Planowanie rehabilitacji technicznej przewodów wodociągowych i kanalizacyjnych – wybrane zagadnienia – cz. I

Prawidłowo pracujące przewody prowadzą założoną ilość medium (wody, ścieków) przy zachowaniu neutralności dla otoczenia, w którym są prowadzone, i przy minimalnej (zgodnej z aktualnym stanem wiedzy) uciążliwości eksploatacyjnej dla zarządzającego sieciami.

Przedstawiona charakterystyka nawiązuje do opisowego ujęcia definicji niezawodności przewodów jako właściwości obiektów charakteryzującej ich zdolność do pełnienia określonych funkcji, w określonych warunkach i określonym przedziale czasu [1].
Ujmuje ona cztery aspekty, do których nawiązywać będą również zagadnienia planowania rehabilitacji przewodów – odpowiednią wydolność hydrauliczną, stan konstrukcji, oddziaływanie na środowisko przyrodnicze oraz podatność na prowadzenie efektywnej eksploatacji.

Wszelkie działania podejmowane przez zarządzających sieciami wodociągowymi i kanalizacyjnymi wychodzą z założenia utrzymania ich niezawodnego funkcjonowania lub dążą do poprawy niezawodności sieci w przypadku występowania deficytów. Deficyty wskazujące na zawodność funkcjonowania sieci mogą być różnie pojmowane, w zależności od grupy ludzi, której dotyczą, a którzy są w jakiś sposób z nią związani. Jeśli wziąć pod uwagę np. projektantów, personel eksploatujący i konsumentów wody, to w każda z tych grup przejawiać będzie inne tendencje w dążeniu do ustalania warunków  istnienia i eksploatacji sieci wodociągowej.

Przewody wodociągowe i kanalizacyjne ulegają uszkodzeniom, które są efektem błędów zachodzących na etapie projektowania, budowy oraz w trakcie eksploatacji przewodów. Uszkodzenia przewodów mogą mieć różny charakter i skutkować licznymi konsekwencjami. W literaturze przedmiotu wyróżnia się pojęcia „stan uszkodzenia” przewodu i „typ uszkodzenia”, który najłatwiej skojarzyć z lokalnym zjawiskiem obserwowanym w konkretnym miejscu przewodu. Pojęcie stanu uszkodzenia jest bardziej szerokie i obejmuje również wynik oceny jako miarę poziomu zagrożenia stwarzanego przez zespół zmian powstałych w przewodzie do momentu przeprowadzenia badań. Specyficzne dla uszkodzeń przewodów, szczególnie dla przewodów kanalizacyjnych, jest występowanie sytuacji, w której uszkodzony przewód może realizować swoją funkcję w stanie uszkodzenia, który jest trudny do wykrycia, gdy zarządzający i korzystający z sieci nie odczuwają bezpośrednich negatywnych efektów tego stanu. Może się wydawać wtedy, że przewody są w dobrym stanie. Również zarządzający może przez długi okres ukrywać rzeczywistą sytuację, podczas gdy występujące uszkodzenia powodują konsekwencje o działaniu przesuniętym w czasie lub o wolno narastających negatywnych skutkach. Przykładem dla przewodów kanalizacyjnych mogą być nieszczelności powodujące eksfiltrację ścieków do przestrzeni gruntowej
i stopniowe skażenie, a dla przewodów wodociągowych sytuacja odwrotna – gdy w przypadku drobnych spękań ścian przewodów zachodzi zjawisko tzw. iniekcji i związane z tym zasysanie wody gruntowej do wnętrza przewodu wodociągowego w trakcie wzrastającej szybkości przepływu wody pitnej. Przykładowy podział konsekwencji złego stanu przewodów kanalizacyjnych przedstawia rys. 1, wskazując na różnorodność oddziaływań i na znaczenie prowadzenia działań dla poprawy niezawodności sieci i tym samym na znaczenie rehabilitacji przewodów.

Rys. 1 Konsekwencje złego stanu przewodów kanalizacyjnych [2]

Ponieważ zarządzający siecią staje przed problemem spełnienia oczekiwań odbiorców w sprawie wysokości opłat za wodę i ścieki, szczególnie istotne jest, aby koszty ponoszone na przedsięwzięcia wodociągowe i kanalizacyjne nie były wyższe, niż jest to konieczne. Należy tu wskazać na oddziaływanie samorządów lokalnych oraz ich współodpowiedzialność za realizację planów modernizacji i rozwoju sieci infrastruktury wodociągowej i kanalizacyjnej. Wynika to z ustawy o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków (Dz.U. z 2001 r. Nr 72, poz. 747), zgodnie z którą rady gmin ustalają kierunki rozwoju sieci i zatwierdzają opracowane przez przedsiębiorstwa wieloletnie plany modernizacji sieci.

Tab. Wymagania funkcjonalno-użytkowe dla poddawanych rehabilitacji systemów zaopatrzenia w wodę do spożycia przez ludzi (w nawiasach podano odpowiednie punkty normy) [6]

Planowanie rehabilitacji sieci

W normie PN-EN 752:2008 [3] podaje się następującą ogólną definicję rehabilitacji przewodów kanalizacyjnych: zespół działań, których celem jest odtworzenie lub polepszenie funkcjonowania istniejącej sieci kanalizacyjnej. Analogiczną definicję przyjmuje się dla przewodów wodociągowych. Jest to definicja odnosząca się do sieci przewodów, należy jednak podkreślić, że pojęcie rehabilitacji można bezpośrednio powiązać również z planowanymi działaniami na określonych odcinkach przewodów. Są to więc dwie płaszczyzny lub obszary analizy problemu i ta druga może być kojarzona z projektem rehabilitacji danego przewodu lub przewodów. Jednocześnie istnieje duża zależność między podejmowanymi w obu płaszczyznach działaniami. W racjonalnie zarządzanych systemach występuje wyraźna nadrzędność decyzji z pierwszego obszaru, tym samym szczegółowe rozwiązania projektowe muszą odpowiadać założeniom często wieloletnich planów przedsiębiorstw.

W przedsiębiorstwach zarządzających sieciami wprowadza się w sposób świadomy lub quasi-przypadkowy strategię postępowania z wadliwie działającymi przewodami. Można wymienić: strategię straży pożarnej, strategię obciążeniową, okresowej wymiany (prewencyjną), strategię odnowy z inspekcją (w tym prognozowaną). Są to konwencjonalne strategie rehabilitacji technicznej przewodów, które zostały opisane m.in. w [2]. Strategie te mają swoje zalety i wady, niektóre jednak uważa się za nieodpowiadające obecnym standardom. Na przykład strategia straży pożarnej zakłada – uogólniając – podejmowanie działań dopiero po wystąpieniu jednoznacznego uszkodzenia w przewodach, jako reakcja na to uszkodzenia. Stosowanie (często przypadkowe) takiej strategii skutkuje zasadniczo największą częstotliwością awarii, również tak spektakularnych, jak nieoczekiwane zapadnięcia jezdni lub zalania i podtopienia przy pękniętych rurociągach magistralnych. Na ogół nie można wykluczyć występowania ekstremalnych zdarzeń przy stosowaniu innych strategii, jednak prawdopodobieństwo tego jest minimalizowane. Obecnie za podstawowe, szczególnie dla sieci kanalizacyjnych, można uważać strategie odnowy z inspekcją lub prognozowane strategie odnowy z inspekcją, które mogą być dalej różnicowane przy uwzględnieniu szczegółowych kryteriów lub założeń. Jako kryteria różnicujące wymienić należy:

– kryterium kapitałowe, związane z utrzymaniem założonej wartości substancji budowlanej sieci;

– kryterium realizacji zewnętrznych wymagań prawnych ustalanych dla różnych części sieci;

– kryterium oparte na założeniu wspólnych działań z innymi branżami zarządzającymi infrastrukturą techniczną jednostek osadniczych;

– kryterium zachowania założonego stanu przewodów, wynikającego z dokonanej oceny.

Wymienione podgrupy (traktowane jako warianty strategii odnowy z inspekcją) ujmowane są szczegółowo przez niemiecką wytyczną [4]. Należy tu wyjaśnić, że pojęcie „odnowa przewodów” jest równoważne pojęciu ich rehabilitacji technicznej. W wycofanej już wersji normy PN-EN 752 z 2001 r., w tłumaczeniu angielskiego rehabilitation użyto nieprawidłowo terminu modernizacja. Aktualna zaś wersja normy PN-EN 752 [3] nie doczekała się na razie polskiego tłumaczenia.

Realizacja strategii odnowy z inspekcją bazuje na jej trzech zasadniczych elementach:

– optymalizacji kontroli systemu,

– klasyfikacji uszkodzeń i ocenie stanu przewodów,

– planowaniu na podstawie wyników oceny skali i przedziału czasowego rehabilitacji odcinków sieci.

Ujęcie zagadnienia w trzech podpunktach jest oczywiście uproszczeniem, jednak przedstawia zasadniczą ideę – planowanie rehabilitacji odbywa się odpowiednio do wyników inspekcji, dających informację o aktualnym stanie przewodów i co ważniejsze pozwalających na prognozowanie zmian tego stanu w przyszłości.

Jednym z pierwszych etapów opracowania planu rehabilitacji jest określenie docelowych wymagań funkcjonalno-użytkowych, które są grupowane pod kątem kryteriów hydraulicznych, higienicznych i zdrowotnych, środowiskowych i konstrukcyjnych. Dodatkowo uwzględnia się zachowanie bezpieczeństwa pracowników prowadzących eksploatację sieci oraz inne zagadnienia strategiczne – związane na przykład z zagrożeniem działaniami określanymi jako terrorystyczne. Wymagania funkcjonalno-użytkowe, jakie musi spełniać sieć po przeprowadzeniu odnowy, zawarte są w PN-EN 752:2008 [3] (dla kanalizacji) i PN-EN 805:2002 [5] (dla wodociągów). Wszelkie zalecenia podawane w normach należy odnieść do wymagań prawnych obowiązujących w kraju (jak wiadomo, normy same z siebie nie są obowiązkowe do stosowania). Przykładowy zestaw minimalnych wymagań dla przewodów wodociągowych zestawionych w [6] zawarto w tabeli.

W normie [3] przedstawiono szczegółowy schemat blokowy procedury planowania i realizacji odnowy systemów kanalizacyjny – rys. 2. Wskazuje on wyraźnie na cztery podstawowe kierunki badań stanu sieci, które to badania mają się zakończyć oceną i porównaniem wyników oceny z zakładanymi wymaganiami funkcjonalno-użytkowymi.

Rys. 2 Schemat blokowy modernizacji systemów kanalizacyjnych wg PN-EN 752

Prowadzenie systematycznej kontroli stanu sieci należy do głównych zasad prawidłowej ich eksploatacji. Badania są prowadzone dla dokonania oceny stanu przewodów, która ukierunkowana jest na trzy podstawowe zagadnienia:

– ocenę właściwości hydraulicznych sieci,

– ocenę ich wpływu na środowisko i zdrowie ludności,

– ocenę stanu konstrukcji i jej trwałości.

W ramach tzw. dozorowania przewodów wyróżnia się kontrole rutynowe (bieżące), kontrole szczegółowe oraz kontrole specjalne. Badania odbiorowe przewodów oddawanych do eksploatacji klasyfikowane są oddzielnie, mimo że mogą wykorzystywać te same metody diagnostyczne. Kontrole rutynowe, o najmniejszej dokładności, przeprowadzane są z największą częstotliwością w stałych odstępach czasu, kontrole szczegółowe, o większym współczynniku dokładności, prowadzone w odstępach czasu będących wielokrotnością odstępów czasu stosowanych przy kontrolach rutynowych. Dzięki odpowiedniemu zaplanowaniu tych badań tworzy się całościowe programy kontroli sieci, będące podstawowym narzędziem pozyskiwania zbiorów informacji dla rozpoznawania i śledzenia zmian zachodzących w przewodach.

Badania specjalne (ekspertyzowe) prowadzone są losowo i interwencyjnie, gdy wyniki przeglądów rutynowych i specjalnych nie przyniosły oczekiwanych efektów. Są to najczęściej badania ekspertyzowe realizowane na potrzeby zaplanowania rehabilitacji technicznej konkretnych odcinków przewodów.

Dane uzyskiwane w wyniku prowadzenia kontroli sieci wraz z przeprowadzonymi na ich podstawie analizami (ocena stanu) gromadzi się w komputerowych bazach danych. Uzupełnione o dane inwentaryzacyjne i eksploatacyjne, w tym w formie graficznej (schematy, rysunki, plany sieci), stanowią tzw. kataster sieci wodociągowej lub kanalizacyjnej.

Dzięki tworzeniu cyfrowych planów sieci wraz powiązanymi bazami danych (tzw. geograficzny system informacji (GIS) jako forma katastru sieci) zarządzający siecią uzyskuje łatwy dostęp do informacji, która dotychczas była bardzo rozproszona. Nawiązując do planowania rehabilitacji przewodów – przykładowo uzyskuje się prezentację sieci z oznaczeniem potrzeb (pilności) przeprowadzenia działań naprawczych dla jej poszczególnych fragmentów.

Rys. 3 Zależność kosztów odnowy systemu od krotności kontroli: K_O – koszt odnowy, K_K – koszt kontroli, K_NS – koszt niesprawnego działania systemu, i – krotność kontroli [2]

Uogólniając, prowadzenie systematycznych badań przewodów (programowej kontroli) wraz z prawidłowym zarządzaniem wynikami jest działaniem kosztownym i wymagającym odpowiedniej kultury technicznej. Jest jednak obecnie standardem zarządzania systemami wodociągowymi kanalizacyjnymi. Rysunek 3 przedstawia typowe (teoretyczne) zależności między kosztami prowadzenia kontroli, kosztami odnowy i kosztami wadliwego działania systemu. Wskazuje też na możliwość poszukiwania rozwiązań optymalnych również w tym zakresie.

Uwaga: W części II: Planowanie rehabilitacji przewodów.

dr inż. Bogdan Przybyła

Politechnika Wrocławska

Literatura

1. PN-80/N-04000 Niezawodność w technice. Terminologia.

2. C. Madryas, B. Przybyła, L. Wysocki, Badania i ocena stanu technicznego przewodów kanalizacyjnych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2010.

3. PN-EN 752:2008 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne.

4. DWA-M 143-14 Sanierung von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden, Teil 14: Sanierungsstrategien, Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., 2005.

5. PN-EN 805:2002 Zaopatrzenie w wodę. Wymagania dotyczące systemów zewnętrznych i ich części składowych.

6. A. Kolonko, W. Kujawski, B. Przybyła, A. Roszkowski, S. Rybarski, Podstawy bezwykopowej rehabilitacji technicznej przewodów wodociągowych i kanalizacyjnych na terenach zurbanizowanych, Standard Izby Gospodarczej „Wodociągi Polskie”, Bydgoszcz 2011.