Hodnocení technického stavu vodárenské infrastruktury jako základ tvorby plánů financování její obnovy

Stárnutí vodárenské infrastruktury a její obnova je celosvětovým problémem. Kontinuální obnova vodárenské infrastruktury a investice do této obnovy vyžadují obrovské finanční prostředky. Odhaduje se, že v průběhu následujících 20 let bude třeba investovat do vodovodních sítí v USA 77 mld. amerických dolarů. Obdobně bude třeba do vodovodních sítí v následujících 15 letech na území Kanady investovat 12,5 mld. dolarů ročně (Al-Barqawi, 2008). V České republice se ročně do obnovy vodárenské infrastruktury investuje cca 592 milionů EUR (Barák, 2012). Obdobná situace je i v dalších evropských zemích.

Ladislav Tuhovčák, Tomáš Kučera

1. Úvod

Finanční prostředky na kontinuální obnovu jsou omezené, a proto je potřeba je vynakládat efektivně tam, kde jsou potřeba nejvíce. Rozhodování o investicích do vodárenské infrastruktury je založena na důkladné znalosti jejího technického stavu a možnostech plnit požadované funkce

Hodnocení technického stavu vodárenské infrastruktury je do jisté míry limitováno legislativními požadavky příslušné země. V některých zemích legislativa stanovuje poměrně přesný postup a doporučuje způsob hodnocení technického stavu vodárenské infrastruktury (UKWIR, 2009, US EPA, 2009). Jiné země, jako například Česká republika, však v legislativě nemají zakotvený způsob ani metodu hodnocení technického stavu. Každá vodárenská společnost dle platné legislativy v České republice hodnotí systémy procentem opotřebení na základě vlastního uvážení. To však znamená, že není možné objektivně porovnávat technický stav vodárenských systémů hodnocených různými vodárenskými společnostmi.

Proto byla v rámci řešení v závěru tohoto článku zmíněného projektu ve spolupráci s vybranými českými vodárenskými společnostmi vyvinuta metodika TEA Water, která umožňuje předběžné hodnocení technického stavu vodárenské infrastruktury tak, aby bylo možné nejen efektivně vytipovat problémová místa a části systémů zásobování pitnou vodou, která by měla být zařazena do plánů financování jejich obnovy, ale také vzájemně porovnat posuzované systémy a jejich jednotlivé části mezi sebou.

2. Metodika hodnocení technického stavu

Návrh metodiky předběžného hodnocení technického stavu prvků vodovodů vychází z obecné metody FMEA. Metoda FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) umožňuje semikvantitativní hodnocení posuzovaných systému a jeho prvků. Pro hodnocení vodárenských systémů metodou FMEA je nutno stanovit konkrétní technické ukazatele pro jednotlivé části a objekty systémů zásobování pitnou vodou. Pro každý technický ukazatel se následně definují způsoby jeho stanovení, potřebná vstupní data, fyzikální rozměr a způsob jeho hodnocení a prezentace.

Aby bylo možno posuzovat jednotlivé části a objekty vodárenských distribučních systémů je metodika stejně jako vodárenský systém rozdělen na následující samostatné moduly:

• Modul TEAR – Vodní zdroje
• Modul TEAT – Úpravny vody
• Modul TEAM – Přiváděcí řady
• Modul TEAA – Vodojemy
• Modul TEAP – Čerpací stanice
• Modul TEAN – Vodovodní síť
• Modul TEAS – Vodovodní řady

Celkové hodnocení posuzovaného objektu resp. části posuzovaného vodárenského systému příslušným modulem je založeno na hodnocení dvou základních části každého objektu resp. části WDS:

• Stavebně technické (ST)
• Technologicko provozní (TP)

Hodnocení jednotlivých částí se skládá z:

• Stavebně technická (ST) část – z hodnocení Stavebně technických ukazatelů (ST₁,…,ST_n), kde v rámci každého modulu jsou pro ST část navržena sada ST ukazatelů, které se snaží postihnout skutečný stavební a technický stav této části posuzovaného objektu.
• Technologicko provozní (TP) část – z hodnocení Technologicko provozních ukazatelů (TP₁,…,TP_n), kde pro tuto část byla rovněž pro každý modul navržena sada ukazatelů, které se snaží postihnout provozní parametry posuzovaného objektu.

Oproti standardní metodě FMEA je navrhovaná metodika rozšířena o další úroveň – faktory (F). Technické ukazatele se zde nehodnotí přímo, ale pro jejich ohodnocení se využívá sada navržených faktorů pro každý jednotlivý technický ukazatel. Pro každý jednotlivý faktor je navržen jednotný 4 bodový systém hodnocení se specifikací a doporučením pro konkrétní bodové hodnocení každého faktoru. Každému faktoru  a každému  technickému ukazateli je navíc stanovena jeho váha, která odráží význam příslušného faktoru, ukazatele v navrženém systému  hodnocení . Faktory jsou jediná úroveň, které se hodnotí na základě definovaných vstupních dat. Hodnocení na vyšších úrovních (ukazatele, části objektu, objekt) jsou vypočteny z hodnocení faktorů příslušného ukazatele.

Bodové hodnocení faktorů je následující:

• 0 – faktor není hodnocen, není dostatek vstupních dat pro hodnocení daného faktoru
• 1, 2 nebo 3 – přičemž hodnota 1 znamená nejpříznivější stav, naopak hodnota 3 stav nejméně příznivý stav v hodnocení faktoru

Postup hodnocení technického stavu navržené metodiky prezentuje následující schéma - viz obr. 1.

Jedná se o multikriteriální hodnocení. Navržená metodika vychází z metody váženého součtu. V metodě je zvlášť důležité nastavení vah jednotlivým faktorům a ukazatelům. Součet vah jednotlivých faktorů daného ukazatele je roven jedné. Totéž platí pro váhy ukazatelů v rámci ST nebo TP části objektu. V navrhované metodice byly stanoveny váhy na základě poznatků a zkušeností řešitelského týmu získaných i z konzultací s pracovníky vodárenských společností. Byla provedena citlivostní analýza vlivu navržených vah jednotlivých faktorů i ukazatelů pro reálné i fiktivní vodovody pro všech 7 modulů.

Při hodnocení mohou hodnocené objekty, jejich stavebně-technická, technologicko-provozní části a jejich jednotlivé ukazatele spadat do následujících hodnotících kategorií:

2.1 Citlivostní analýza vah

Celkové hodnocení objektu bylo původně navrženo pouze v 5 kategoriích bez mezistupně + a -.  Citlivostní analýza vlivu vah jednotlivých faktorů a ukazatelů na celkového hodnocení objektu probíhala tak, že všechny faktory objektu byly nejdříve ohodnoceny extrémním ohodnocením 3. Poté se změnilo hodnocení na opačný extrém 1 a to v posloupnosti od faktoru s nejnižším vlivem (vahou) na hodnocení příslušného ukazatele (1. série testování). Následně znovu z plné sestavy ohodnocení faktorů extrémním ohodnocením 3 dojde ke změně na opačný extrém 1, avšak v posloupnosti od faktorů, které mají naopak nejvyšší vliv na celkové hodnocení objektu. Z tohoto testování vyplynulo, že i přes nízký vliv některého z faktorů, může jeho změna z ohodnocení 1 na ohodnocení 3 či naopak způsobit změnu celkového hodnocení objektu o celou jednu kategorii. Toto se stává především, je-li hodnocení blízko hranice mezi kategoriemi. V praxi by to však mohlo znamenat, že pokud by o některém faktoru nebyly úplné informace a přesto by byl hodnocen, mohlo by dojít ke značnému ovlivnění dosaženého výsledku jedinou chybou nebo neúplnými informacemi ve vstupních datech. Hodnocení je ovlivnitelné chybou i proto, že se jedná pouze o pětistupňové hodnocení. Proto bylo po konzultacích s odborníky z vodárenské praxe rozhodnuto  pro rozšíření  celkového hodnocení objektů o kategorie + a -, např. B- nebo B+.

Klíčovou roli pro tuto metodiku hraje nastavení vah pro jednotlivé faktory a ukazatele. Proto byla nastaveným vahám na jednotlivých úrovních věnována velká pozornost při citlivostní analýze. Prvotní nastavení vah vzniklo na základě poznatků řešitelského týmu a na základě konzultací s odborníky s praktickými zkušenostmi z vodárenských společností. Toto nastavení bylo otestováno tak, že byl použit generátor náhodných čísel s pravděpodobností rovnoměrného rozdělení, pomocí něhož se vždy vygenerovalo hodnocení pro všechny faktory v testovaném objektu. Všechny čtyři možnosti ohodnocení každého faktoru měly stejnou pravděpodobnost vygenerování. Výsledky pro prvotní nastavení vah jsou patrné z Obr. 2 (levý červený sloupec). Rozložení dosažených výsledků prokázalo tendenci výsledného hodnocení objektu ke střední kategorii C. To znamená, že se velmi málo projevoval vliv vah na jednotlivých úrovních (faktory, ukazatele). Po konzultacích s odborníky a s využitím Saatyho metody bylo rozhodnuto o revizi nastavených vah. Po změně nastavení vah byly všechny posuzované objekty ohodnoceny znova a to stejným nahodilým ohodnocením faktorů jako v případě prvotního nastavení vah. Dosažené výsledky poskytly rovnoměrnější celkové hodnocení posuzovaných objektů (pravý modrý sloupec). Metodika však umožňuje uživateli vlastního nastavení vah faktorů a ukazatelů.

2.2 Modul TEAN

Celá metodika hodnocení je zpracována pro 7 základní objektů WDS. Pro každý z těchto objektů je v rámci příslušného modulu navržena sada ukazatelů a faktorů pro obě základní části hodnocení daného objektu. V příspěvku prezentujeme příklad struktury ukazatelů pro modul TEAN – vodovodní síť. Struktura ukazatelů, faktorů a jejich vah pro Stavebně-technickou i Technologicko-provozní část hodnocené vodovodní sítě (tlakové pásmo, měřící okrsek) je prezentována v tab. 3.

V tab. 4 je prezentován příklad hodnocení faktorů technologicko-provozního ukazatele TP2-Ztráty vody. Pro tento ukazatel jsou navrženy 4 faktory, které vyjadřují různé ukazatele ztrát vody v posuzované vodovodní síti a hranice pro jejich bodové hodnocení. 

2.3 Aplikace TEA Water

Návrh metodiky byl realizován s cílem jejího zprogramování do webovské aplikace, která umožní průběžný přístup k informacím o technickém stavu posuzované infrastruktury a také možnost jednoduchého vkládání dat. Díky tomu jsou údaje o technickém stavu posuzovaného vodárenského infrastrukturního systému k dispozici prakticky kdykoliv a kdekoliv určeným osobám. Aplikace je projektově orientována, to znamená, že lze nastavit práva přístupu k jednotlivým projektům různým uživatelů s různými právy. Aplikace umožňuje vkládat a připojovat k hodnocení jednotlivých objektů a technických ukazatelů dokumenty různých formátů (doc., pdf, jpg) a generovat tiskové sestavy s výsledným hodnocením. V současné době je aplikace testována v pracovní verzi a předpokládáme, že v druhé polovině roku 2016 bude k dispozici potenciálním uživatelům. Podrobnější informace lze získat na www.teawater.cz.

3. Případové studie

Navržená metodika byla testována na celé řadě fiktívních i reálných objektů reálných vodárenských systémů. Jednou z  případových studií pro modul TEAN bylo hodnocení vybraných tlakových pásem vodárenského systému města Brna. Prezentované tlakové pásmo, které je v provozu od roku 1984, je vymezeno na jednom ze sídlišť města Brna. Tlakové pásmo zásobuje celkem 5650 obyvatel, trubní materiál tlakového pásma je z 80-ti % z šedé litiny s profily potrubí v rozmezí od DN 80 po DN 400. Celková délka sítě je 6,32 km. Výsledné hodnocení technického stavu vodovodní sítě daného tlakového pásma navrženou metodikou je uvedeno v tab. 5.

Závěr

Předložená metodika je výsledkem snahy o návrh jednoduché, ale přesto efektivní metodiky pro předběžné hodnocení technického stavu vodárenské infrastruktury. Jednotlivé moduly slouží k hodnocení a semikvantitattivní kategorizaci technického stavu jednotlivých prvků a objektů vodárenských systémů. Výstupy z této metodiky mohou posloužit jako podklad pro srovnávací analýzu, plánování oprav, plánování obnovy, zpracování plánů financování obnovy nebo jako podklad pro další podrobný stavebně technologický průzkum atd. Navržená metodika je schopná interpretovat technický stav posuzované infrastruktury, odhalit potenciální kritická místa a uspořádat provozované výše zmíněné objekty v pořadí podle stanovené kategorie technického stavu.

Použitá literatura

1. AlL-Barqawi, H. and Zayed, T., (2008). Infrastructure Management: Integrated AHP/ANN Model to Evaluate Municipal Water Mains’ Performance. Journal of Infrastructure Systems, 14(4), pp. 305-318.
2. Barák, F.(2015) Výhledy českého vodárenství po roce 2015. Sovak: časopis oboru vodovodů a kanalizací. (in Czech), 21 (4), pp. 1-3.
3. Alegre, H. and Coelho, S.T. (2012). Infrastructure Asset Management of Urban Water Systems, Water Supply System Analysis - Selected Topics, Dr. Avi Ostfeld (Ed.), ISBN: 978-953-51-0889-4, InTech, DOI: 10.5772/52377. Available from: http://www.intechopen.com/books/water-supply-system-analysis-selected-topics/infrastructure-asset-management-of-urban-water-systems
4. Alegre,H., Almeida,M. C. ed. (2009). Strategic asset management of water and wastewater infrastructures. IWA Publishing, ISBN 97843391869 (536 p.).
5. UKWIR (2003). A common framework for capital investment planning, UK Water Industry Research, Reino Unido, Regulatory Report No. 02/RG/05/3 (4 Vols.), http:// www.ukwir.co.uk/ukwirlibrary/90848, ref. Março 2007
6. US EPA. (2012). Condition Assessment Technologies for Water Transmission and Distribution Systems, Publication No. EPA/600/R-12/017.

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".

Autoři

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno.

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno.