlivé odběry
Přiřazení tabulkových hodnot drsnosti potrubí na základě materiálu a stáří (tabulky dostupné na http://vodovod.info/index.php/extra/tabulky/196-drsnost-potrubi)
Nastavení spínání čerpadel na základě hladin ve VDJ
Nastavení manipulace elektro šoupat na základě provozních hladin ve VDJ)
Přidání FCV Valve (Flow control valve) pro škrcení průtoků
Přidání požárních hydrantů
Popis významných objektů vodovodní sítě

Zohlednění stáří vodovodu a poruchovosti vodovodní sítě

Na základě dat poskytnutých provozovatelem vodovodu, zejména informacím z GIS došlo ke stanovení metodiky pro kategorizaci stáří vodovodního potrubí:

kategorie A: stáří potrubí 2002–2017, stáří 15 let k roku hydrotechnického posouzení (2017);
kategorie B: stáří potrubí 1986-2001, stáří 16-31 let k roku hydrotechnického posouzení (2017);
kategorie C: stáří potrubí starší než 1985, stáří více než 32 let k roku hydrotechnického posouzení (2017).

Stáří potrubí bylo v simulačním modelu rozděleno do kategorie A až C dle výše uvedené metodiky. Pro hydrotechnické posouzení došlo ke stanovení drsnosti potrubí s ohledem na stáří potrubí a na druh materiálu potrubí. Drsnosti aplikované v simulačním modelu jsou zobrazeny v následující tabulce.

Tab. 2 Drsnosti podle materiálu a stáří potrubí

Přepočet stávajícího stavu hydraulických poměrů

Na základě informací poskytnutých provozovatelem vodovodu byly definovány průtoky z vodojemů, čerpaná množství, odběry pro domácnosti a pro velkoodběratele. Byla provedena simulace v „živém“ modelu v časovém kroku 5 minut s celkovou dobou trvání 168 hodin.

Simulační model respektuje rozdělení do 7 zásobních pásem (VDJ Staré Blansko, VDJ Sadová II – odtok StBK, VDJ Sadová II - odtok z PK, VDJ Sever, VDJ Sadová III, VDJ 3000, VDJ Podlesí) a 1 části s vysokotlakem.

V rámci modelu byly v simulačním modelu sledovány následující parametry:

rychlost v potrubí;
hydrodynamický tlak v uzlech;
průtok v potrubí.

Rychlost v potrubí: Vzhledem k snížení reálné spotřeby vody oproti uvažované v čase výstavby potrubí jsou současné dimenze potrubí v síti předimenzované. To způsobuje, že na zásobovacích řadech nepřesahuje rychlost proudění ve špičkách odběru rychlost 0,2 m.s^-1. Vyšší rychlosti jsou zaznamenána na hlavních přivaděčích do VDJ a ČS a ve výtlačných potrubích z ČS (0,3-1,0 m.s^-1). Rychlosti nad 1,5 m.s^-1 jsou dosahovány při plnění VDJ z vysokotlaku na úsecích s menším profilem (DN 100).

Hydrodynamický tlak v uzlech: Tlakové poměry vzhledem k velkému převýšení v rámci zájmové lokality se i pohybují v rozmezí 20-90 m v. sl. Z důvodu nízkých rychlosti na síti dochází jen k zanedbatelnému kolísání tlaků (s výjimkou výtlačných řadů) a to i při simulaci odběru požární vody (lokálně pokles tlaku cca o 2-3 m v. sl.) což potvrzují i vykonané hydrantové zkoušky. Na základě simulace a obdržených dat z hydrantových zkoušek je patrné, že hydrodynamické tlaky se u téměř polovině města Blanska pohybují nad 60 m v. sl. Takto vysoké tlaky mohou mít nepříznivý vliv na úniky vody a životnosti potrubí.

Posouzení vodovodní sítě na požární zásobování pitnou vodou

V simulačním modelu je provedeno posouzení vodovodní sítě na požární zásobování pitnou vodou pro stávající požární hydranty definované provozovatelem vodovodu. Jedná se celkem o 21 požárních hydrantů. K požárním hydrantům provozovatel vodovodu předal i zkoušky hydrantů, u kterých byla provedena částečná kalibrace simulačního modelu vodovodu. Maximální požadovaný průtok pro převážnou část hydrantů byl 6 l.s^-1, 3 kusy požárních hydrantů byly zkoušeny na průtok 9,5 l.s^-1.

Simulací fiktivního požáru postupně na jednotlivých požárních hydrantech v denním provoze s předpokládanou dobou požáru 2 hodiny a odběrem vody 6 l.s^-1 nebo 9,5 l.s^-1 nedošlo ke nepřípustnému snížení tlaku ve vodovodním systému ani lokalitách s nízkým hydrostatickým tlakem (do 20 m v.s.l.).

Obr. 2 Příklad průběhu výšky hladiny ve VDJ Sadová II

Plnění vodojemů pro zásobování pitnou vodou a posouzení objemů

V rámci simulačního modelu bylo posouzeno plnění vodojemů na základě současně nastavených provozních hladin, spínání čerpadel a manipulace elektro šoupat na přítocích do VDJ. Z týdenní simulace v hydraulickém modelu vyplývá, že objemy řešených vodojemů jsou při současném provozu a při současných odběrech dostatečné a mají dostatečnou kapacitu i pro pokrytí potřeby požární vody.

Obr. 3 Koeficienty hodinové nerovnoměrnosti pro tlakové pásmo Sadová II

Zpracování manuálu pro model vodovodu

Zpracování manuálu v českém jazyce pro zpracovaný model v simulačním matematickém programu EPANET 2.0 k vytvořenému modelu hydrotechnického posouzení bylo provedeno a s předpokladem pro využití v praxi zaměstnanci VODÁRENSKÁ AKCIOVÁ SPOLEČNOST, a.s., divize Boskovice.

Hydrotechnické posouzení výhledového stavu

Byl vytvořen model pro simulaci výhledového stavu vodovodního systému města Blansko se zohledněním územního plánu rozvoje města a připravovaných staveb a s návrhy na změny provozu plnění jednotlivých vodojemů..

Obr. 4 Situace širších vztahů – výhledový stav

V rámci modelu výhledového stavu je proveden návrh na rozčlenění pásma VDJ Sadová II – pásmo I na menší měrné okrsky, celkem na 4 ucelené části se samostatným měřením průtoků.

V rámci hydrotechnického posouzení bylo možné odborně odhadnout provozní úsporu rozčlenění I. tlakového pásma na 4 menší měrné okrsky s instalací hydrantů se šoupaty a vodoměrných šachet s průtokoměry. Po vybudování těchto opatření dojde provozním úsporám spočívajícím v šetření pracovních sil pro snadnější zjištění budoucích předpokládaných poruch na vodovodní síti a s tím souvisejícímu menšímu úniku pitné vody z vodovodního systému. Návratnost vynaložených finančních prostředků na provedená opatření lze odborně odhadnout na cca 7 let od realizace opatření.

Obr. 5 Příklad rozdělení tlakového pásma na menší ucelené části s doporučením pro měření průtoků

Z analýzy výhledového stavu pro změnu provozu plnění vodojemu byl zjištěn nedostatečný výkon čerpadel v ČS Spešov pro nový provoz VDJ 3000, což by mělo za následek vyprázdnění vodojemu a výpadek v dodávce pitné vody. Na základě modelu byly navrženy minimální požadavky na čerpaný průtok pro zachování stability v dodávce pitné vody.

Praktické využití hydraulického posouzení, tedy vyhodnocení provozovatelem vodovodu po ročním provozu od realizace opatření je spatřováno v následujícím. Hydraulické posouzení teoreticky ověřilo, že lze realizovat rozdělení rozsáhlé vodovodní sítě na menší okrsky, dále že lze uzavřít některé části okruhové sítě, snížit množství propojů mezi zásobními pásmy a neomezit přitom kapacitu sítě. VAS provedla uzavření 3 propojů okruhové sítě. Bylo vybudováno celkem 5 měrných profilů. Původní pásmo délky sítě 26 km bylo rozděleno na okrsky délky do 5 km. Ze všech měrných profilů realizujeme přenos na vodárenský dispečink. Součet všech těchto opatření znamenalo zrychlení dohledávání skrytých poruch v řádu jednotek dnů, což se pozitivně odrazilo ve snížení ztrát vody.

Závěr

Lze konstatovat, že došlo k naplnění představy provozovatele a majitele vodovodu, bylo provedeno hydrotechnické posouzení hydraulických poměrů ve vodovodní síti, došlo k posouzení vodovodní sítě na požární zásobování pitnou vodou, došlo k posouzení objemů akumulací vody, vodovod byl posouzen s ohledem na připravované stavby, došlo k rozdělení na menší měrné okrsky s umístěním měrných šachet, byly vyčísleny investiční náklady navržených opatření, byly vyčísleny provozní úspory s návratností navržených opatření a byl zpracován manuál pro model vodovodu pro provozovatele. Praktické využití provozovatelem vodovodu VAS, a.s. po ročním provozu je v zrychlení dohledání skrytých poruch, což se projevilo pozitivně ve snížení ztrát vody. Výše uvedený postup je možné aplikovat v případě dalších lokalit za účelem hydrotechnického posouzení vodovodu.

Literatura

Výzkumná zpráva č. SR 12757151/8500/2017 a č. SR 12757164/8500/2017, Blansko, hydrotechnické posouzení vodovodu, vypracovaná Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, 01/2018.
Územní plán města Blansko.
Provozní řády a dodatky provozních řádů, údaje o velkoodběratelích, údaje o provozování v systémů, údaje o provozních hladinách, souhrnné objemy vody za rok 2017, situace požárních hydrantů, hydrantové zkoušky na požárních hydrantech z roku 2015, údaje z průtokoměrů z vtoku a odtoku vodohospodářské infrastruktury za období 1.10.2017-30.11.2017 poskytnuty dispečinkem VAS a.s.
Internetové stránky dostupné z https://maps.google.cz/.
Internetové stránky dostupné z https://mapy.cz/;
Internetové stránky dostupné z https://www.blansko.cz/.
Internetové stránky dostupné z https://mapy.geology.cz/geocr50/.
Internetové stránky dostupné z https://www.epa.gov/water-research/epanet.
Internetové stránky dostupné z http://vodovod.info/index.php/extra/tabulky/196-drsnost-potrubi

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I"." Tento článek je výsledkem spolupráce s „Svazkem vodovodů a kanalizací“ měst a obcí a VODÁRENSKOU AKCIOVOU SPOLEČNOSTÍ, a.s.

Autoři

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Ing. Pavel Mikulášek, VODÁRENSKÁ AKCIOVÁ SPOLEČNOST, a.s., Soběšická 820/156, 638 00 Brno, divize Boskovice, 17. listopadu 14, 680 19 Boskovice, Česká republika

Ing. Petr Tioka, „Svazek vodovodů a kanalizací“ měst a obcí, 17. listopadu 14, 680 19 Boskovice, Česká republika

Ing. Jakub Raček, Ph.D., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Recenze

Článek byl recenzován. Recenze jsou uloženy v redakci.

Bibliografická citace

Macsek, T., Mikulášek, P., Tioka, P., Raček, J., Hlavínek, P. Epanet 2.0 jako nástroj pro hydrotechnické posouzení vodovodu. Vodovod.info - vodárenský informační portál[online]. 20.3.2019, 03/2019, [cit. 2019-03-20]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.

English Summary

The article deals with the application of the EPANET 2.0 software for hydraulic simulation of pressure and flow conditions in the water supply network of the city Blansko.