Reklama

Stanovení potřeby vody v případě malých spotřebišť

2.1.2012

Ing. Tomáš Kučera, Ph.D., Ing. Dušan Kadula

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí

Recenzovaný

Otázkou je stanovení specifické potřeby vody/obyvatele a stanovení koeficientů, které určují špičkovou potřebu vody (max./den a max./hod.), a tato může být značně rozdílná od průměrné potřeby. Max. hod. potřeba je naprosto klíčová hodnota, co se týče stanovení správné dimenze potrubí vodovodu.

Reklama

Úvod

V současné době není k dispozici aktuální ucelená metodika pro výpočet potřeby vody, a to ani pro rozsáhlejší, ani pro menší spotřebiště. Poslední ucelená metodika pro výpočet potřeby vody byla vydána v roce 1973 v podobě Směrnice č. 9 Ministerstvem lesního a vodního hospodářství ČSR a Ministerstvem zdravotnictví ČSR. Tato dnes již notoricky známá směrnice obsahuje hodnoty specifické potřeby vody, koeficientů nerovnoměrností a další, které byly stanoveny na základě celostátního průzkumu a měření, přičemž byly zohledněny i zahraniční zkušenosti. Od doby vydání směrnice nebyl podobně komplexní materiál vydán. Ohledně výpočtu potřeby vody lze zmínit Metodický pokyn ministerstva zemědělství vydaný v roce 1985.

Při stanovení potřeby vody může být uvažováno několik složek odpovídající různým typům odběratelů: voda fakturovaná domácnostem, voda fakturovaná jednotlivým významným odběratelům, voda fakturovaná ostatním odběratelům, voda nefakturovaná. Pokud zde hovoříme o malých spotřebištích, máme na mysli obce s počtem obyvatel do 500, kde potřeba vody je tvořena především a často pouze složkou fakturovanou domácnostem. Pro stanovení této složky potřeby vody jsou klíčové především tři hodnoty: specifická potřeba vody na obyvatele, koeficienty maximální denní a hodinové nerovnoměrnosti.

Aktualizované údaje, z nichž je možné usuzovat hodnotu specifické potřeby vody, jsou k dispozici v podobě směrných čísel roční potřeby vody uvedených v příloze č. 12 vyhlášky č.428/2001 Sb. ve znění Vyhlášky č. 120/2011 Sb. Podle §29 odst. 2 zmiňované vyhlášky směrná čísla roční potřeby vody určují potřebu pitné vody a zpravidla i množství vypouštěné odpadní vody. Je však zřejmé, že samotná směrná čísla nemohou být dostačujícím podkladem pro odpovědné stanovení potřeby vody, především nelze postihnout nerovnoměrnosti vyplývající jak z místních specifik, tak i z velikosti spotřebiště.

Jedna otázka je tedy stanovení specifické potřeby vody na jednoho obyvatele a druhá pak stanovení koeficientů, které určují špičkovou potřebu vody (maximální denní a maximální hodinová), a tato může být značně rozdílná od průměrné potřeby.Maximální hodinová potřeba, je naprosto klíčová hodnota, co se týče stanovení správné dimenze potrubí vodovodu. V případě příliš nízké hodnoty může docházet, byť jen krátkodobě, k hydraulickému přetížení vodovodu, nebo naopak při vyšších hodnotách může docházet ke stagnaci vody v systému, což u malých vodovodů může znamenat poměrně závažné ovlivnění kvality dopravované vody negativním směrem.

Stanovení hodnot potřeby vody

V současné době není v ČR závazná směrnice resp. ČSN pro výpočet potřeby vody. Stále se tedy při výpočtu potřeby vody více méně vychází ze zmíněných směrnic. Při výpočtu potřeby vody zpravidla rozlišujeme, zda se provádí výpočet pro lokalitu, která již má veřejný vodovod nebo se jedná o spotřebiště, které je dosud bez veřejného vodovodu. Dimenzování rozvodné vodovodní sítě malých lokalit do 150 přípojek se doporučuje posoudit podle normy ČSN 75 5455 Výpočet vnitřních vodovodů.

Pro stanovení potřeby vody jsou používány následující vztahy, přičemž uvádíme pouze položky týkající se vody fakturované obyvatelstvu. Ostatní složky potřeby vody jsou u těchto malých spotřebišť velmi individuální záležitostí, proto je dále nezmiňujeme.

Průměrná potřeba vody:

Q_p = SPV ‧ ZO[l.s⁻¹], [m³.den⁻¹](1)

kde

SPV: … specifická potřeba vody fakturované [l.obyv⁻¹.den⁻¹]
ZO: … počet zásobovaných obyvatel [obyv]

Maximální denní potřeba vody:

Q_d = Q_p ‧ k_d[l.s⁻¹], [m³.den⁻¹](2)

kde

k_d: … koeficient denní nerovnoměrnosti [-]

Maximální hodinová potřeba vody:

Q_h = Q_d ‧ k_h[l.s⁻¹](3)

kde

k_h: … koeficient hodinové nerovnoměrnosti [-]

Specifická potřeba vody pro obyvatelstvo je pro tyto malé obce obvykle uvažována v rozsahu 50–120 l.obyv⁻¹.den⁻¹. Na základě zmiňované směrnice č. 9 jsou používány hodnoty koeficientů denní nerovnoměrnosti uvedené v tab. 1. Koeficienty byly postupem času na základě zkušeností z reálného provozu postupně upravovány a v současné době různé zdroje doporučují k použití různé hodnoty koeficientů, např. jako v tab. 2.

Tab. 1 Koeficienty denní nerovnoměrnosti podle Směrnice č. 9/1973
počet obyvatel	`k_d`
do 1 000	1,5
1 000 – 5 000	1,4
5 000 – 20 000	1,35
20 000 – 100 000	1,25
nad 100 000	1,15

Tab. 2 Koeficienty denní nerovnoměrnosti – empirické hodnoty
počet obyvatel	`k_d`
do 500	1,5
500 – 2 000	1,35
2 000 – 20 000	1,30
20 000 – 1 000 000	1,25
nad 1 000 000	1,20

Hodnoty koeficientu hodinové nerovnoměrnosti se určují na základě charakteru zástavby přibližně v intervalu 1,8–2,1, kde vyšší hodnoty jsou doporučeny pro spotřebiště sídlištního charakteru. Uvedený rozsah je však pouze orientační a jak uvedeme později, hodnoty k_h mohou být i výrazně nad tímto uvedeným rozsahem. Hodnoty obou koeficientů jsou v praxi upravovány na základě dílčích empirických poznatků.

Případová studie

Jako dílčí úkol byla v rámci zpracování diplomové práce provedena případová studie za účelem zjištění specifické potřeby vody a souvisejících koeficientů na několika vybraných spotřebištích malého rozsahu. První z nich je zásobované gravitačně z vodojemu, v případě dalších tří spotřebišť je pak napájecím uzlem automatická tlaková stanice.

Spotřebiště A

Obr. 1 Měřicí místo M1

První zájmové spotřebiště se vyznačuje typicky venkovskou roztroušenou zástavbou s významným podílem rekreačních objektů. Spotřebiště má částečně charakter rekreační (chatové) oblasti s postupně se zvyšujícím podílem trvale obydlených objektů.

Dle provedeného průzkumu na místě v prosinci 2009 je na vodovod napojeno 42 vodovodních přípojek, přičemž reálně vodu odebírá pouze 33 nemovitostí. Dále je možné ve výhledu uvažovat s napojením dalších 18 trvale obydlených nemovitostí. V současné době je tedy pravidelně zásobováno cca 109 obyvatel, dalších cca 30 obyvatel je napojeno, avšak vodu neodebírá, a také lze uvažovat až se 60 obyvateli k napojení ve výhledu. Celkově se může jednat o napojení až 60 přípojek resp. 199 obyvatel.

Podle dostupné projektové dokumentace bylo pro výpočet potřeby vody uvažováno s napojením stávajících 85–90 stálých obyvatel, cca 30 přechodných obyvatel (rekreační objekty) a dále 45 obyvatel ve výhledu – tzn. celkem 160 obyvatel, což odpovídá celkově cca 47 vodovodním přípojkám.

Na základě provozních záznamů provozovatele vodovodu za roky 2007–2009 byla provedena analýza spotřeby vody. Z těchto záznamů byla zjištěna pro předmětnou lokalitu průměrná denní spotřeba 7,6 m³.d⁻¹, resp. 0,09 l.s⁻¹.Pokud uvažujeme počet napojených obyvatel v tomto spotřebišti 109, pak specifická spotřeba vody na jednoho obyvatele činí 70 l.ob⁻¹.d⁻¹.

Tab. 3 Nátoky do spotřebiště
Měsíc	2007	2008	2009
Měsíc	[m³]
1	151	185	225
2	150	221	180
3	172	214	181
4	230	269	281
5	227	308	299
6	261	303	227
7	246	290	243
8	258	294	247
9	168	231	256
10	175	228	263
11	171	219	209
12	197	236	200
součet
[m³]	2406	2998	2811
průměrná spotřeba
[m³.měs⁻¹]	200,5	249,8	234,3
[m³.d⁻¹]	6,7	8,3	7,8
[l.s⁻¹]	0,08	0,10	0,09

Pokud provedeme výpočet spotřeby vody podle údajů z odečtů na fakturačních měřidlech, pak vycházejí hodnoty poněkud nižší (především v roce 2008), což lze částečně připočíst na stranu nepřesností při odečtu a částečně na stranu ztrát vody, vč. neautorizovaných odběrů prostřednictvím hydrantů.

Tab. 4 Spotřeba vody podle odečtů z fakturačních měřidel
rok	2007	2008
spotřeba	2363	2517	m³.rok⁻¹
	196,9	209,8	m³.měs⁻¹
	6,6	7,0	m³.d⁻¹
	0,08	0,08	l.s⁻¹

Potřeba vody podle projektové dokumentace

V případě tohoto spotřebiště byla porovnávána potřeba vody stanovená projektovou dokumentací, stávající spotřeba vody a potřeba vody stanovená ve výhledu. V projektové dokumentaci bylopočítáno se 160 obyvateli a byla předpokládána specifická potřeba vody ve výši 60 l.ob⁻¹.d⁻¹ – stanoveno analogicky podle spotřeby ve skupinovém vodovodu. Z této hodnoty pak byla v projektové dokumentaci pro zájmovou lokalitu stanovena (za použití výše uvedených vzorců):

průměrná denní potřeba ……… Q_p,A = 160 × 0,06 = 9,6 m³.d⁻¹ = 0,11 l.s⁻¹;
maximální denní potřeba ..…… Q_m,A = 9,6 × 1,4 = 13,4 m³.d⁻¹= 0,16 l.s⁻¹;
maximální hodinová potřeba .… Q_h,A = 0,17 × 2,1 = 0,34 l.s⁻¹;

při použití koeficientů denní nerovnoměrnosti k_d = 1,4 a hodinové nerovnoměrnosti k_h = 2,1.

Spotřeba vody – aktuální stav

Na základě provedené analýzy spotřeby vody lze pak stanovit hodnoty pro stávající stav:

průměrná denní spotřeba ……… Q_p,B = 7,6 m³.d⁻¹ = 0,09 l.s⁻¹;
maximální denní spotřeba ..…… Q_m,B = 7,6 × 1,7 = 12,9 m³.d⁻¹ = 0,15 l.s⁻¹;
maximální hodinová spotřeba .… Q_h,B = 0,15 × 4,8 = 0,71 l.s⁻¹;

při využití analogie s podobnými spotřebišti je uvažován koeficient denní nerovnoměrnosti k_d = 1,7 a hodinové nerovnoměrnosti k_h = 4,8.

Jak je patrné, je zde určitý rozpor od hodnot stanovených v projektové dokumentaci – za nižších hodnot průměrné spotřeby je usuzováno na vyšší špičkové odběry, a to použitím odlišných hodnot koeficientů.

Potřeba vody – výhledový stav

Pro výhledový stav je jednak uvažována potřeba vody stávající a navíc potřeba vody pro dalších 89 obyvatel. Pro novou zástavbu je uvažována vyšší specifická potřeba vody na obyvatele = 120 l.ob⁻¹.d⁻¹, pak:

průměrná denní potřeba ……… Q_p,C = 7,6 + 10,6 = 18,2 m³.d⁻¹ = 0,21 l.s⁻¹;
maximální denní potřeba ..…… Q_m,C = 18,2 × 1,7 = 30,9 m³.d⁻¹ = 0,36 l.s⁻¹;
maximální hodinová potřeba .… Q_h,C = 0,36 × 4,8 = 1,72 l.s⁻¹;

Zde je zřejmé, že vodovod navržený na hodnoty uváděné v projektové dokumentaci, pravděpodobně nevyhoví při zvýšené poptávce po odběru vody.

Posouzení podle ČSN 75 5455

Jelikož se jedná o malé venkovské spotřebiště s počtem obyvatel těsně přesahujícím 150 obyvatel (a to dokonce až ve výhledu), je vhodné provést stanovení potřeby vody rovněž podle ČSN Výpočet vnitřních vodovodů. Zde je stanovován návrhový průtok Q podle vztahu:

[l.s⁻¹](4)

kde

q: … specifický výtok jednotlivými armaturami [l.s⁻¹]
n: … počet výtokových armatur [-]

Návrhový průtok je podle této metodiky pro zájmové spotřebiště stanoven ve výši:

pro současný stav (33 přípojek) … Q_D1 = 5,7 l.s⁻¹
pro výhledový stav (60 přípojek) … Q_D2 = 8,1 l.s⁻¹

Jak je patrné, hodnoty stanovené podle této metodiky jsou výrazně vyšší než předchozí uváděné. Poptávka na odběr vody v této kvantitě se může na vodovodních sítích malého rozsahu vyskytnout, avšak s velmi malou četností a s krátkou dobou trvání. Při instalovaném měření se však takto vysoké hodnoty spotřeby vody nevyskytly.

Spotřebiště s automatickou tlakovou stanicí

Zde byla prováděna analýza u tří spotřebišť zásobovaných prostřednictvím automatických tlakových stanic:

spotřebiště B: 17 rodinných domů a 3 domy bytové (po 10 bytech), počet zásobovaných obyvatel 155, žádná občansko-technická vybavenost, délka sítě 408 m;
spotřebiště C: 24 rodinných domů (nová zástavba), počet zásobovaných obyvatel 80, žádná občansko-technická vybavenost, délka sítě 984 m;
spotřebiště D: 30 rodinných domů, 20 bytových domů (po 10 bytech), počet zásobovaných obyvatel 750, žádná občansko-technická vybavenost.

Pro každé z těchto tří spotřebišť byly analyzovány jednak reálné hodnoty průtoků (Q_r), dále byly provedeny výpočty potřeby vody podle dvou odlišných metodik (potřeba vody Q_p, Q_d, Q_h vs. návrhový průtok Q_n). Zjištěné hodnoty byly navzájem porovnávány.

Tab.5– Porovnání reálných a vypočtených hodnot potřeby a spotřeby vody
spotřebiště		B	C	D
počet obyvatel		155	80	750	-
potřeba vody*	`Q_p`	0,22	0,11	1,05	l.s⁻¹
	`Q_d`	0,3	0,15	1,48	l.s⁻¹
	`Q_h`	0,63	0,32	3,09	l.s⁻¹
návrhový průtok**	`Q_n`	6,37	5,12	13,39	l.s⁻¹
reálný maximální průtok***	`Q_r`	2,75	4,08	3,33	l.s⁻¹
) stanoveno z doporučených hodnot specifické potřeby 120 l.os⁻¹.d⁻¹ a koeficientů `k_d` = 1,4 a `k_h` = 2,1 ) stanoveno podle ČSN 75 5455 **) stanoveno měřením

Jak je patrné z tab. 5, reálné hodnoty spotřeby vody jsou tím více v rozporu se stanovenou potřebou vody, čím se jedná o menší spotřebiště. Čím je spotřebiště větší, tím jsou naopak reálné hodnoty vzdálenější od hodnot návrhového průtoku stanoveného podle normy.

Kromě hodnot potřeb vody byly na základě měřených hodnot vyšetřeny i hodnoty koeficientů nerovnoměrnosti (tab. 6).

Tab. 6 - Porovnání hodnot koeficientů `k_d` a `k_h`
spotřebiště		B	C	D
počet obyvatel		155	80	750	-
průměrná denní spotřeba	`Q_p`	9,50	15,55	38,02	m³.d⁻¹
koeficient denní nerovnoměrnosti	`k_d`	1,62	1,65	1,29	-
koeficient hodinové nerovnoměrnosti	`k_h`	4,76	4,36	2,57	-

Závěrem

Zde se zcela potvrzuje předpoklad, že u menších spotřebišť jsou koeficienty mimo rozsah doporučovaných hodnot. U spotřebiště D se potvrzuje soulad s empirickou tab. 2. U menších spotřebišť by bylo potřebné tabulku patřičně „zjemnit“. Bohužel analýza byla realizovaná na omezeném počtu spotřebišť a s omezenou datovou základnou, takže nelze přinést přesnější závislost koeficientů na počtu obyvatel spotřebiště. Avšak i tyto dílčí výsledky mohou posloužit praxi pro přesnější návrh vodovodních sítí.

English Synopsis

Determination of water demand for small consumption

The true value of the water demand is needed for the optimized design of the water mains, their planning, development and rehabilitation too. In the case of large cities or towns, the standard approaches can be used. Whereas for the small municipalities, the water demand evaluation is too difficult for their individuality. The paper deals with some approaches to evaluate the water demand for small municipalities on the base of some measurements at chosen water supply systems.