Studie vlivu více faktorů na poruchovost vodovodní sítě na území Ostravy

Javorek Michal
Institut ekonomiky a systémů řízení
VŠB – Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava – Poruba
E – mail: michal_javorek@hotmail.com

The main goal of this thesis is to analyse the failure rate of the main and supply water pipelines of the „Ostravské vodárny a kanalizace, a.s.“

There were analysed the effects of the following factors:

the kind of the material of the water pipeline,

the age of the water pipeline,

the falling caused by undermining and

the endurance evoked by the road transport.

V této práci byla provedena analýza poruchovosti hlavních a zásobovacích vodovodních řadů Ostravských vodáren a kanalizací. Analyzován byl vliv těchto faktorů:

druh materiálu vodovodního potrubí,

stáří vodovodního potrubí,

poklesy způsobené poddolováním a

zátěž způsobená silniční dopravou.

Diplomová práce je zaměřena na analýzu vodovodní sítě (hlavních a zásobovacích vodovodních řadů) Ostravských vodáren a kanalizací a.s. Analýza vodovodní sítě spočívá ve zhodnocení vlivu nepříznivých faktorů, které mohou svým působením na vodovodní síti způsobovat její poruchy.

Evidence poruch vzniklých na vodovodním potrubí během období r. 1998 – 2000 společně s dalšími daty umožňuje sledovat závislost mezi poruchovostí vodovodní sítě a velikostí sledovaných faktorů. Tímto způsobem je možno určit teoretický účinek těchto faktorů a velikost jejich vlivu na poruchovost potrubí.

Faktory, které budou v této práci sledovány, byly vybrány vzhledem k jejich předpokládaným účinkům na poruchovost vodovodní sítě. V úvahu je však nutno vzít i další faktory, které by se mohly rovněž podílet na poruchovosti potrubí. Sledování, resp. určení alespoň přibližných hodnot těchto faktorů ve sledovaných oblastech, není vzhledem k jejich složitosti, datovým zdrojům a závislosti na mnoha podmínkách možné. O některých takových faktorech je zmínka v kapitole Nezahrnuté faktory.

Kritérium, které bylo zvoleno pro určení poruchovosti jednotlivých potrubních úseků, lze nazvat „průměrnou délkovou poruchovostí” sítě. Jedná se o počet poruch zjištěných na daném potrubním úseku, dělený jeho délkou (není-li stanoveno jinak, pak je délka uváděna v km). Tímto postupem je možné získat průměrnou hodnotu počtu poruch na jednotku délky daného úseku potrubí.

Tento velmi důležitý faktor souvisí se všemi sledovanými faktory. Reálná doba životnosti potrubí závisí na mnoha faktorech týkajících se samotného potrubí i vnějšího prostředí. Deterministické určení doby životnosti potrubí je tedy velmi složité až nereálné.

Teoretická životnost potrubí se uvádí pro litinová potrubí 60 – 80 let, ocelová potrubí 25 – 40 let, umělohmotná potrubí přibližně 50 let.

Každý druh materiálu má své specifické vlastnosti a s nimi spjaté výhody i nevýhody. Je zřejmé, že fyzikální a chemické vlastnosti materiálu úzce souvisí s délkou životnosti potrubí.

Potrubí jsou normalizována jejich vnitřním průměrem - jmenovitou světlostí (DN [mm]) a jmenovitým tlakem – maximálním pracovním přetlakem (PN [MPa]).

Výběru vhodného materiálu je nutno věnovat velkou pozornost, jelikož potrubí tvoří zpravidla nejnákladnější a nejrozsáhlejší část celé sítě.

Pod silnicemi a v jejich těsné blízkosti jsou potrubní sítě vystaveny účinkům silniční dopravy. Vibrace projíždějících dopravních prostředků prostupují skrze silniční svršek do podloží a mohou takto narušovat potrubí ve svém dosahu. Vibrace se přenášejí rovněž přes nadzemní hydranty a ostatní nadzemní tělesa spojena s potrubními systémy.

U potrubních sítí uložených v zemi představují nebezpečí vodorovné složky pohybů terénu (stlačení a roztažení vlastního potrubí), které způ­sobují namáhání potrubí, případně jeho porušení po překročení meze pevnosti materiálu. Nejčastěji dochází k poruchám u souvislých ocelových svařovaných potrubí.

Okrajové oblasti poklesových kotlin - nehorší vývoj poklesů z hlediska namáhání potrubí uložených pod povrchem.

Vnitřní (uklidněné) části poklesových kotlin - zhruba stejná hloubka poklesů kde nedochází k výrazným deformacím a namáhání potrubí.

Nejprve bylo třeba provést zpracování vstupních dat a přiřadit hodnoty sledovaných faktorů vrstvě vodovodní sítě (vrstva byla upravena ve své grafické i popisné části). Následně byly vypočteny délkové poruchovosti potrubí a na základě nich byl analyzován vliv nepříznivých faktorů na poruchovost vodovodního potrubí. Pro účely zhodnocení vlivu sledovaných faktorů byly použity multivariační analýzy (po konzultaci s RNDr. Matějem Turčanem, Ph.D. byla použita vícerozměrná regrese a analýza rozptylu).

Cílem regresní analýzy je v našem případě nalezení závislosti mezi studovanou náhodnou veličinou Y (poruchovostí potrubí), která bývá označována jako vysvětlovaná proměnná a deterministicky určenými vysvětlujícími veličinami X_i. Vysvětlujícími proměnnými byly tedy přímo jednotlivé sledované faktory.

Cílem analýzy rozptylu je porovnání úrovně studované kvantitativní proměnné (poruchovosti potrubí) v několika skupinách, do nichž se základní soubor (vzorek potrubí pro analýzu) rozpadá. Třídním hlediskem (kritériem) pro rozčlenění základního souboru do skupin je jedna či více proměnných nominálního typu (v našem případě čtyři sledované faktory). Dále platí, že prokážeme-li v předpokládaném směru rozdíl mezi skupinami, prokázali jsme tím závislost studované kvantitativní proměnné (poruchovosti potrubí) na použitém kritériu (dle kterého došlo k rozdělení základního souboru do tříd).

Diplomová práce je zaměřena na studii vlivu více faktorů na poruchovost vodovodní sítě. Samotná analýza byla provedena pro posouzení vlivu stáří potrubí, materiálu potrubí, poklesů způsobených poddolováním a vlivu silniční dopravy. Tyto faktory byly vybrány vzhledem k jejich předpokládaným účinkům na poruchovost vodovodní sítě a vzhledem k existenci a dostupnosti dat o těchto faktorech. Existuje však řada dalších faktorů, které mohou mít vliv na poruchovost potrubí, jejich zapojení do analýzy však znemožnila jejich složitost, závislost na mnoha podmínkách a neexistence vhodných datových zdrojů.

Například analýza, která by kromě zpracovávaných faktorů zohlednila i vliv prostředí, ve kterém je potrubí uloženo, by byla velmi složitá až nereálná. Do samotné analýzy by bylo zapotřebí zapojit kromě dosavadních faktorů velké množství dalších jako je povrchová úprava potrubí či jeho izolace, hloubka uložení potrubí, propustnosti nadložního i podložního prostředí, výšky hladin podzemních vod a jejich změny, obsahy síranů v podzemních vodách (pH) a další. Možnost zohlednění zmiňovaného vlivu prostředí byla konzultována s vedoucí oddělení Mineralogie, petrografie a geochemie doc.Ing. Helenou Raclavskou, CSc.

Na území Ostravy je průměrná výška hladiny podzemní vody okolo 7 metrů pod povrchem (v městském obvodě Poruba je to přibližně 25 metrů), v různých místech je tedy hladina podzemních vod různá. Dynamiku změn hladiny ovlivňují také propustnosti půdních vrstev. U potrubí si navíc musíme uvědomit, že jeho uložením do země došlo ke změně vlastností nadloží co se propustnosti a akumulačních vlastností týče.

Samotné měření složení a vlastností vzorků půd a podzemních vod je provedeno pouze na určitých malých částech území Ostravy, pokrývajících zájmová území (podniků, staveb...), navíc jednotlivé výsledky nejsou spravovány v jednotné databázi pro Ostravu, ale zvlášť u zadavatelů těchto měření.

V oblastech s antropogenními navážkami je možno počítat se zvýšenou koncentrací síranů. Zdrojem dostupných dat o těchto navážkách jsou mapy antropogenních navážek v měřítku 1:50 000, nejsou zde však záznamy o mocnosti navezených vrstev, ani o době těchto navážek.

Další faktory, které by mohly mít vliv na poruchovost potrubí, se týkají přímo vody transportované potrubím. Jde především o pH vody a koncentraci kyslíku v ní. Tyto faktory způsobují vnitřní korozi potrubí (či jeho inkrustaci).

Dalším faktorem je tlak v potrubí, resp. změny tlaku v potrubí. Vlivem tlaku v potrubí se ve své disertační práci zabýval Ing. Pavel Dvořák ze Strojní fakulty VUT v Brně.

Další faktor, který nebyl zahrnut do studie, je vliv bludných proudů. Bohužel data o tomto faktoru nejsou k dispozici, navíc i tento faktor závisí na celé řadě podmínek (např. kvalita uzemnění tratě a vzdálenost uzemnění, hloubka potrubí, podmínky týkající se podloží tratě, existence a druh ochrany potrubí před tímto faktorem).

Vliv na poruchovost potrubí má také kvalita a způsob provedení kladečských prací, již zmiňovaná hloubka uložení potrubí a železniční doprava.

Existují jistě ještě další faktory mající nepříznivý vliv na potrubní systémy. Samostatná analýza by mohla být věnována posouzení kvality typů spojů používaných u jednotlivých materiálů.

Analýzy faktorů uvedených v této kapitole není možno vzhledem k jejich složitosti a závislosti na mnoha podmínkách, či vzhledem k datové nedostupnosti provést.

V této práci se nepodařilo vytvořit vyhovující regresní model, který by dobře vystihoval poruchovost potrubí vzhledem k hodnotám sledovaných faktorů. Nemožnost vypočtu přesného regresního modelu zapříčiňuje velká rozdílnost hodnot poruchovosti potrubí majících stejné hodnoty všech sledovaných faktorů. Na poruchovost potrubí má proto zcela jistě značný vliv celá řada dalších faktorů.

Výsledné analýzy byly zaměřeny zejména na posouzení poruchovosti potrubí v závislosti na použitém materiálu a na dalších vybraných faktorech.

Vzhledem ke sledovanému vývoji poruchovosti potrubí lze největší vliv přisoudit faktorům stáří a materiálu potrubí, ale také faktoru poklesů, který se rovněž výrazně projevil u všech starších úseků potrubí. Faktor silniční zátěže měl prokazatelně nejmenší vliv na poruchovost potrubí a to pouze u dvou materiálů (oceli a litiny).

Vliv poklesů se projevil zvláště v okrajových částech poklesových kotlin u všech starších potrubí, které prošly nejhorším vývojem poklesů v období 1960 – 1980.

Relativně největší účinek poklesů se projevil u ocelového potrubí.

Přesnější výsledky analýz nejsou publikovány, jelikož popisují interní data Ostravských vodáren a kanalizací, a.s.

Pokračování projektu by mohlo spočívat v zapojení dalších faktorů. V případě malého zastoupení některého z faktorů v analyzovaném vzorku (podobně jako u silniční zátěže, kde byly zatížené jen malé oblasti) bude však již téměř nemožné data analyzovat metodou analýzy rozptylu. Regresní analýza není na tento problém tolik citlivá, avšak i zde bude vyhodnocení samostatného vlivu takto málo se vyskytujícího faktoru obtížné.

Rovněž zapojení dalších faktorů týkajících se vodovodního potrubí (faktor tlaku, typů spojů, pH transportované vody, izolace aj.), které by vzhledem k neúplnosti dat nebyly uvedeny u všech úseků potrubí, by bylo téměř nemožné. Se vrůstající rozměrností analýzy je pro její věrohodnost přinejmenším vhodné analyzovat větší množství dat.

1. Bradáč J.: Účinky poddolování a ochrana objektu I a II díl, 1. vydání, Ostrava: Dům techniky Ostrava, 1996, 303 str., ISBN 80-02-01276-3
2. Dvořák P.: Vliv poruch rozváděcích řadů na spolehlivost vodovodních sítí, disertační práce, VUT Brno – Strojní fakulta, 2000, 118 str.
3. Hebák P. - Hustopecký J.: Vícerozměrné statistické metody s aplikacemi, SNTL a n.p. Alfa, 1987, 452 str.
4. Hebák P.: Úvod do regrese. SPN Praha, 1971, 91 str.
5. Hradil F.: Potrubní systémy, 1. vydání, VŠB – TU Ostrava, 1994, 197 str., ISBN 80-7078-253-6
6. Intergraph Corporation: Working with GeoMedia Professional, Kanada: Intergraph Corporation, 1998, 354 str.
7. Neset K.: Vlivy poddolování (Důlní měřičství IV), 1. vydání, Praha: Nakladatelství technické literatury, n.p., 1984, 344 str., ISBN 04-406-84
8. Neuwirth A.: Úvod do vodního hospodářství, VŠB – TU Ostrava, 1996, 173 str., ISBN 80-7078-317-6
9. Pěkník J.: Kontinuální sledování deformací a namáhání podzemních potrubních sítí jako opatření ke zvýšení bezpečnosti jejich provozu na poddolovaném území, zpráva č.200, Ostrava-Radvanice: Vědeckovýzkumný uhelný ústav, 1982, 28 str.
10. Schejbal C.: Úvod do geostatistiky, 1. vydání, VŠB – TU Ostrava, 52 str., ISBN 80-7078-325-7.
11. Vitásek K - Neset K.: Vlivy poddolování (nauka o důlních škodách), 1. vydání, Ostrava: Ediční středisko VŠB, 1963, 230 str.

Environmental Systems Research Institute (ESRI). USA. Dostupný z: <URL: http://www.esri.com/>

Intergraph Corporation. USA. Dostupný z: <URL: http://www.intergraph.com/>

Ostravské vodárny a kanalizace a.s. ČR. Dostupný z: <URL: http://www.ovak.cz/>

Copyright (C) VŠB - TU Ostrava, Institut geoinformatiky, 2001-3. Všechna práva vyhrazena. 
V případě, dotazů, komentářů, připomínek kontaktujte www-gis.hgf@vsb.cz
Tato stránka byla naposledy aktualizována: 29.03.2006 16:16
Stránky jsou optimalizovány pro Microsoft Internet Explorer v. 5.0 a vyšší.
Jsou vytvářeny v programovém prostředí FrontPage 2003.