System dystrybucji wody pitnej (SDWP)

W systemie dystrybucji wody pitnej stanowiącym, obok opisanego w podrozdziale 2.2 SZ, drugą główną część SZwWP (patrz podrozdział 2.1) realizowany jest proces dystrybucji wody uzdatnionej (pitnej) (Brdys i Ulanicki 1994). Innymi słowy, w SDWP następuje odbiór wody pojawiającej się na wyjściu stacji uzdatniania (ewentualnie na wyjściu rurociągów dostarczających wodę ze stacji do SDWP - patrz podrozdział 2.2), a następnie jej dystrybucja w czasie i w ilości zapewniających zaspokojenie zapotrzebowania odbiorców. Z powyższego opisu wprost wynika, iż proces realizowany w SDWP jest praktycznie tożsamy z podstawowym zadaniem SZwWP (patrz podrozdział 2.1). Wobec tego, w dalszej części rozprawy przyjmuje się, iż wspomniane zadanie SZwWP przenosi się bezpośrednio na główne zadanie SDWP. Ponadto, co zostało już wspomniane w rozdziale 1, SDWP stanowi podstawowy obiekt rozpatrywany w niniejszej rozprawie. W celu dopełnienia zaprezentowanych dotychczas w niniejszym rozdziale informacji, warto jeszcze wspomnieć, iż SDWP klasyfikuje się według wielu różnych kryteriów takich jak np.: zasięg terytorialny, sposób wykorzystania wody czy struktura hydrauliczna. Szczegóły w tym zakresie można znaleźć w wielu pozycjach literaturowych, między innymi w (Duzinkiewicz 2005).

Proces dystrybucji wody pitnej, czy też uszczegóławiając - sprostanie głównemu zadaniu SDWP odbywa się z wykorzystaniem szeregu elementów pełniących różne funkcje zarówno z punktu widzenia ilości jak i jakości wody w SDWP. Adekwatnemu do zawartości rozprawy opisowi tych elementów poświęcone zostały kolejne podrozdziały. Ponadto, w celu zwiększenia przejrzystości opisu, na rysunku 2.5 przedstawiono schematycznie SDWP z zaznaczeniem tych elementów.

Zbiornik

Rurociągi

Źródło wody (pitnej)

Pompa

Zawór

Węzły

Stacja wtórnego uzdatniania

Rysunek 2.5 System dystrybucji wody pitnej (SDWP)

Naturalnie SDWP przedstawiony na rysunku 2.5 nie oddaje jego skali. Innymi słowy, nawet stosunkowo niewielkie, typowe SDWP zawierają dziesiątki czy setki np. rurociągów czy węzłów, a dla SDWP obsługujących wielkie aglomeracje miejskie elementy te można liczyć w tysiącach. Zatem, na zakończenie niniejszego podrozdziału warto podkreślić następujące cechy SDWP wyłaniające się z zaprezentowanego do tej pory opisu (Brdys i Ulanicki 1994):

skomplikowana struktura sieci rurociągów z setkami połączeń i wieloma pętlami, występowanie w obrębie systemu stref ciśnieniowych zawierających zbiorniki dla

utrzymania dostaw i podtrzymania ciśnienia,

istotny wpływ poziomu wody w zbiorniku na przepływy i ciśnienia w systemie.

2.3.1 Źródła wody pitnej (uzdatnionej)

Jak już wspomniano w niniejszym rozdziale, źródła wody rozważane w odniesieniu do SDWP są źródłami wody pitnej (uzdatnionej). Źródła te stanowią wejście do SDWP. Jak łatwo można zauważyć, w sposób naturalny, źródła wpływają na oba aspekty rozważane w odniesieniu do SDWP. Innymi słowy, mają one wpływ zarówno na hydraulikę (ilość) jak również jakość wody w SDWP. Typowy sposób modelowania hydrauliki w źródłach w SDWP został przedstawiony, adekwatnie do zawartości niniejszej rozprawy, w podrozdziale 2.4.1. Natomiast sposób modelowania jakości wody został przedstawiony w podrozdziale 3.2.1. Ponadto, w podrozdziale 2.8 zaprezentowano techniczną kwestię modelu źródła w SDWP wykorzystywanego w niniejszej rozprawie, czyli element symulatora, za pomocą którego modelowane są źródła przy spełnieniu wymagań w zakresie hydrauliki i jakości, o których mowa odpowiednio w podrozdziałach 2.4.1 i 3.2.1.

Charakteryzując źródła wody pitnej należy jeszcze wspomnieć o typowych wielkościach podlegających w nich pomiarom. Tymi wielkościami są: z punktu widzenia hydrauliki (na wyjściu ze stacji uzdatniania) - natężenie przepływu wody oraz ciśnienie, z punktu widzenia jakości wody - wskaźniki jakościowe. Zagadnieniu pomiarów poszczególnych wielkości, w odniesieniu do całego SDWP, poświecono odpowiednie fragmenty podrozdziałów 2.6.1 i 2.6.2.

2.3.2 Węzły

Ogólnie węzeł można zdefiniować jako miejsce w SDWP, w którym następuje połączenie rurociągów (Brdys i Ulanicki 1994). Prowadząc dalsze rozważania, z punktu widzenia hydrauliki w SDWP wśród węzłów można wyróżnić (Duzinkiewicz 2005):

zwykły węzeł połączeniowy - nie odbywa się w nim pobór wody, nie jest podłączona do niego dostawa wody oraz nie jest on przyłączony do zbiornika,

węzeł połączeniowy z dostarczaniem wody - podłączona jest do niego dostawa wody, węzeł połączeniowy z poborem wody - odbywa się w nim pobór wody,

węzeł połączeniowy przyłączony do zbiornika - jest on przyłączony do zbiornika.

Natomiast z punktu widzenia jakości wody w SDWP węzły można podzielić na (Duzinkiewicz 2005):

węzły, w których nie jest dozowana domieszka, węzły, w których domieszka jest dozowana.

Wobec powyższego, w sposób naturalny, węzły wpływają na oba aspekty rozważane w odniesieniu do SDWP. Innymi słowy, mają one wpływ zarówno na hydraulikę (ilość) jak również jakość wody w SDWP. Typowy sposób modelowania hydrauliki w węźle w SDWP został przedstawiony, adekwatnie do zawartości niniejszej rozprawy, w podrozdziale 2.4.2.

Natomiast sposób modelowania jakości wody został przedstawiony w podrozdziale 3.2.1.

Ponadto, w podrozdziale 2.8 zaprezentowano techniczną kwestię modelu węzła w SDWP wykorzystywanego w niniejszej rozprawie, czyli element symulatora, za pomocą którego modelowane są węzły przy spełnieniu wymagań w zakresie hydrauliki i jakości, o których mowa odpowiednio w podrozdziałach 2.4.2 i 3.2.1. Charakteryzując węzły należy jeszcze wspomnieć o typowych wielkościach podlegających w nich pomiarom. Tymi wielkościami są: z punktu widzenia hydrauliki - ciśnienie, z punktu widzenia jakości wody - wskaźniki jakościowe.

2.3.3 Rurociągi

Rurociąg jest elementem połączeniowym transportującym wodę pomiędzy poszczególnymi elementami SDWP. Transport wody w rurociągu może mieć charakter grawitacyjny lub ciśnieniowy (Brdys i Ulanicki 1994). W przypadku transportu grawitacyjnego rurociągi mogą być bezciśnieniowe (transport na całej długości rurociągu z otwartym lustrem wody) lub ciśnieniowe (transport pełnym przekrojem rurociągu). W przypadku transportu wywoływanego za pomocą pomp używane są rurociągi ciśnieniowe (Duzinkiewicz 2005).

W niniejszej rozprawie autor rozważa SDWP, w których do połączeń pomiędzy ich elementami wykorzystywane są rurociągi ciśnieniowe. Jak łatwo można zauważyć, w sposób naturalny, rurociągi wpływają na oba aspekty rozważane w odniesieniu do SDWP. Innymi słowy, mają one wpływ zarówno na hydraulikę (ilość) jak również jakość wody w SDWP.

Typowy sposób modelowania hydrauliki w rurociągu w SDWP został przedstawiony, adekwatnie do zawartości niniejszej rozprawy, w podrozdziale 2.4.3. Natomiast sposób modelowania jakości wody został przedstawiony w podrozdziale 3.2.2. Ponadto, w podrozdziale 2.8 zaprezentowano techniczną kwestię modelu rurociągu w SDWP wykorzystywanego w niniejszej rozprawie, czyli element symulatora, za pomocą którego modelowane są rurociągi przy spełnieniu wymagań w zakresie hydrauliki i jakości, o których mowa odpowiednio w podrozdziałach 2.4.3 i 3.2.2. Charakteryzując rurociągi należy jeszcze wspomnieć o typowych wielkościach podlegających w nich pomiarom. Tymi wielkościami

są: z punktu widzenia hydrauliki - natężenie przepływu wody, z punktu widzenia jakości wody - typowo, brak tego typu pomiarów.

2.3.4 Zbiorniki

Analizując główne zadanie SDWP (patrz podrozdział 2.3) łatwo można zauważyć, iż zapotrzebowanie na wodę w systemie nie jest równomierne. W związku z tym, typowo w SDWP występują zbiorniki, które pozwalają na magazynowanie wody w okresach jej nadmiaru, a następnie na uzupełnienie ilości wody ujmowanej z jej źródeł. Zbiorniki w SDWP spełniają różne zadania, z których najważniejszymi są (Brdys i Ulanicki 1994;

Duzinkiewicz 2005):

Wyrównywanie dyspozycyjnych zasobów wody w SDWP - zadanie to polega na magazynowaniu wody, w okresach kiedy jej pobór jest mniejszy niż produkcja i jej oddawaniu, gdy pobór przewyższa produkcję. Warunkiem efektywnej realizacji tego zadania jest odpowiednia pojemności zbiornika. Warto jeszcze zauważyć, iż gromadzenie wody może się również przekładać na obniżenie kosztu pompowania.

Wyrównywanie ciśnień w SDWP - wypełnienie tego zadania zapewnia uzyskanie pożądanego profilu ciśnień, a jest ono możliwe jeżeli zbiornik jest położony odpowiednio wysoko w stosunku do obszaru dystrybucji wody.

Zapewnienie odpowiedniego zasobu wody na wypadek akcji przeciwpożarowych - w SDWP nie przewiduje się gromadzenia wody na przypadek awarii. Jedynym odstępstwem od powyższego, czyli przypadkiem magazynowania wody na wypadek sytuacji nadzwyczajnej, jest zapas wody gaśniczej. Zapas ten powinien zapewnić dostawę wody w ilości odpowiedniej dla określonej akcji przeciwpożarowej.

Występujące w SDWP zbiorniki mogą być klasyfikowane według szeregu kryteriów.

Stosownie do zawartości niniejszej rozprawy poniżej przytoczono jedną z klasyfikacji, ze względu na położenie zbiornika w stosunku do terenu ujęcia i obszaru dystrybucji (Duzinkiewicz 2005):

zbiorniki początkowe - są to zbiorniki usytuowane między źródłem wody a obszarem jej dystrybucji; są one budowane jako przepływowe, przez które transportowana jest cała ilość wody dostarczanej z ujęcia lub boczne, w których gromadzona jest część wody dostarczanej z ujęcia,

zbiorniki końcowe - są to zbiorniki położone po przeciwnej stronie obszaru dystrybucji niż ujęcia wody,

zbiorniki centralne - są to zbiorniki położone wewnątrz obszaru dystrybucji i możliwie blisko strefy największego poboru wody.

Zbiorniki początkowe boczne, końcowe i centralne są zbiornikami nieprzepływowymi tzn.

fizyczne połączenie z SDWP odbywa się tylko jednym rurociągiem. Natomiast zbiorniki początkowe przepływowe połączone są z SDWP dwoma rurociągami.

Jak łatwo można zauważyć, w sposób naturalny, zbiorniki wpływają na oba aspekty rozważane w odniesieniu do SDWP. Innymi słowy, mają one wpływ zarówno na hydraulikę (ilość) jak również jakość wody w SDWP. Typowy sposób modelowania hydrauliki w zbiorniku w SDWP został przedstawiony, adekwatnie do zawartości niniejszej rozprawy, w podrozdziale 2.4.4. Natomiast sposób modelowania jakości wody został przedstawiony w podrozdziale 3.2.3. Ponadto, w podrozdziale 2.8 zaprezentowano techniczną kwestię modelu zbiornika w SDWP wykorzystywanego w niniejszej rozprawie, czyli element symulatora, za pomocą którego modelowane są zbiorniki przy spełnieniu wymagań w zakresie hydrauliki i jakości, o których mowa odpowiednio w podrozdziałach 2.4.4 i 3.2.3.

Charakteryzując zbiorniki należy jeszcze wspomnieć o typowych wielkościach podlegających w nich pomiarom. Tymi wielkościami są: z punktu widzenia hydrauliki - poziom lustra wody, z punktu widzenia jakości wody - wskaźniki jakościowe.

2.3.5 Pompy

Pompy są aktywnymi elementami SDWP służącymi do przenoszenia wody z poziomu niższego na poziom wyższy lub przetłaczania wody z obszaru o ciśnieniu niższym do obszaru o ciśnieniu wyższym, przy czym praca związana z przenoszeniem lub przetłaczaniem wody wykonywana jest kosztem energii doprowadzanej z zewnątrz. Energia zewnętrzna jest najczęściej energią elektryczną dostarczaną przez zewnętrzny silnik elektryczny. Energia ta zamieniana jest na mechaniczną energię wody, a sama transformacja opisywana jest przez współczynnik sprawności pompy. Zatem, działanie pompy polega na wytworzeniu różnicy ciśnień pomiędzy jej strona ssawną i stroną tłoczną. Typowo daną pompę określają trzy następujące charakterystyki (Brdys i Ulanicki 1994; Duzinkiewicz 2005):

charakterystyka przepływu - podająca zależność użytecznej wysokości podnoszenia od natężenia przepływu wody, dla określonej prędkości obrotowej pompy,

charakterystyka mocy - podająca zależność mocy na wale pompy od natężenia przepływu wody,

charakterystyka sprawności - podająca zależność współczynnika sprawności pompy od natężenia przepływu wody.

Typowo, w SDWP wykorzystywane są dwa podstawowe rodzaje pomp (Brdys i Ulanicki 1994; Duzinkiewicz 2005):

pompy stałoprędkościowe - ich prędkość obrotowa pozostaje stała, niezależnie od czynników zewnętrznych, oraz

pompy zmiennoprędkościowe - ich prędkość obrotowa może być zmieniana w zależności od warunków panujących w systemie.

Najczęściej pompy są skonfigurowane w stacjach pomp, co pozwala na osiągnięcie pożądanych warunków pracy i niezawodności. Jeżeli w stacji pomp zainstalowane są jedynie pompy stałoprędkościowe wówczas dostępny, do wykorzystania na potrzeby SDWP, jest tylko jeden parametr w postaci konfiguracji pomp. Natomiast jeśli w stacji pomp pojawiają się pompy zmiennoprędkościowe do dyspozycji, oprócz konfiguracji pomp, pojawia się drugi parametr, a mianowicie prędkość.

Jak łatwo można zauważyć, w sposób naturalny, pompy wpływają tylko na jeden z aspektów rozważanych w odniesieniu do SDWP. Uszczegóławiając, mają one wpływ na hydraulikę (ilość) w SDWP. W odniesieniu do jakości wody - nie uległa ona zmianie „po przejściu”

przez pompę (jest taka sama po stronie ssawnej jak i tłocznej pompy). Typowy sposób modelowania hydrauliki pompy w SDWP został przedstawiony, adekwatnie do zawartości niniejszej rozprawy, w podrozdziale 2.4.5. Ponadto, w podrozdziale 2.8 zaprezentowano techniczną kwestię modelu pompy w SDWP wykorzystywanego w niniejszej rozprawie, czyli element symulatora, za pomocą którego modelowane są pompy przy spełnieniu wymagań w zakresie hydrauliki, o których mowa w podrozdziale 2.4.5. Charakteryzując pompy należy jeszcze wspomnieć, iż ich praca bazuje przede wszystkim na pomiarach ciśnień w węzłach SDWP.

2.3.6 Zawory

Zawory są elementami, które kontrolują albo ciśnienie lub przepływ wody w określonych punktach SDWP albo nawet całą strukturę SDWP przez otwarcie jednych dróg dla przepływu wody i zamknięcie innych. Dzięki temu powodują, iż SDWP staje się elastyczny (Brdys i Ulanicki 1994; Duzinkiewicz 2005). W SDWP stosowane są różne rodzaje zaworów realizujących różne funkcje. Zawory mogą być zaliczane do jednej z czterech grup (Walski i inni 2001):

Zawory odcinające - stanowią najliczniejszą grupę zaworów występujących w SDWP.

Przeznaczone są do ręcznego operowania w celu odcięcia przepływu wody. Czasem zawory odcinające są utrzymywane celowo w pozycji zamkniętej, np. dla kontrolowania granic stref ciśnieniowych w SDWP. Istnieje szereg typów zaworów odcinających różniących się konstrukcją.

Zawory kierunkowe (zwrotne) - stosowane są dla zapewnienia przepływu wody w rurociągu tylko w jednym kierunku. Umieszczane są z reguły w pompowniach na rurociągach tłocznych dla zabezpieczenia pompy przed cofającą się, przy zatrzymaniu pompy, wodą oraz w celu przeciwdziałania „ucieczce” wody z rurociągu tłocznego.

Zawory poziomu - stosowane są w miejscach SDWP, w których rurociąg łączy się ze zbiornikiem. Kiedy woda dopływa do zbiornika i poziom wody w zbiorniku osiąga określoną maksymalną wartość, zawór poziomu zamyka się, zabezpieczając w ten sposób zbiornik przed przelaniem. Natomiast, kiedy pojawiają się warunki przepływu w przeciwną stronę - zawór poziomu otwiera się.

Zawory regulacyjne - rozróżnia się następujące główne typy zaworów regulacyjnych:

 zawory redukcyjne ciśnienia (PRV) - dławią samoczynnie przepływ wody tak, aby ciśnienie za zaworem nie przekroczyło pewnej zadanej wartości maksymalnej;

 zawory podtrzymania ciśnienia (PSV) - dławią samoczynnie przepływ wody tak, aby ciśnienie za zaworem nie przekroczyło pewnej zadanej wartości minimalnej;

 zawory regulacyjne przepływu (FCV) - regulują natężenie przepływu wody do wartości określonej przez operatora SDWP; stosowane są wszędzie tam w SDWP, gdzie uzasadniona jest regulacja bazująca na przepływie wody.

Jak łatwo można zauważyć, w sposób naturalny, zawory podobnie jak pompy wpływają tylko na jeden z aspektów rozważanych w odniesieniu do SDWP. Uszczegóławiając, mają one wpływ na hydraulikę (ilość) w SDWP. W odniesieniu do jakości wody - nie uległa ona zmianie „po przejściu” przez zawór. Typowy sposób modelowania hydrauliki zaworu w SDWP został przedstawiony, adekwatnie do zawartości niniejszej rozprawy, w podrozdziale 2.4.6. Ponadto, w podrozdziale 2.8 zaprezentowano techniczną kwestię modelu zaworu w SDWP wykorzystywanego w niniejszej rozprawie, czyli element symulatora, za pomocą którego modelowane są zawory przy spełnieniu wymagań w zakresie hydrauliki, o których mowa w podrozdziale 2.4.6. Charakteryzując zawory należy jeszcze wspomnieć, iż ich praca bazuje na pomiarach ciśnień w węzłach oraz natężeń przepływów wody w rurociągach, w SDWP.

2.3.7 Stacje wtórnego uzdatniania

Jak już wspomniano (patrz podrozdział 2.3), SDWP są zazwyczaj systemami złożonymi i rozległymi. Ponadto z uwagi na cechy jakości wody (patrz podrozdział 2.6.2), wartości jej wskaźników spełniające na wyjściu stacji uzdatniania narzucone normy, mogą ulegać pogorszeniu wraz z czasem dotarcia wody od źródła wody pitnej do odbiorcy (mającym naturalnie, również związek z odległością odbiorcy od źródła wody uzdatnionej). Wobec powyższego, w celu przeciwdziałania temu zjawisku, w SDWP może mieć miejsce wtórne uzdatnianie wody w tzw. stacjach (punktach) wtórnego uzdatniania - SWU (Duzinkiewicz 2005). Typowo, SWU nie wymagają wielkogabarytowych instalacji technologicznych i mogą pracować bez bezpośredniego dozoru człowieka. Zatem, SWU mogą być z powodzeniem rozważane jako węzły z dozowaniem domieszki (patrz podrozdział 2.3.2). Jak łatwo można zauważyć, w sposób naturalny, SWU wpływają tylko na jeden z aspektów rozważanych w odniesieniu do SDWP. Uszczegóławiając, mają one wpływ na jakość wody w SDWP.

Typowy sposób modelowania SWU reprezentowanej przez węzeł, w którym dozowana jest domieszka został przedstawiony w podrozdziale 3.2.1. Ponadto, w podrozdziale 2.8 zaprezentowano techniczną kwestię modelu SWU w SDWP wykorzystywanego w niniejszej rozprawie, czyli element symulatora, za pomocą którego modelowane są węzły, w których dozowana jest domieszka przy spełnieniu wymagań w zakresie jakości wody, o których mowa w podrozdziale 3.2.1. Charakteryzując SWU należy jeszcze wspomnieć, iż ich praca bazuje na pomiarach danego wskaźnika jakości wody w węzłach z dozowaniem domieszki w SDWP.