Част.1 Концепція методики оцінювання втрат води у системах централізованого водопостачання

Концепція методики оцінювання втрат води у системах централізованого водопостачання. Частина 1

Загальна історична та аналітична інформація

Втрата води та необліковані її витрати в системах водопостачання – загальнонаціональна проблема в Україні. Не є новиною, що втрати води більшості водоканалів України знаходяться в межах 30-45%, інколи й більше. Такий результат має як об’єктивні, так і суб’єктивні причини. Застарілість мереж та відсутність достатнього фінансування для їх заміни є цілком об’єктивними причинами. Разом із тим не завжди приділяється достатньо уваги до можливих дій у напрямку покращення ситуації. І яким чином ми втрати води визначаємо?

У порядку визначення втрат води підприємствами, що надають послуги централізованого водопостачання [1] передбачають, окрім втрат через відсутність достатнього обліку та несанкціонований відбір, в тому числі сховані витоки води з трубопроводів, витоки через нещільності арматури тощо. Одна з головних проблем всієї галузі водопостачання – відрив нормативної звітності від реального технічного стану мереж.

Так, поточні галузеві технологічні нормативи використання питної води підприємствами, які надають послуги з централізованого водопостачання (в подальшому скорочено – ТНВПВ), встановлюються на основі узагальнення статистичних даних втрат та витрат питної води та застосовуються для обмеження рівня втрат та витрат води відповідно Наказу Міністерства регіонального розвитку, будівництва та житлово-комунального господарства України 25.06.2014 № 179. Разом з тим затверджена Методика розрахунку втрат питної води, яка застосовується, має глибоке коріння в радянських підходах до нормування втрат води, хоча формально подається як сучасний нормативний документ. У СРСР ще з 1970-80-х років активно використовувались документи на кшталт:

СНиП 2.04.02-84 – “Водоснабжение. Наружные сети и сооружения”.
Методичні вказівки по обліку та нормуванню втрат води у системах водопостачання міст і селищ (різні редакції – зокрема 1983, 1986, 1990).
Типові нормативи втрат води в системах водопостачання (на рівні міністерств, таких як Мінжитлокомунгосп СРСР).

Що із застарілих підходів зберіглося у сучасній українській Методиці?

Втрати розраховуються за місцями їх виникнення (водопровідні мережі, водопровідні вводи, витікання в мережах, несправності арматури, несанкціоноване відбори).
Присутня класифікація втрат як технологічно зумовлених та аварійних.
Є формули, що використовують умовні коефіцієнти, які (на відміну від передових країн) не завжди базуються на прямих вимірюваннях, а часом мають усереднений або умовний характер – що теж є спадком радянських підходів.

В методиці досі не враховано сучасних концепцій, як-от IWA (Міжнародна водна асоціація) Water Balance, яка дозволяє розділити втрати на реальні (реальні витоки) та апаратні (пов’язані з похибками обліку, крадіжками, нелегальними підключеннями тощо).

Чинна Методика:

Передбачає річну звітність, часто з подачею у 1-2 кварталі наступного року, яка постфактум, із великим запізненням відображає розрахований із безліччю припущень та невідомих, стан справ із втратами. Виключає можливість оперативного реагування та локалізації аварій або аномальних зон.
Більшість показників (втрати через арматуру, резервуари, втрати на пожежі тощо) – не вимірюються, а рахуються через умовні формули з “табличними” коефіцієнтами, отриманими в минулому тисячолітті.

Такий підхід майже не залежить від реального стану мережі і дозволяє обґрунтувати будь-який рівень втрат у межах «нормативу».

Методика не вимагає, не стимулює і не передбачає ведення системного добового обліку подачі/споживання води. Вона не пов’язана з телеметрією, диспетчеризацією SCADA, які забезпечують контроль нічного мінімуму, нехарактерних відхилень споживання, різниці поданої / реалізованої води в реальному часі, зонального балансу тощо.

Наслідок застосування застарілої Методики – зростання собівартості послуг, через невиявлені або несвоєчасно усунені витоки, збільшення втрати води, зменшення ефективності насосного обладнання, зростання витрат електроенергії на подачу «в нікуди», прискорення зношування обладнання, можливості штучно завищувати тариф і для населення, і для бізнесу.

Наявність десятків коефіцієнтів, які можна взяти “за відсутності фактичних даних”, створює широкий простір для маніпуляцій: «підгонка» коефіцієнтів для зменшення або збільшення втрат, формальна відповідність «граничним» показникам – без фактичного аналізу стану мережі, імітація контролю замість його здійснення.

Українська методика розрахунку втрат питної води є фактично адаптацією радянських підходів із деякими спробами модернізації. Вона не є повноцінно оновленою відповідно до передових міжнародних стандартів, вона більше нормативно-директивна, а не аналітично-фактична.

Структура Методики, класифікація втрат, навіть самі формули (наприклад, розрахунок витрат на витоки через тріщини, сальники, арматуру, коефіцієнти залежно від віку труб) – майже повністю відповідають підходам, закладеним у методиках СРСР 1970-1980-х років, зокрема:

«Методичні вказівки по нормуванню втрат води» (Мінжитлокомунгосп СРСР).
«Инструкция по определению и нормированию потерь воды в системах водоснабжения» (1983).
Формули – типова спадщина норм «СНиП».

Відсутній розподіл на реальні втрати та апаратні похибки, локалізовані втрати неможливо ефективно оцінити.

Формули містять застарілі припущення (наприклад, площа свища = 0,0002 м²). Методика перенасичена умовними перевідними коефіцієнтами, які не мають сучасної доказової бази, були емпірично отримані десятки років тому, ще за радянських часів, практично не оновлювались з урахуванням нових матеріалів, технологій монтажу, методів виявлення витоків чи типів обліку.

Приклади “застиглих” коефіцієнтів:

Коефіцієнт K у таблицях за відсутності експериментальних даних ( а вони відсутні):

Залежить виключно від віку труб або споруд, але:

не враховує матеріал труби (ПЕ, чавун…);
не враховує спосіб з’єднання (термозварювання, муфта…);
не враховує тип мережі (магістральна, кільцева, тупикова…).

Вік 31-40 років → К = 4,8. Але це може бути й поліетилен, що майже не має витоків через давність.

Площа отвору свища приймається:

ωі = 2×10⁻⁴ м² – універсально для всіх умов, не враховується тип труби (чавун, сталевий, поліетиленовий), товщина стінки, тип пошкодження (корозійне, механічне, тріщина, точковий отвір).

У зонах підвищеного тиску пошкодження виникають частіше та мають тенденцію до збільшення площі (ефект роздуття тріщини, зсув стиків)

Величина годин витоку фіксована на рівні 8760 годин (1 рік), тобто передбачається, що витік триває увесь рік. Реальні витоки можуть бути виявлені протягом днів або місяців. Такий підхід дає систематичне завищення оцінки втрат.

Витрати через арматуру:

q = 4,3 м³/добу – умовна втрата на одиницю арматури з протіканням, взята з даних експлуатації 1970-х без сучасної перевірки, для DN50 і для DN600 – однакова оцінка.

Близько 30-ти змінних параметрів використовується на розсуд виконавців розрахунку втрат, що перетворює результат на творчій продукт емпіричних припущень і залучених із 70-х років коефіцієнтів.

Як працює цей інструмент – Методика обчислення втрат?

Формула втрат на промивку трубопроводів після аварій (формула (7) Методики):

Мінімальні втрати (усі коефіцієнти – мінімальні) ≈ 0.00000098 м³/тис.м³
Максимальні втрати (усі коефіцієнти – максимальні) ≈ 0.785 м³/тис.м³
Розбіжність між крайніми варіантами (відношення максимум/мінімум): 800 000 разів

Кількість води, яка протікає через невиявлені свищі (формула (9) Методики):

Мінімальні втрати: 0.00036 м³/тис.м³
Максимальні втрати: 324.62 м³/тис.м³
Розбіжність ≈ 894 064 разів

Формула витоків через арматуру (формула (12) Методики):

Мінімальні втрати: ≈ 0.0000365 м³/тис.м³
Максимальні втрати: ≈ 10.95 м³/тис.м³
Розбіжність між крайніми варіантами: ≈ 300 000 разів

Важливий висновок: відхилення значень втрат за ключовими формулами Методики у разі зміни коефіцієнтів у допустимих межах складає від сотень тисяч до майже мільйона разів. Це вказує на низьку чутливість методики до індивідуальних характеристик об’єктів водоканалу та збільшений ризик завідомо хибних висновків при нормативному плануванні втрат.

ВАЖЛИВО! Ця стаття є першою спробою звернути увагу суспільства на глобальну проблему – користування віртуальною методикою розрахунку втрат, від якої залежать мільярдні платежі споживачів систем централізованого водопостачання.

ВАЖЛИВО! Ця стаття є першою спробою розглянути інші підходи до формування однієї з найбільших складових тарифу, яка вміщує і електроенергію, і зарплату, і реагенти, і все інше, що застосовується до «ВТРАТ ВОДИ» – 35-45% і більше.

Сучасні інструменти контролю та аналіз втрат

Одним із дієвих інструментів для зменшення мережевих та інших втрат вважаються: запровадження зонованого обліку споживання води (DMA – district meters areas), що має безпосередній вплив на характеристики функціонування систем водопостачання; організація комерційного обліку багатоповерхових будинків, яка нівелює несанкціоноване споживання води в межах будівлі, застосування систем диспетчеризації SCADA із онлайн моніторингом зональних витрат та автоматизованим аналітичним розрахунком втрат.

Зональний моніторинг споживання води – розподіл мережі водопостачання населеного пункту на зони (ділянки), які можуть бути чітко охарактеризовані споживанням (подачею) води за конкретний проміжок часу і дозволяють конкретизувати пошук витоків через формування балансу води.

Основною метою розподілу систем водопостачання на зони обліку є проведення аналітичного дослідження, яке б чітко визначало різницю між кількостями поданої на зону води та облікованою вимірювальними засобами споживачів. Але таке управління споживанням потребує чіткого розуміння конфігурації та характеристик мереж, що є проблемою для багатьох населених пунктів країни та відповідного фінансування для його реалізації.

Приклад вдалого застосування зонального обліку на реальному водоканалі із виконанням цілеспрямованої роботи по зменшенню втрат на Рис. 1, 2

Рис.1 Приклад розподілення системи водопостачання на зони локального обліку споживання

Рис.2 Результати робіт із зменшення втрат через щоденний контроль зонального споживання DMI

У цій статті пропонується концепція підходу до розробки методології проведення оперативного аналізу та алгоритму дослідження й оцінки втрат до виконання щоденного аналізу можливих втрат води через методологію поточної оцінки частки нічних втрат у системах централізованого водопостачання з використанням даних обліку витрат на насосних станціях (в подальшому скорочено – НС) та порівнянням із умовно еталонними системами.

Нічне споживання – це витрати води в нічний час (1:00-5:00), які не пояснюються лише фактичним споживанням, імовірно спричинені в певній мірі:

фоновими витоками,
дефектами трубопроводів,
зливами на технічні об’єкти без обліку тощо

3. Попередні дослідження нічного споживання

Дослідження нічного споживання води й раніше мали місце та відображались у наукових статтях та навчальній літературі. Так у [2] фактично наводяться дані досліджень 1970-х років. Витрати води класифікуються за складовими – корисні, нераціональні, втрати із зливних бачків, зливи недогрітої та охолодженої води із системи гарячого водопостачання. У матеріалах зазначається, що періодом стабільних та мінімальних витрат води є період між 1 та 5 годин ночі. Саме витрати цього періоду визначені як «фон втрат». При цьому корисний обсяг споживання води із загального нічного визначений як 0,2л/(год*люд), а загальний фактичний розмір питомого нічного споживання знаходиться в доволі значному діапазоні – 1-15 л/(год*люд). Дослідження визначили помітну кореляцію між нічними витратами та кліматичними умовами для різних зон. Разом з тим для окремих будівель отримано дані про питоме нічне споживання в межах 0,5л/(год*люд).

У дослідженнях запропоновано для розрахунку втрат води наступну методику:

Нічна складова добової втрати води розраховується по формулі

qвтрат.нічн. = 4 * (qн – qн.кор.) , (1)

де

qн – фактичні середньогодинні питомі витрати води з 1-ї до 5-ї години л/(год*люд);

qн.кор. – корисні питомі витрати води з 1-ї до 5-ї години л/(год*люд).

Виходячи з гіпотези, що в денні години розмір втрат пропорційний тискам на вводі в будинки, добова втрата води визначається за формулою:

К – емпіричний коефіцієнт, який враховує зміну втрат води в денний період у порівнянні з нічним;

n – емпіричний показник степені, який враховує вплив тиску втрат води в денний період у порівнянні із нічним;

Hi, Hн – напір на вводі в будинок відповідно в i-ту годину і середній у нічний час у період з 1-ї до 5-ї години.

Відповідно до формули перша складова визначає втрати води в нічний час, а друга – у денний.

Для спрощеного розрахунку (без впливу тиску на вводі в будинки)

qвтрат. доба = 21 * (qн – qн.кор.) * N, (3)

де

qн – фактичні середньогодинні питомі витрати води з 1-ї до 5-ї години л/(год*люд);

N – кількість мешканців у будинку, осіб

Зазначена спрощена формула (3) запропонована для визначення втрат у будинку з похибкою до 10-15%.

У якості критерію раціональності споживання води запропоновано використовувати експлуатаційні норми водоспоживання населенням.

Раціональне використання споживання води досліджується й у [3] . Величини витоків (втрат) води визначались через виміри нічних витрат стічних вод у каналізаційних колодязях будинків у період з 1-ї по 5-у годину ночі.

Заміри проводились за допомогою рейки, яку опускали в лоток будинкового каналізаційного колодязя і по висоті змочування рейки водою визначали глибину потоку стічних вод, відповідно – добову витрату води у будинку.

Абсолютну величину витоків у будинку пропонувалося розраховувати за аналогічною, відповідною до попередніх досліджень, формулою

qвтрат. доба = 21 * (Qн – Qн.кор.), м3/год (4)

де

Qн – визначений обсяг витрат води за добу через виміри нічних витрат стічних вод у каналізаційних колодязях будинків у період з 1-ї по 5-у годину ночі.

Qн.кор. (корисна нічна витрата води з 1-ї по 5-у годину ночі)

Qн.кор = , (5)

де:

N – кількість мешканців у будинку, осіб

0,2 л/(год*люд) – питома нічна годинна корисна витрата води

Обидва зазначених вище підходи до розрахунку втрат води ідентичні. За основу корисного питомого споживання води прийнято значення 0,2 л/(год*люд), яке визначалось у 1970-х роках ще за умов експлуатації застарілого сантехнічного обладнання та за умов відповідної культури споживання безоблікової води. Зокрема характерною рисою аналізу стали дослідження та можливість вивчення виключно об’єктів споживання води, а саме – будинків. Для оцінки втрат води системою зазначена методика буде достатньо громіздка та потребуватиме збору даних й аналізу всіх будинків системи водопостачання.

Дослідження у Греції

У науковій публікації дослідників з міста Патрі [4] (Греція, 2021 р.) основна увага приділяється аналізу мінімального нічного потоку (МНП) як індикатора фонових втрат. Вони використовували значення МНП у л/с в часовому вікні з 02:00 до 04:00, фокусуючись на статистичних закономірностях і сезонних відхиленнях. У середньому прийнято фактичне нічне споживання води в значенні 0,6л/(год*люд), або, виходячи із середнього коефіцієнта заповненості, 2,5 мешканця/користувача – 1,7 /(год*люд). Інші міжнародні оцінки МНК для житлового сектору коливаються від 3 л/користувача/год (Канада) до 5 л/користувача/год (Малайзія), а також до 0,4 та 0,8 л/(год*люд) (Німеччина та Австрія відповідно).

Проте це дослідження не передбачало виявлення аварій або поривів у денний час. У порівнянні з цим, запропонована нами методика враховує не лише стабільний рівень нічних втрат, але й дозволяє ідентифікувати потенційні пориви шляхом аналізу відхилень нічної частки від добового обсягу подачі води.

Статистичне дослідження у долині Кінта, Перак (Малайзія)[5]

У 2010 році в штаті Перак (Малайзія) середній рівень недооблікованої води становив 29,4%. У відповідь на це було проведено велике дослідження, у межах якого аналізувалися дані з 361 зони (DMA), а 30 зон досліджувалися поглиблено. Основним завданням було побудувати модель залежності МНП (у л/с) від фізичних та експлуатаційних характеристик мережі, таких як довжина труб, вік труб, матеріал (азбестоцементні труби 100 мм) та кількість з’єднань. Використано метод множинної лінійної регресії, який показав, що найбільший вплив на рівень МНП мали довжина трубопроводів і середній вік труб.

4. Концепція підходу до можливостей математичного розрахунку втрат на основі статистичних даних.

Запропонована в статті методика не потребує фізичних характеристик мережі, а працює виключно на основі аналізу погодинного розподілу обсягів споживання за допомогою даних лічильників, встановлених на насосних станціях, в порівнянні із статистичними даними умовно еталонних систем . Завдяки цьому вона є більш гнучкою та легкою у впровадженні, дозволяючи виявляти не лише фонові втрати, а й різкі денні відхилення, зумовлені аваріями або поривами.

Таким чином, обидва вище зазначені підходи базуються на класичному аналізі МНП, проте не враховують динамічні порушення синхронності в поведінці нічного споживання води. Наша методика дозволяє поєднати спостереження за фоновим рівнем втрат і чутливий індикатор аварійних ситуацій, не вимагаючи дорогих досліджень або деталізованих паспортних даних мережі.

Основна мета цієї статті – пошук методології проведення оперативного аналізу та алгоритму дослідження втрат у мережі через аналіз нічного споживання води, як періоду із найменшим споживанням, через аналіз витрат води на водонапірних та підвищувальних насосних станціях.

Запропонована методика базується на:

реальних погодинних даних споживання;
порівнянні з типовими профілями інших міст України;
врахуванні сезонності та нічного фону.

Для дослідження алгоритмів спрощеного аналізу втрат використано статистичні дані показників погодинних витрат води багатьох водонапірних (в подальшому – ВНС) та підвищувальних (в подальшому – ПНС) насосних станцій комунальних підприємств міст України. (Таблиці 1,2,4,7,8)

Таблиця 1 Вибіркові дані погодинних витрат води протягом доби на насосних станціях міста «N»

При попередньому ознайомленні із отриманими сучасними вхідними даними звертає увагу на себе факт тенденції поступового збільшення обсягу витрат від мінімальних витрат води, вже починаючи із 4-ї до 5-ї години. Найвірогідніше сучасне життя споживачів вносить певні корективи в культуру споживання, через що період з 4-х по 5-у годину перетворюється із нічного в перехідний до ранішнього споживання.

Нижче продемонструємо статистичні дані розподілення погодинного споживання у вигляді графіків чисел – знаменників часток погодинного споживання води Qгод./Qдоба = 1/X

Рис.3. Графік обернених часток Qгод./Qдоба протягом доби на НС «X» міста «N»

Рис.4. Графік обернених часток Qгод./Qдоба протягом доби на НС «Y» міста «N»

Рис.5. Графік обернених часток Qгод./Qдоба протягом доби на різних ПНС ЦТП міста «N»

Рис.6. Графік обернених часток Qгод./Qдоба протягом доби на різних НС міст України

Рис.7. Графік обернених часток Qгод./Qдоба протягом доби на різних ПНС міста «Р»

Чи може бути ступінь зменшення обсягів нічного споживання фактором, при дослідженні якого можливо оцінити рівень втрат?

Для відповіді на це питання було проаналізовано частки погодинного споживання від доби на комунальному підприємстві, яке має одне з найменших втрат води в системі на рівні 17-21%.

Рис.8. Графік обернених часток Qгод./Qдоба протягом доби на НС міста із мінімальними втратами води

Рис. 9. % погодинного розподілення часток споживання води в нічні години на НС із мінімальними втратами води

З огляду на графічне представлення цілком доречно зробити висновок: чим більше різниця між показниками середніх нічного та денного споживання, тим менші втрати води системою водопостачання через сховані витоки води з трубопроводів та витоки через нещільності арматури.

Звісно, нічне споживання кожного з населених пунктів України може мати свою особливість: наявність нічних виробництв із споживанням води та відповідним споживанням населення в нічний час, наявність великої частки приватного сектору із сезонним поливом, наявність розгалуженої нічної інфраструктури (великі міста). Але результати досліджень нічного споживання все ж таки спробуємо використати для усередненого аналізу. Відповідно до наданих графіків, саме на комунальному підприємстві із найменшими втратами спостерігається найменша частка витрат води в нічний період з 1:00 до 4:00.

Цілком зрозуміло, що порівняння часток споживання води доцільно проводити в групі насосних станцій, аналогічних за функціональним призначенням. Наприклад, в одну групу аналізу можливо об’єднати дані споживання ПНС та ПНС ЦТП (ЦТП – центральний тепловий пункт), які підвищують тиск на локальних ділянках з обмеженою зоною трубопроводів. Насосні станції 1-го, 2-го чи 3-го підняття можуть мати інший характер показників через глобальність мереж, більші діаметри трубопроводів та більші зони можливих втрат.

Проведемо дослідження часток споживання води в зазначені нічні часи на різних підвищувальних насосних станціях міст України.

Табл. 2 Погодинні витрати води на ПНС

Рис. 10 Погодинне розподілення часток споживання води на ПНС

Всі підвищувальні насосні станції мають типове мінімальне нічне споживання, яке може різнитися саме через кількість втрат води із мережі. З огляду на вхідні дані, мабуть, найбільш доречним визначати годинами гарантованого нічного споживання діапазон часу 1:00-4:00 як такий, що підлягає аналізу.

Табл. 3 Частки нічного споживання води на ПНС

Графічне відображення результатів аналізу погодинної нерівномірності нічного споживання води підтверджує вірогідність більших втрат на ПНС (ПНСМ1, ПНСМ2, ПНС ЦТП1, ПНС ЦТП6) із більшим значенням сумарних витрат води при аналізі 3-х годин нічного періоду споживання.