Hydraulická analýza jako důležitá součást předprojektové přípravy

Úvod

Každá významnější stavba v zásobování vodou vyžaduje nemalé finanční prostředky, a proto je žádoucí důsledně analyzovat všechna možná řešení. Jinak řečeno, jak dosáhnout stanoveného cíle při maximálně efektivním vynaložení finančních prostředků. Je však potřeba zdůraznit, že se to musí stát při dodržení všech požadovaných OP. Celý tento proces je možné nazvat optimalizací.

V závislosti na tom, jak je řešená situace (stavba) složitá, se zvyšuje rozptyl investičních nákladů jednotlivých řešení dané situace (výše IN je nejčastěji používaná účelová funkce – respektive to, co má být minimalizováno). To znamená, že u velmi jednoduchého problému z hlediska optimalizace (například prodloužení koncového vodovodního řadu o několik metrů) budou investiční náklady bez rozdílu. Naproti tomu u složitějších problémů (například při řešení dopravy vody přes spotřebiště dále) mohou být rozdíly v investičních nákladech mezi jednotlivými řešeními značné. Obecně lze říci, že se zvyšující se složitostí řešené situace roste rozptyl mezi jednotlivými řešeními. Toto je možné zjednodušeně graficky vyjádřit viz Obr. 1.

Obrázek 1 – Rozptyl investičních nákladů v závislosti na složitosti řešeného problému

Celý proces optimalizace je možné ideově rozdělit na dvě části. První část je možné definovat jako „expertní část“. V rámci této části jsou nejprve navržena technicky možná řešení (alternativy) pro danou situaci. Například v situaci, kdy má být dopravena voda z výše položeného vodojemu do níže položeného vodojemu, mezi nimiž je však malý výškový rozdíl. Alternativně je tak možná gravitační doprava (potrubí velkých dimenzí, kde bude docházet k malým hydraulickým ztrátám) a také pomocí čerpací stanice („zvýšení výškového rozdílu“, což umožní menší dimenze potrubí).

Na expertní část navazuje „matematická část“. Zde dochází k samotné optimalizaci navržených řešení (optimalizovaným parametrem jsou dimenze potrubí) – tedy že je hledáno optimální řešení z pohledu účelové funkce (minimalizace investičních nákladů), které zabezpečí dopravu požadovaného množství vody do níže položeného vodojemu.

V rámci matematické části je vyvinuto velké množství (zejména zahraničních) optimalizačních postupů návrhu, ať už vodovodního potrubí, úpravny vody, čerpacích stanic nebo mnoha dalších vodohospodářských objektů, například (Bolognesi, 2014; Marques, 2014). Základem těchto postupů je definice účelové funkce a její optimalizace. To obvykle znamená účelovou funkci maximalizovat či minimalizovat nebo dosáhnout předem definované konkrétní hodnoty. Součástí je také matematický aparát nutný k řešení dané optimalizační úlohy. V úlohách zabývajících se distribucí vody je velmi často nutné propojení s HSM (u okruhových sítí je výpočet hydraulických parametrů bez HSM velmi těžce proveditelný), aby se ověřila přípustnost daného řešení. Přípustnost znamená splnění OP. Pro výše uvedený příklad to může být, že při dané dimenzi potrubí (nebo kombinacích dimenzí) je zabezpečena doprava požadovaného množství vody a zároveň v potrubí nebude vyšší nebo nižší tlak než jeho předem stanovená hodnota.

Případová studie

Tento článek se zabývá optimalizací způsobu propojení dvou skupinových vodovodů (dále jen „SV“). To spočívá v dopravě vody z vodojemu „A“ do vodojemu „B“ (viz obrázek 2). Případová studie kopíruje výše uvedené tj, že byly nejprve navrženy dvě ideově odlišné alternativy. Jedna z nich byla navržena jako takzvaná bezpečná varianta, která nemůže ovlivnit stávající odběratele, jelikož se jedná o izolované potrubí mimo stávající spotřebiště. Na druhé straně je patrné, že je potřeba vybudovat delší trubní trasu a není naplno využita kapacita stávající infrastruktury. Druhá varianta byla navržena jako „optimalizovaná“ varianta, kdy je voda dopravována do vodojemu „B“ s využitím stávající distribuční sítě. Na druhou stranu tímto vzniká závazek splnit stanovené omezující podmínky. Ty jsou vytyčeny tím, že nesmí být omezeni odběratelé a nesmí dojít k omezení rozvoje vodovodu. To znamená, že musí být i po propojení SV dostatečná kapacita pro nové rozvojové plochy. Toto řešení tedy vyvolalo potřebu použití HSM jako softwarového nástroje pro provedení hydraulické analýzy. Bez výsledků, které poskytuje HSM, by bylo nutné usuzovat, zda dopravované množství vody do nově připojeného SV ovlivní stávající a výhledový stav distribuční sítě (tj. že budou zajištěny dostatečné tlakové poměry), pouze na základě odborného úsudku a empirie. Takový postup by nebyl exaktní ani příliš zodpovědný. Následně byla provedena také optimalizace tohoto řešení (to znamenalo minimalizaci dimenzí potrubí části 1, 2 a 3). Dimenze výtlačného potrubí nepodléhala optimalizaci, ale byla stanovena s ohledem na maximální dosahované tlaky v potrubí (aby nebyla překročena hodnota PN potrubí).

Obrázek 2 – Schéma řešeného propojení SV

Metodologie

Jak je patrné již z Obr. 2, základem je maximálně efektivní využití stávající infrastruktury (distribuční sítě) tak, aby byla plně využita její přenosová schopnost, tj. že v současnosti je stávající hydraulická kapacita distribuční sítě využita například pouze z 30 %. Nejprve byly stanoveny technické požadavky, které nesmí být ve stávajícím ani výhledovém stavu porušeny. Výhledovým stavem je myšlen stav dlouhodobého rozvoje sítě do všech rozvojových ploch daných platným územním plánem. Tímto byly definovány OP pro návrh „optimalizované“ varianty a tím skončila „expertní část“ procesu optimalizace.

Následující text ve zkratce vystihuje logické posloupnosti nezbytné pro dosažení finálního návrhu.

1. Ideový návrh alternativního řešení k „bezpečné“ variantě
2. Stanovení OP vlastníkem a provozovatelem stávající distribuční sítě:
   1. při maximálním zatížení sítě a současném odběru pro nově napojený SV musí být minimální hydrodynamický tlak v síti v oblasti přípojek 0,25 MPa (respektive 0,15 MPa pro maximálně dvoupodlažní zástavbu),
   2. při maximálním zatížení sítě a současném odběru pro nově napojený SV musí být v každém místě sítě rozdíl hydrodynamického a hydrostatického tlaku maximálně 10 m. v. sl.,
   3. při náběhu čerpadel pro dopravu vody do nově připojeného SV nesmí docházet ke vzniku zákalových událostí.
3. Analýza stávajícího stavu:
   1. analýza spotřeby vody – stanovení stávajícího maximálního zatížení sítě,
   2. dynamické zkoušky – vyvolání dostatečně vysokých rychlostí proudění v distribuční síti, které budou reprezentovat výhledový stav; zároveň ověření bodu 2.c,
4. Analýza potřeb
5. Posouzení vlivu odběru nově připojeného SV vzhledem k výhledovém stavu:
   1. simulace a posouzení maximálního zatížení sítě stanoveného dle bodu 4. a současného odběru pro nově napojený SV dle bodu 2.a a 2.b,
   2. optimalizace – definice trubních úseků pro optimalizaci, vzhledem k rozměrnosti byla úloha programována pro posouzení všech kombinací viz předcházející bod, ohodnocení variant
6. Vyhodnocení a výběr finální varianty

Výsledky

Na Obr. 2 je schématické znázornění celé situace. Cílem je doprava vody z dostatečně kapacitního zdroje (SV) do vodojemu „B“ nově připojeného SV. K této dopravě je zapotřebí kromě trubního propojení také vybudování čerpací stanice. V rámci „bezpečné“ varianty je čerpací stanice (dále jen „ČS“) umístěna ve vodojemu „A“ a v případě „optimalizované“ varianty se jedná o ČS bez předřazené akumulace umístěné na okraj spotřebiště tak, aby neohrozila budoucí rozvoj sítě. Oranžová část na Obr. 2 je společná pro obě varianty. Jelikož není možné prezentovat zde všechny výsledky dle výše uvedeného postupu, jsou zde uvedeny pouze vybrané nejzajímavější výsledky.

Během dynamických testů bylo zapotřebí ověřit, zda nebude docházet ke vzniku zákalových událostí odběrem vody do nově připojeného SV. Přestože nebyla stávající distribuční síť nikdy řízeně propláchnuta a vypouštěné množství vody převyšovalo budoucí odběr nově připojeného SV o 70 %, nebylo zaznamenáno zvýšení zákalu vypouštěné vody nad legislativně povolenou hodnotu ani stížnosti odběratelů.

Po kalibraci HSM stávajícího stavu, provedení analýzy potřeb a dopracování HSM výhledového stavu byla provedena optimalizace řešení – jednalo se o úseky označeny na Obr. 2 jako „část 1“, „část 2“ a „část 3“. Pro každý úsek se obor hodnot skládal z plastového potrubí SDR 11 {d63; d75; d90; d110; d125; d140; d160; uzavřeno}. Hodnota “uzavřeno” nebyla uvažována pro „část 1“, jelikož by nebylo možné dopravovat vodu do nově připojeného SV. Celkem se jednalo o 448 kombinací, přičemž cílem bylo minimalizovat investiční náklady, což v tomto případě znamenalo vybrat investičně nejméně náročnou variantu, která splní OP dle bodu 2.a a 2.b.

Na Obr. 3 je pak patrné, že i ve výhledovém stavu jsou zabezpečeny požadované tlakové poměry v celé síti i v hydraulicky nejnepříznivějších (respektive nejvyšších) místech nově připojovaných ploch. Obdobně je patrné na Obr. 3, že i ve výhledovém stavu není překročena hodnota maximálního rozdílu tlaku 10 m v. sl.

Obrázek 3 – Minimální hydrodynamické tlaky a kolísání tlaku – výhledový stav

Výsledná optimalizovaná kombinace dimenzí z pohledu investičních nákladů je pro „část 1“ – d125, „část 2“ – d90 a „část 3“ – d90. Porovnání investičních nákladů na „bezpečnou“ variantu a „optimalizovanou“ variantu jsou v Tab. 1. Porovnání je zde uvedeno pouze pro odlišné části celkového řešení (oranžová část na Obr. 2 je společná a náklady na tuto část jsou stejné pro obě varianty).

Ceny jsou uvedeny bez DPH. Jednotkové ceny jsou stanoveny jako vážený průměr jednotkových cen dle (Ministerstvo pro místní rozvoj, 2019) a dle délky potrubí s odpovídajícím povrchem terénu. Aktuální cenová hladina se již může oproti použitým cenám lišit, avšak cílem je poukázat zejména na rozdíl mezi variantami, který se nebude ani při změně cenové hladiny příliš lišit.

Tabulka 1 Porovnání investičních nákladů jednotlivých variant (mimo společnou část)

Závěr

Výsledkem celého procesu je finální návrh dimenzí potrubí (viz výše), který splňuje omezující podmínky dle bodu 2. Investiční nároky na tuto „optimalizovanou“ variantu jsou přibližně o 5 mil. Kč (bez DPH) nižší než na „bezpečnou“ variantu navrženou „konvenčním způsobem“, tj. bez použití HSM a optimalizačních postupů. Zároveň je třeba připomenout, že tato úspora se projeví také kontinuálně každý rok v nižších generovaných prostředcích na obnovu. Například při životnosti 80 let je zjednodušeně možno vyčíslit úsporu jako 62 500 Kč.rok⁻¹ (IN : životnost). Jak je patrné na tomto konkrétním příkladu, fázi předprojektové přípravy je velice žádoucí věnovat velkou pozornost. Je zřejmé, že při použití optimalizačního přístupu jsou prostředky a úsilí do této fáze vložené vysoce rentabilní.

Reference

1. BOLOGNESI, A., C. BRAGALLI, C. LENZI a S. ARTINA. Energy Efficiency Optimization in Water Distribution Systems. Procedia Engineering [online]. 2014, 70, 181-190 [cit. 2021-03-15]. ISSN 18777058. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.02.021
2. MARQUES, J., M. CUNHA a D.A. SAVIĆ. Decision Support for Optimal Design of Water Distribution Networks: A Real Options Approach. Procedia Engineering [online]. 2014, 70, 1074-1083 [cit. 2021-03-15]. ISSN 18777058. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.02.119
3. MINISTERSTVO PRO MÍSTNÍ ROZVOJ. PRŮMĚRNÉ CENY DOPRAVNÍ A TECHNICKÉ INFRASTRUKTURY OBCÍ: Aktualizace 2019 [online]. Brno, 2019 [cit. 2021-03-18]. ISBN 978-80- 87318-79-9. Dostupné z: https://www.uur.cz/images/5-publikacni-cinnost-a-knihovna/internetoveprezentace/prumerne-ceny-TI/2019/ceny-ti-2019-celek.pdf