Příkladná adaptace vodovodní sítě města na klimatickou změnu

Úvod

Udržení jakosti dopravované pitné vody v distribuční síti bude v budoucnu v souvislosti se změnou klimatu čím dál větší výzvou. Je zcela jasně predikováno, že v dlouhodobém měřítku dojde v celosvětovém měřítku k nárůstu průměrné teploty vzduchu. Dojde k nárůstu teploty surové (povrchové) vody, která se pravděpodobně bude dále propagovat do vodovodu ve smyslu vyšší vstupní teploty do distribuční sítě (analogie s vyšší vstupní koncentrací nějaké látky). Zároveň ale nárůst teploty vzduchu bude působit i na místa vodovodu, u kterých to nemusí být na první pohled patrné. Jedná se o distribuční vodovodní síť. V nedávných letech byl totiž vědeckými studiemi potvrzen vliv teploty vzduchu na teplotu půdy. Na teplotu půdy má vliv vícero spolupůsobících faktorů, avšak teplota byla potvrzena vždy. Například (Asadzadeh, 2025) se věnoval studii teploty vody do hloubky 100 cm, což je sice nedostatečná hloubka pro vliv na vodovod, nicméně bylo potvrzeno, že teplota vzduchu teplotu půdy skutečně ovlivňuje a zároveň že od 50 cm hlouběji má ze sledovaných faktorů důležitější vliv teplota vzduchu. Hlubšímu půdnímu horizontu se pak věnovala studie (Singh, 2017), která sledovala teplotu půdy až do 4 m a zároveň byla věnována pozornost také dynamice procesu. Zde bylo zjištěno, že krátkodobý cyklus (i během 24 hodin) je patrný do hloubky 0,4 m. Dále že v celém sledovaném horizontu (až do hloubky 4 m) byla zjištěna změna teploty v delší časovém měřítku. I v této studii byl potvrzen vliv teploty vzduchu na teplotu půdy. Zároveň u obou studií platí, že různé typy půdy mají různou dynamiku, avšak obecně jsou premisy platné pro všechny typy půd.

Vliv změny klimatu je tedy zřejmý i na půdní horizont, ve kterém se běžně nachází uložené vodovodní potrubí. Otázkou tedy je, jaké další návaznosti to má na jakost dopravované pitné vody. Zcela jistě znamená teplejší půda větší prohřívání vody v potrubí a dosažení vyšších teplot. V zásobování pitnou vodou je důležitá především oblast maximálních teplot. Například z pohledu rizika není tak podstatné, zda bude dodávaná voda v zimě o teplotě 6, 8 nebo 10 °C. Kdežto na opačné straně spektra je zásadní rozdíl v hygienickém riziku, pokud má voda ve vodovodu teplotu 20, 25 či dokonce 27 °C. Například dle (Van Der Kooij, 2013) se bakterie Legionella pneumophila rozmnožuje při teplotách 25 až 45 °C a při teplotě nižší než 25 °C nejsou schopné konkurovat jiným bakteriím. Dle zkušenosti autora textu již nyní nastává situace, že voda ve vodovodu dosahuje teplot až k 25 °C. Je možné zmínit, že provozovatel vodovodu z případové studie níže na monitorovacím místě zaznamenal teploty blížící se 23 °C, přestože ve stejném časovém období voda odtékající z vodojemu byla o teplotě kolem 18 °C. Pokud v budoucnu nedojde ke změně na straně zásobování vodou, tato teplota bude zcela jistě překročena. Důležité také je, kolik času voda v potrubí před opuštěním systému stráví, respektive kolik času dostanou mikroorganismy ke svému rychlému rozvoji (běžně udávané optimum pro rychlý růst je 20–40 °C). Kratší čas (stáří vody) pak logicky znamená menší prostor pro rozvoj mikroorganismů.

Další důležitou oblastí, u které je potvrzen vliv teploty, je rychlost rozpadu volného chloru. Například ve studii (García-Ávila, 2020) byla věnována pozornost stanovení závislosti rychlosti rozpadu volného chloru (vyjádřeno koeficientem k_b určujícím rychlost reakce přímo v proudu vody bez vlivu kontaktu se stěnou nebo sedimentem) na teplotě vody. Ve sledovaném období byla průměrná teplota vody od 15,7 do 19,4 °C a hodnoty k_b se pak pohybovaly od 0,124 do 0,192 h⁻¹, a to v korelaci se zvyšující se teplotou. Jak sami autoři uvádějí, jedná se o vyšší hodnoty, než bylo zjištěno v jiných studiích, což může být způsobeno specifiky zkoumaného vodovodního systému. Ve studii (Mompremier, 2024) bylo navíc zjištěno, že vliv na koeficient k_b nemá pouze teplota vody, ale také vstupní koncentrace volného chloru (oba faktory mají vliv na rychlost rozkladu). Tato závislost byla popsána následujícím vztahem:

(1)

kde je

C_Cl2

vstupní koncentrace volného chloru [mg.l⁻¹],

T

teplota vody [°C].

S využitím tohoto vztahu je pak možné predikovat koncentraci chloru v čase respektive rychlost jeho rozkladu. Nejběžněji se pro matematický popis rychlosti rozkladu volného chloru v distribučních sítích používá model kinetiky prvního řádu, kde je proměnnou čas (opět souvislost se stářím vody). Následující obrázek vyobrazuje rychlost rozkladu volného chloru v čase v závislosti na teplotě pouze v souvislosti s reakčním koeficientem k_b. Reálně je pochopitelně problematika složitější, jelikož vlivem prohřívání se teplota mění a hodnota reakčního koeficientu k_b se tak také v čase mění. Komplexnost modelování teploty ve vodovodních sítích v současnosti a také v dohledné budoucnosti dalece přesahuje použití v běžné praxi. Jedná se tak pouze o demonstrativní ukázku.

Z obrázku 1 je patrné, že byla uvažována vstupní koncentrace 0,30 mg.l⁻¹ a teploty 15, 20, 25 a 30 °C. V případě teploty vody 15 °C by teoretický čas na pokles na koncentraci 0,05 mg.l⁻¹ měl být cca 160 hodin. Naopak při teplotě 25 °C je tento čas již pouze cca 110 hodin. Teoretický rozdíl je tedy více než 2 dny. Rozdíl je porovnáván pro koncentraci 0,05 mg.l⁻¹, jelikož se často udává jako určitá hranice, při které má volný chlor dezinfekční účinky.

Obrázek 1 – Grafické schéma řešené situace propojení (připojení) vodovodů

Výše uvedené studie jsou zaměřené spíše na řešení obecných závislostí ve velkém měřítku. Jako příklad lokální konkrétní případové studie je možné zmínit (Ručka, 2025). Jedním ze závěrů této studie byl fakt, že většinově byla voda s vyšším stářím (získáno pomocí hydraulického simulačního modelu) teplejší než voda s nižším stářím a také teplejší než na vstupu do systému.

Dějová linka vyplývající z výše uvedených podložených skutečností je tedy jasná, zvýšená teplota vzduchu ovlivní také teplotu půdy. Teplejší půda následně zapříčiní vyšší teplotu vody v distribuční síti, což znamená rychlejší rozvoj mikroorganismů a zároveň rychlejší rozklad volného chloru, což nevyhnutelně vede k vyššímu potenciálnímu hygienickému riziku. Jaké jsou tedy možnosti snížení těchto rizik? Zabránit nárůstu teplot vzduchu není možné. Zároveň není možné zvyšovat koncentraci volného chloru na vstupu do distribuční sítě (běžně dosahované hodnoty nejsou příliš daleko od horní povolené hranice). Jediná spolehlivá možnost, která zároveň nevyžaduje žádné chemikálie, je adaptace distribuční sítě. Tato adaptace (optimalizace) zajistí, že se v maximální míře zkrátí doba (sníží se stáří), po kterou je dopravovaná voda v distribuční síti, než je dodána spotřebiteli.

Metodologie

Jak bylo popsáno v předcházející kapitole, je jednoznačně vhodné snažit se dobu zdržení vody v potrubí minimalizovat. Je vhodné, aby dopravovaná voda byla vystavena vyšší teplotám nejkratší možnou dobu. Dalším z řady faktorů mající vliv na jakost dopravované vody je sediment, k jehož tvorbě či usazování dochází v distribuční síti. Tento sediment má přinejmenším vliv na organoleptické vlastnosti. V případě, že ve vodovodní síti dochází k proudění velmi malými rychlostmi, tento sediment se postupně usazuje (jedná se o dlouhodobý proces) až do doby, než nějaká změna hydraulických podmínek vyvolá tzv. zákalovou událost. V tomto momentě dopravovaná voda přestává splňovat legislativní požadavky, nejčastěji pro ukazatel zákalu. V případě, že ve vodovodní síti dochází pravidelně k dostatečným rychlostem proudění, má takováto síť schopnost samočištění (případně je tvorba či usazování sedimentu minimalizována). Pro implementaci těchto požadavků bude koncepčně dělena na části, které jsou patrné z následujícího obrázku.

Obrázek 2 – Konceptuální schéma pro adaptaci topologie vodovodu

Jak je patrné z obrázku, vodovod je členěn na části, u kterých platí následující tvrzení:

• okruh I. řádu – jedná se o potrubí největších dimenzí, tento základní hydraulický okruh nesmí být nijak redukován ani jinak snižována jeho hydraulická kapacita. Všechny uzávěry musí být při běžném provozu otevřeny. Při běžném provozu dochází ke změnám směru proudění.
• okruh II. (a nižšího) řádu – tento okruh je zásobován vodou z okruhu I. řádu, přičemž na odbočení je vhodné umístit měřicí místo průtoku a zároveň, pokud to stávající tlakové poměry vyžadují, také tlakově regulační ventil. Při běžném provozu zde nedochází ke změnám směru proudění (pouze při poruchách).
• větevnatá část – jedná se o koncovou část sítě z pohledu toku vody. Dimenze potrubí odpovídají charakteru a typu zástavby a jejich stávající spotřebě. Při poruše dojde k dočasnému přerušení zásobování vodou pro danou část větevnaté sítě. Toto se však bude týkat maximálního stanoveného počtu ekvivalentních obyvatel, což je omezující parametr pro velikost izolovaných větevnatých částí. V žádném provozním stavu zde nemůže dojít ke změnám směru proudění vody.
• doprava tranzitního průtoku – jedná se o potrubí, na která nejsou připojeni žádní odběratelé a v případě poruchy nedojde k omezení zásobování vodou. Po dobu poruchy je spotřebiště zásobeno z vodojemu „B“, ve kterém je pro tyto případy vytvořena akumulace.

Případová studie

Navržená koncepce vodovodu byla implementovaná na konkrétním vodovodu, a to na skupinovém vodovodu Uherský Brod v rámci generelu tohoto skupinového vodovodu. Respektive byla koncepce aplikována především na distribuční síti města Uherský Brod. Vodovod byl řešen od zdrojů vody (úpraven) až po koncový odběr z vodovodu. Celková délka řešeného vodovodu byla cca 145 km, z čehož tvořila distribuční síť 66 km.

Navržená adaptace (optimalizace) vodovodu byla navržena s výhledovým obdobím o délce 30 let. Velice důležité je zmínit, že se jedná o dlouhodobou strategii adaptace, nikoliv o vyvolání potřebných jednorázových investic. Vše se děje pouze v rámci plánované obnovy vodovodu, ke které by došlo tak jako tak. Cílem je vodovod obnovovat efektivněji s jasně stanovenou koncepcí. Jakákoliv navržená změna topologie vodovodu v rámci generelu se tak týkala pouze potrubí, které se bude v daném intervalu obnovovat.

Jako omezující podmínka pro velikost větevnaté části vodovodu v případové studii byl provozovatelem stanoven parametr 500 ekvivalentních obyvatel. Minimální dimenze potrubí byla stanovena jako PE d63 SDR 17. Návrh potrubí byl realizován s ohledem na základní faktory – „objem, délka a rychlost“. V praxi to kromě jiného znamenalo především:

1. pokrýt co největší část distribuční sítě nejnižší možnou dimenzí potrubí (objem),
2. zrušit přebytečné hydraulické okruhy (délka),
3. řady nižší dimenze napojit v koncové části řadu vyšší dimenze, například dva řady DN 80 jsou napojeny na konec řadu DN 100 (rychlost).

Po velice podrobné implementaci těchto principů na každou jednotlivou část vodovodu bylo dosaženo následujících výsledků:

Tabulka 1 – Porovnání délky distribuční sítě stávajícího a návrhového stavu

Obrázek 3 – Porovnání stáří vody dodávané spotřebitelům

Závěr

Navrženou koncepcí se podařilo dosáhnout velmi dobrých výsledků ve všech ukazatelích. Z pohledu jakosti v řešené části města Uherský Brod se podařilo výrazně snížit průměrné stáří dodávané vody. Průměrné stáří dodaného objemu kleslo přibližně na polovinu původní hodnoty. Jak bylo uvedeno dříve, stáří vody může mít značný dopad na jakost dodávané vody, jedná se tedy o velmi pozitivní změnu z pohledu výrazné redukce potenciálních rizik. Navrženou distribuční síť je v řešeném rozsahu při zachování všech funkcí možné zkrátit o cca 7,4 km, což je přibližně 11 % z řešené délky distribuční sítě.

Všechny tyto skutečnosti jednoznačně potvrzují vysokou efektivitu provedených činností a tohoto dokumentu a také potvrzují přínos koncepčního plánování. Dosažené výsledky dokladují vysokou hodnotu vzniklého strategického dokumentu. Navržená koncepce sebou přináší také značné ekonomické výhody. Potrubí, které bude zrušeno, není nutné obnovovat a prostředky, které by byly použity při výměně „kus za kus“, je možné použít na zvýšení frekvence obnovy jiných částí vodovodu.

Reference

1. ASADZADEH, Farrokh, Somayeh EMAMI, Ahmed ELBELTAGI, Muhammed Ernur AKINER, Vahid REZAVERDINEJAD, Farshid TARAN a Ali SALEM. Investigating the impact of meteorological parameters on daily soil temperature changes using machine learning models. Scientific Reports [online]. 2025, roč. 15, čl. 19988.
   https://doi.org/10.1038/s41598-025-04605-0.
2. RAVIRANJAN KUMAR SINGH a RAM VINOY SHARMA. Numerical analysis for ground temperature variation. Online. Geothermal Energy. 2017, vol. 5, no. 1. ISSN 2195-9706. Dostupné z: https://doi.org/10.1186/s40517-017-0082-z.
3. VAN DER KOOIJ, Dirk. Microbial Growth in Drinking-Water Supplies: Problems, Causes, Control and Research Needs. Online. Water Intelligence Online. 2013, roč. 12. ISSN 1476-1777. Dostupné z: https://doi.org/10.2166/9781780400419.
4. GARCÍA-ÁVILA, Fernando; SÁNCHEZ-ALVARRACÍN, Carlos; CADME-GALABAY, Manuel; CONCHADO-MARTÍNEZ, Julio; GARCÍA-MERA, George et al. Relationship between chlorine decay and temperature in the drinking water. Online. MethodsX. 2020, vol. 7, s. 101002. ISSN 2215-0161. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.mex.2020.101002.
5. MOMPREMIER, Rojacques; LEÓN SANTIESTEBAN, Héctor Hugo; RAMÍREZ MUÑOZ, Jorge a GÓMEZ NÚÑEZ, Jersain. Study of the combined effect of temperature and free chlorine concentration on the chlorine bulk decay coefficient in water supply systems. Online. Water Supply. 2024, vol. 24, no. 12, s. 4046–4058. ISSN 1606-9749. Dostupné z:
   https://doi.org/10.2166/ws.2024.255.
6. RUČKA, J.; HAŠKA, A.; RAJNOCHOVÁ, M.; ZUZAŇÁK, R. Vyhodnocení teploty vody ve vodovodní síti v horkém letním období – případová studie. VODA ZLÍN 2025. 28. Olomouc: Moravská vodárenská, a.s., Tovární 41, 779 00 Olomouc, 2025. s. 117–123. ISBN: 978-80-909129-1-5.