Zastosowanie metody ruchomego minimum do obliczenia objętości wód infiltracyjnych i przypadkowych w kanalizacji sanitarnej

INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA TERENÓW WIEJSKICH INFRASTRUCTURE AND ECOLOGY OF RURAL AREAS Nr 2/I/2012, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddziaá w Krakowie, s. 163–170

Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi

Grzegorz Kaczor, Piotr Bugajski

ZASTOSOWANIE METODY RUCHOMEGO MINIMUM

DO OBLICZENIA OBJĉTOĝCI WÓD INFILTRACYJNYCH

I PRZYPADKOWYCH W KANALIZACJI SANITARNEJ

____________

THE CALCULATION OF INFILTRATION AND INFLOW

VOLUME WITHIN SANITARY SEWER SYSTEMS

BY USING THE MOVING MINIMUM METHOD

Streszczenie

Celem badaĔ byáo ustalenie wielkoĞci dopáywu wód infiltracyjnych oraz przypadkowych do wybranej kanalizacji sanitarnej przy wykorzystaniu metody ruchomego minimum. Poddany badaniom system kanalizacyjny zlokalizowany jest w powiecie krakowskim w województwie maáopolskim. Dopáyw wód obcych do kanalizacji badano w wieloleciu 2008–2011. Na podstawie analizy wyników badaĔ, uzyskanych metodą ruchomego minimum ustalono, Īe udziaá wód infiltra-cyjnych w rocznych dopáywach wód zanieczyszczonych do kanalizacji wynosiá od 19,0 do 20,7%, natomiast udziaá wód przypadkowych od 19,5 do 31,4%. NajwiĊk-sze dopáywy wód przypadkowych w analizowanym wieloleciu wystąpiáy w roku

2010 (30 210 m3_{). Byá to rok, który ze wzglĊdu na roczną sumĊ opadów oceniany}

byá jako bardzo wilgotny. NajniĪsze dopáywy do kanalizacji wód przypadkowych

(15 053 m3_{) wystąpiáy w roku 2011 (rok bardzo suchy). NajwyĪsze dopáywy wód}

infiltracyjnych (20 675 m3_{) wystąpiáy natomiast w roku 2009 (rok suchy), a}

naj-niĪsze (14 805 m3_{) w roku 2011. Na podstawie przeprowadzonych badaĔ}

wykano, Īe w przypadku analizowanego systemu kanalizacyjnego wystĊpuje silna za-leĪnoĞü pomiĊdzy roczną sumą opadów atmosferycznych i roczną objĊtoĞcią wód obcych dopáywających do kolektorów Ğciekowych. Przeprowadzone badania wy-kazaáy, Īe metoda ruchomego minimum moĪe byü z powodzeniem stosowana do ustalania objĊtoĞci wód infiltracyjnych i przypadkowych dopáywających do kana-lizacji sanitarnej.

Sáowa kluczowe: Ğcieki, kanalizacja, wody infiltracyjne i przypadkowe, metoda

Summary

The aim of the study was to determine the volume of infiltration and inflow within a selected sanitary sewer system by using the moving minimum method. The examined sewer system is located in Kraków County, Lesser Poland Voivodeship. Parasite water inflow into the sewer system was studied in the multiannual period of 2008–2011. Based on the analysis of the research results, obtained using the moving minimum method, it was determined that the infiltration fraction in the an-nual inflow of contaminated water into the sewer system was from 19.0 to 20.7%, while the fraction of extraneous water - from 19.5 to 31.4%. The largest inflows of extraneous water in the analyzed multiannual period occurred in 2010 (30 210 m3_{). Due to high total annual precipitation this year was evaluated as very wet.}

The lowest inflows of extraneous water to the sewer system (15 053 m3_{) were}

ob-served in 2011 (extreme dry year). On the other hand, the largest inflow of infil-tration water (20 675 m3_{) occurred in 2009 (dry year) and the lowest (14 805 m}3₎

-in 2011. The performed research demonstrated a strong correlation between the annual amount of precipitation and the annual volume of parasite water flowing into sewer interceptors in the analyzed sewer system. The study showed that the moving minimum method can be successfully applied to determine the volume of infiltration and inflow within sanitary sewer systems.

Key words: sewage, sewer system, infiltration and inflow, moving minimum

method

WSTĉP

Gáównym celem kanalizacji sanitarnej jest zebranie i odprowadzenie z jed-nostki osadniczej Ğcieków powstaáych w wyniku czynnoĞci Īyciowych i byto-wania mieszkaĔców, oraz Ğcieków przemysáowych i przetwórczych. W trakcie eksploatacji do sieci kanalizacyjnej przedostają siĊ czĊsto takĪe wody, które nie powinny siĊ w niej znaleĨü. Są to gáównie wody infiltracyjne i przypadkowe, nazywane „Ğciekami pozornymi” lub „wodami obcymi” [Erb 1999]. Wody infil-tracyjne to przede wszystkim wody gruntowe, dopáywające do kanalizacji po-przez uszkodzenia Ğcian kanaáów, studni kanalizacyjnych oraz nieszczelnoĞci poáączeĔ przewodów [àomotowski , Szpindor 1999, Heidrich, Witkowski 2005, Franz i in. 2007, Kaczor , Przebinda 2009, Kuliczkowski , Lisowska 2009]. Do-páyw wód infiltracyjnych do kanalizacji nastĊpuje wtedy, gdy przewody uáoĪone są w gruncie poniĪej zwierciadáa wody gruntowej. IntensywnoĞü infiltracji jest wprost proporcjonalna do wysokoĞci sáupa wody gruntowej nad osią przewodu kanalizacyjnego [Madryas i in. 2010]. Infiltracja wód gruntowych do kanalizacji nasila siĊ po intensywnych opadach deszczu i jest najwiĊksza wczesną wiosną i póĨną jesienią ze wzglĊdu na wysokie poáoĪenie zwierciadáa wód gruntowych [BáaĪejewski 2003].

Wody przypadkowe to najczĊĞciej wody opadowe, przelewające siĊ przez otwory wáazowe lub wentylacyjne do wnĊtrza studni kanalizacyjnych [Kotowski

2006, Kaczor 2009] oraz nielegalnie odprowadzane ze spustów rynien dacho-wych i wpustów podwórzodacho-wych do kanalizacji bytowej lub przemysáowej [Suli-gowski 2000]. Do wód przypadkowych zalicza siĊ takĪe, kierowane do kanali-zacji w sposób zamierzony lub niezamierzony, wody odprowadzane podczas wykonywanych prac budowlanych lub remontowych, wody cháodnicze, a takĪe wody przedostające siĊ do kanalizacji przez otwory we wáazach studzienek po spáukiwaniu nawierzchni ulic lub myciu pojazdów.

Wody infiltracyjne i przypadkowe wywierają podobny wpáyw na funkcjo-nowanie sieci kanalizacyjnej oraz oczyszczalni Ğcieków. Po opadach deszczu lub intensywnych roztopach Ğniegu wywoáują one przeciąĪenia hydrauliczne kanali-zacji, przepompowni oraz oczyszczalni Ğcieków, rozcieĔczają zanieczyszczenia w Ğciekach surowych, powodują przecháodzenie Ğcieków w bioreaktorach w okresie wiosennym, zagraĪają wynoszeniem osadu z reaktorów biologicznych oraz osadników wtórnych przy podwyĪszonych przepáywach [Michalska , Pe-cher 2000, Kaczor , Satora 2003, PePe-cher i in. 2004, Kaczor , Bergel 2008].

Poprawne oszacowanie iloĞci wód obcych dopáywających do kanalizacji sanitarnej nie jest zadaniem prostym. Szczególne trudnoĞci wystĊpują przy okre-Ğlaniu natĊĪenia dopáywu do kanalizacji wód infiltracyjnych. NajczĊĞciej iloĞü Ğcieków pozornych ustalana jest na podstawie rocznego bilansu zuĪytej wody oraz iloĞci Ğcieków odpáywających z kanalizacji. W bilansie tym roczne zuĪycie wody pomniejszane jest zwykle o 10% na cele bezzwrotne, takie jak podlewanie roĞlin, mycie pojazdów, spáukiwanie podwórek i chodników, w wyniku których woda nie trafia do kanalizacji sanitarnej.

W literaturze naukowej opisane jest 12 metod iloĞciowych oraz 3 metody chemiczne, wykorzystywane do szacowania objĊtoĞci wód obcych w kanalizacji [De Bénédittis 2004]. Najbardziej rozpowszechnioną oraz najczĊĞciej stosowaną metodą obliczania iloĞci wód infiltracyjnych i przypadkowych w Niemczech, Holandii oraz we Francji jest metoda ruchomego minimum. Metoda ta zostaáa opracowana na Uniwersytecie Karlsruhe, a opisana w literaturze przez Weissa, Brombacha i Hallera [2002] w ramach badaĔ dopáywu wód obcych do kanaliza-cji ogólnospáawnej. W metodzie tej, podobnie jak pozostaáych metodach ilo-Ğciowych, zastosowane są pewne uproszczenia, jednak uzyskane wyniki, wedáug badaĔ róĪnych autorów, są w duĪym stopniu bliskie rzeczywistym.

CEL, ZAKRES I METODYKA BADAē

Celem badaĔ byáo ustalenie wielkoĞci dopáywu wód infiltracyjnych oraz przypadkowych do wybranej kanalizacji sanitarnej przy wykorzystaniu metody ruchomego minimum. Poddany badaniom system kanalizacyjny zlokalizowany jest w powiecie krakowskim w województwie maáopolskim. Sieü kanalizacyjna wykonana jest z rur kamionkowych o Ğrednicach od 200 do 300 mm. àączna dáugoĞü kolektorów Ğciekowych oraz siĊgaczy (bez przykanalików) wynosi 10

km. Do kanalizacji podáączonych jest 330 budynków zamieszkaáych przez 1485 mieszkaĔców. ĝcieki z kanalizacji odprowadzane są do zbiorczej mechaniczno-biologicznej oczyszczalni Ğcieków o przepustowoĞci hydraulicznej 225 m3_·d-1_.

Ukáad biologiczny oczyszczalni oparty jest na reaktorze przepáywowym typu A2O. Podczas pogody bezdeszczowej Ğredni dobowy dopáyw Ğcieków do oczysz-czalni wynosiá 189 m3_·d-1_{, zatem obiekt w okresie badaĔ obciąĪony byá}

hydrau-licznie w 84 procentach.

WstĊpna analiza przepáywów Ğcieków wykazaáa, Īe przy intensywnych opadach deszczu natĊĪenie ich dopáywu do kanalizacji oraz oczyszczalni Ğcie-ków ulega znacznemu podwyĪszeniu. Do badaĔ wykorzystano zarchiwizowane wartoĞci dobowych odpáywów Ğcieków z oczyszczalni w terminie od 01.01.2008 do 31.12.2011r. Przepáywy mierzono za pomocą sondy ultradĨwiĊkowej, zain-stalowanej nad przelewem trójkątnym, w korycie Ğcieków oczyszczonych. Rze-czywistą objĊtoĞü Ğcieków bytowych, odprowadzanych do kanalizacji, ustalono na podstawie rocznego zuĪycia wody przez uĪytkowników sieci w latach 2008– 2011. Po uwzglĊdnieniu zuĪycia bezzwrotnego Ğrednie jednostkowe zuĪycie wody, w analizowanym okresie, wynosiáo 84,3 dm3_·M-1_·d-1_{. W metodzie}

rucho-mego minimum przyjmuje siĊ, Īe dobowa iloĞü Ğcieków bytowych odprowadza-na do kaodprowadza-nalizacji jest staáa w ciągu caáego roku, czyli nie podlega wahaniom sezonowym.

Zastosowana do obliczeĔ metoda ruchomego minimum uwzglĊdnia roczne wahania dopáywu do kanalizacji wód infiltracyjnych, wynikające z prognozo-wanych zmian wysokoĞci poáoĪenia zwierciadáa wody gruntowej. Wahania te wywoáane są opadami deszczu oraz wystĊpują z pewnym opóĨnieniem w odnie-sieniu do doby, w której faktycznie wystąpiá opad. Dane wyjĞciowe niezbĊdne dla omawianej metody obejmują dobowe przepáywy Ğcieków oraz roczne zuĪy-cie wody przez mieszkaĔców korzystających z kanalizacji. We wstĊpnej analizie danych, naleĪy z ciągu obserwacji wykluczyü przepáywy dobowe mniejsze od ustalonego dobowego zuĪycia wody przez uĪytkowników kanalizacji. NaleĪy przyjąü, Īe odrzucone przepáywy niskie mogą byü nastĊpstwem czynników losowych takich jak: awarie pomp, przerwy w dostawie energii elektrycznej, prace konserwacyjne lub remontowe.

Autorzy omawianej metody zaáoĪyli, Īe w ciągu roku, w dowolnie wybra-nym przedziale czasowym wynoszącym 21 nastĊpujących po sobie kolejnych dób, wystąpi przynajmniej raz okres bezdeszczowy. Podczas pogody bezdesz-czowej dopáywy do kanalizacji bĊdą wyáącznie mieszaniną Ğcieków bytowych oraz ewentualnie wód infiltracyjnych. W zaáoĪeniach teoretycznych omawianej metody przyjĊto, Īe warunek ten bĊdzie speániaá przepáyw minimalny z prze-dziaáu 21 dobowego.

W metodzie ruchomego minimum (rys. 1) linia obrazująca dobowe dopáy-wy do kanalizacji wód infiltracyjnych, powstaje przez poáączenie wartoĞci mi-nimalnych z kolejnych przedziaáów 21-dobowych. Pierwszy przedziaá

rozpo-czyna siĊ 01.01.2011 a koĔczy 21.01.2012. Dla tego przedziaáu ustala siĊ war-toĞü minimalną dobowego przepáywu Ğcieków, która daje początek omawianej linii. Przedziaá kolejny musi byü przesuniĊty o jedną dobĊ, czyli rozpoczyna siĊ 02.02.2012, a koĔczy 22.01.2012, wartoĞü minimalna przepáywu z tego prze-dziaáu wyznacza kolejny punkt linii. CzynnoĞci te powtarza siĊ, aĪ do wáącze-nia do przedziaáu ostatniego dwáącze-nia analizowanego roku. Na rysunku 1 róĪnymi kolorami zaznaczono pola wykresu obrazujące roczne dopáywy do analizowanej kanalizacji wód infiltracyjnych, przypadkowych oraz Ğcieków bytowych.

0 100 200 300 400 500 600 11 .0 1. 01 11 .0 2. 01 11 .0 3. 01 11 .0 4. 01 11 .0 5. 01 11 .0 6. 01 11 .0 7. 01 11 .0 8. 01 11 .0 9. 01 11 .1 0. 01 11 .1 1. 01 11 .1 2. 01 Data pomiaru Pr ze pá yw do bow y w k anal iz ac ji [ m 3·d -1]

w ody przypadkow e w ody infiltracyjne Ğcieki bytow e

Rysunek 1. Dobowe przepáywy w kanalizacji w roku 2011 wód infiltracyjnych,

przypadkowych oraz Ğcieków bytowych ustalone metodą ruchomego minimum

Figure 1. Daily flows of infiltration, inflow and domestic sewage within the sewer

system in 2011, determined using the moving minimum method

Na podstawie obliczonych metodą ruchomego minimum rocznych objĊto-Ğci wód infiltracyjnych i przypadkowych ustalono ich udziaá w rocznej objĊtoobjĊto-Ğci wód zanieczyszczonych dopáywających do kanalizacji wedáug wzorów:

100

=

⋅

Q

Q

U

gdzie:

Uinf – udziaá wód infiltracyjnych w rocznej objĊtoĞci wód

zanieczyszczo-nych dopáywających do kanalizacji, %,

Uprzyp – udziaá wód przypadkowych w rocznej objĊtoĞci wód

zanieczysz-czonych dopáywających do kanalizacji, %,

Qinf – roczna objĊtoĞü wód infiltracyjnych dopáywających do kanalizacji, m3,

Qprzyp – roczna objĊtoĞü wód przypadkowych dopáywających do

kanaliza-cji, m3,

Q – roczna objĊtoĞü wód zanieczyszczonych (Ğcieków bytowych i wód obcych) dopáywających do kanalizacji, m3_.

Dopáywy do kanalizacji wód obcych zaleĪne są od opadów atmosferycz-nych. W niniejszej pracy wykorzystano sumy roczne opadów atmosferycznych, mierzone na terenie zlewni kanalizacyjnej, za pomocą korytkowego czujnika opadu poáączonego z rejestratorem danych. WilgotnoĞü poszczególnych lat skla-syfikowano na podstawie kryterium Kaczorowskiej [1962]. Rok 2008 oceniono jako normalny, 2009 – wilgotny, 2010 – skrajnie wilgotny, 2011 – bardzo suchy.

ANALIZA WYNIKÓW BADAē

Przykáadowe wyniki obliczeĔ wód obcych metodą ruchomego minimum przedstawiono w postaci graficznej na rysunku 1. Rok 2011 ze wzglĊdu na roczną sumĊ opadów, wedáug wg kryterium Kaczorowskiej, moĪna zaliczyü do lat bardzo suchych. Zmierzona suma opadów dla analizowanej zlewni kanaliza-cyjnej wyniosáa 492 mm. Szczególnie suchym miesiącem w tym roku byá listo-pad. Dopáywy do kanalizacji wód infiltracyjnych, ustalone za pomocą metody ruchomego minimum, są najniĪsze wáaĞnie w tym miesiącu. MoĪna zatem stwierdziü, Īe zachodzi zgodnoĞü prognozowania ze stanem rzeczywistym. Naj-wyĪsze dopáywy wód przypadkowych miaáy miejsce 25 kwietnia oraz w okresie od 18 lipca do 7 sierpnia. Widoczny jest takĪe wzrost dopáywu wód przypadko-wych 16 grudnia, kiedy wystąpiá intensywny opad i natychmiastowe topnienie Ğniegu.

Na podobnej zasadzie wykonano obliczenia dla roku 2010, 2009 i 2008. Obliczone, za pomocą metody ruchomego minimum, objĊtoĞci poszczególnych strumieni wód dopáywających do kanalizacji w latach 2008–2012 zestawiono w tabeli 1. NajwiĊksze dopáywy wód przypadkowych w analizowany wieloleciu wystąpiáy w roku 2010 (30 210 m3_{). Byá to rok, który ze wzglĊdu na roczną}

sumĊ opadów oceniany byá jako skrajnie wilgotny. NajniĪsze dopáywy do kana-lizacji wód przypadkowych (15 053 m3) wystąpiáy w roku 2011 (rok bardzo suchy). NajwyĪsze dopáywy wód infiltracyjnych (20 675 m3) wystąpiáy nato-miast w roku 2009 (rok wilgotny), a najniĪsze (14 805 m3) w roku 2011.

Tabela 1. Roczne objĊtoĞci Ğcieków bytowych, wód infiltracyjnych oraz wód

przypad-kowych dopáywających do badanej kanalizacji w latach 2008–2009 obliczone metodą ruchomego minimum

Table 1. The annual volume of domestic sewage, infiltration and inflow within the

studied sewer system in 2008–2009 calculated using the moving minimum method

WartoĞü parametru w roku

Parametr Jednostka

2008 2009 2010 2011

ObjĊtoĞü wód zanieczyszczonych (Ğcieków i

wód obcych áącznie) m3 79554 84176 95087 77014

ObjĊtoĞü Ğcieków bytowych m3 _{45655 43904 46072 47156}

ObjĊtoĞü wód infiltracyjnych m3 _{17101 20675 18805 14805}

ObjĊtoĞü wód przypadkowych m3 _{16798 19597 30210 15053}

Na rysunku 2 zobrazowano udziaáy wód infiltracyjnych oraz wód przy-padkowych na tle sum rocznych opadów atmosferycznych. Udziaá wód infiltra-cyjnych w rocznej objĊtoĞci wód zanieczyszczonych dopáywających do kanali-zacji zawieraá siĊ w przedziale od 19,0 do 20,7% w zaleĪnoĞci od wilgotnoĞci roku. Zmiany udziaáu tych wód w poszczególnych latach nie przekraczaáy 2%. Udziaá wód przypadkowych w wiĊkszym stopniu byá związany z wilgotnoĞcią roku i zmieniaá siĊ w zakresie od 19,5% w roku 2011 do 31,4% w roku 2010. WartoĞü udziaáu wód przypadkowych, w zaleĪnoĞci od sumy rocznej opadów, róĪniáa siĊ maksymalnie o blisko 12%.

rok normalny rok wilgotny rok skrajnie wilgotny rok bardzo suchy 20,7 19,4 19,0 _19,2 23,3 21,1 31,4 19,5 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 2008 2009 2010 2011 Rok Ud zi a á w ó d o b cy ch [% ] 0,0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0 1200,0 S u m a r o czn a o p a d ó w a tm o sf e ryczn yc h [m m ]

opad atmosferyczny Udziaá wód infiltracyjnych Udziaá wód przypadkowych

Rysunek 2. Udziaá wód infiltracyjnych oraz przypadkowych w rocznych dopáywach

wód zanieczyszczonych do kanalizacji w poszczególnych latach na tle sumy rocznej opadów atmosferycznych

Figure 2. Fraction of infiltration and inflow in the annual amount of contaminated water

Dla potwierdzenia tezy, Īe roczna objĊtoĞü wód obcych, dopáywających do analizowanej kanalizacji, zaleĪna jest od rocznej sumy opadów atmosferycz-nych, wykonano wykres regresji przedstawiony na rysunku 3. ZaleĪnoĞü pomiĊ-dzy badanymi parametrami doskonale opisuje funkcja liniowa w postaci y = 0,0226·x + 27,224 (wspóáczynnik determinacji r2 _{dla analizowanej}

zaleĪno-Ğci wyniósá 0,995). Uzyskany w analizie wysoki stopieĔ skorelowania pomiĊdzy analizowanymi parametrami wskazuje, Īe gáównym Ĩródáem wód obcych w badanym systemie kanalizacyjnym są wody przypadkowe, pochodzące najpraw-dopodobniej z nielegalnych podáączeĔ rynien dachowych do kolektorów sani-tarnych oraz infiltracja wód gruntowych do przewodów uáoĪonych w gruncie nawodnionym. y = 0,0226x + 27,224 R2 _{= 0,995} 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 55,0 0,0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0 1200,0

Roczna suma opadów atmosferycznych [mm]

Ud zi a á w ó d o b cy ch [ % ]

Rysunek 3. Wpáyw rocznej sumy opadów atmosferycznych na procentowy udziaá wód

obcych w rocznych dopáywach wód zanieczyszczonych do analizowanego systemu kanalizacyjnego

Figure 3. The effect of total annual precipitation on the percentage of parasite water in

the annual contaminated water inflow into the studied sewer system

Uzyskane wyniki wskazują, Īe niezbĊdne jest zbadanie analizowanej sieci kanalizacyjnej pod kątem nielegalnych wáączeĔ wylotów rynien dachowych. Wiele takich nieprawidáowoĞci moĪna zidentyfikowaü metodą zadymiania przyáączy kanalizacyjnych. W przypadku nie uzyskania satysfakcjonujących rezultatów, naleĪy przeprowadziü przegląd sieci metodą video. Raport z