Определение приоритетов санации трубопроводов

В статье изложен подход определения дополнительного притока инфильтрационных вод в систему коммунальной канализации города. Рассмотрены способы определения мест поступления дополнительного притока вод в систему канализации: объемный способ и способ, основанный на изменении температуры сточных вод в системе при поступлении дополнительного притока. Места дополнительного притока определяют приоритетные участки для санации канализационной сети. Для ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» эта проблема очень актуальна в виду значительного колебания уровня воды в р. Нева.

Ключевые слова: инфильтрат, системы коммунальной канализации, санация

Явление инфильтрации, вызванное нарушением герметичности элементов канализационных систем, приводит к увеличению количества сточной воды в сети и как следствие к:
- увеличению нагрузки на перекачивающие станции;
- снижению количества потребителей услуг канализования, которые могут быть подключены к сети;
- необходимости повышения производительности очистных сооружений;
- инжекции грунта в сеть, засорению сети, образованию каверн и просадок.

Инфильтрация проявляется в регионах, где уровень грунтовых вод постоянно или периодически превышает глубину заложения канализационных сетей, а также при некачественном строительстве канализационных сетей.

Основным фактором, от которого зависит величина инфильтрации, является степень водонепроницаемости стенок труб, которая в свою очередь зависит от:
- материала труб;
- качества изготовления труб;
- уровня грунтовых вод;
- величины атмосферных осадков на данной территории;
- источников питания грунтовых вод;
- амплитуды колебания грунтовых вод.

То есть величина инфильтрации находится в зависимости от большого количества прямо или косвенно влияющих факторов.

Их можно условно разделить на две категории:
1. Факторы, влияющие одинаково на все участки и элементы сети (материал, технология изготовления).
2. Факторы, связанные с грунтовыми водами.

В случае, когда имеют место только факторы первой категории, величина инфильтрации будет равномерна по всему участку. Как правило, при качественном изготовлении труб эта величина незначительна.

Случаи влияния факторов второй категории встречаются на практике гораздо чаще, и, как показывает опыт, это влияние может быть гораздо больше, чем влияние факторов первой категории. Это и будет предметом нашего рассмотрения.

Представим километр канализационной сети, о котором известно, что на его интервале приток в сеть инфильтрата составляет 10% от всего транспортируемого по интервалу стока.

Следует учитывать, что существует большая разница в том, является ли приток инфильтрата суммой многих небольших притоков или единичными случаями больших притоков. Во втором случае устранение притока обойдется гораздо дешевле. Безусловно, лучше отремонтировать (санировать) весь интервал сразу, поскольку точечный ремонт оставляет открытыми для возможных разрушений несанированные участки сети.

Однако под этим вопросом, как правило, понимается другой вопрос: является ли влияние инфильтрата настолько существенным, чтобы обращать на него внимание. Для ответа на этот вопрос следует попытаться оценить величину инфильтрата и сравнить затраты на его обработку (перекачку и очистку) с затратами на устранение притоков. Где-то возможны проблемы с ограничениями пропускной способности сетей, и устранение инфильтрата освободит часть рабочего объема канализационной сети.

Оценка величины инфильтрата может быть выполнена балансовым способом путем сравнения количества сточной жидкости, приходящей на очистные сооружения, и расчетного количества сточной жидкости (рис. 1). Если канализация в городе общесплавная, то ожидаемое на очистных сооружениях количество сточной жидкости будет равно количеству поданной в город воды плюс количество поверхностного стока с известной территории водосбора. Если канализация в городе раздельная, то поверхностный сток не учитывается.

Рис. 1. Баланс сточной воды бассейна канализования

Поданная в город вода в основной своей массе - централизованное водоснабжение, но может быть и водой из собственных источников. В основном крупными собственными источниками владеют промышленные предприятия или предприятия топливно-энергетического комплекса.

Для владельцев общесплавной канализации, во избежание ошибок с оценкой количества поверхностного стока при поиске мест дополнительного притока, лучше использовать при анализе сухие периоды.

Предположим, что приток инфильтрата неравномерен на протяжении канализационной сети. Для поиска дополнительных притоков разделим централизованную систему водоотведения на несколько канализационных участков сети - бассейнов, то есть одно уравнение баланса превратим в несколько - уравнение для каждого участка. При измерении объемов в точке выхода каждого такого участка-бассейна появится возможность сравнивать величины притоков в каждом фрагменте системы.

Величины дополнительных притоков позволят нам определить приоритеты поиска притока.

При определении приоритета поиска используются два критерия: абсолютный и относительный.

Абсолютным критерием будем называть разницу между измеренным количеством сточной жидкости, выведенной из системы Qкан и ожидаемым количеством Qожид.

Выбор способа определения приоритетов поиска заранее предсказать трудно. Может оказаться, что в сети с небольшим расходом количество дополнительного притока будет в разы больше основного потока (большой коэффициент дополнительного притока). Или при малом коэффициенте дополнительного притока расход его окажется больше, чем на других участках сети. Это будет зависеть от величины расходов сточной жидкости на каждом конкретном участке канализационной сети-бассейне.

Для удобства рассмотрим пример одного бассейна очистных сооружений, принимающих на очистку хозяйственно-бытовой сток с четырех направлений (рис. 2). Предположим, что расход сточной жидкости на очистные сооружения составляет 192 тыс. м3/сут. Ожидаемое поступление сточной жидкости составляет 150 тыс. м3/сут. Избыток равен 42 тыс. м3/сут. Коэффициент дополнительного притока - 22%.

Рис. 2. Пример бассейна очистных сооружений

Основным моментом в наших рассуждениях следует считать предположение, что коэффициент притока неравномерен по четырем направлениям.

Рассмотрим коэффициент притока по каждому направлению в отдельности (таблица 1, рис. 3-4).

Таблица 1. Распределение потоков в примере участков канализационной сети

Рис. 3. Распределение Кдоп. притока по направлениям

Рис. 4. Распределение Q доп. притока по направлениям

Как видно, Кпр максимален в направлении 2. При этом Qпр максимален в направлении 1.

Таким образом, определяющим критерием для поиска дополнительных притоков целесообразно считать абсолютный критерий.

В целом по городу составить баланс несложно. Для этого достаточно сравнить объемы водопроводной воды на входе в город с объемами сточной жидкости на очистных сооружениях. Для устранения влияния потерь на станциях предпочтительнее сравнивать выходы водопроводных станций и входы очистных сооружений.

Разделяя канализационную сеть на участки и решая баланс на каждом участке отдельно, мы можем более точно определить бассейны с наибольшим притоком.
Однако при разделении общего бассейна на части возникает две существенные проблемы:
1. Точность оценки количества воды, попадающей в бассейн.
2. Точность измерения сточной жидкости на выходе из бассейна

Первая проблема вызвана несовпадением топологии водопроводной и канализационной сетей, вследствие чего бассейн канализования с одним выходом имеет, как правило, несколько входов водопроводной воды. Часть водопроводной воды может проходить через бассейн канализования транзитом. Вторая проблема связана с тем, что участки канализационной сети, как правило, не приспособлены для измерений. Доведение их до состояния измерительных участков приведет к дополнительным (и существенным) затратам. Измерение на существующих участках увеличивает погрешность измерения.

Так или иначе нужно понимать пределы применения метода объемного поиска притоков. В Санкт-Петербурге такой предел установлен на границах бассейнов главных ниток тоннельных коллекторов.

Сделанные по ниткам тоннельных коллекторов бассейна Центральной станции аэрации замеры подтвердили этот вывод. Кроме того, дополнительный приток по ниткам коллекторов неодинаков. Это позволило определить приоритеты поисков дополнительного притока. Для определения направления поисков этого достаточно. Но для того, чтобы определить конкретные места притоков, явно нет. Рассмотрим два способа поиска дополнительного притока: визуальный и температурный (основанный на разнице температур).

Возможности традиционного визуального осмотра сети:
1. Визуальный осмотр позволяет увидеть только те места, которые видны через горловину колодца.
2. Визуальный осмотр (как и теледиагностика) позволяет увидеть только ту часть, которая видна над потоком сточных вод.
3. Визуальный осмотр (как и теледиагностика) позволяет увидеть приток только тогда, когда он есть.

Наличие этих недостатков резко сужает возможности визуального способа поиска притоков и не дает уверенности в полноте поиска.

Если приток постоянен (на значительном интервале времени - дни, недели), то производить поиск гораздо проще, но если нет, то вопрос усложняется многократно.

Санкт-Петербург является классическим примером, где уровень грунтовых вод колеблется часто и сильно. В основном это происходит за счет колебаний уровня в р. Нева. В связи с этим возникла необходимость применения второго способа, предусматривающего использование для обнаружения притока косвенного показателя - температуры сточной жидкости. В основе данного способа лежит разница между температурой сточной жидкости и температурой дополнительного притока.

Холодный дополнительный приток разбавляет сточную воду, изменяя в том числе ее температуру (рис. 5).

Рис. 5. Принцип обнаружения дополнительного притока по температуре

Производя измерения последовательно по сети, можно отметить точки понижения температуры относительно средней температуры сточной жидкости (рис. 6).

Рис. 6. Принцип обнаружения дополнительного притока на участке сети

На практике это выглядит так, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Пример обнаружения дополнительного притока по температуре

В данном примере видно, что поступление воды из р. Фонтанка снижает температуру до 7°С. После изучения ситуации выяснилось, что на месте старого выпуска сверху была проложена новая сеть, но выпуск заделан не был (рис.8), и вода из р. Фонтанка поступала в систему канализации.

Рис. 8. Место обнаружения дополнительного притока

Рис. 9. Рабочее время и часы наибольшего уровня в Неве

В Санкт-Петербурге уровень грунтовых вод постоянно меняется и зависит от уровня в Неве. Обследование канализационных сетей ведется, как правило, в рабочее время, а уровень в Неве максимален в это время не всегда. В представленном на рис. 11 случае на рабочее время приходится как раз низкий уровень грунтовых вод, то есть минимальный дополнительный приток. Это снижает шансы обнаружить дополнительный приток обычным способом.

В случаях, когда уровень грунтовых вод неравномерен, измерение температуры должно производиться с частотой, соответствующей частоте изменения уровня и без участия человека. Ранее для проведения измерений с частотой, например, один раз в 15 мин., пришлось бы задействовать в каждой точке человека или достаточно сложное оборудование, требующее стационарного электропитания. В настоящее время рынок предлагает температурные даталоггеры, рассчитанные на автономную работу в течение нескольких лет.

Рассмотрим зависимость температуры от поднятия уровня в Неве на примере двух контрольных точек (таблица 2) с установленными температурными даталоггерами.

Контрольная точка 1. На графике (рис. 10) видно, что подъем уровня в Неве и выпадение осадков не влияют в значительной степени на температуру сточной воды в контрольной точке 1.

Рис. 10. Температура сточной жидкости на участке канализационной сети в зависимости от уровня грунтовых вод (точка 1).

Это означает, что на данном участке сетей в контрольной точке 1 отсутствует снижение температуры сточной жидкости при подъеме уровня грунтовых вод, что говорит об отсутствии необходимости дальнейших поисков в указанном направлении.

Контрольная точка 2. На графике (рис. 11) можно определить, что температура в контрольной точке 2 не зависит от выпадения осадков, а ее снижение регистрируется непосредственно во время подъема уровня в Неве.

Рис. 11. Температура (t) сточной жидкости на участке канализационной сети в зависимости от уровня грунтовых вод (точка 2)

Снижение температуры сточной жидкости говорит о наличии дополнительного притока в сети выше места установки датчика. Таким образом, мы установили участок сети для дальнейшего поиска притока.

Уровень начала притока определяется по графику в месте пересечения графика температуры и уровня, для точки 2 уровень начала притока > 50 см (уровень в Неве).

Очевидно, что зависимость температуры от уровня грунтовых вод тем сильнее, чем сильнее приток.

По данным расшифровки точек с установленными регистраторами температуры ведется ранжирование участков с выявленной зависимостью от уровня в Неве, определяется начальный уровень р. Нева, при котором начинается приток. В итоге для каждой контрольной точки фиксируется так называемый порог срабатывания (таблица 2).

Таблица 2. Точки участков сети с ранжированием по уровню в Неве, с которого начинается приток

Порог срабатывания - это установленный уровень в Неве, при котором появляется ощутимый дополнительный приток в контрольной точке. Определяется понижением температуры сточной воды в ключевых точках при определенном уровне.

По мере того как точки ставятся на учет и ранжируются по порогу срабатывания, используя прогноз по уровню в Неве, мы можем запланировать визуальный поиск только на тех участках, где притока следует ожидать.

На графике фиксируется фактический уровень в Неве, что позволяет оперативно выполнять работы по снятию температурных даталоггеров с последующей расшифровкой данных.

Также на графике представлены прогнозы по уровню в Неве из разных источников наблюдения, что позволяет выполнять эффективный визуальный поиск с локализацией мест притока на участках сетей выше контрольных точек тогда, когда уровень в Неве выше установленного порога срабатывания. Разбив сеть на участки и расставив температурные даталоггеры в контрольных точках-выходах из участков сети и получив информацию о наличии (отсутствии) зависимостей от уровня грунтовых вод, можно достаточно быстро выделить только те участки, на которых дополнительный приток присутствует.

Таким образом, данный метод в настоящий момент является дешевым заменителем способа с измерением объемов притока и позволяет проводить замеры наличия притока в контрольных точках в массовом порядке.

Недостаток температурного способа - невозможность применения в жаркую погоду, когда температура сточной жидкости сравнима с температурой водоема, а также в периоды низкого и условно стабильного уровня в водных объектах.

Важным достоинством применения даталоггеров является также то, что по их показаниям можно производить верификацию информации обходчиков. Раньше подтвердить или опровергнуть слова обходчика об отсутствии притока было невозможно. Теперь же на основании анализа данных о местах и объеме дополнительного притока определяются приоритеты по санации или капитальном ремонте канализационных сетей. В конечном итоге информация о найденных притоках передается в подразделение строительно-восстановительных работ для проведения мероприятий по их устранению.

Выводы

Описанные способы поиска дополнительного притока сточных вод в систему коммунальной канализации Санкт-Петербурга позволяют определить как место, так и объем дополнительного притока. Это является основанием определения приоритетов при формировании программ санации городских канализационных сетей.

 Determining rehabilitation priorities of pipelines

The article describes an approach to determine the additional in flow of in filtration water into the municipal sewage system. Method to locate additional in flow into the sewage system are described: the volumetric method and method based on changes of the sewerage temperature with the additional inflows into the system. Inflow locations may determine the rehabilitation priorities of the sewage network. This issue is very important for SUE «Vodokanal of St.Petersburg» because of the large fluctuations in the level of the Neva River.

Keywords: infiltration water, public sewage system, rehabilitation

Gayane A.Pankova, DirectorforDevelopment, SUE «Vodokanalof St.Petersburg», 42 Kavalergardskaya St., St.Petersburg, 191015, Russia,tel.:(+7 812) 326 5206, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Andrey A.Oreshin, Head of Water Balance Unit, Wastewater Disposal Directorate, SUE «Vodokanal of St.Petersburg», 1 Bely island, St.Petersburg, 198184, Russia, tel.: (+7 921) 3162072, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №2 (102), 2016 г.