Концепція методики оцінювання втрат води у системах централізованого водопостачання. Частина 2
Спробуємо визначити, чи є різниця між частками нічного споживання різних груп насосних станцій: підвищувальних та більших за обсягами подачі.
Рис.12 Погодинне розподілення % часток споживання води від добового на НС з різної кількістю споживачів
Рис.13 Погодинне розподілення часток нічного споживання води від добового на НС міста «N» із різної кількістю споживачів
З огляду на графічні результати погодинного розподілення витрат води чітко прослідковується вплив кількості споживачів та масштабів мереж на можливі втрати води та, відповідно, збільшення обсягів нічного споживання у відношенні до добового. Для порівняльного аналізу обрано насосні станції різної продуктивності міста із значними втратами води у водорозподільній мережі. Умовно оптимальний рівень мінімальних сумарних нічних витрат води з 1-ї по 4-у годину (червоний штрих пунктир) прийнятий відповідно даних НС міста населенням до 70 тис. осіб із втратами 17-21%.
З аналізу сум нічного споживання води з 1:00 до 4:00 можливо отримати наступні висновки:
- Найбільші НС мають більшу частку нічного споживання, що має логічне пояснення -більше мереж (труб, запірної арматури, вірогідності аварійних витоків), більше можливостей втрат води з мереж. Окрім цього, вплив може мати й більш активна поведінка мешканців у нічний час через більш розвинуту інфраструктуру великих населених пунктів, наявність великих виробничих потужностей із цілодобовим споживанням води.
- Порівняння із характеристиками споживання води в нічний час міста із найменшими втратами свідчить про можливість застосування спрощеної поточної оцінки втрат води у системах централізованого водопостачання через аналіз витрат у нічний час на НС населених пунктів.
- Методика оцінки витрат може бути побудована наступним чином:
- Розрахувати для кожної НС, ПНС QнічΣ = Q1-2год + Q2-3год +Q3-4год
- Винайти % частки QнічΣ/Qдоба
- Порівняти % QнічΣ/Qдоба із визначеним еталонним значенням
Порівняння з еталоном
На основі бази даних (із таблиць, графіків, аналізу населених пунктів):
Показник Інтерпретація для НС
< 6% Низький фон або втрати
6-8% Нічне споживання, із незначною вірогідністю втрат, потребує досліджень
8-10% Ймовірна наявність середніх витоків
>10% Ймовірна наявність великих витоків
>12% Системні втрати
Показник Інтерпретація для ПНС
< 3% Низький фон або втрати
3-4% Нічне споживання, із незначною вірогідністю втрат, потребує досліджень
4-5% Ймовірна наявність середніх витоків
>5% Ймовірна наявність великих витоків
>6% Системні втрати
Методичні рекомендації
- Включати нічний фон у кожен аудит водоканалу.
- Наявність нічного QНС > 10% – привід для акустичного обстеження або розділення зони.
- Створити локальні нормативи нічного Q на основі аналізу обраних типів об’єктів (наприклад: готельний район ≠ спальний ≠ промисловий).
Практичне застосування
- Включення в стандартну форму аудиту (таблиця + графік).
- Можливість інтегрувати в систему диспетчеризації (SCADA) як “алгоритм тривоги нічного Q”.
- Формування карти втрат по місту за нічними перевищеннями.
Наступним дослідимо наукову ідею – можливість орієнтовного розрахунку втрат води в системі водопостачання на підставі показників нічного споживання води в тригодинний період (01:00-04:00) та через застосування емпіричної формули. Порівняно різні типи апроксимації: лінійну із зсувом, поліноміальну 2-го ступеня та експоненціальну.
Для аналізу використано фактичні погодинні дані споживання води в дев’яти групах, об’єднаних у два варіанти:
Варіант 1: дані з однієї насосної станції реального населеного пункту із відомими втратами: сім випадків із орієнтовними втратами 30-35%;
Варіант 2: дані міста із незначними втратами: два випадки із втратами в межах 17-21%.
Табл. 4 Погодинні витрати води на НС із відомими втратами води в системі водопостачання
Для кожного міста (варіанту) відомі:
- % – частка споживання води в години 1-4 %Q3год;
- %Втрат – фактично розрахованих комунальним підприємством.
Для спроби розрахунку приблизних втрат використаємо спершу пряму залежність у вигляді формули у відсотках:
Qвтрат = (Q3год – Qнічфакт) * Ціна1%, (6)
де:
Qвтрат – % втрат води водоканалом за добу – відоме значення;
Q3год – % частки сумарного обсягу споживання води з 1:00 до 4:00 (3години) від Q за добу (сума витрат води за 24 години) -невідоме значення;
Qнічфакт – % частки реального фактичного обсягу споживання води без втрат у системі з 1:00 до 4:00 (3години) від Q за добу (сума витрат води за 24 години) – невідоме значення;
Ціна1% – коефіцієнт, на який множиться відповідно наданої формули різниця між Q3год та Qнічфакт для отримання заданого значення Qвтрат.
Виходячи із вхідних даних, маємо вирішити одночасно 3 рівняння:
- (4,9-Х) * С = 17
- (5,7-Х) * С = 21
- (6,2-Х) * С= 35,
де:
Х = Qнічфакт
С = Ціна1%.
Пошук оптимального рішення зводиться до мінімізації суми квадратів похибок:
(7)
Математичний розрахунок доводить оптимальність рішення, яке умовно задовольняє всі три рівняння:
Qнічфакт = 3,732
Ціна1% = 13,02
Проведено дослідження можливості зменшення похибки в розрахунках через застосування квадратичного полінома та отримана формула:
Qвтрат = – 0,23898⋅(Q3год) ² + 4,71413⋅Q3год + 9,67319 , (8)
Проведено дослідження можливості зменшення похибки в розрахунках через застосування експоненціальної залежності та отримана формула.
, (9)
Аналіз графічного відображення застосованих моделей розрахунків витрат (Рис.14) та похибок (Табл.5,6, Рис.15) дозволяє зробити наступні висновки:
Модель розрахунку через застосування прямої залежності із зсувом дає великі похибки в більшості діапазону Q3год, тому не доречний до використання.
Модель розрахунку через застосування квадратичного поліному демонструє невеликі похибки в обмеженій зоні, при виході Q3год за межі 8,5% значно збільшує похибку.
Модель розрахунку через застосування експоненціальної залежності може бути використана для приблизного розрахунку втрат води в системах водопостачання через значення частки нічного споживання в діапазоні 1:00-4:00 годин.
Рис.14 Графічне відображення застосування різних моделей розрахунку втрат води по Q3год (ніч).
Таблиця 5. Похибки моделей для Варіанту 1 (30–35%)
Таблиця 6. Похибки моделей для Варіанту 2 (17–21%)
Рис.15 Похибки застосування різних моделей розрахунку втрат води по Q3год (ніч).
Порівняння точності моделей:
| Модель | Переваги | Похибки | Недоліки |
| Лінійна | Проста, зрозуміла | Великі відхилення ±30% | |
| Поліном 2-го ступеня | Гнучка, добре наближає | ±10% | Обмежена зона застосування |
| Експонента | Природна форма для «вибухових» втрат | ±8-9% |
5. Виявлення денних поривів за зміною нічної частки
Поряд із оцінкою постійного рівня втрат у системах водопостачання за допомогою добової і нічної статистики, доцільно розглядати також динамічні коливання, пов’язані з аварійними витоками. Найбільш показовим у цьому контексті є аналіз % нічної частки витрат у вузькому часовому вікні з 1:00 до 4:00, яке в більшості населених пунктів України характеризується стабільним мінімальним водоспоживанням.
Запропонований метод базується на оцінці різниці добових обсягів подачі води та змін у нічній частці (у відсотках до добового обсягу). У разі значного зростання добового обсягу (>150 м³/добу) при одночасному зниженні нічної частки на >1% можна з високим ступенем імовірності припустити виникнення аварійного витоку в денний період.
Таблиця 7. Вхідні дані погодинних витрат води НС для аналізу відхилень при аварійних витоках
| Години | До витоку 18.04.25 | Виток 19.04.25 | Без витоку 20.04.25 | Виток 21.05.2025 | Виток 22.05.2025 | Без витоку 23.05.25 |
| 00 – 01 | 21,0 | 24,0 | 18,0 | 18,0 | 27,0 | 16,0 |
| 01-02 | 18,0 | 19,0 | 15,0 | 16,0 | 43,0 | 13,0 |
| 02-03 | 17,0 | 17,0 | 14,0 | 20,0 | 26,0 | 14,0 |
| 03-04 | 17,0 | 17,0 | 15,0 | 11,0 | 34,0 | 14,0 |
| 04-05 | 20,0 | 18,0 | 16,0 | 20,0 | 39,0 | 14,0 |
| 05-06 | 24,0 | 24,0 | 21,0 | 33,0 | 43,0 | 21,0 |
| 06-07 | 37,0 | 35,0 | 34,0 | 54,0 | 55,0 | 30,0 |
| 07-08 | 47,0 | 46,0 | 44,0 | 67,0 | 63,0 | 37,0 |
| 08-09 | 43,0 | 47,0 | 40,0 | 59,0 | 62,0 | 36,0 |
| 09-10 | 44,0 | 51,0 | 39,0 | 59,0 | 64,0 | 37,0 |
| 10-11 | 44,0 | 51,0 | 39,0 | 58,0 | 64,0 | 36,0 |
| 11-12 | 41,0 | 54,0 | 38,0 | 56,0 | 64,0 | 33,0 |
| 12-13 | 42,0 | 58,0 | 38,0 | 56,0 | 56,0 | 32,0 |
| 13 – 14 | 40,0 | 56,0 | 39,0 | 55,0 | 40,0 | 32,0 |
| 14 – 15 | 42,0 | 48,0 | 40,0 | 53,0 | 37,0 | 30,0 |
| 15 – 16 | 40,0 | 50,0 | 43,0 | 53,0 | 38,0 | 36,0 |
| 16 – 17 | 41,0 | 46,0 | 38,0 | 56,0 | 35,0 | 37,0 |
| 17 – 18 | 37,0 | 49,0 | 41,0 | 53,0 | 34,0 | 38,0 |
| 18 – 19 | 46,0 | 48,0 | 35,0 | 58,0 | 32,0 | 42,0 |
| 19 – 20 | 37,0 | 53,0 | 37,0 | 58,0 | 39,0 | 39,0 |
| 20 – 21 | 46,0 | 57,0 | 52,0 | 63,0 | 42,0 | 45,0 |
| 21 – 22 | 48,0 | 54,0 | 43,0 | 68,0 | 43,0 | 46,0 |
| 22 – 23 | 40,0 | 47,0 | 42,0 | 52,0 | 37,0 | 39,0 |
| 23 – 24 | 29,0 | 37,0 | 27,0 | 67,0 | 24,0 | 27,0 |
| Q, м3/добу | 861,0 | 1006,0 | 808,0 | 1163,0 | 1041,0 | 744,0 |
Для підтвердження методу в якості інструменту виявлення аварійних витоків наведемо два приклади.
Приклад 1: Аварійний виток 19.04.2025
Добовий обсяг: 1006,0 м³
Приріст до попереднього дня: +144 м³
Нічна частка 1:00-4:00: 5,3%
Зниження нічної частки: -1,2%
Аварія на трубопроводі розпочалась у діапазоні 8:00-9:00 години.
Приклад 2: 21.05.2025
Добовий обсяг: 1187,7 м³
Приріст: +361 м³
Нічна частка 1:00–4:00: 4,0%
Зниження: -1,84%
Аварія на трубопроводі розпочалась у другій половині дня.
Рис. 16 Вплив аварійних витоків на частку нічного споживання від добового
У подальші дні після пориву спостерігається характерне зниження добового обсягу та повернення нічної частки до звичайних рівнів (5,5-6,5%), що підтверджує гіпотезу.
Таким чином, включення контролю коливань нічної частки до регулярного аналізу дає змогу:
- виявляти пориви, що не були оперативно зареєстровані,
- будувати автоматизовані системи сигналізації про підозрілу динаміку,
- підвищити точність методики оцінки реального рівня втрат.
Деталізуємо поведінку частки нічного споживання для зонального лічильника, який був встановлений на напрямку аварійного витоку:
Таблиця 8 Вхідні дані аналізу впливу аварійних витоків на частку нічних витрат
| Дата | Q, м3/добу | Qніч (1-4), м3 | Нічна частка Q(1-4) , % | Відхилення від середнього Q(1-4) до витоку (6,35%) |
| 20.05.2025 | 665,3 | 43,5 | 6,5% | 0,2% |
| 21.05.2025 | 1026,2 | 48,2 | 4,7% | -1,7% |
| 22.05.2025 | 879,0 | 129,4 | 14,7% | 8,4% |
| 23.05.2025 | 608,0 | 37,5 | 6,2% | -0,2% |
Рис.17 Вплив аварійних витоків на частку нічного споживання від добового
Аналітичний висновок за графіками добового обсягу та нічної частки наведеного прикладу:
Графік добового обсягу подачі води демонструє різке зростання 21.05.2025 – на понад 360 м³ у порівнянні з попереднім днем. Такий стрибок є нетиповим і свідчить про наявність додаткових втрат у системі.
На тлі цього, графік нічної частки (1:00-4:00) показує різке зниження до 4,7%, що суттєво нижче за звичайні показники (6-6,5%) для цієї ділянки мережі. Це вказує на те, що основне зростання добового обсягу сталося в денний час, тобто після нічного мінімального споживання.
Наступного дня (22.05.2025) спостерігається аномальне зростання нічної частки до 14,7%, що, ймовірно, пояснюється усуненням витоку вдень 21-го. Тоді нічне водопостачання виявилося непропорційно великим до загального добового споживання, яке вже знизилось.
Загалом, така динаміка підтверджує гіпотезу: денний порив супроводжується зростанням добового обсягу при одночасному падінні нічної частки, а усунення аварії викликає зростання нічної частки при зниженому загальному споживанні.
6. Порівняння підходів до оцінки втрат
Наскільки може бути корисною запропонований підхід до методики розрахунку втрат і чим він відрізняється від тих, що обговорюються в наукових колах, дослідимо у вигляді таблиці:
Порівняльна таблиця підходів до оцінки втрат води
| Критерій | Підхід Греція Patras | Підхід Малайзія Perak | Запропонована методика | |
| 1 | Одиниця аналізу | DMA, нічна втрата (л/с) | DMA, MNF (л/с) | Будь який лічильник на НС |
| 2 | Метод оцінки втрат | Порівняно з мінімально затвердженим нічним споживанням | Регресійна модель залежно від довжин, віку, матеріалу труб тощо | Аналіз ; нічної частки споживання від добового обсягу |
| 3 | Тип втрат | Фонові (сталі) втрати | Фонові втрати | Фонові + аварійні втрати |
| 4 | Дані про трубопроводи мережі | Не використовуються | Обов’язкові | Не використовуються |
| 5 | Аналіз аварійних витоків | Не враховується | Не враховується | Виявляє за відхиленнями |
| 6 | Залежність від ПЗ SCADA | Потребує розгалужену SCADA | Потребує спеціалізоване ПЗ | Спрощений аналіз (Excel) |
| 7 | Можливість реалізації у звичайній мережі | Складна без SCADA | Неможлива без документації та пакету даних | Легка інтеграція в будь яку систему |
Підготовка методики поточної оцінки втрат води в системах централізованого водопостачання – складний процес, який потребує додаткових досліджень із збільшенням обсягу даних для аналізу. Подальша науково-дослідницька робота з аналізу можливості застосування зазначеного підходу призвела до появи інших формул та концепцій, які стали результатом спроби внесення додаткових перемінних – критеріїв для розрахунку втрат, таких як:
- Кількість населення (N) – кількість населення або кількість споживачів як опосередкований показник масштабності системи;
- Q3год (% від добового споживання) – сумарна частка погодинного споживання у період 01:00-04:00, що відображає мінімальне нічне споживання та слугує індикатором потенційних втрат;
- Тип забудови: багатоповерхова або малоповерхова, що визначає щільність споживання та довжину мереж;
- Наявність ПНС – що дозволяє виділяти окремі зони локального тиску в загальній системі;
- Середній тиск (P, bar) – як додатковий фактор, що впливає на інтенсивність витоків у разі пошкоджень.
Основна складність полягає у спробі побудови універсальної формули, яка б однаково точно працювала для:
- централізованих великих систем,
- локальних районів (ПНС),
- малих населених пунктів з розтягнутою інфраструктурою.
Саме тому доречно, в тому числі, розглядати створення, як варіант, комбінаційних моделей розрахунку з урахуванням частки населення в кожному типі зони.
Можлива структура універсальної моделі втрат:
у вигляді суми трьох складових:
Втрати% = Wмаг + WПНС + Wрозтяг, де:
- Wмаг – втрати в магістральних мережах,
- WПНС – втрати у зонах з підвищувальними насосами,
- Wрозтяг – втрати у периферійних малоповерхових зонах з розтягнутою мережею.
Кожна складова може бути описана як модифікована експоненціальна або логарифмічна функція від Q3год, тиску та кількості споживачів у відповідній зоні.
Дослідження статистичних даних по декільком водоканалам України із населенням до 100 тис. осіб призвело до результативної формули розрахунку втрат у вигляді поліноміальної моделі 2-го ступеня:
(10)
де
Q3год – сумарна частка витрат за три нічні години, %;
N – кількість населення споживачів у тисячах осіб.
Зазначена формула розраховувала втрати води з похибкою до 6% відповідно вхідних даних декількох комунальних підприємств.
Для малих підприємств в досліджені вхідних даних була отримана і формула з експонентою залежністю, як варіант розрахунку втрат
(11)
З огляду на всі вище зазначені дослідження можливо прийти до головного – чіткого розуміння потреби зміни підходів до розрахунку втрат через застарілість та невідповідність реальному стану справ.
| Підхід | Радянський/Український традиційний | Сучасний (IWA) |
| Класифікація втрат | Загальні, аварійні, технічні | Реальні, апаратні |
| Оцінювання | Через нормативи та коефіцієнти | Через реальні вимірювання |
| Основний критерій | % поданої води | Об’єм втрат у м3/км/добу |
| Облік | Недостатній, оціночний | Через DMA, аналіз мінімального нічного споживання |
| Модель розрахунку | Втрати = Подано-Продано ± коригування | Чіткий Водний баланс (IWA) |
Цей документ не є остаточною методикою оцінки втрат води. Його метою є формулювання концептуальних підходів до побудови методики оцінювання на основі аналізу практичних даних, фізичних моделей та адаптивних алгоритмів. Остаточна методика має бути розроблена в результаті подальших досліджень і узагальнення фактичної статистики з українських та міжнародних систем водопостачання.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ І ПРОПОЗИЦІЇ:
- Запропонована методика визначає зміну концептуального підходу до розрахунку втрат, дозволяє з достатньою точністю оцінювати фактичні втрати води в системах водопостачання на основі погодинного аналізу подачі та узагальненого аналізу статистичних даних комунальних підприємств України. Використання нічного періоду (з 1:00 по 4:00) як індикатора мінімального контрольованого споживання дозволяє виділити сталу компоненту витрат, значна частина якої формується саме втратами через несанкціоновані витоки, пошкодження трубопроводів та інші втрати в системі.
- Побудова усереднених моделей погодинного розподілу (теорія часток) дала змогу визначити нормативну поведінку системи в умовах стабільної роботи. На цьому тлі будь-яке відхилення, як у вигляді зростання нічної частки, так і її падіння при зростанні добового обсягу, може бути використане як сигнал до гідравлічної аномалії, зокрема аварійного витоку.
- Порівняльний аналіз реальних даних за кілька діб підтвердив ефективність комбінованого підходу: статистичного контролю фонових втрат і динамічного виявлення поривів. Методика не потребує складного обладнання, базується на стандартних лічильниках і може бути реалізована в більшості українських міст, навіть без повної автоматизації систем водопостачання, як перехідний етап до онлайн моніторингу втрат на основі бази даних показників приладів обліку.
- Методика може бути використана:
- для визначення потенційних зон надлишкових втрат води;
- для розроблення та впровадження показників (критеріїв) енергетичної ефективності систем водопостачання;
- для забезпечення ведення ефективного енергетичного менеджменту систем водопостачання;
- для оперативного виявлення поривів в автоматизованих системах диспетчеризації;
- для оцінки ефективності ремонтних робіт та інвестицій у зниження втрат;
- як основа для стратегічного планування модернізації мереж;
- у вигляді внутрішнього індикатора надійності системи водопостачання без додаткових витрат на спеціальне обладнання.
NB! Окрема подяка за консультації при підготуванні статті д.т.н., професору Новохатньому В.Г.
Сергій КАРЕЛІН
Національний експерт з водопостачання та водовідведення
Засновник групи підприємств «ГідроАвтоматизація»
Література:
- Наказ Міністерства регіонального розвитку, будівництва та житлово-комунального господарства України №180 від 25.06.2014р. «Про затвердження Методики розрахунку втрат питної води підприємствами, які надають послуги з централізованого водопостачання»
- Кожинов И.В. Сокращение потерь питьевой воды в жилых зданиях (Водоснабжение и научно-технический прогресс). – М.: Стройиздат, 1985. – 90 с.
- Онищук Г.І., Сліпченко В.О. Основи раціонального використання води у житлово-комунальному господарстві (Навчальний посібник). – К: ДІЖКГ, 1999
- Samuele Alassio, Valentina Marsili, Filippo Mazzoni, Stefano Alvisi. Exploring residential minimum night consumption in a real water distribution network based on smart‑meter data [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://link.springer.com/article/10.1007/s43832-024-00150-
- Alkasseh, Jaber; Adlan, Mohd; Abustan, Ismail; Aziz, Hamidi; Hanif, Abu. Applying Minimum Night Flow to Estimate Water Loss Using Statistical Modeling: A Case Study in Kinta Valley, Malaysia. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://openurl.ebsco.com/EPDB%3Agcd%3A1%3A35149361/detailv2?sid=ebsco%3Aocu%3Arecord&id=ebsco%3Adoi%3A10.1007%2Fs11269-012-0247-2&bquery=IS%200920-4741%20AND%20VI%2027%20AND%20IP%205%20AND%20DT%202013&page=1&link_origin=www.google.com&searchDescription=Water%20Resources%20Management%2C%202013%2C%20Vol%2027%2C%20Issue%205
