contribuȚii la cercetarea fenomenului pierderi de apĂ … rezum t... · universitatea tehnica...
TRANSCRIPT
UNIVERSITATEA TEHNICĂ “Gheorghe Asachi” din IAŞI
Facultatea de Hidrotehnică,
Geodezie şi Ingineria Mediului
Ing. ŞTEFANIA CHIRICA
CONTRIBUȚII LA CERCETAREA
FENOMENULUI "PIERDERI DE APĂ"
DIN REȚELELE HIDROEDILITARE
REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT
CONDUCĂTOR DE DOCTORAT:
Prof. univ. dr. ing. MIHAIL LUCA
2019
UNIVERSITATEA TEHNICA ,,GHEORGHE ASACHI" D!N IASI
RECTORATUL
CItre
Vi facem cunoscut c5, in ziua de 05.t2.2O19 la ora L200, in Sala de Consiliu a
Facultd!ii de Hidrotehnici, Geodezie 5i lngineria Mediului, va avea loc suslinerea publicd a tezei
de doctorat intitulati :
,,Contribulii la cercetarea fenomenului "pierderi de apd" din relelele hidroedilitare"
elaborati de doamna lNG. $TEFANtA cHlRlcA in vederea conferirii titlului 5tiintific de doctor.
Comisia de doctorat este alcltuiti din:
1. Prof.univ.dr.ing. Stitescu Florian
Universitatea Tehnicd ,,Gheorghe Asachi" din laSi
2. Prof.univ.dr.ing. Luca Mihail
Universitatea Tehnici ,,Gheorghe Asachi" din laSi
3. Prof.univ.dr.ing. Bica loan
Universitatea Tehnici de Construcfii BucureSti
4. Prof.univ.dr.ing. Robescu Licrimioara Diana
Universitatea Politehnica din BucureSti
5. Prof.univ.dr.ing. Gavrilag Gilda
Universitatea Tehnicd ,,Gheorghe Asachi" din laSi
pregedinte
conducitor de doctorat
referent oficial
referent oficial
referent oficial
Cu aceasti ocazie vi invitim si participali la suslinerea publici a tezei de doctorat'
{ r',7!;: /+r'* /.,8tqf.r
r?)ia\)i
cA$cAVAL Secretar universitate,
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
3
MULŢUMIRI
Teza de doctorat prezintă o parte din rezultatele activităţii de studiu şi cercetare
desfăşurată în cadrul Şcolii Doctorale a Facultăţii de Hidrotehnică, Geodezie şi
Ingineria Mediului din Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi. Teza de
doctorat conţine o serie de studii şi experimente desfăşurate în cadrul Colectivului de
Cercetare coordonat de profesorul Mihail Luca în cadrul universităţii, colectiv în care
am contribuit cu activitatea mea pe perioada masteratului şi doctoratului. De asemenea,
teza înglobează o parte din cercetarea desfăşurată pe parcursul mai multor ani în cadrul
Sistemului Regional Iași ce deservește județul Iași şi o parte din județul Neamț.
Cu adâncă consideraţie, mulţumesc conducătorului ştiinţific, profesorul
universitar dr. ing. Mihail Luca pentru viziunea de a vedea în mine un cercetător în
domeniul hidraulicii sistemelor de alimentare cu apă și în special pe sectorul
„pierderilor de apă”, pentru conducerea ştiinţifică, încrederea şi sprijinul dat în
realizarea acestei lucrări, dar mai ales în orientarea şi îndrumarea mea ştiinţifică către o
serie de direcţii în cercetare mai puţin studiate în acest domeniu. Mulţumesc mult
domnului dr.ing. Luca Mihail pentru activitatea domniei sale de profesor, care mi-a
insuflat încă din vremea studenţiei dragostea pentru meseria de inginer hidrotehnist, dar
şi cea de cercetător, pe care am valorificat-o pe deplin în realizarea acestei teze.
Adresez mulţumiri profesorilor, membri ai comisiei de doctorat, pentru
amabilitatea de a accepta să facă parte din comisie, pentru timpul alocat evaluării
acestei lucrări, pentru sugestiile şi recomandările oferite şi nu în ultimul rând pentru
aprecierea ştiinţifică a tezei de doctorat.
Sincere mulțumiri conducerii Facultății de Hidrotehnică, Geodezie și Ingineria
Mediului pentru sprijinul acordat și crearea cadrului favorabil de desfășurare a activității
doctorale. Doresc să aduc mulţumiri colectivului de cadre didactice de la Facultatea de
Hidrotehnică, Geodezie şi Ingineria Mediului, care prin munca lor au contribuit la
formarea mea ca inginer şi ulterior m-au sprijinit în realizarea acestei lucrări ştiinţifice.
Doresc să adresez mulţumiri şi profundă recunoştinţă conducerii APAVITAL,
pentru sprijinul şi disponibilitatea acordată în obţinerea tuturor datelor necesare
realizării tezei de doctorat. De asemenea, doresc să mulţumesc tuturor colegilor din
cadrul Serviciului Investiţii – Dezvoltare pentru încurajările şi susţinerea manifestată
pentru activitatea mea ştiinţifică.
Mulţumesc din suflet familiei, care m-a îndrumat în toate etapele formării mele
academice, m-a încurajat să îmi depăşesc limitele şi m-a susţinut în toate demersurile,
fără de care nu aş fi reuşit să ajung până aici şi să realizez această teză de doctorat.
Mulţumesc celor care vor dori să lectureze această teză de doctorat şi am speranţa
că rezultatele ei vor contribui la îmbogăţirea cu un material ştiinţific şi tehnic domeniul
ingineriei civile şi în special pe cel al managementului reţelelor de alimentare cu apă
afectate de fenomenul „pierderi de apă”.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
4
CUPRINS
Introducere........................................................................................................... 8 ...... 8
Nomenclator ....................................................................................................... 10
Cap. 1. Problematica actuală în managementul sistemelor
de alimentare cu apă....................................................................................... 11 ...... 9
1.1. Structura sistemului de alimentare cu apă ................................................. 11
1.2. Starea actuală a sistemelor de alimentare cu apă ....................................... 11 ...... 9
1.3. Managementul pierderilor de apă .............................................................. 13 .... 10
1.4. Elemente de analiză a materialelor folosite la realizarea conductelor de apă ... 17
Cap. 2. Analiza fenomenului „pierderi de apă” în cadrul sistemelor de
transport şi distribuţie a apei ......................................................................... 19 .... 10
2.1. Conceptul tehnic „pierderi de apă” ........................................................... 19 .... 10
2.2. Parametri de analiză a pierderilor de apă ................................................... 21
2.2.1. Cuantificarea pierderilor de apă fizice ................................................. 21
2.2.2. Descrierea indicatorilor de performanţă .............................................. 22
2.2.3. Evaluarea pierderilor de apă folosind balanţa apei .............................. 24
2.3. Managementul pierderilor de apă pe plan naţional şi internaţional ........... 25 .... 11
2.3.1. Problematica mondială a pierderilor de apă ......................................... 25
2.3.2. Analiza pierderilor de apă pe plan naţional.......................................... 25 .... 11
2.3.3. Managementul pierderilor de apă pe plan internaţional ....................... 32 .... 11
2.3.4. Concluzii privind problematica pierderilor de apă la nivel global ....... 42
Cap. 3. Elemente de calcul hidraulic a sistemelor de alimentare cu apă prin prisma
interacţiunii cu mediul de înglobare şi evoluţia fenomenului „pierderi de apă” .......... 43 .... 13
3.1. Elemente sintetice privind calculul hidraulic a conductelor sub presiune ......... 43
3.1.1. Parametri de calcul folosiţi în mişcarea permanentă ............................ 43
3.1.2. Elemente de calcul pentru mişcarea nepermanentă.............................. 45
3.2. Studii și cercetări privind emisia apei în medii poroase aflate în
limitele de valabilitate ale legii lui Darcy ...................................................... 46
3.2.1. Legea lui Darcy ................................................................................... 46
3.2.2. Domeniul de aplicare a legii lui Darcy ................................................ 47
3.2.3. Conductivitatea hidraulică ................................................................... 48
3.3. Mişcarea apei în domenii extinse de valabilitate ale legii lui Darcy ......... 49 .... 13
3.3.1. Ecuaţia lui Richards ............................................................................. 49 .... 13
3.3.2. Relaţii de calcul pentru mişcarea apei în interiorul
bulbului de umectare nesaturat ...................................................................... 50
3.4. Cercetări asupra filtraţiei Post - Darcy....................................................... 51 .... 14
3.4.1. Studiul filtraţiei Post-Darcy în medii poroase ...................................... 51
3.4.2. Evaluarea relaţiilor de calcul folosite în filtraţia Post-Darcy ............... 52 .... 14
3.4.3. Date de analiză a filtraţiei cu nivel liber în domeniul Post-Darcy ....... 53
3.4.4. Parametri de calcul în mişcarea permanentă uniformă cu nivel liber .......... 54
3.4.5. Parametri de calcul în mişcarea permanentă neuniformă cu nivel liber ...... 54
3.4.6. Parametri de calcul în mişcarea apei subterane folosind metode hidraulice ... 55
3.5. Aspecte privind conlucrarea mediului de înglobare cu fenomenele
produse de apariţia pierderilor de apă ............................................................ 56
3.5.1. Cercetări privind difuzia apei în teren.................................................. 56
3.5.2. Antrenarea particulelor din matricea terenului .................................... 56
3.5.3. Eroziunea terenului produsă de jetul de apă ........................................ 57
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
5
3.6. Analiza evoluţiei bulbului de umectare ..................................................... 58 .... 14
3.6.1. Descrierea fenomenului de extindere şi avansare al bulbului de umectare ..... 58 .... 14
3.6.2. Cercetări asupra deplasării bulbului de umectare
determinat de capilaritatea porilor ................................................................. 60 .... 14
Cap. 4. Baza teoretică a modelului de studiu pentru fenomenul „pierderi de apă” 61....15
4.1. Formarea pierderilor de apă ....................................................................... 61 .... 15
4.1.1. Date de analiză ..................................................................................... 61
4.1.2. Analiza factorilor care determină apariţia emisiilor de apă din conducte ........ 62
4.1.3. Evaluarea pierderilor de apă prin raportare la locaţia zonelor de emisie ......... 63 ..... 15
4.1.4. Cercetări privind influenţa materialului de execuţie asupra pierderilor de apă ... 66
4.2. Analiza mecanismelor de cedare a conductelor şi formare a emiterilor ................. 67
4.3. Identificarea factorilor de risc în degradarea conductelor pentru transportul apei. 70 ..... 16
4.3.1. Date de analiză primare ....................................................................... 70 .... 16
4.3.2. Cercetarea impactului mediului de înglobare asupra procesului
de deteriorare a conductelor ........................................................................... 71
4.3.3. Evaluarea impactului factorilor determinaţi de caracteristicile
fluidului transportat ....................................................................................... 76
4.3.4. Analiza acţiunii seismice asupra proceselor de deteriorare a conductelor ....... 80
4.3.5. Analiza factorilor determinaţi de natura amplasamentului ................. 86
4.4. Baza teoretică pentru modelul de studiu al pierderilor de apă ....................... 90 .... 17
4.4.1. Definirea modelului hidraulico – matematic........................................ 90 .... 17
4.4.2. Modelarea pierderilor de apă prin emiteri cu formă de orificii ............ 91 .... 18
4.4.3. Modelarea pierderilor de apă prin fisuri .............................................. 93 .... 18
4.4.4. Modelarea pierderilor de apă prin îmbinările dintre conducte ............. 97 .... 19
4.4.5. Cercetări privind dependenţa dintre presiune şi pierderea de apă ........ 99
Cap. 5. Cercetarea fenomenului „pierderi de apă” la
construcţiile de înmagazinare a apei ........................................................... 101 .... 19
5.1. Obiectivele cercetării ............................................................................... 101
5.1.1. Consideraţii generale ......................................................................... 101 .... 19
5.1.2. Obiectivele cercetării ......................................................................... 101
5.2. Elemente sintetice privind structura constructivă şi funcţională
a rezervoarelor pentru apă potabilă .............................................................. 102
5.3. Analiza condiţiilor de iniţiere şi evoluţie a pierderilor de apă la rezervoare ........ 103
5.3.1. Analiza modului de degradare structurală a rezervoarelor cu
influenţe în producerea pierderilor de apă ................................................ 103
5.3.2. Analiza factorilor determinanţi în producerea pierderilor de apă ...... 104
5.3.3. Analiza zonelor cu pierderi de apă la rezervoare ............................... 106 .... 19
5.3.4. Modalităţi de investigare a pierderilor de apă la rezervoare .............. 108
5.4. Rezultatele cercetării fenomenului „pierderi de apă” la
rezervoarele de înmagazinare ...................................................................... 108
5.4.1. Analiza pierderilor de apă la rezervoare din beton armat precomprimat ....... 108 ..... 20
5.4.2. Rezultatul cercetărilor privind pierderile de apă la rezervoare
din beton armat turnate monolit ................................................................ 112 .... 21
5.4.3. Rezultatul cercetărilor privind pierderile de apă la
rezervoare cu funcţii speciale ...................................................................... 115
5.5. Reducerea pierderilor de apă la rezervoarele de înmagazinare ................ 119
5.6. Concluzii.................................................................................................. 120
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
6
Cap. 6. Cercetări şi rezultate privind fenomenul „pierderi de apă” la
componentele structurale ale conductelor de aducţiune Timişeşti - Iaşi” .......... 121 ..... 21
6.1. Definirea problematicii de cercetare ........................................................ 121
6.1.1. Obiectivul studiului de caz ................................................................ 121
6.1.2. Obiectul studiului de caz.................................................................... 122
6.1.3. Investigarea în teren a pierderilor de apă ........................................... 122
6.2. Caracteristici structurale - funcţionale ale conductelor
de aducţiune Timişeşti - Iaşi ........................................................................ 124 .... 21
6.2.1. Descrierea aducţiunilor Timişeşti – Iaşi............................................. 124 .... 21
6.2.2. Parametrii structurali şi funcţionali ai aducţiunilor Timişeşti – Iaşi .......... 125
6.3. Elemente de analiză a pierderilor de apă pe conducta de aducţiune AdI ........ 126
6.3.1. Caracteristici tehnice ale conductei de aducţiune AdI Timişeşti – Iaşi .......... 126
6.3.2. Analiza fenomenelor de degradare şi cedare ale aducţiunii AdI ........ 127 . 22
6.3.3. Analiza eficienţei exploatării aducţiunii AdI Timişeşti – Iaşi ............ 132 .... 23
6.4. Elemente de analiză a pierderilor de apă din construcţiile speciale
ale conductelor de aducţiune ....................................................................... 137
6.4.1. Galeria hidrotehnică Strunga ............................................................. 137
6.4.2. Subtraversarea râului Moldova în zona Soci ..................................... 148
6.5. Etape de analiză a pierderilor de apă de pe traseul conductelor de aducţiune...... 152 .... 23
6.5.1. Studiul de caz nr. 1 – conducta de aducţiune AdI Timişeşti – Iaşi, zona Soci .... 152 .... 23
6.5.2. Studiul de caz nr. 2 – conducta de aducţiune AdI Timişeşti – Iaşi, zona Buda .. 154 .... 24
6.5.3. Studiul de caz nr. 3 – conducta de aducţiune AdII Timişeşti – Iaşi, zona Sârca . 156
6.6. Concluzii................................................................................................... 157
Cap. 7. Modelarea hidraulică a pierderilor de apă
din sistemele de alimentare cu apă .............................................................. 159 .... 25
7.1. Modele hidraulice folosite în simularea sistemelor de alimentare cu apă ............ 159 .... 25
7.1.1. Programe de calcul pentru rețele de conducte.................................... 159
7.1.2. Metode de simulare hidraulică a reţelelor de conducte
pentru studiul pierderilor de apă .................................................................. 160
7.1.3. Domeniul de utilizare şi caracteristicile programului WaterNetGen ............. 160 .... 25
7.1.4. Modelul hidraulico – matematic al WaterNetGen ............................. 163 .... 25
7.2. Parametri de realizare a modelelor hidraulice de simulare a
sistemelor de alimentare cu apă ................................................................... 164
7.2.1. Procedura de selectare şi stocare a datelor ......................................... 164
7.2.2. Procedura de prelucrare a datelor ...................................................... 166
7.2.3. Procedura de preprocesare a datelor .................................................. 166
7.2.4. Evaluarea condiţiilor de contur .......................................................... 166
7.2.5. Procedura de calibrare a modelului hidraulic..................................... 167
7.2.6. Generarea datelor de ieşire ................................................................ 167
7.3. Adaptarea metodei de simulare la parametrii modelului sistemului
de alimentare cu apă din Platoul Aviaţiei .................................................... 168 .... 26
7.3.1. Baza de date pentru realizarea simulării ............................................ 168
7.3.2. Cercetări asupra stării actuale a reţelei de conducte din Platoul Aviaţiei....... 169 .... 26
7.3.3. Stabilirea condiţiilor iniţiale de realizare a modelului hidraulic ........ 170
7.3.4. Definirea condiţiilor de contur pentru realizarea modelului hidraulic ........... 171
7.3.5. Preprocesarea datelor în vederea realizării modelului hidraulic ........ 172
7.4. Scenarii de analiză pentru evaluarea pierderilor de apă din reţeaua
de conducte din Platoul Aviaţiei .................................................................. 175 .... 27
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
7
7.4.1. Descrierea problematicii de cercetare ................................................ 175 .... 27
7.4.2. Baza de date pentru realizarea Scenariului nr. 1 ................................ 176
7.4.3. Baza de date pentru realizarea Scenariului nr. 2 ................................ 177
7.4.4. Baza de date pentru realizarea Scenariului nr. 3 ................................ 179
Cap. 8. Rezultatele simulării hidraulice a pierderilor de apă în reţeaua
de conducte din Platoul Aviaţiei .................................................................. 181 .... 27
8.1. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din Scenariul nr. 1 ............ 181 .... 27
8.2. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din Scenariul nr. 2 ............ 192 .... 29
8.3. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din Scenariul nr. 3 ............ 201 .... 30
8.4. Analiza comparativă a rezultatelor din Scenariile 1 – 3 .......................... 210 .... 31
8.4.1. Interpretarea rezultatelor privind evoluţia debitelor şi a pierderile de apă ..... 210 .... 31
8.4.2. Rezultate şi concluzii privind modul de variaţie al presiunii ............. 215
8.4.3. Rezultate şi concluzii privind evoluţia parametrilor de calitate ai apei .......... 216
8.5. Concluzii privind rezultatele simulării hidraulice a reţelei
de conducte din Platoul Aviaţiei ..................................................................... 219
Cap. 9. Rezultate privind simularea hidraulică a pierderilor de apă
din conducte prin metoda elementului finit ................................................ 221 .... 34
9.1. Baza hidraulică a modelului de simulare ................................................. 221 .... 34
9.1.1. Modelul hidraulico-matematic ........................................................... 221
9.1.2. Stabilirea condiţiilor iniţiale şi de contur ale modelului hidraulico – matematic 223
9.1.3. Scenarii de analiză propuse ................................................................ 223
9.1.4. Date de intrare pentru realizarea modelului de studiu a pierderilor de apă .... 229 .... 34
9.1.5. Preprocesarea datelor primare............................................................ 229
9.2. Descrierea programului de simulare hidraulico-matematică în element
finit pentru analiza fenomenului „pierderi de apă” .................................... 230 .... 34
9.2.1. Descrierea programului de modelare hidraulico-matematică ............ 230 .... 34
9.2.2. Geometria modelului hidraulico-matematic ...................................... 231
9.2.3. Discretizarea modelului ..................................................................... 232
9.2.4. Condiţii de realizare a modelului SPAC_MP .................................... 234
9.2.5. Pre-simularea şi calibrarea modelului ................................................ 237
9.2.6. Rularea modelului .............................................................................. 237
9.3. Rezultatele simulării hidraulico-matematice a pierderilor de apă
prin metoda elementului finit .................................................................................... 239 .... 35
9.3.1. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din Scenariul I ............ 239 .... 35
9.3.2. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din Scenariul II .......... 244 .... 37
9.3.3. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din Scenariul III ......... 250 .... 37
9.3.4. Analiza comparativă a rezultatelor simulărilor din Scenariile I – III ........ 255 .... 39
9.4. Concluzii şi măsuri privind limitarea pierderilor de apă .......................... 257
Cap. 10. Concluzii şi contribuţii personale .................................................... 259 .... 39
10.1. Concluzii generale ................................................................................. 259 .... 39
10.2. Contribuţii personale ............................................................................. 265 .... 44
10.3. Recomandări şi perspective viitoare de cercetare .................................. 268 .... 47
Bibliografie ....................................................................................................... 269 .... 48
Anexe ............................................................................................................... 281
Activitate ştiinţifică ......................................................................................... 294 .... 51
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
8
INTRODUCERE
Teza cu titlul „Contribuții la cercetarea fenomenului „Pierderi de Apă” din
rețelele hidroedilitare” a apărut în contextul în care reducerea pierderilor de apă a
devenit o direcţie prioritară de acţiune în managementul companiilor apă – canal la nivel
mondial. Teza de doctorat îşi propune să aducă un număr de contribuţii privind modul de
formare şi evoluţie a pierderilor de apă şi determinarea unor modele hidraulico-
matematice şi programe de calcul care să evidenţieze valoarea pierderilor de apă. Aceste
problematici au fost abordate în cadrul tezei prin utilizarea unor metode de calcul
moderne şi folosirea programelor de modelare WaterNetGen şi ANSYS Fluent.
Teza de doctorat urmăreşte să prezinte o analiză detaliată a fenomenului „pierderi
de apă”, tratând factorii de degradare care acţionează asupra sistemelor de alimentare
cu apă, modul de emisie al apei prin defectele formate, forma bulbului de umectare în
matricea terenului şi managementul volumelor de apă pierdute, cu impact asupra
performanţelor obţinute. Teza îşi propune să prezinte o metodă eficientă de simulare a
pierderilor de apă din reţelele de distribuţie, realizând un model aplicat pentru diverse
scenarii de funcţionare, util pentru stabilirea măsurilor de reabilitare şi determinarea
eficienţei acestora. De asemenea, teza de doctorat urmăreşte să prezinte un model de
analiză a pierderilor de apă ascunse, prin evidenţierea modului în care mediul de
înglobare întreţine emisiile şi realizează distribuţia apei în matricea terenului.
Teza de doctorat a fost realizată pe baza unui studiu documentar, (aproximativ
350 titluri bibliografice), a cercetărilor în teren privind fenomene de pierderi de apă
şi a modelelor hidraulice de simulare şi analiză a pierderilor de apă. Teza cuprinde
zece capitole, bibliografie şi două anexe.
În capitolul 1 a fost realizat un studiu documentar privind managementul actual
al sistemelor de alimentare cu apă şi impactul pierderilor de apă asupra acestora.
Capitolul 2 cuprinde o analiză a problematicii pierderilor de apă şi modul de
abordare al acesteia la nivel naţional şi internaţional.
Capitolul 3 prezintă un studiu documentar axat pe elemente de calcul hidraulic a
sistemelor de alimentare cu apă prin prisma impactului mediului de înglobare asupra
pierderilor de apă.
În capitolul 4 au fost analizate mecanismele de formare a pierderilor de apă,
factorii de degradare care le determină şi caracteristicile emiterilor rezultaţi. De
asemenea, capitolul prezintă modele de calcul pentru pierderi de apă rezultate prin
emiteri cu diferiţi parametri geometrici.
Capitolul 5 cuprinde elemente de analiză a pierderilor de apă din rezervoare de
înmagazinare, cu particularizarea fenomenului prin trei studii de caz.
În capitolul 6 a fost realizată o amplă analiză a conductelor de aducţiune
Timişeşti – Iaşi pe baza cercetărilor efectuate în teren şi a datelor de exploatare.
Analiza a urmărit determinarea performanţelor, identificarea zonelor afectate de
pierderi de apă cu valori importante şi stabilirea mecanismelor de degradare care
acţionează asupra sistemului de conducte de aducţiune.
Capitolul 7 conţine baza experimentală a modelului de simulare hidraulică
SPA_RC prin care au fost analizate pierderile de apă din reţeaua de conducte Platoul
Aviaţiei cu ajutorul programului WaterNetGen. Capitolul descrie etapele de realizare,
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
9
parametrii de calcul şi baza de date a modelului.
Capitolul 8 prezintă rezultatele privind valoarea pierderilor de apă din reţeaua
de conducte Platoul Aviaţiei şi impactul asupra performanţei sistemului folosind
modelul SPA_RC. Simulările au fost realizate considerând trei scenarii de analiză:
starea actuală a reţelei (SPA_RC_A), reabilitarea parţială (SPA_RC_RP) şi
reabilitarea integrală (SPA_RC_RI) a conductelor din oţel.
Capitolul 9 descrie baza hidraulică, condiţiile de simulare şi etapele de
realizare ale modelului SPAC_MP pentru simularea pierderilor de apă din
conducte în medii poroase folosind programul de modelare ANSYS Fluent.
Capitolul conţine şi rezultatele obţinute privind valoarea pierderilor de apă şi
modul de distribuţie al bulbului de umectare în matricea terenului. Modelul a fost
simulat pentru trei medii de înglobare diferite: SPAC_MP_N – nisip,
SPAC_MP_A – argilă şi SPAC_MP_PN – praf nisipos.
Capitolul 10 cuprinde concluziile tezei de doctorat şi contribuţiile personale
ale autorului. Principala concluzie este că pierderile de apă trebuie identificate,
monitorizate şi controlate pe toată durata de viaţă a sistemelor de alimentare cu apă
întrucât impactul lor se resimte asupra indicatorilor economici şi de performanţă,
consumatorilor şi a mediului înconjurător.
Cap. 1. PROBLEMATICA ACTUALĂ ÎN MANAGEMENTUL
SISTEMELOR DE ALIMENTARE CU APĂ
Acest capitol prezintă starea actuală a sistemelor de alimentare cu apă
din România, cu evidenţierea principalelor deficienţe. Studiul documentar
întocmit a analizat managementul actual al sistemelor de alimentare cu apă
şi a evidenţiat impactul pierderilor de apă asupra acestora.
1.2. Starea actuală a sistemelor de alimentare cu apă
Sistemele de alimentare cu apă din România, fiind realizate în etape, la
distanţe mari de timp, cu folosirea unor concepţii de proiectare diferite şi cu
utilizarea unei game diverse de materiale, sunt în mare parte depăşite din punct
de vedere fizic şi moral (Giurcănoiu şi colab., 2002). În urma studiilor întocmite
se remarcă ca şi deficienţe principale ale sistemelor de alimentări cu apă
următoarele (Mănescu, 1998; Luca şi colab., 2012; Chirica and Luca, 2017.a):
- o mare parte a elementelor structurale, executate în urmă cu 20 până la
40 de ani, nu mai corespund din punct de vedere tehnic şi funcţional etapei
actuale, conform cerinţelor utilizatorilor, au o uzură fizică extrem de ridicată
şi un proces de îmbătrânire accentuat;
- insuficienţa fondurilor disponibile nu a permis realizarea de reparaţii şi
întreţineri corespunzătoare a elementelor componente afectate ale
sistemelor, fapt care a contribuit la degradarea accentuată a acestora şi
implicit afectarea altor componente;
- repartizarea defectuoasă a presiunilor în reţea, conducând la
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
10
neasigurarea presiunilor de serviciu şi a debitelor necesare;
- instalaţii şi elemente componente care funcţionează la alţi parametrii
decât cei proiectaţi;
- utilizarea unor echipamente neperformante cu randamente scăzute ce
au efecte asupra creşterii consumului energetic în exploatare;
- o frecvenţă ridicată a avariilor, produsă de fiabilitatea redusă a
elementelor componente ale sistemului de alimentare cu apă.
1.3. Managementul pierderilor de apă
Pierderile de apă se produc la nivelul componentelor sistemelor de
alimentare cu apă, evidenţiindu-se o serie de elemente descrise în continuare:
1) pierderile de apă se manifestă la nivelul „captării”, prin modul de
funcționare a instalaţiei hidraulice și a echipamentelor de pompare;
2) pierderile de apă se înregistrează la nivelul „staţiei de tratare”, prin modul
de funcționare a construcţiilor de stocare (rezervoare) / tratare ale apei brute şi
potabile (decantoare, filtre), precum şi prin instalaţia hidraulică aferentă acestora;
3) pierderile de apă se manifestă prin construcţia şi instalaţia hidraulică a
rezervoarelor de înmagazinare;
4) pierderile de apă se evidenţiază în instalaţia hidraulică a stațiilor de
pompare cu diverse funcții poziționate în sistemul de alimentare cu apă;
5) construcţiile şi instalaţiile hidraulice aferente conductelor de aducțiune
sunt afectate majoritar de fenomenul „pierderi de apă” (Luca et al., 2015);
6) pierderile de apă se produc prin construcţiile şi instalaţiile hidraulice
aferente rețelei de conducte cu rol de distribuție a apei la consumatori;
dimensiunile mari ale rețelei de distribuție determină cele mai importante
pierderi de apă (Mănescu, 2012).
Managementul sistemelor de alimentare cu apă, prin perspectiva controlului
pierderilor de apă, se desfăşoară la nivelul a trei mecanisme de analiză:
conceptual, strategic şi operaţional (Chirica, 2018.b).
CAP. 2. ANALIZA FENOMENULUI „PIERDERI DE APĂ” ÎN
CADRUL SISTEMELOR DE TRANSPORT ŞI DISTRIBUŢIE A APEI
2.1. Conceptul tehnic „pierderi de apă”
Problematica pierderilor de apă este un fenomen complex, care poate fi
abordat din perspective multiple. Aspectul pierderilor de apă este cuantificat
prin componenta tehnică – nu toată apa furnizată de operator ajunge la
consumatori şi prin componenta economică – nu toată apa care ajunge la
consumatori este contorizată corespunzător sau facturată (Goodwin, 2013).
Analiza companiilor de apă la nivel global arată că acestea preferă
cuantificarea pierderilor de apă în formă procentuală. Spre deosebire de ceilalți
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
11
indicatori propuşi de IWA (ILI, CARL, UARL), exprimarea procentuală a
pierderilor nu este relevantă sub aspectul evaluării stării fizice a sistemului, a
volumelor de apă sau a impactului economic produs (Lambert, 2003).
2.3. Managementul pierderilor de apă pe plan naţional şi internaţional
2.3.2. Analiza pierderilor de apă pe plan naţional
Companiile de apă din România şi-au amplificat în ultimii ani măsurile de
reducere a pierderilor de apă. Operatorii au trecut de la întocmirea balanţei apei
la aplicarea metodologiei IWA, care permite o identificare amănunţită a
componentelor care duc la apariţia pierderilor de apă (Chirica, 2017.c).
Datele raportate de către operatorii regionali în privinţa pierderilor
înregistrate, la nivelul anului 2012, au fost conform Fig. 2.3. Analiza
valorilor arată că media pierderilor de apă se situează la 11,65 m3/an,m.
Printre judeţele cu cele mai mari pierderi se enumeră Bacău, Botoşani,
Braşov şi Mehedinţi. Cele mai reduse pierderi de apă sunt înregistrate în
Buzău (3,38 m3/an,m), Brăila, Iaşi şi Vâlcea.
Fig. 2.3.
Pierderile de
apă la nivelul
anului 2012
raportate de
operatori
(Racoviţeanu
et al., 2015)
Operatorii regionali şi-au diversificat metodele de detecţie a pierderilor. Pe
lângă măsurătorile de debite şi presiuni nocturne şi folosirea echipamentelor
acustice, companiile au început să folosească programe de modelare hidraulică,
detecţia satelitară sau georadare (Racoviţeanu et al., 2015).
2.3.3. Managementul pierderilor de apă pe plan internaţional
2.3.3.1. Fenomenul „pierderi de apă” în Statele Unite ale Americii
Sistemul de alimentare cu apă al S.U.A. este relativ îmbătrânit. Vârsta
conductelor variază între 15 şi 100 de ani. Viteza de înlocuire a conductelor nu
reuşeşte să acopere deficienţele rezultate din avarierea conductelor îmbătrânite
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
12
(ASCE, 2013). La nivel naţional sunt estimate anual aproximativ 240.000 de
avarii, care conduc la reducerea profitului companiilor cu până la 2,80 miliarde $.
Analiza datelor furnizate de către companiile de apă în intervalul 2010 -
2014 au condus la obţinerea unui procent al apei care nu aduce venit la
nivel naţional de 7,80 % în timp ce pierderile reale pe conducte se ridică la
1,85 m3/km/zi (Tab. 2.5) (Chirica, 2017.b).
Tabel 2.5. Analiza pierderilor de apă în reţele de conducte din S.U.A. (Sturm et al., 2015)
Statistică 2010 - 2014 U.M.
NRW 7,80 % % cost de operare
Pierderi aparente 21,69 x 10-3 m3/branşament/zi
Pierderi reale (branşamente) 15,09 x 10-3 m3/branşament/zi
Pierderi reale (conducte) 1,85 m3/km/zi
ILI 2,48 -
2.3.3.4. Fenomenul „pierderi de apă” în Australia
Australia se confruntă cu un climat caracterizat prin secete şi inundaţii
puternice, care afectează performanţele sistemelor de alimentare cu apă.
Seceta din începutul anilor 2000 a condus la o reformă în sectorul apei.
În urma studierii modului în care funcţionează sistemele de apă şi
canalizare la nivelul statelor aflate în diverse stadii de dezvoltare, Australia
se situează pe prima poziţie în domeniul performanţelor în sectorul
pierderilor de apă, la nivel continental (Tab. 2.10) (Danilenko ş.a., 2014).
Tabel 2.10. Indicatori de performanţă obţinuţi în Australia şi Oceania (Danilenko et al., 2014)
Valori medii NRW
[%]
NRW
[m3/km/zi]
Producţia
de apă
[l/pers/zi]
Consumul
de apă
[l/pers/zi]
Apă vândută
contorizată
[%]
Cost operare
apă vândută
[US $ /m3]
Perioadă de
raportare
Australia 11 5,00 349,00 316,00 100 2,48 2009-2011
Fiji 50 45,00 547,50 270,50 100 0,61 2012-2013
R. Kiribati 62 8,00 58,00 64,00 61 4,88 2011-2013
Micronesia 28 18,00 362,00 257,00 100 0,45 2011-2013
Noua
Zeelandă 14 5,00 381,26 328,00 100 1,72 2005-2007
2.3.3.5. Fenomenul „pierderi de apă” în Africa de Sud
Resursele de apă din Africa de Sud sunt limitate, fiind un factor care
pune presiune pe sistemele de alimentare cu apă. Strategiile necesare a fi
implementate trebuie să asigure echilibrul între sursele disponibile şi
cerinţa de apă. Necesitatea reducerii pierderilor rezultă din valoarea mare a
acestora – 25 %, echivalentul a 1.080 milioane m3/an şi a procentului de
apă care nu aduce venit la nivel naţional – 36,80 %, echivalentul a 1.580
milioane m3/an (Department of Water Affairs, 2013).
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
13
Tabel 2.13. Indicatori de performanţă ai sistemelor de alimentare cu apă din Africa
(Danilenko et al., 2014)
Valori medii NRW
[%]
NRW
[m3/km/zi]
Producţia
de apă
[l/pers/zi]
Consumul
de apă
[l/pers/zi]
Apă vândută
contorizată
[%]
Cost operare
apă vândută
[US $ /m3]
Perioadă de
raportare
Africa de Sud 35 32,00 359,00 231,00 100 1,32 2007-2009
Algeria 55 56,00 163,00 220,00 - 0,53 2008-2010
Egipt 29 37,00 245,00 171,00 68 0,16 2008-2010
Etiopia 39 38,00 78,00 47,00 100 0,16 2007-2009
Kenya 44 105,00 106,00 59,00 - 0,67 2009-2010
R. Malawi 39 22,00 123,00 76,00 100 0,60 2007-2009
Mali 26 19,00 99,00 73,00 100 0,33 2007-2009
Swaziland 39 28,00 186,00 114,00 100 1,49 2007-2009
Tanzania 43 44,00 98,00 56,00 100 0,38 2007-2009
Zambia 48 - 214,00 111,00 - 0,40 2011-2013
Preţul apei este reglementat la nivel naţional şi se calculează în funcţie de
kilolitri consumaţi. Comparativ cu alte state din Africa, valoarea NRW
obţinută de Africa de Sud (35 %) se situează la jumătatea intervalului de
valori, însă mărimea sistemelor exploatate, alături de volumele de apă
produse şi consumate situează această ţară pe prima poziţie, la nivel
continental (Tab. 2.13) (Chirica, 2017.a).
Cap. 3. ELEMENTE DE CALCUL HIDRAULIC A SISTEMELOR
DE ALIMENTARE CU APĂ PRIN PRISMA INTERACŢIUNII
CU MEDIUL DE ÎNGLOBARE ŞI EVOLUŢIA
FENOMENULUI „PIERDERI DE APĂ”
Capitolul cuprinde un studiu documentar în care s-a analizat corelarea
dintre mediul de înglobare şi fenomenul „pierderi de apă”. Cercetarea a
urmărit emisia apei şi evoluţia bulbului de umectare în medii poroase aflate
în limitele de valabilitate ale legii lui Darcy, în domenii extinse de
valabilitate ale legii lui Darcy şi în domenii Post-Darcy.
3.3. Mişcarea apei în domenii extinse de valabilitate ale legii lui Darcy
3.3.1. Ecuaţia lui Richards
Richards (1931) extinde legea lui Darcy şi descrie un bulb de umectare
care se dezvoltă în medii nesaturate în direcţia axelor x, y şi z, folosind
capacitatea de difuzie a apei expulzată prin emiter în teren D(θ):
(3.47) 𝜕𝜃
𝜕𝑡=
𝜕
𝜕𝑥[𝐷(𝜃)
𝜕𝜃
𝜕𝑥] +
𝜕
𝜕𝑦[𝐷(𝜃)
𝜕𝜃
𝜕𝑦] +
𝜕
𝜕𝑧[𝐷(𝜃)
𝜕𝜃
𝜕𝑧] −
𝜕
𝜕𝑧 [𝐾(𝜃)] (b).
Capacitatea de retenţie în sol devine:
(3.48) 𝐶 𝜕ℎ
𝜕𝑡=
𝜕
𝜕𝑥[𝐾(𝜃)
𝜕ℎ
𝜕𝑥] +
𝜕
𝜕𝑦[𝐾(𝜃)
𝜕ℎ
𝜕𝑦] +
𝜕
𝜕𝑧[𝐾(𝜃)
𝜕ℎ
𝜕𝑧] −
𝜕
𝜕𝑧 [𝐾(𝜃)].
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
14
3.4. Cercetări asupra filtraţiei Post - Darcy
3.4.2. Evaluarea relaţiilor de calcul folosite în filtraţia Post-Darcy
Conform relaţiei stabilite de Lindquist pentru numere Re = 5...10 în
zona de tranziţie de la laminar la turbulent, fenomenul de infiltraţie, produs
de apa expulzată dintr-un orificiu de pe o conductă îngropată, poate fi
definit prin (Pietraru, 1977): (3.67) Cf Re = A + B Re, unde: Cf = gdJ/v
2 – coeficient de rezistenţă hidraulică; d – diametrul porilor, v –
viteza de filtraţie, A şi B – constante funcţie de parametrii geotehnici ai terenului.
În cazul în care pierderea de apă se manifestă printr-o curgere în zona de
tranziţie laminar - turbulent se poate defini un coeficient de filtraţie generalizat
(k’) şi o viteză de filtraţie descrise prin (Luca, 2014.a):
(3.68) k' = g d
2
v∙
1
A+ B Re ; (3.69) v = k
'J .
3.6. Analiza evoluţiei bulbului de umectare
3.6.1. Descrierea fenomenului de extindere şi avansare al bulbului
de umectare
Datele analizate din cercetările în domeniu (Gardner, 1988; Hosseinalipour
şi Aghakhani, 2011; Hudak et al., 1998; Toma, 1996; Teeluckdharry, 2017)
ilustrează evoluţia unui bulb de umectare format în urma unei pierderi de apă:
- forţele de greutate determină umezirea pământului la partea inferioară a
emiterului;
- pe măsură ce bulbul de umectare evoluează la partea inferioară şi laterală a
emiterului, forţele de capilaritate vor determina avansul şi la partea superioară;
- în funcţie de volumul porilor, mişcarea frontului de umezire va fi
determinată de forţele de greutate (volum mare al porilor) sau de forţele
capilare (volum al porilor mic);
- creşterea debitului de apă emis va spori circulaţia apei pe direcţie verticală;
- circulaţia apei în zona emiterului produce un fenomen de sufozie
mecanică prin deplasarea pe verticală a particulelor fine de praf şi argilă, care
vor fi purtate de curentul de apă până vor ajunge la pori cu dimensiunea mai
mică, pe care îi vor bloca şi vor crea zone de impermeabilizare în teren;
- zonele de impermeabilizare formate prin colmatarea porilor cu
particulele de argilă şi praf produc extinderea bulbului de umectare în
lateral, pe direcţie orizontală.
3.6.2. Cercetări asupra deplasării bulbului de umectare determinat
de capilaritatea porilor
În pământuri omogene, cu pori capilari, debitul tranzitat printr-un singur por
cilindric cu aria secţiunii transversale πr2 se exprimă prin Ec. (3.98). În pământuri
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
15
omogene, cu pori non-capilari, unde raza porilor depăşeşte raza critică, iar
curgerea are loc în regim turbulent, se foloseşte Ec. (3.101) (Amer, 2012):
(3.98) 𝑄 = π𝑟2 𝜌𝑤𝑔𝑟2
8𝜂
Δℎ
Δ𝑙; (3.101) 𝑄(𝑟) = ∫ π𝑟2 𝑆
(1−𝑚)
𝑚𝑡0,5
𝑟 𝑚𝑎𝑥
𝑟𝑐𝑓(𝑟)𝑑𝑟,
în care timpul de absorbţie t se exprimă în secunde, m cuantifică gradul de
umiditate din teren, iar S este capacitatea de absorbţie a apei în teren, în m∙s-0,5
.
La un pământ neomogen, debitul de apă tranzitat prin pori se determină prin:
(3.102) 𝑄(𝑟) = ∫ π𝑟2 𝜌𝑤𝑔𝑟2
8𝜂
𝑟𝑐
𝑟 𝑚𝑖𝑛𝑓(𝑟)𝑑𝑟 + ∫ π𝑟2 𝑆
(1−𝑚)
𝑚𝑡0,5
𝑟 𝑚𝑎𝑥
𝑟𝑐𝑓(𝑟)𝑑𝑟.
Cap. 4. BAZA TEORETICĂ A MODELULUI DE STUDIU
PENTRU FENOMENUL „PIERDERI DE APĂ”
4.1. Formarea pierderilor de apă
4.1.3. Evaluarea pierderilor de apă prin raportare la locaţia
zonelor de emisie
Pierderile de apă manifestate pe tuburile şi ţevile rețelei de alimentare
cu apă prezintă zone de emisie care variază în funcţie de natura factorilor
de risc înregistraţi (Chirica, 2018.a).
a) Factorii de risc externi sunt de tip permanent şi temporar.
- Factorii de natură permanentă (Fig. 4.2) rezultă din acţiunea mediului
de înglobare asupra ansamblului de conducte pozat subteran.
Fig. 4.2. Factori externi de tip permanent: 1–grad de umiditate, 2–aerare diferenţială, 3-terenuri cu
proprietăţi diferite, 4–curenţi de dispersie, 5–pH-ul terenului, A–anod, C–catod (Chirica Şt., 2018.a).
- Factorii de natură temporară (Fig. 4.3) nu se manifestă cu aceeaşi intensitate
pe întreaga durată de funcţionare a sistemului şi au timpii de acţionare reduşi.
a b
Fig. 4.3. Factori externi de natură temporară: a – schemă de analiză, 1 – încărcări din trafic, 2 –
alunecări de teren, 3 – dislocarea terenului, 4 – lichefierea terenului (Chirica, 2018.a); b – conductă
de beton crăpată, DN 800 mm, pe aducţiunea AdI Timişeşti – Iaşi în zona Oţeleni (Chirica, 2018.a)
b) Factorii de natură internă (Fig. 4.4) acţionează conform proprietăţilor
fluidului transportat şi a interacţiunii acestuia cu pereţii interiori ai conductei.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
16
a b
Fig. 4.4. Factori interni care determină apariţia pierderilor de apă: a- schemă de analiză,
1 – temperatura fluidului transportat, 2 – elemente bacteriologice, 3 – presiunea internă
(Chirica, 2018.a); b - tronson din PEID, DN 140 mm avariat în zona Cristeşti prin
defecţiunea regulatorului de presiune (Chirica, 2018.b).
Cantităţi de apă importante se pierd prin structura de îmbinare a
tuburilor şi ţevilor. Principalele mecanisme de deteriorare întâlnite sunt
demufările, expulzarea elementelor de etanşare, fisurarea elementelor de
îmbinare şi desfacerea sudurilor (Fig. 4.5) (Chirica, 2018.a).
a b
Fig. 4.5. Pierderi de apă la îmbinarea conductelor: a – schemă de analiză, 1 – desprinderea
sudurilor, 2 – demufarea tuburilor, 3 – fisurarea conductei şi a mufei, 4 –zone de coroziune
produse de bacterii din amplasament, 5 – expulzarea elementelor de etanşare (Chirica,
2018.a); b – pierdere de apă prin fisurarea îmbinării unei conducte din beton cu DN 800 mm
pe aducţiunea AdI Timişeşti – Iaşi în zona Oţeleni (Chirica, 2018.a).
4.3. Identificarea factorilor de risc în degradarea conductelor
pentru transportul apei
4.3.1. Date de analiză primare
Conductele sistemului de alimentare cu apă suferă procese de degradare
complexe în urma acţiunii cumulate sau individuale a factorilor cu potenţial
distructiv. Pierderile de apă sunt principala consecinţă care rezultă din cedarea
structurală şi hidraulică a ansamblului de componente ce formează o conductă.
Datele din Tab. 4.5 centralizează şi evidenţiază factorii de risc care acţionează
asupra conductelor şi deteriorările ce se produc. Situaţiile întâlnite în exploatare
arată că majoritatea structurilor trec printr-un proces îndelungat de degradare,
care culminează cu apariţia pierderilor de apă. Degradarea conductelor printr-o
evoluţie rapidă se întâlneşte mai rar în teren. Factorii care determină cedarea
structurală a componentelor reţelei de conducte se caracterizează printr-o
intensitate crescută şi manifestată într-un interval de timp foarte scurt.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
17
Tabel 4.5. Corelarea factorilor cu caracter distructiv şi degradarea produsă de aceştia
(Chirica, 2018.a)
Factori de risc Elemente de acţiune Degradare produsă Evoluţie
Mediul de
înglobare
- gradul de umiditate - coroziune chimică şi
fisuri - lentă
- gradul de aerare
- aerarea diferenţială
- rezistivitatea terenului
- factori microbiologici
- pH
- temperatură
- curenţi de
dispersie
- coroziune chimică - lentă
- mişcări ale terenului - fisuri
- demufări - lentă
Temperatura
apei
transportate
- activitate biologică
- rata de oxidare
- viscozitate
- rata de oxidare - coroziune chimică - lentă
- îngheţarea apei - fisuri şi crăpături - rapidă
Presiunea - depăşirea valorii nominale
- suprapresiune
- expulzarea materialului
- explozia tubulaturii - rapidă
Soluţia de
potabilizare
- reacţia cu biofilmul de pe peretele
conductei
- schimbări în formula soluţiei de tratare
- coroziune chimică - lentă
- reacţia cu materialul de execuţie - fisuri (PE, PVC)
- coroziune (OL, F) - lentă
Factori
bacteriologici
- interacţiunea cu materialul de execuţie
- reacţii între colonii de bacterii diferite
- coroziune chimică
- coroziune electrică - lentă
Acţiunea
seismică
- unde de şoc
- lichefierea terenului
- alunecări de teren
- dislocarea terenului
- expulzarea materialului
- degradarea îmbinărilor
- fisuri
- crăpături
- rapidă
Acţiunea
curgerilor
nepermanente
- decopertarea stratului de acoperire
- dislocarea conductelor montate în albie
- degradarea îmbinărilor
- fisuri
- crăpături
- rapidă
4.4. Baza teoretică pentru modelul de studiu al pierderilor de apă
4.4.1. Definirea modelului hidraulico – matematic
Relaţiile de calcul dezvoltate se adaptează în funcţie de forma secţiunii
de curgere, mediul şi modul de curgere, precum şi condiţiile de contur, prin
asimilarea zonelor de curgere din conducte cu: orificii, grupuri de orificii,
ajutaje şi fante (Fig. 4.29).
Parametrii care definesc funcţionarea emiterilor înglobează o serie de
caracteristici ale ansamblului alcătuit din emiter, mediul tranzitat de
volumul de apă emis şi fluid. Funcţia care descrie modul de lucru al
emiterilor este de forma (Ec. 4.12): (4.12) 𝑄𝐸 = 𝑓 (𝑃𝑔𝑚 , 𝑃ℎ𝑒 , 𝑃ℎ𝑡 , 𝑃𝑔𝑡 , 𝑃𝑓𝑐 ),
unde Pgm sunt parametrii geometrici ai emiterului, Phe – parametrii
hidraulici ai emiterului, Pht – parametrii hidraulici ai terenului, Pgt –
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
18
parametrii geotehnici ai terenului şi Pfc – parametrii fizico - chimici ai
terenului, fiind descrişi prin Ec. (4.13) – (4.17). (4.13) 𝑃𝑔𝑚 = 𝑓 (𝑑𝑒 , 𝑙𝑒 , 𝜃1, 𝜃2) ; (4.14) 𝑃ℎ𝑒 = 𝑓 (𝑅𝑒, 𝐹𝑟, 𝜇, 휀, 𝜑, 𝜈);
(4.15) 𝑃ℎ𝑡 = 𝑓 (𝑅𝑒, 𝑘, 𝜂, ζ, J, 𝑣𝑓 , 𝑛 ); (4.16) 𝑃𝑔𝑡 = 𝑓 (𝑑𝑝, 𝜌, 𝜙𝑠 , 𝑙𝑠, 𝑐, 𝑔𝑎);
(4.17) 𝑃𝑓𝑐 = 𝑓 (𝑝, 𝜌, 𝜂, 𝑡, 𝐶𝑒𝑙).
Fig. 4.29. Modele hidraulice de curgere prin pereţii conductelor sub presiune:
a – orificiu; b – grup de orificii; c – fantă; d – fantă perimetrală (Chirica, 2017.c).
4.4.2. Modelarea pierderilor de apă prin emiteri cu formă de orificii
Pe baza ecuaţiei de continuitate se poate defini ecuaţia curgerii prin orificii
(Ec. 4.31) (Bartha şi colab., 2004). Ecuaţia necesită introducere unui coeficient
de debit, (Ec. 4.32), care ia în considerare contracţia jetului la ieşirea din
orificiu (prin introducerea coeficientului de contracţie (Ec. 4.33)) şi faptul că
prin mişcarea fluidului emis au loc pierderi de sarcini (cuantificate prin
coeficientul de rezistenţă ζ (Ec. 4.34)):
(4.30) 𝑄 = 𝐴 ∙ 𝑣 , (4.31) 𝑄 = 𝜇𝐴√2𝑔𝐻,
(4.32) 𝜇 = 휀𝜑 , (4.33) 휀 = 𝐴𝑐/𝐴 , (4.34) 𝜑 = 1
√1+ 𝜁 .
4.4.3. Modelarea pierderilor de apă prin fisuri
4.4.3.2. Evaluarea emisiilor de apă prin microfisuri
Având în vedere cercetările prezentate în literatura de specialitate (Beck et
al., 2005; Clarke et al., 1997; Bourga R., 2017), se poate defini drept
microfisură, calea de curgere îngustă, caracterizată printr-un grad mare de
sinuozitate, în care forţele de frecare dintre fluid şi suprafaţa de dislocare
influenţează valoarea debitului emis.
Interpretarea datelor de analiză arată că modelarea curgerii prin emiter
se face parcurgând patru etape de lucru (Beck et al., 2005):
a) la fisuri înguste, curgerea este guvernată de viscozitatea fluidului (Ec. 4.42);
b) pe măsură ce fisurile se extind, sinuozitatea traseului parcurs de fluid
se reduce, iar pe lângă viscozitate, se dezvoltă şi forţele de inerţie (Ec. 4.43);
(4.42) ∆𝑃 = 2𝑢
𝜌 (
12 𝜇 𝑙𝑒𝑓𝑓
𝑑𝑒𝑓𝑓2 ); (4.43) ∆𝑃 =
𝜌𝑢2
2 [𝑁 2𝜃
𝑑𝑒𝑓𝑓
𝑑] +
2𝑢
𝜌 (
12 𝜇 𝑙𝑒𝑓𝑓
𝑑𝑒𝑓𝑓2 );
c) extinderea fisurilor reduce valoarea forţelor de inerţie;
(4.44) ∆𝑃 = 𝜌𝑢2
2 [𝑁 (1 − (
𝑑𝑒𝑓𝑓
𝑑)
2
)] +2𝑢
𝜌 (
12 𝜇 𝑙𝑒𝑓𝑓
𝑑𝑒𝑓𝑓2 );
d) presiunea creşte, iar regimul de curgere devine turbulent (Ec. 4.45);
(4.45) ∆𝑃 = 𝜌𝑢2
2 [𝑁 (1 − (
𝑑𝑒𝑓𝑓
𝑑)
2
)] .
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
19
4.4.3.3. Descrierea curgerii prin fisuri
Cercetările analizate au arătat că pentru modelarea curgerii printr-o fisură
longitudinală în peretele conductei se poate folosi un model de studiu simplificat
bazat pe un acvifer saturat în totalitate, un mediu de înglobare izotrop cu
permeabilitate constantă şi un regim de curgere staţionar (Guo et al., 2013).
În urma rescrierii ecuaţiei lui Laplace în coordonate polare şi introducând
condiţiile la limită se obţine Ec. (4.52), care descrie debitul de apă pierdut per
unitate de lungime, ţinând cont şi de conductivitatea hidraulică a terenului,
unde λ se exprimă prin Ec. (4.53) (Guo et al., 2013):
(4.52)𝑄 = −2𝜋𝐾
𝑝
𝛾−ℎ
1− 𝜆2
1+ 𝜆2
𝑙𝑛𝜆;(4.53)𝜆 =
2𝜋(ℎ−𝑟𝑠𝑖𝑛𝛼)
𝛽𝑟− √(
2𝜋(ℎ−𝑟𝑠𝑖𝑛𝛼)
𝛽𝑟)
2− 1.
4.4.4. Modelarea pierderilor de apă prin îmbinările dintre conducte
Pe baza ecuaţia curgerii prin orificii, în care se introduce aria inelului de
emisie ω* la o îmbinare cu mufă, definită prin Ec. (4.60) şi folosind Ec.
(4.58) care descrie aria inelului de etanşare dintre două secţiuni de
îmbinare, se obţine Ec. (4.61):
(4.58) ∆𝜔 ≅ 0,1875 𝜋 𝑝(𝐷𝑖+ 𝐷𝑒)(𝐷𝑒
2− 𝐷𝑖2)
𝐸∙𝑠 ; (4.60) 𝜔 ∗ = 𝜉 ∙ Δ𝜔 ;
(4.61) 𝑄 = 𝜇 ∙ 𝜉 ∙ 0,1875 𝜋 ∙ 𝛾 ∙ 𝐻3
2 ∙ √2𝑔 ∙ (𝐷𝑖+ 𝐷𝑒)(𝐷𝑒
2− 𝐷𝑖2)
𝐸𝑠 .
Coeficientul ξ cuantifică gradul de deschidere al îmbinării şi se stabileşte
pentru fiecare situaţie în parte în funcţie de datele preluate din teren.
Cap. 5. CERCETAREA FENOMENULUI „PIERDERI DE APĂ” LA
CONSTRUCŢIILE DE ÎNMAGAZINARE A APEI
5.1.1. Consideraţii generale
Acţiunile statice şi dinamice din amplasament determină degradarea în timp
a structurii de rezistenţă a rezervorului. Prezenţa apei în zone considerate uscate
determină o degradare rapidă a componentelor metalice din cadrul instalaţiilor.
Acţiunile hidrodinamice afectează integritatea instalaţiei hidraulice. Construcţia
şi instalaţia hidraulică a rezervorului este degradată prin acţiunea corozivă a apei
încărcată cu agenţi chimici. Prezenţa substanţelor chimice în apă intensifică
fenomenele de coroziune a elementelor de beton şi metal.
5.3.3. Analiza zonelor cu pierderi de apă la rezervoare
Pierderi de apă prin structura constructivă a cuvei rezervorului au loc
prin următoarele zone (Chirica et al., 2019.c):
- zona formată de rostul dintre radier şi fundaţia inelară; pierderile de apă
se produc pe perimetrul cuvei, iar apa se infiltrează în terenul de fundare;
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
20
- zone pe radierul cuvei unde se dezvoltă microfisuri şi fisuri;
- zona formată de peretele cuvei, prin degradarea tencuielii de
impermeabilizare şi formarea de fisuri în perete;
- zona formată de peretele ce desparte cuva de camera de vane, în care
sunt amplasate piesele de trecere a conductelor din instalaţia hidraulică a
cuvei; pierderile de apă în acest caz sunt vizibile şi sunt de tip difuz (prin
fisuri) şi concentrat (etanşarea pieselor de trecere).
Pierderile de apă produse prin structura constructivă a camerei de vane au
loc prin următoarele zone (Chirica et al., 2019.c):
- zona de contact dintre radier şi elevaţie, unde pierderile se produc pe
perimetrul camerei de vane, iar apa se infiltrează în terenul de fundare;
pierderile de apă sunt difuze şi concentrate;
- zona peretelui perimetral, unde pierderile se produc prin microfisuri, fisuri
şi chiar crăpături; pierderile de apă sunt difuze şi concentrate;
- zona peretelui perimetral unde sunt amplasate piesele de trecere a
conductelor spre exterior / interior, unde pierderile se produc prin cedarea
sistemului de etanşare; pierderile de apă sunt difuze şi concentrate.
5.4.1. Analiza pierderilor de apă la rezervoare din beton armat
precomprimat
Cercetările au fost realizate pe structura şi instalaţiile funcţionale ale
unui rezervor de înmagazinare cu volumul de 10.000 m3 (Hobjilă şi colab.,
1999). Rezervorul are o poziţie supraterană. Cercetările efectuate (Hobjilă
şi colab., 1999; Pestişanu, 1979) au indicat zonele prin care se produc cele
mai importante pierderi de apă: radier, elevaţie (elemente cu dublă curbură
şi borduri rigide), camera de vane (Fig. 5.6). Autorii arată că pierderile prin
fisurile din radierul rezervorului cu volumul de 10.000 m3 ajung până la
40% din apa înmagazinată în situaţia neaplicării unor lucrări de reabilitare.
a
b
c
Fig. 5.6. Zone de emisie a apei prin elevaţia rezervorului: a– emisie prin placa prefabricată, 1-emiter;
b–zonă de emisie verticală; c–emisie prin rostul dintre plăci (Hobjilă şi Luca, 2000).
1
1
1
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
21
5.4.2. Rezultatul cercetărilor privind pierderile de apă la rezervoare
din beton armat turnate monolit
Cercetările au fost realizate pe structura şi instalaţiile hidraulice ale unui
rezervor de înmagazinare cu volumul de 200 m3 din localitatea Satu Nou, judeţul
Iaşi (Luca, 2012). Rezervorul are o poziţie semi-îngropată. După circa 14 ani de
exploatare, rezervorul prezintă pierderi de apă din cuvă şi camera de vane.
Pierderile de apă se produc prin microfisuri în peretele cuvei, prin rostul radier –
elevaţie (mortarul de etanşare nu mai asigură funcţia de etanşare), prin fisuri şi
crăpături în peretele comun cuvă – camera de vane (Chirica et al., 2019.c).
a
b
Fig. 5.13. Starea funcţională a camerei de vane cu rezervorul plin cu apă: a – detaliu privind
pierderile de apă la trecerea prin perete a conductelor; b – detaliu privind prezenţa apei în
incintă, 1-nivelul apei (Luca, 2012).
Degradarea structurală a peretelui comun cuvă – camera de vane a permis
apariţia unui curent de infiltraţie în zona de trecere a conductelor (Fig. 13.a) şi
prin fisurile din structura de beton armat a peretelui. Apa infiltrată a inundat
camera de vane şi a afectat prin coroziune instalaţia hidraulică (Fig. 5.13.a).
Apa acumulată în camera de vane (Fig. 5.13.b) este evacuată în terenul de
amplasament prin fisurile din radier şi perete (Chirica, 2018.b).
Cap. 6. CERCETĂRI ŞI REZULTATE PRIVIND FENOMENUL
„PIERDERI DE APĂ” LA COMPONENTELE STRUCTURALE
ALE CONDUCTELOR DE ADUCŢIUNE TIMIŞEŞTI - IAŞI
6.2. Caracteristici structurale - funcţionale
ale conductelor de aducţiune Timişeşti - Iaşi
6.2.1. Descrierea aducţiunilor Timişeşti – Iaşi
Volumele de apă extrase din sursa subterană Timişeşti sunt livrate către
rezervoarele de înmagazinare din oraşul Iaşi prin intermediul a trei
conducte de aducţiune: AdI, AdII (cu AdIIa şi AdIIb) şi AdIII (Fig. 6.5).
1
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
22
Fig. 6.5. Schema sistemului de aducţiune Timişeşti – Iaşi (Chirica, 2017.c)
6.3.2. Analiza fenomenelor de degradare şi cedare ale aducţiunii AdI
Graficul din Fig. 6.9. indică distribuţia avariilor înregistrate pe
aducţiunea AdI în funcţie de tipul de defect înregistrat. În urma analizei şi
interpretării datelor obţinute au rezultat o serie de observaţii şi concluzii
referitoare la fenomenele de degradare a conductelor aducţiunii AdI:
- Tuburile din fontă au cel mai mare risc de degradare, facilitând apariţia
pierderilor de apă prin dislocări, demufări şi degradări ale elementelor de
etanşare din mufe în special în cazul pozării pe amplasamente situate pe terenuri
în pantă, cu potenţialul de alunecare ridicat şi cu acţiuni seismice frecvente.
- Tronsoanele de conductă din oţel sunt expuse coroziunii chimice
rezultată în urma factorilor de natură externă din mediul de amplasament şi
internă dată de caracteristicile fluidului transportat.
- Tuburile din beton îmbinate prin mufare prezintă fisuri şi crăpături în
zona mufelor, fiind a doua cauză de apariţie a pierderilor de apă.
- Conductele PREMO generează pierderi de apă în urma demufărilor
produse de acţiunile mecanice înregistrate în amplasament.
- Fenomenele de expulzare a materialului de execuţie din corpul
conductelor, întâlnit în analiză în special la tuburile din beton simplu sau
armat, constituie un factor de risc mediu (Chirica et al., 2018.b).
Fig 6.9. Distribuţia mecanisme de cedare ale conductei AdI: 1 – expulzarea materialului,
2 – defecte ale robinetelor, 3 – îmbinări degradate, 4 – îmbinări degradate la tuburi din
fontă, 5 – îmbinări degradate la tuburi PREMO, 6 - degradarea sudurilor la ţevile din oţel,
7 – degradarea îmbinărilor la tuburile din beton (Chirica et al., 2018.b).
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
23
- Riscul de apariţie a defectelor la nivelul robinetelor utilizate pe
conducta de aducţiune AdI este scăzut. Cercetarea întocmită a evidenţiat
doar două situaţii excepţionale în perioada celor patru ani studiaţi.
6.3.3. Analiza eficienţei exploatării aducţiunii AdI Timişeşti - Iaşi
6.3.3.1. Balanţa apei şi indicatori de performanţă
Balanţa apei întocmită pentru conducta de aducţiune AdI Timişeşti –
Iaşi (Tab. 6.5) conform metodologiei IWA (Lambert and Hirner, 2000)
evidenţiază pierderile de apă şi distribuţia volumelor de apă captate.
Tabel 6.5. Analiza comparativă a consumurilor de apă pe AdI pentru anul 2017
Volum de
apă intrat
în sistem -
apă
captată
4.697.611
m3
Consum
autorizat
3.956.797
m3
(84,23 %)
Consum
autorizat
facturat
3.877.902
m3
consum contorizat facturat 3.877.902
m3 Apa care
aduce venit
3.877.902
m3 consum necontorizat
facturat 0
Consum
autorizat
nefacturat
78.895
m3
consum contorizat
nefacturat 1.095 m3
Apa care
nu aduce
venit
(NRW)
819.709
m3
(17,45 %)
consum necontorizat
nefacturat
77.800
m3
Pierderi
de apă
740.814
m3
(15,77
%)
Pierderi
comerciale
(aparente)
77.558
m3
consum neautorizat 0
erori de măsură 77.558
m3
Pierderi
fizice
(reale)
663.256
m3
pierderi la conductele de
distribuţie şi/sau transport
663.256
m3
(14,12%)
pierderi şi deversări prin
preaplin la rezervoare 0
pierderi pe branşamente
până la punctul de măsurare 0
Analiza datelor cuprinse în balanţă arată că:
- pierderile de apă totale se ridică la 15,77 %, din care pierderile fizice
sunt 14,12%;
- procentul NRW de 17,45% reflectă durata de exploatare ridicată a
conductei (de peste 100 de ani), situaţiile de risc ridicate de diversitatea
amplasamentelor şi procesul de monitorizare şi investigare pus în
dificultate de lungimea reţelei.
6.5. Etape de analiză a pierderilor de apă
de pe traseul conductelor de aducţiune
6.5.1. Studiul de caz nr. 1 – conducta de aducţiune AdI Timişeşti –
Iaşi, zona Soci
Datele colectate în data de 11.06.2018 în zona localităţii Soci au condus
la investigarea unei pierderi de apă prin mufa de beton a unei conducte
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
24
diametrul de 800 mm executată din beton (Fig. 6.38.b) (Chirica, 2018.b).
Cercetarea s-a bazat pe studiul teoretic şi în teren a emisiilor de apă şi a
urmărit o serie de etape descrise în continuare.
1. Cercetarea în prima etapă a constat în elaborarea unui studiu teoretic.
2. În etapa a doua s-au analizat parametrii pierderii de apă.
3. Principalele elemente caracteristice ale conductei degradate au fost
obţinute din baza de date GIS.
4. Investigaţiile în teren s-au desfăşurat împreună cu operaţiunile de
îndepărtare ale stratului de pământ care acoperă conducta.
a b
Fig. 6.38. Avarie pe conducta AdI, beton DN 800 mm în zona Soci: a – poziţia conductei în tranşee şi
volumul de apă acumulat; b – detaliu privind zona de emisie a apei (foto: Chirica Ştefania, 2018).
5. Amploarea pierderilor de apă a fost observată odată cu excavarea
terenului. Tranşeea în care era pozată conducta era inundată (Fig. 6.38.a),
iar apa evacuată din sistem prin emiter alimenta zona.
6. După excavarea completă a zonei afectate s-a putut observa că
pierderea de apă era cauzată de o fisură la partea inferioară a mufei.
6.5.2. Studiul de caz nr. 2 – conducta de aducţiune AdI Timişeşti –
Iaşi, zona Buda
În data de 28.03.2018, pe raza localităţii Buda a fost înregistrată o pierdere
de apă majoră în cadrul sistemului de alimentare cu apă al judeţului Iaşi.
Avaria a constat în demufarea unei conducte PREMO cu diametrul de 600 mm
în albia unui curs de apă pe care îl subtraversa (Chirica, 2018.b).
Analiza fenomenului înregistrat în teren a arătat că:
- stratul de acoperire al conductei PREMO cu diametrul de 600 mm a fost
decopertat prin acţiunea fenomenelor hidrodinamice şi de afuiere formate în albie;
- ridicarea conductei la suprafaţa apei s-a produs în lipsa unor sisteme de
ancorare corespunzătoare, care să stabilizeze conducta în amplasament;
- sistemele de îmbinare ale tuburilor au cedat sub forţa hidrodinamică a apei
şi instabilităţii terenului, producându-se demufarea în trei puncte (Fig. 6.39.b);
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
25
- pierderile de apă au fost declanşate şi întreţinute prin degradarea
inelelor de cauciuc, care fie nu au mai realizat etanşarea, fie au fost
degradate şi expulzate în afara tubului (Fig. 6.39.d).
d
Fig. 6.39. Pierderi de apă pe AdI, PREMO
DN 600 mm în loc. Buda, jud. Iaşi, în data
de 28.03.2018 (foto: Chirica Ştefania,
2018); b – detaliu privind dislocarea şi
degradarea conductei; d – detaliu privind
expulzarea inelului de etanşare.
b
Cap. 7. MODELAREA HIDRAULICĂ A PIERDERILOR DE APĂ
DIN SISTEMELE DE ALIMENTARE CU APĂ
7.1. Modele hidraulice folosite în simularea sistemelor de alimentare cu apă
7.1.3. Domeniul de utilizare şi caracteristicile programului WaterNetGen
Programul de simulare hidraulică WaterNetGen a fost creat de Muranho
şi colaboratorii (2012) prin extinderea funcţiilor din programul de calcul
EPANET, pentru a acoperi o gamă mai largă de probleme inginereşti în
domeniul alimentării cu apă printr-un model de simulare pe bază de
presiune. În acest caz, debitul furnizat în noduri devine o variabilă
dependentă de presiunea disponibilă şi se poate realiza o analiză a
impactului pierderilor de apă în sistemul cercetat.
7.1.4. Modelul hidraulico – matematic al WaterNetGen
Termenii folosiţi în ecuaţiile care descriu modelul hidraulico – matematic
al WaterNetGen prezentat mai jos respectă terminologia folosită de către
autorii programului de calcul.
Pierderile de apă totale ale sistemului sunt suma pierderilor de apă vizibile
şi a celor de fond. După Muranho şi colaboratorii (2014.b), pierderile de apă
pentru o conductă k, în WaterNetGen, se calculează cu relaţia:
(7.3) 𝑞𝑘𝑙𝑒𝑎𝑘(𝑃𝑘) = {𝛽𝑘𝑙𝑘(𝑃𝑘)𝛼𝑘 + 𝐶𝑘(𝑃𝑘)𝛿𝑘
0
𝑃𝑘 > 0𝑃𝑘 ≤ 0
,
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
26
în care pierderile de fond distribuite uniform de-a lungul conductei k se
exprimă prin relaţia (Giustolisi et al., 2008):
(7.4) 𝑞𝑘(𝑃𝑘) = {𝛽𝑘𝑙𝑘(𝑃𝑘)𝛼𝑘
0
𝑃𝑘 > 0𝑃𝑘 ≤ 0
,
iar cele vizibile sunt date de relaţia (Germanopoulo, 1985 citat de Muranho
et al., 2012):
(7.5) 𝑞𝑘(𝑃𝑘) = {𝐶𝑘(𝑃𝑘)𝛿𝑘
0
𝑃𝑘 > 0𝑃𝑘 ≤ 0
,
unde 𝑞𝑘𝑙𝑒𝑎𝑘 sunt pierderile totale înregistrate pe conducta k, 𝑙𝑘 – lungimea
conductei k, 𝛽𝑘 şi 𝛼𝑘- parametri ai modelului pierderilor de fond, 𝐶𝑘 şi 𝛿𝑘
parametri ai modelului pierderilor vizibile (parametrii ecuaţiei orificiului) şi
𝑃𝑘 – presiunea medie în conducta k, calculată ca media aritmetică a
presiunii din nodurile extreme ale tronsonului de calcul.
7.3. Adaptarea metodei de simulare la parametrii modelului
sistemului de alimentare cu apă din Platoul Aviaţiei
7.3.2. Cercetări asupra stării actuale a reţelei de conducte din
Platoul Aviaţiei
Datele de exploatare a reţelei de conducte din Platoul Aviaţiei în perioada
2014 – 2018 relevă un număr de 28 de pierderi de apă identificate şi
remediate. Valorile au fost analizate şi interpretate, rezultând o descriere
detaliată a stării structurale a reţelei de conducte. După natura materialului de
execuţie, Fig. 7.12 arată că 35,71 % din pierderile de apă totale au fost
înregistrate pe conductele din oţel, iar restul de 64,28 % s-au manifestat pe
conductele din polietilenă, în timp ce reţeaua de distribuţie este alcătuită în
proporţie de 20,40 % din conducte de oţel şi 79,60 % din conducte tip PEID.
Fig. 7.12. Modul de alcătuire al
reţelei de conducte şi distribuţia
pierderilor de apă
Fig. 7.13. Natura pierderilor de apă din reţeaua de
conducte din Platoul Aviaţiei în perioada 2014 - 2019
În funcţie de natura pierderii de apă, datele analizate indică trei
modalităţi de evoluţie (Fig. 7.13) (S.C. APAVITAL S.A., 2017.a, S.C.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
27
APAVITAL S.A., 2018): 1o - pierderi de apă vizibile; 2
o - pierderi de apă
ascunse; 3o – pierderi de apă difuze.
7.4. Scenarii de analiză pentru evaluarea pierderilor de apă
din reţeaua de conducte din Platoul Aviaţiei
7.4.1. Descrierea problematicii de cercetare
Având în vedere natura sistemului de alimentare cu apă, care utilizează
conducte din oţel cu o durată de exploatare depăşită, scenariile au determinat
în ce măsură influenţează acestea distribuţia pierderilor de apă în model. Pe
baza cercetărilor în acest domeniu (van Zyl and Clayton, 2007; Giustolisi et
al., 2008), dar şi a datelor analizate din baza de date a S.C. APAVITAL S.A.,
s-a stabilit ca modelul să genereze doar pierderi de fond, difuze.
Cele trei scenarii analizate urmăresc următoarele aspecte:
a) Scenariul nr. 1 - SPA_RC_A simulează pierderile de apă în reţeaua de
conducte actuală, cu reflectarea valorii pierderilor de apă şi a impactului
acestora asupra performanţei sistemului;
b) Scenariul nr. 2 - SPA_RC_RP simulează pierderile de apă în reţeaua
de conducte după reabilitarea parţială a conductelor din oţel pe care se
produc pierderi de apă cu valoare ridicată şi urmăreşte modul de variaţie al
indicatorilor de performanţă;
c) Scenariul nr. 3 - SPA_RC_RI simulează pierderile de apă în reţeaua
de conducte după reabilitarea integrală a conductelor din oţel (cu excepţia
celor din cadrul structurilor de subtraversare a căilor de circulaţie şi a
instalaţiilor din cămine).
Cap. 8 REZULTATELE SIMULĂRII HIDRAULICE A PIERDERILOR
DE APĂ ÎN REŢEAUA DE CONDUCTE DIN PLATOUL AVIAŢIEI
8.1. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din scenariul nr. 1
Rularea programului SPA_RC_A a generat următoarele date de ieşire:
1o – variaţia debitelor orare introduse în sistem şi tiparul consumului;
2o – variaţia pierderilor de apă;
3o – distribuţia pierderilor de apă pe tronsoanele şi nodurile reţelei de conducte;
4o – distribuţia presiunilor pe tronsoanele şi în nodurile reţelei de conducte;
5o – modul de variaţie al parametrilor de calitate ai apei transportate;
6o – modul de variaţie al vârstei apei în reţeaua de conducte.
Interpretarea datelor de ieşire conduce la formularea unor concluzii
privind pierderile de apă rezultate din modelul SPA_RC_A:
- la ora 08:00, pierderile de apă pe tronsoanele de conductă variază între
6,70x10-7
m3/s şi 1,229x10
-3 m
3/s în funcţie de lungimea conductei şi de
debitul de apă transportat (Fig. 8.3);
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
28
Fig. 8.3. Distribuţia
pierderilor de apă de
fond în scenariul
SPA_RC_A la ora
08:00 (ziua 1);
Leakage (Pipe) –
pierderea de apă pe
tronsoanele de conductă,
cuantificată în noduri;
Back Leak – pierderea
de apă pe tronsoanele de
conductă;
LPS – unitatea de
măsură l/s.
Fig. 8.4. Distribuţia
pierderilor de apă de
fond în scenariul
SPA_RC_A la ora
01:00 (ziua 2);
Leakage (Pipe) –
pierderea de apă pe
tronsoanele de conductă,
cuantificată în noduri;
Back Leak – pierderea
de apă pe tronsoanele de
conductă;
LPS – unitatea de
măsură l/s.
- la ora 01:00, pierderile de apă cresc de la 6,90x10-7
m3/s până la
1,272x10-3
m3/s (Fig. 8.4);
- media orară a pierderilor de apă înregistrate pe întreaga suprafaţă a
sistemului de alimentare cu apă Platoul Aviaţiei este de 17.638,10x10-3 m
3;
- pe o suprafaţă de 20,40 % din model se pierd 96,40 % din volumele de apă
injectate, iar 79,60 % din lungimea totală a conductelor, înregistrează pierderi de
apă medii care însumează 3,60 % din volumele de apă introduse în sistem;
- majoritatea tronsoanelor înregistrează pierderi de apă sub 15,00x10-3 m
3/h.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
29
8.2. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din scenariul nr. 2
Interpretarea datelor de ieşire conduce la formularea unor concluzii
privind pierderile de apă rezultate din modelul SPA_RC_RP:
- conductele de oţel nereabilitate înregistrează cele mai mari valori, până la
1,279x10-3 m
3/s la ora 01:00 şi 1,241x10
-3 m
3/s la ora 08:00 (Fig. 8.17, Fig. 8.18);
- conductele din oţel reabilitate înregistrează pierderi de apă mult mai mici
decât înainte de a fi reabilitate, atingând valori maxime de 4,38x10-7 m
3/s;
Fig. 8.17. Distribuţia
pierderilor de
apă de fond în scenariul
SPA_RC_RP la ora
08:00
(ziua 1);
Leakage (Pipe) –
pierderea de apă pe
tronsoanele de conductă,
cuantificată în noduri;
Back Leak – pierderea de
apă pe tronsoanele de
conductă;
LPS – unitatea de măsură
l/s.
Fig. 8.18. Distribuţia
pierderilor de apă de
fond în scenariul
SPA_RC_RP la ora
01:00
(ziua 2);
Leakage (Pipe) –
pierderea de apă pe
tronsoanele de
conductă, cuantificată
în noduri;
Back Leak – pierderea
de apă pe tronsoanele
de conductă; LPS –
unitatea de măsură l/s.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
30
- conductele din polietilenă înregistrează valori mici ale pierderilor de
apă, de maxim 0,01241x10-3
m3/s;
- analiza volumelor de apă pierdute indică o medie orară a pierderilor de
apă înregistrate pe întreaga suprafaţă a sistemului de 9.700,28x10-3 m
3/h.
- conductele din oţel, deşi deţin doar 11,53 % din lungimea totală a
reţelei, produc pierderi care ajung la 92,77 % din totalul pierderilor de apă
ale sistemului Platoul Aviaţiei;
- conductele din oţel, reabilitate, înregistrează pierderi de apă foarte mici, de
circa 0,01808x10-3
m3/s, situându-se la 0,67 % din valoarea totală a reţelei;
- conductele din polietilenă, care ocupă cea mai mare parte a reţelei analizate
(79,59 %), produc pierderi de 0,1767x10-3
m3/s, ceea ce reprezintă 6,56 % din
emisiile de apă totale ale sistemului studiat.
8.3. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din scenariul nr. 3
Interpretarea datelor de ieşire conduce la formularea unor concluzii privind
pierderile de apă rezultate din modelul SPA_RC_RI (Fig. 8.30, Fig. 8.31):
- conductele din oţel reabilitate înregistrează cele mai mici valori ale
emisiilor, urmate de conductele din oţel nereabilitate şi cele din polietilenă;
- majoritatea tronsoanelor înregistrează pierderi de apă cu valori cuprinse
între 0,0015x10-3
- 0,0030x10-3 m
3/s şi 0,0030x10
-3 - 0,0060x10
-3 m
3/s;
- media orară a pierderilor pe întreaga suprafaţă este 1.023,008x10-3 m
3/h;
Fig. 8.30. Distribuţia
pierderilor de apă de
fond în scenariul
SPA_RC_RI
la ora 08:00 (ziua 1);
Leakage (Pipe) –
pierderea de apă pe
tronsoanele de
conductă, cuantificată
în noduri;
Back Leak – pierderea
de apă pe tronsoanele
de conductă; LPS –
unitatea de măsură l/s.
- cele mai mari pierderi de apă se produc pe conductele din polietilenă;
valoarea emisiilor, de 637,36x10-3
m3/h, este corelată cu lungimea extinsă a
reţelei de conducte din polietilenă, respectiv 6.913,33 m;
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
31
- conductele din oţel pierd 23,48 % din volumele de apă tranzitate în
sistem, pe o lungime foarte redusă a reţelei, reprezentând 0,46 % din
lungimea totală a tronsoanelor analizate;
- cele mai mici pierderi de apă sunt obţinute pe conductele din oţel
reabilitate; procentul pierderilor se situează la 14,22 %, iar lungimea de emisie
reprezintă 19,94 % din totalul lungimii conductelor evaluate.
Fig. 8.31. Distribuţia
pierderilor de apă de
fond în scenariul
SPA_RC_RI la ora 01:00 (ziua 2);
Leakage (Pipe) –
pierderea de apă pe
tronsoanele de
conductă, cuantificată
în noduri;
Back Leak – pierderea
de apă pe tronsoanele
de conductă; LPS –
unitatea de măsură l/s.
8.4. Analiza comparativă a rezultatelor din scenariile 1 -3
8.4.1. Interpretarea rezultatelor privind evoluţia debitelor şi a
pierderile de apă
Analiza comparativă a debitelor care alimentează Platoul Aviaţiei arată că:
- scenariul SPA_RC_RI se apropie cel mai mult de valorile obţinute
doar din consumurile facturate; acest aspect arată că pierderile de apă sunt
foarte mici, iar volumele de apă care ies din rezervor ajung în proporţie
ridicată la consumatori (Fig. 8.35);
- în medie, prin scenariul SPA_RC_A, sistemul se alimentează cu
11,21x10-3 m
3/s, în scenariul SPA_RC_RP, media debitului introdus în sistem
este 9,003x10-3 m
3/s, iar în scenariul SPA_RC_RI este 6,593x10
-3 m
3/s;
- reabilitarea parţială a reţelei de conducte prin modelul SPA_RC_RP a
condus la debite cu 19,67 % mai mici faţă de SPA_RC_A, iar extinderea
reabilitării prin SPA_RC_RI a redus cu 41,17% debitele injectate în sistem;
mai mult, prin extinderea reabilitării conductelor din oţel în SPA_RC_RI s-
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
32
au observat debite mai mici cu 26,77 % decât în SPA_RC_RP.
Datele interogate după rularea modelelor ilustrează variaţia drastică a
debitelor medii de apă pierdute în sistem în cele trei scenarii (Tab. 8.18):
- în scenariul SPA_RC_A, tronsoanele sistemului pierd în medie
4,899x10-3
m3/s, ceea ce duce la pierderi de 154.494,86 m
3/an;
Fig. 8.41. Variaţia
debitelor orare care
alimentează zona
Platoul Aviaţiei: Q0 –
debite orare rezultate
din consumuri
facturate (model
necalibrat); Q1 –
debite orare rezultate
din SPA_RC_A; Q2 –
debite orare rezultate
din SPA_RC_RP; Q3
– debite orare rezultate
din SPA_RC_RI.
Tabel 8.18. Parametri specifici pierderilor de apă obţinuţi în cele trei variante de simulare
Parametru S1 S2 S3 Δ1-2 Δ2-3 Δ1-3 δ1-2 δ 2-3 δ 1-3
Qm
[10-3 x m3/s] 11,210 9,003 6,593 2,205 2,41 4,615 19,67 26,77 41,18
Qpm
[10-3 x m3/s] 4,899 2,694 0,284 2,205 2,41 4,615
45,01 89,46 94,20 Qpm [m3/h] 17,64 9,70 1,02 7,94 8,68 9,70
Qpm [m3/zi] 423,27 232,76 24,54 190,51 208,22 232,76
Qpm [m3/an] 154.494,86 84.957,98 8.956,22 69.536,88 76.001,76 84.957,98
Notă: Qm – debitul mediu introdus în sistem; Qpm – debitul pierdut mediu.
- reabilitarea reţelei de conducte din oţel în proporţie de 43,45 % prin
modelul SPA_RC_RP a redus debitele de apă pierdute cu 45,01 % până la
2,694x10-3
m3/s, care în interval de un an ajung la 84.957,98 m
3/an;
- reabilitarea ulterioară a reţelei de conducte din oţel cu până la 97,71 %
din lungimea iniţială existentă în scenariul SPA_RC_A, a determinat o
reducere a pierderilor de apă cu 2,41x10-3
m3/s, respectiv 4,615x10
-3 m
3/s
faţă de valorile obţinute în SPA_RC_RP şi SPA_RC_A;
- debitul mediu al pierderilor de apă s-a redus în modelul SPA_RC_RI
până la 0,284x10-3
m3/s, ceea ce reprezintă valori mai mici cu 89,46 % faţă
de scenariul SPA_RC_RP şi 94,20 % faţă de scenariul SPA_RC_A.
Prin raportare la consumurile de apă facturate se pot determina pierderile de
apă ale sistemului în toate scenariile analizate (Fig. 8.42):
- cele mai mari pierderi de apă se obţin în scenariul SPA_RC_A, cu
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
33
variaţii între 54,27 % şi 37,39 % şi o medie de 43,72 %;
- în scenariul SPA_RC_RP pierderile de apă se reduc, însă continuă se fie
ridicate şi ating o medie de 29,93 %; se arată astfel că prin reabilitarea a 770,22
m de conductă din oţel, pierderile ajung de la 43,72 % la 29,93 %;
- reabilitarea în continuare a conductelor din oţel în scenariul
SPA_RC_RI a redus media pierderilor de apă până la 4,31 %;
- comparativ cu SPA_RC_RP, prin reabilitarea adiţională a 961,93 m
conductă din oţel, pierderile de apă se reduc cu 85,60 % în SPA_RC_RI;
- reabilitarea celor 1732,15 m de conducte din oţel prin scenariile
SPA_RC_RP şi SPA_RC_RI a rezultat în pierderi de apă cu 90,14 % mai mici.
Fig. 8.42. Variaţia
pierderilor de apă
înregistrate în
sistem, exprimate
procentual: Pa1 –
pierderi de apă din
SPA_RC_A; Pa2 –
pierderi de apă din
SPA_RC_RP; Pa3
– pierderi de apă
din SPA_RC_RI.
Indicatorii de performanţă ai sistemului au fost calculaţi folosind ecuaţiile
din subcapitolul 2.2.2. Rezultatele au fost centralizate în Tab. 8.21, iar
analiza lor indică următoarele aspecte:
- pierderile scad de la 17.788,50 m3/an, km până la 1.031,22 m
3/an, km;
- indicele economic de pierderi al sistemului variază între 2,471 şi 0,143,
indicând un sistem cu pierderi de apă acceptabile în toate cele trei scenarii;
Tabel 8.21. Indicatori de performanţă ai sistemului de alimentare cu apă Platoul Aviaţiei
Scenariu CARL
[l/zi]
UARL
[l/zi]
LKM
[m3/an, km] LI ELI ILI
SPA_RC_A 423.273,60 18.610,47 17.788,50 4,941 2,471 22,74
SPA_RC_RP 232.761,60 19.239,71 9.782,04 2,717 1,359 12,10
SPA_RC_RI 24.537,60 19.937,34 1.031,22 0,2864 0,143 1,231
- valoarea indicelui de pierderi în infrastructură pleacă de la 22,74 în
SPA_RC_A şi ajunge până la 1,231 în SPA_RC_RI, fiind comparabil cu
valorile înregistrate de state dezvoltate economic; toate cele trei valori
încadrează sistemul în categoria de performanţă A, pentru care reducerea
suplimentară a pierderilor de apă nu este economică.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
34
Cap. 9 REZULTATE PRIVIND SIMULAREA HIDRAULICĂ
A PIERDERILOR DE APĂ DIN CONDUCTE
PRIN METODA ELEMENTULUI FINIT
9.1. Baza hidraulică a modelului de simulare
9.1.4. Date de intrare pentru realizarea modelului de studiu a
pierderilor de apă
Modelul SPAC_MP, realizat în programul de modelare ANSYS Fluent
simulează o pierdere de apă printr-o conductă amplasată în diferite medii
poroase: SPAC_MP _N - nisip; SPAC_MP _A - argilă; SPAC_MP _PN - praf-
nisipos.
Realizarea programului SPAC_MP a necesitat următoarele date de intrare:
A – parametri geometrici: 1o – conductă; 2
o – masiv de înglobare; 3
o – emiter;
B – parametri hidraulici: 1o – viteza în secţiunea de admisie a conductei;
2o – presiunea în secţiunea de evacuare a conductei;
C – parametri geotehnici ai mediului de înglobare;
D – parametri ai fluidului vehiculat.
9.2. Descrierea programului de simulare hidraulico-matematică
ANSYS Fluent pentru analiza fenomenului „pierderi de apă”
9.2.1. Descrierea programului de modelare hidraulico-matematică
Modelele de simulare hidraulico-matematică realizate în modulul
ANSYS Academic urmează şase etape de elaborare şi analiză (Fig. 9.7).
1o – alegerea
sistemului de analiză
– Fluid Flow (Fluent)
2o – realizarea
geometriei modelului
urmărit în analiză
3o – discretizarea
geometriei modelului
4o – definirea
parametrilor de
funcţionare ai
modelului
5o – generarea soluţiei
6o – vizualizarea şi
interogarea
rezultatelor
Fig. 9.7 Interfaţa ANSYS Workbench
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
35
9.3. Rezultatele simulării hidraulico-matematice
a pierderilor de apă folosind ANSYS Fluent
9.3.1. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din Scenariul I
Analiza datelor de ieşire permite formularea unor observaţii şi concluzii
referitoare la manifestarea pierderilor de apă în modelul SPAC_MP_N:
- viteza medie în secţiunea de evacuare devine cu 26,20 % mai mare
decât cea din secţiunea de admisie, atingând valoarea 1,262 m/s (Fig.9.23);
- se observă o reducere a presiunii medii de circa 0,27 % în secţiunea de
evacuare faţă de cea de admisie, respectiv de la 304.782 Pa la 303.954 Pa;
- debitul masic evacuat prin conductă este 1,722x10-1 kg/s, ceea ce reprezintă
1,723x10-4 m
3/s; în interval de o oră conducta pierde 0,621 m
3/h, iar daca timp
de un an nu se intervine asupra ei, pierderile de apă ating 5.432,20 m3/an;
a
b c
Fig. 9.23. Variaţia vitezei sub formă de contur, pentru vmax = 1,15 m/s în modelul SPAC_MP_N:
a – vedere generală în plan longitudinal; b – vedere în plan circumferenţial în secţiunea
emiterului; c – detaliu emiter.
- modul de evoluţie al bulbului de umectare în teren arată o tendinţă de
avansare mai pronunţată către partea superioară a masivului de înglobare
faţă de partea inferioară şi o distribuţie simetrică a frontului de umectare pe
direcţie stânga – dreapta faţă de poziţia emiterului (Fig. 9.27).
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
36
a b
c d
e f
g h
Fig. 9.27. Modul de avansare al bulbului de umectare în plan longitudinal şi circumferenţial
în modelul SPAC_MP_N: a, b – vmax = 1x10-3 m/s; c,d – vmax = 5x10-4
m/s;
e,f – vmax = 1x10-4 m/s; g,h – vmax = 5x10-5 m/s.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
37
9.3.2. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din Scenariul II
Analiza datelor de ieşire permite formularea unor observaţii şi concluzii
referitoare la manifestarea pierderilor de apă în modelul SPAC_MP_A:
- viteza medie în secţiunea de evacuare devine cu 26,50 % mai mare faţă
de cea din secţiunea de admisie, atingând 1,265 m/s;
- se observă o reducere a presiunii medii de circa 0,28 % în secţiunea de
evacuare faţă de cea de admisie, respectiv de la 304.796 Pa la 303.953 Pa;
- debitul masic evacuat prin conductă este de 3,441x10-4
kg/s,
reprezentând 3,442x10-7
m3/s; în interval de o oră pierderile de apă ating
1,239x10-3
m3/h, iar după un an în care nu se intervine asupra conductei,
emisiile ajung la 10,85 m3/an;
- bulbul de umectare format se dezvoltă iniţial către partea superioară a
masivului de pământ, după care se extinde şi spre partea inferioară; avansul la
partea inferioară este mai rapidă în stânga emiterului, în timp ce la partea
superioară distribuţia bulbului de umectare este relativ simetrică pe direcţia
stânga – dreapta faţă de poziţia emiterului (Fig. 9.32).
e f
g h
Fig. 9.32. Modul de avansare al bulbului de umectare în plan longitudinal şi circumferenţial în
modelul SPAC_MP_A: e,f – vmax = 5x10-7 m/s; g,h – vmax = 1x10-7 m/s.
9.3.3. Analiza şi interpretarea rezultatelor simulării din Scenariul III
Analiza datelor de ieşire permite formularea unor observaţii şi concluzii
referitoare la manifestarea pierderilor de apă în modelul SPAC_MP_PN:
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
38
- viteza medie în secţiunea de evacuare creşte cu 26,5 % faţă de cea din
secţiunea de admisie, atingând 1,262 m/s; viteza maximă la interiorul conductei
se obţine în centrul secţiunii circumferenţiale, ajungând până la 1,982 m/s;
- se observă o reducere a presiunii medii de circa 0,27 % în secţiunea de
evacuare faţă de cea de admisie, respectiv de la 304.782 Pa la 303.954 Pa;
- debitul masic emis este de 0,1277x10-1
kg/s, echivalentul a 1,279 x10-4
m3/s; după o oră conducta pierde 0,4604 m
3/h de apă, iar în interval de un
an emisiile ajung la 4.033,45 m3/an;
c d
e f
g h
Fig. 9.37. Modul de avansare al bulbului de umectare în plan longitudinal şi circumferenţial în
modelul SPAC_MP_PN: c,d – vmax = 5x10-4 m/s; e,f – vmax = 1x10-4
m/s; g,h – vmax = 5x10-5 m/s.
- bulbul de umectare se dezvoltă rapid către stânga emiterului, atât la partea
superioară cât şi la cea inferioară a masivului de pământ; extinderea către
partea dreaptă a emiterului este mai lentă şi are loc după ce bulbul de umectare
atinge limitele inferioare şi superioare ale masivului de înglobare (Fig. 9.37).
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
39
9.3.4. Analiza comparativă a rezultatelor simulărilor din Scenariile I – III
Evaluarea pierderilor de apă care se dezvoltă în mediul de înglobare arată că:
- în argilă (SPAC_MP_A) se înregistrează cele mai mici valori ale emisiilor
- 3,442x10-7 m
3/s, urmată de praful-nisipos (SPAC_MP_PN) - 1,277x10
-4 m
3/s
şi nisip (SPAC_MP_N) - 1,723x10-4 m
3/s.
- pierderile de apă în nisip sunt cu până la 99,80 % mai mari decât cele
manifestate în argilă;
- valorile pierderilor de apă în scenariile SPAC_MP_N şi SPAC_MP_PN
sunt mai apropiate faţă de cele obţinute în argilă, în nisip debitul evacuat fiind cu
25,88 % mai mare decât praful-nisipos;
- analiza comparativă între scenariile SPAC_MP_N şi SPAC_MP_PN,
extinsă pe parcursul unei zile arată că diferenţa debitelor emise în cele două
terenuri ajunge la 3,84 m3/s, iar pentru un interval de calcul anual, în nisip se
obţin pierderi de apă mai mari cu 1.403,84 m3/s decât în praful-nisipos.
Cap. 10 CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII PERSONALE
10.1. Concluzii generale
În cadrul tezei de doctorat s-a analizat fenomenul „pierderi de apă” din
reţelele hidroedilitare şi s-au propus o serie de soluţii pentru controlarea şi
limitarea acestuia. Metodele elaborate au fost aplicate în funcţie de
particularităţile structural funcţionale ale sistemului de alimentare cu apă a
judeţului Iaşi, însă ele pot fi adaptate oricărui sistem de alimentare cu apă.
Studiul şi cercetarea experimentală a fenomenului „pierderi de apă” din
reţelele hidroedilitare sunt extrem de complexe, având în vedere numărul
mare de factori naturali şi antropici, forme şi mecanisme de degradare,
evoluţii diferenţiate în timp a fenomenului, particularităţi diferite ale
amplasamentului, precum şi a obiectului de studiu etc. Aceste aspecte
introduc un număr mare de parametri care trebuie urmăriţi prin modele fizice
şi hidraulice. Realizarea unor modele de simulare hidraulică a fenomenului
„pierderi de apă” este extrem de importantă în managementul sistemelor de
alimentare cu apă având în vedere caracterul datelor de ieşire, care indică
direcţii de reabilitare şi modernizare, dar şi parametri optimi de exploatare.
Principalele concluzii pot fi structurate pe următoarele categorii:
A – Referitor la managementul actual al fenomenului „pierderi de apă”:
Fenomenul „pierderi de apă” este înregistrat la nivelul tuturor
componentelor sistemului de alimentări cu apă, manifestându-se cu
parametri şi intensităţi diferite în cadrul reţelelor de conducte, rezervoarelor
de înmagazinare, staţiilor de tratare, staţiilor de pompare etc.
Managementul pierderilor de apă este un proces de lungă durată, care
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
40
porneşte din faza de proiectare şi de execuţie şi continuă pe toată durata de
viaţă a sistemului, fiind constant adaptat la procedurile de exploatare şi la
mecanismele de degradare care apar în timp (subcap. 2.1).
Majoritatea ţărilor dezvoltate economic au adoptat ample măsuri
legislative pentru a controla şi limita valoarea pierderilor de apă.
Sistemele de alimentare cu apă din România se remarcă prin
performanţe scăzute şi valori mari ale pierderilor de apă, rezultate în urma
duratelor mari de exploatare, lipsa investiţiilor şi a politicilor de limitare a
emisiilor de apă. Cu toate acestea, se observă la nivel naţional un interes
crescut al companiilor apă – canal în ceea ce priveşte adoptarea terminologiei
internaţionale şi demersurile de aliniere la standardele globale (subcap. 2.3.2).
Cele mai mari valori ale pierderilor de apă se înregistrează la nivelul
reţelelor de transport, prin tubulatură şi mecanisme de îmbinare. În funcţie
de dimensiunile emiterilor, pierderile de apă rezultate sunt ascunse, de fond
(difuze) sau vizibile.
Rezervoarele de înmagazinare a apei potabile sunt supuse la acţiuni
determinate de procesul de exploatare şi mediul de înglobare care produc
degradări semnificative şi pierderi de apă importante. Cele mai frecvente zone de
filtraţie apar prin pereţi, radier şi zona de trecere dintre cuvă şi camera de vane.
Formele de emisie variază de la pori, microfisuri, fisuri şi emiteri inelari (cap. 5).
B – Referitor la mecanismele de apariţie şi evoluţie a pierderilor de apă:
Mediile poroase din amplasamentul sistemelor de alimentare cu apă sunt
alcătuite din roci sau din materialele granulare care determină formarea şi
evoluţia jetului de apă expulzat printr-un emiter (subcap. 3.2, 3.3, 3.4).
Evoluţia bulbului de umectare dezvoltat în teren ca urmare a apariţiei
pierderilor de apă este determinată de proprietăţile hidrogeologice ale
amplasamentului. Deplasarea acestuia în matricea terenului pe direcţie
orizontală sau verticală poate determina fenomene complexe precum eroziune
locală, coroziune, sufozie, alunecări de teren etc. (subcap. 3.5 şi 3.6).
Mecanismele externe de degradare care conduc la apariţia pierderilor
de apă, de natură permanentă, sunt date de amplasament prin
caracteristicile şi parametrii hidro-geologici ai acestuia. Principalele
mecanisme de acest tip care au fost tratate în teză sunt umiditatea terenului,
gradul de aerare şi aerarea diferenţială, curenţii de dispersie, pH-ul,
microbiologia pământului, rezistivitatea şi temperatura terenului.
Mecanismele externe de degradare, de natură temporară, sunt date de
amplasament prin diverse încărcări şi fenomene care apar local. Factorii de
degradare analizaţi au fost: încărcările din trafic, alunecările de teren,
dislocarea şi lichefierea terenului, acţiunea seismică şi a curgerilor
nepermanente. Acţiunea factorilor analizaţi determină fenomene de degradare
multiple asupra structurii constructive (fisuri, crăpături, expulzarea materialului
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
41
de execuţie) şi asupra sistemelor de îmbinare (demufări, desprinderea
sudurilor, expulzarea elementelor de etanşare).
Mecanismele interne de degradare sunt date de parametrii de operare ai
sistemului şi de natura fluidului transportat. În teză s-a analizat impactul
presiunii, temperatura apei la interiorul conductei şi soluţia folosită pentru
potabilizarea apei. Analiza acestor parametri a indicat mecanisme multiple de
degradare, cu evoluţii rapide, dar şi lente.
Majoritatea lucrărilor de specialitate analizează pierderile de apă prin
asimilarea zonelor de curgere cu orificii circulare (subcap. 4.4.2).
Curgerea prin fisuri este analizată în funcţie de gradul de deschidere al
acesteia. În cazul microfisurilor, mărimea zonei de emisie a apei determină
forţele care guvernează curgerea, dar şi regimul de curgere (subcap. 4.4.3).
C – Referitor la pierderile de apă din structurile aducţiunilor
Timişeşti - Iaşi:
Cercetarea întocmită pentru evenimentele înregistrate pe conducta de
aducţiune AdI în perioada 2013 – 2016 a indicat un număr de 109 avarii
(Tab. 6.3). Dintre acestea, cele mai multe au fost produse pe tuburi de fontă,
respectiv 66 de cazuri analizate, aspect corelat cu vârsta mare de exploatare a
conductelor din fontă (peste 100 de ani).
Cele mai multe pierderi de apă au fost identificate la sistemele de
îmbinare a conductelor (97 de situaţii). Dintre acestea, 64 de cazuri au vizat
îmbinările tuburilor de fontă, urmate de tuburi din beton (26 de cazuri), suduri la
ţevi din oţel (4 cazuri) şi îmbinări la tuburi PREMO (3 cazuri) (Fig. 6.9).
Distribuţia spaţială a pierderilor de apă a indicat două zone unde se
înregistrează frecvent pierderi de apă, respectiv satele Buda (33 de situaţii) şi
Brăeşti (24 de situaţii) ale comunei Brăeşti. Analiza întocmită a realizat
corelarea între mecanismele de degradare (demufarea tuburilor) şi natura
amplasamentului, care este afectată frecvent de alunecări de teren (Fig. 6.10).
Valoarea pierderilor de apă în teren, determinată prin măsurători cu
echipamente fixe şi mobile pe tronsonul Săbăoani - Sârca a fost calculată în
data 22.03.2017, rezultând 129,30 m3/h, ceea ce reprezintă 23,42% din
debitul tranzitat la Săbăoani pe AdI (Fig. 6.14, Fig. 6.15).
Balanţa consumurilor de apă întocmită la nivelul anului 2017 pentru
AdI a indicat un procent al pierderilor de apă de 15,77 % şi o valoare a
NRW de 17,45 % (Tab. 6.5).
Indicatorii de performanţă calculaţi pentru AdI pe baza metodologiei
IWA sunt: CARL = 66.325,96 m3/an, branşament; UARL = 7.054,12 l/zi;
LKM = 6,50 m3/an, km şi ELI = 0,90 (subcap. 6.3.3.1).
Studiile efectuate au ilustrat fisuri şi crăpături multiple în pereţii Galeriei
Strunga, care întreţin procese de infiltraţie – exfiltraţie evidenţiate prin
numeroase zone de curgere, depuneri şi formaţiuni tip stalactite (subcap. 6.4.1).
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
42
Analiza conductelor de aducţiune Timişeşti – Iaşi, care subtraversează
râul Moldova în zona Soci printr-o construcţie specială, a evidenţiat prezenţa
zonelor de degradare care facilitează emisia apei. Fenomenele de eroziune
împreună cu transformările morfologice din albie au produs mecanisme de
cedare structurale care au impus ample proceduri de reabilitare (subcap. 6.4.2).
D – Referitor la modelarea hidraulică a pierderilor de apă din
cadrul sistemelor de alimentare cu apă:
Modelarea hidraulică a pierderilor de apă din sistemele de transport şi
alimentare cu apă necesită un model de simulare bazat pe presiune.
Analiza pierderilor de apă din reţeaua de conducte Platoul Aviaţiei
prin modelul SPA_RC_A a vizat starea actuală a sistemului. Datele de ieşire
au arătat că pierderile de apă medii se situează la 43,72 %, reprezentând
4,899x10-3
m3/s (Tab. 8.2). În funcţie de consumul orar, pierderile de apă
variază între 37,39 % şi 54,27 % (Fig. 8.2).
Analiza pierderilor de apă în funcţie de materialul de execuţie al
conductelor, prin modelul SPA_RC_A, a arătat că pe o suprafaţă de 20,40 %
din modelului studiat, reprezentată de conductele din oţel, se pierd în medie
96,40 % din volumele de apă injectate în sistem (Tab. 8.6).
Analiza pierderilor de apă din reţeaua de conducte Platoul Aviaţiei prin
modelul SPA_RC_RP a urmărit impactul reabilitării parţiale a conductelor din
oţel în procent de 43,45 %. Datele de ieşire au arătat că pierderile de apă medii
se situează la 29,93 %, reprezentând 2,694x10-3 m
3/s (Tab. 8.8). În funcţie de
consumul orar, pierderile de apă variază între 29,37 % şi 30,54 % (Fig. 8.16).
Analiza pierderilor de apă în funcţie de materialul de execuţie al
conductelor (Tab. 8.12), prin modelul SPA_RC_RP, a arătat că pe o
suprafaţă de 11,53 % din modelului studiat, reprezentată de conductele din
oţel nereabilitate, se pierd în medie 92,77 % din volumele de apă injectate în
sistem. Conductele din oţel care au fost reabilitate înregistrează pierderi de
apă de circa 0,67 % din valoarea totală a reţelei. Conductele din polietilenă,
care ocupă cea mai mare parte a reţelei analizate (79,59 %), produc pierderi
de 6,56 % din emisiile de apă totale ale sistemului studiat.
Analiza pierderilor de apă din reţeaua de conducte Platoul Aviaţiei
prin modelul SPA_RC_RI a urmărit impactul reabilitării conductelor din oţel
în procent de 95,95 % faţă de lungimea din stadiul iniţial. Datele de ieşire au
arătat că pierderile de apă medii se situează la 4,31 %, reprezentând 0,284x10-
3 m
3/s (Tab. 8.14). În funcţie de consumul orar, pierderile de apă variază
între 3,38 % şi 6,39 % (Fig. 8.29).
Analiza pierderilor de apă în funcţie de materialul de execuţie al
conductelor (Tab. 8.17), prin modelul SPA_RC_RI, a arătat că prin
conductele de oţel nereabilitate (care reprezintă 0,46 % din lungimea totală)
sunt generate pierderi de apă situate la 23,48 %, prin conductele din oţel
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
43
reabilitate (14,22 % din lungimea totală) pierderile de apă sunt de 19,94 %,
iar prin conductele din polietilenă (79,59 % din lungimea totală) se pierde
62,30 % din volumul de apă introdus în sistem.
Datele de ieşire obţinute din rularea programului evidenţiază faptul
că debitul injectat în sistem s-a redus de la 11,210x10-3
m3/s în scenariul
SPA_RC_A, la 9,003x10-3
m3/s în scenariul SPA_RC_RP, până la 6,593 în
scenariul SPA_RC_RI (Fig. 8.41, Tab. 8.18).
În toate nodurile reţelei se observă că pe măsură ce pierderile în
sistem sunt reduse, presiunea creşte, iar ecartul de amplitudine al valorilor
maxime şi minime se reduce (Fig. 8.45, Fig. 8.46).
Datele de ieşire au arătat că pe măsură ce pierderile de apă se reduc,
timpii de tranzitare ai reţelei scad, iar toate nodurile înregistrează vârste ale
apei mai mici. În acelaşi timp, ecartul de amplitudine al valorilor din noduri
se măreşte (Fig. 8.49, Fig. 8.50).
Indicatorii de performanţă determinaţi în toate cele trei scenarii arată
o valoare ILI care porneşte de la 22,74 în SPA_RC_A, coboară la 12,10 în
SPA_RC_RP şi atinge valoarea minimă de 1,231 în SPA_RC_RI (Tab. 8.21).
Toate valorile obţinute indică o reţea de conducte performantă, pentru care
reducerea pierderilor nu este economică.
Valorile obţinute în SPA_RC_RI: CARL = 24.537,60 l/zi, UARL =
19.937,34 l/zi, LKM = 1.031,22 m3/an, km, ELI = 0,143 şi ILI = 1,231
caracterizează o reţea de conducte comparabilă din punct de vedere al
performanţei cu cele din ţările dezvoltate economic (S.U.A., Anglia, Franţa).
E – Referitor la modelarea hidraulică a pierderilor de apă din
conducte folosind ANSYS Fluent:
Datele de ieşire obţinute din rularea modelului arată că debitul de apă
pierdut printr-un orificiu al unei conducte înglobate într-un pământ nisipos
modelat prin scenariul SPAC_MP_N este 1,723 x10-4 m
3/s (Tab. 9.4), iar
viteza medie de evacuare a apei este de 4,556x10-1 m/s (Tab. 9.3).
Reprezentarea vectorială a distribuţiei vitezelor apei în SPAC_MP_N
indică valori maxime în partea dreaptă a orificiului, cu valori între 0,575 m/s şi
0,8625 m/s, valori medii între 0,575 m/s şi 0,2875 m/s în secţiunea centrală şi
valori minime în partea stângă a emiterului, sub 0,2875 m/s (Fig. 9.24).
Modul de evoluţie al bulbului de umectare în teren nisipos arată o
tendinţă de avansare mai pronunţată către partea superioară a masivului de
înglobare faţă de partea inferioară şi o distribuţie simetrică a frontului de
umectare pe direcţie stânga – dreapta faţă de poziţia emiterului (Fig. 9.27).
Datele de ieşire ale modelului SPAC_MP_A arată că debitul de apă
pierdut printr-un orificiu al unei conducte înglobate într-un masiv de argilă este
3,442x10-7
(Tab. 9.6), iar viteza medie de evacuare a apei prin emiter este
8,098x10-2
m/s (Tab. 9.5).
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
44
Din interpretarea distribuţiei vectoriale a vitezelor apei care este
evacuată prin orificiu în modelul SPAC_MP_A rezultă că vitezele maxime, de
circa 0,2875 m/s se înregistrează în stânga emiterului şi scad treptat către
dreapta secţiunii, până la valori situate sub 4,616x10-5 m/s (Fig. 9.29).
Rezultatele au arătat că bulbul de umectare format într-un teren
argilos (modelul SPAC_MP_A) se va dezvolta iniţial către partea
superioară a masivului de pământ, după care se va extinde şi spre partea
inferioară. Avansul la partea inferioară este mai rapidă în stânga emiterului,
în timp ce la partea superioară distribuţia bulbului de umectare este relativ
simetrică pe direcţia stânga – dreapta faţă de poziţia emiterului (Fig. 9.32).
Rezultatele obţinute prin modelul SPAC_MP_PN indică valori ale
pierderilor de apă dintr-un orificiu al unei conducte amplasate într-un teren
prăfos-nisipos cu debite de 1,277x10-4
m3/s (Tab. 9.8), la viteze medii de
evacuare a apei de 3,521x10-1
m/s (Tab. 9.7).
Reprezentarea vectorială a distribuţiei vitezelor apei prin modelul
SPAC_MP_PN este asemănătoare cu cea din SPAC_MP_N şi indică valori
maxime în partea dreaptă a orificiului, între 0,575 m/s şi 0,8625 m/s, valori
medii între 0,575 m/s şi 0,2875 m/s în secţiunea centrală şi valori minime
în partea stângă a emiterului, până la circa 4,697x10-3
m/s (Fig. 9.34).
Datele de ieşire indică o evoluţie mai rapidă a bulbului de umectare
din modelul SPAC_MP_PN către stânga emiterului, atât la partea superioară
cât şi la cea inferioară a masivului de pământ. Extinderea către partea dreaptă
a emiterului este mai lentă şi are loc după ce bulbul de umectare atinge
limitele inferioare şi superioare ale masivului de înglobare (Fig. 9.37).
Rezultatele obţinute demonstrează că pierderile de apă în medii
nisipoase sunt cu până la 99,80 % mai mari decât cele dezvoltate în argilă. De
asemenea, pierderile de apă în terenuri nisipoase sunt cu 25,88 % mai mari
decât cele înregistrate în terenuri prăfoase - nisipoase.
În toate scenariile studiate presiunile medii obţinute variază în limite
foarte reduse pentru secţiunile considerate în analiză: admisie, evacuare şi la
interiorul conductei. Cel mai mare ecart a rezultat în cazul presiunilor medii din
mediul poros. Valorile cresc de la SPAC_MP_A, care înregistrează 271.273 Pa,
până la 278.633 Pa în SPAC_MP_N şi 297.889 Pa în SPAC_MP_PN.
10.2. Contribuţii personale
Teza de doctorat „Contribuții la cercetarea fenomenului „Pierderi de
Apă” din rețelele hidroedilitare” prezintă o analiză amănunţită a
mecanismelor şi formelor de degradare care acţionează asupra structurilor
din cadrul sistemelor de alimentare cu apă. În cadrul tezei au fost realizate
o serie de metode şi modele de evaluare a pierderilor de apă din diverse
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
45
componente cu rol de transport şi înmagazinare a apei.
Subiectele dezvoltate în teza de doctorat sunt de interes major şi fac
parte dintr-o problematică intens dezbătută la nivel naţional şi internaţional.
Rezultatele tezei de doctorat au fost obţinute folosind următoarele domenii
interdisciplinare: hidraulică, alimentări cu apă, geotehnică, hidrologie,
matematici speciale, chimie, informatică şi tehnologia lucrărilor de
alimentare cu apă.
Activitatea de cercetare desfăşurată pe parcursul anilor de studiu s-a
concretizat prin obţinerea unor rezultate experimentale, teoretice şi numerice,
care pot fi aplicate pentru investigarea fenomenului „pierderi de apă”.
Principalele contribuţii proprii aduse în acest domeniu sunt:
A – Contribuţii la analiza managementul actual al fenomenului
„pierderi de apă”:
Întocmirea unui studiu documentar privind modul de manifestare al
pierderilor de apă asupra componentelor sistemelor de alimentare cu apă.
Întocmirea unui studiu documentar care a analizat valorile emisiilor
de apă înregistrate de diverse state ale lumii şi metodele folosite pentru a
controla valoarea pierderilor de apă (subcap. 2.3.3).
Descrierea mecanismelor actuale de management a pierderilor de apă
implementate de către companiile apă – canal din România şi valorile
raportate de acestea privind performanţa sistemelor operate (subcap. 2.3.2).
B – Contribuţii la analiza mecanismelor şi formelor de degradare
care determină apariţia şi valoarea pierderilor de apă:
Descrierea şi analiza modului de emisie al apei în medii poroase,
având în vedere diverse domenii de valabilitate date de natura mediului de
înglobare (subcap 3.2, 3.3, 3.4).
Analiza formei şi evoluţiei bulbului de umectare dezvoltat în teren,
conform proprietăţilor mediului de înglobare şi fenomenele care apar ca
urmare a deplasării curentului de apă în matricea terenului (subcap 3.5).
Identificarea şi corelarea formelor de degradare structurală cu
mecanismele de avariere care le produc (Tab. 4.2, 4.3, 4.5).
Analizarea modului de apariţie, evoluţie şi acţionare a mecanismelor
de degradare care acţionează asupra construcţiilor din cadrul sistemelor de
alimentare cu apă (subcap 4.3, cap. 5).
Realizarea unor modele de analiză pentru determinarea valorii
pierderilor de apă în funcţie de forma zonei de emisie (orificii, microfisuri,
fisuri şi îmbinări între conducte) (subcap 4.4).
C – Contribuţii la analiza fenomenului „pierderi de apă” în cadrul
aducţiunilor Timişeşti - Iaşi:
Analiza pierderilor de apă din conducta de aducţiune AdI, prin corelarea
diametrelor, materialelor, data producerii evenimentelor şi locaţiile din teren cu
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
46
natura şi intensitatea fenomenelor de degradare studiate (Cap. 6.3.2).
Analiza performanţelor tehnice şi economice obţinute de conducta de
aducţiune AdI în anul 2017, prin determinarea balanţei consumurilor de apă
şi calcularea indicatorilor descrişi de literatura internaţională de
specialitate, respectiv CARL, UARL, LKM şi ELI (Cap. 6.3.3.1).
Stabilirea valorii pierderilor de apă pe tronsoanele Săbăoani – Sârca şi
Săbăoani – Pod Rotunda folosind seturi de date obţinute de la echipamente şi
sisteme de monitorizare fixe (debitmetre, date SCADA, consumuri facturate
contorizate) şi echipamente folosite în timpul campaniilor de inspecţie
periodice în teren (debitmetre portabile) (Cap. 6.3.3.2).
Analiza fenomenului pierderi de apă din construcţiile speciale de pe
conductele de aducţiune Timişeşti – Iaşi (Galeria hidrotehnică Strunga,
subtraversarea râului Moldova în zona Soci), corelarea parametrilor determinaţi
de amplasamente, regimul de funcţionare al sistemului de alimentare cu apă şi
acţiunea factorilor daţi de proprietăţile apei transportate (Cap. 6.4).
D – Contribuţii la modelarea hidraulică a fenomenului „pierderi de
apă” din sistemele de alimentare cu apă:
Realizarea modelului de simulare hidraulică bazat pe presiune
SPA_RC (subcap. 7.3).
Aplicarea modelului SPA_RC pentru determinarea pierderilor de apă
de fond din reţeaua de conducte din cartierul „Platoul Aviaţiei” al
municipiului Iaşi, care a fost calibrat folosind campanii de măsurători de
debite şi presiuni în teren (subcap. 7.4).
Parametrii modelului SPA_RC au fost modificaţi pentru a analiza
pierderile de apă ale sistemului în trei scenarii care descriu starea structurală a
reţelei de conducte: SPA_RC_A – analiza reţelei actuale (subcap. 8.1),
SPA_RC_RP – analiza reţelei după reabilitarea parţială a tronsoanelor cu
pierderi de apă mari (subcap. 8.2) şi SPA_RC_RI – analiza reţelei după
reabilitarea integrală a tronsoanelor cu pierderi de apă mari (subcap. 8.3).
Determinarea performanţei sistemului de alimentare cu apă „Platoul
Aviaţiei” prin calculul indicatorilor specifici (CARL, UARL, ELI şi ILI) şi
evaluarea impactului pierderilor de apă asupra parametrilor de calitate ai apei
(vârstă şi clor rezidual liber) şi a presiunii din sistem (cap. 8).
E – Contribuţii la modelarea hidraulică a fenomenului „pierderi de
apă” din conducte folosind programul ANSYS Fluent:
Elaborarea modelului hidraulico – matematic SPAC_MP pentru
simularea şi analiza fenomenului „pierderi de apă” printr-un emiter al unei
conducte înglobată într-un mediu poros (subcap. 9.1.4, 9.1.5, 9.2).
Aplicarea modelului SPAC_MP pentru analiza impactului pierderilor
de apă din conducte pozate în trei medii de înglobare distincte: mediu
nisipos - SPAC_MP_N (subcap. 9.3.1), mediu argilos - SPAC_MP_A
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
47
(subcap. 9.3.2) şi mediu prăfos – nisipos - SPAC_MP_PN (subcap. 9.3.3).
Pentru cele trei scenarii au fost determinate debitele de apă evacuate prin
emiter (Tab. 9.4, 9.6, 9.8) şi modul de variaţie al vitezei şi presiunii în secţiunile
caracteristice definite în model: intrarea şi ieşirea din conductă, conductă, mediul
poros şi interfaţa dintre conductă şi mediu poros (Tab. 9.5, 9.7, 9.9).
Obţinerea de reprezentări grafice de tip contur, linii de curent şi
vectoriale, rezultate din rularea programelor de simulare SPAC_MP_N
(Fig. 9.23 – Fig. 9.27), SPAC_MP_A (Fig. 9.28 – Fig. 9.32) şi
SPAC_MP_PN (Fig. 9.33 – Fig. 9.37), care ilustrează variaţia vitezei la
interiorul conductei, în mediul de înglobare şi la ieşirea din emiter, zone de
presiuni minime şi maxime pe suprafaţa emiterului şi modul de dezvoltare şi
evoluţie al bulbului de umectare în matricea terenului.
Metodele de calcul şi modelele de studiu dezvoltate contribuie la analiza
fenomenului „pierderi de apă” din reţelele hidroedilitare. Modul de
concepere şi realizare a programelor de simulare, precum şi datele de ieşire
furnizate prin rularea modelelor, oferă informaţii utile atât cercetătorilor,
cât şi inginerilor care exploatează sisteme de alimentare cu apă.
10.3. Recomandări şi perspective viitoare de cercetare
Cercetările şi studiile întocmite în cadrul tezei de doctorat pot fi extinse pe
următoarele direcţii:
1. Elaborarea unui model hidraulico – matematic pentru simularea
pierderilor de apă din construcţii de înmagazinare a apei, precum
rezervoare sau decantoare.
2. Elaborarea unui model de simulare a unei reţele de conducte care
înregistrează pierderi de apă cu intensităţi diferite (pierderi de apă de fond şi
pierderi de apă vizibile).
3. Folosirea programelor de modelare în element finit pentru analizarea
modului de evoluţie al pierderilor de apă din conducte pozate suprateran.
4. Modelarea în element finit a unui mediu de înglobare format din straturi de
pământ cu caracteristici diferite, analizarea evoluţiei bulbului de umectare la
trecerea prin fiecare strat de pământ şi comportarea frontului de apă la interfaţa
dintre două pământuri cu parametri distincţi.
5. Simularea hidraulico – matematică a pierderilor de apă din conducte
prin emiteri tip fisuri circumferenţiale şi longitudinale.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
48
BIBLIOGRAFIE (selectivă din aproximativ 330 de titluri)
Abbood D.W, (2009). An analytical model study for flow through porous media, Thirteenth
International Water Technologies Conference, IWTC 13, Hurghada, Egypt, pp. 873-882.
Amer A.M., (2012). Water flow and conductivity into capillary and non-capillary pores
of soils. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 2012, 12 (1), pp. 99-112.
Bartha I., Javgureanu V., Marcoie N., (2004). Hidraulică vol II, Ed. Performantica, Iaşi.
Bartha I., Marcoie N., Toacă D., Toma D., Gabor V., (2010). Research of filtration
through sorted river gravel. Buletinul Ştiinţific al Universităţii "POLITEHNICA" din
Timişoara, Seria Hidrotehnica, Tom 55(69), Fascicola 1, 2010, pp. 71 – 76.
Beck S.B.M., Bagshaw N.M., Yates J.R., (2005). Explicit equations for leak rates through
narrow cracks. International Journal of Pressure Vessels and Piping 82, pp. 565 – 570.
Bica I., (2000). Elemente de impact asupra mediului, Editura Matrixrom Bucureşti.
Boukhemacha M.A., Bica I., Mezouar K., (2010). Piping erosion mathematical
modeling and applications. Ovidius University Annals Series: Civil Engineering Volume 1,
Issue12, June 2010, pp. 173 – 180.
Bourga R., (2017). The mechanism of Leak-Before-Break fracture and its application in
Engineering Critical Assessment, Doctoral Thesis, Brunel University London, Uxbridge, UK.
Cassa A.M., van Zyl J.E., Laubscher R.F., (2010) A numerical investigation into the effect
of pressure on holes and cracks in water supply pipes, Urban Water Journal, 7 (2) 109 - 120.
Chirica Şt., (2017.a). The analysis of “water loss” phenomenon from pipe networks.
Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi, Publicat de Universitatea Tehnică „Gheorghe
Asachi” din Iaşi, Volumul 63 (67), Nr. 3-4, Secţia Hidrotehnică, Edit. Politehnium, pg. 55-
62 ISSN 1224-3892.
Chirica Şt., (2017.b). Proiect de cercetare ştiinţifică. Contribuţii la cercetarea
fenomenului „pierderi de apă” din reţelele hidroedilitare. Universitatea Tehnică „Gheorghe
Asachi” din Iaşi, Şcoala Doctorală.
Chirica Şt., (2017.c). Raport de cercetare ştiinţifică nr. 1. Studiu documentar privind
influenţa pierderilor de apă asupra managementului sistemelor de alimentare cu apă a
localităţilor. Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” Iaşi, Şcoala Doctorală.
Chirica Şt., Luca M., (2017.a). Studies and research on pipe networks water losses. The
Annals of “Dunarea de Jos” University of Galati, Fascicle IX Metallurgy and Materials
Science, clasificată, nr. 3 – Septembrie 2017, Edit. Galaţi University Press, Galaţi, România,
pg. 11 – 17, ISSN 1453-083X.
Chirica Şt., (2018.a). Raport de cercetare ştiinţifică nr. 2. Cercetări privind formarea, evoluţia
şi limitarea pierderilor de apă în reţelele hidroedilitare. Studiu de caz. Universitatea Tehnică
„Gheorghe Asachi” Iaşi, Şcoala Doctorală.
Chirica Şt., (2018.b). Raport de cercetare ştiinţifică nr. 3. rezultate ale cercetărilor
teoretice şi experimentale privind fenomenul „pierderi de apă” din reţelele hidroedilitare.
Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” Iaşi, Şcoala Doctorală.
Chirica Şt., Luca M., Lateş I., (2018.b). Considerations on the monitoring of main water
pipelines for the purpose of limiting water loss. ROMAQUA an XXIV nr.7/2018, , Vol. 129, pp. 30-
39, ISSN 1453-6986.
Chirica Şt., Luca M., Logigan I., Luca Al. L., (2019.c). Considerations on Water Losses
from Storage Tanks. Proceedings International Conference: The Southeast Europe Regional
Conference Water Loss 2019, ARA Publishing, Bucureşti, Romania – în curs de publicare.
Cioc D., (1983). Hidraulică, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti.
Clarke L.V., Bainbridge H., Beck S.B.M., Yates J.R., (1997). An investigation into fluid
flow rates through cracked plates. Int J Pressure Vessels Piping; pp.71 – 75.
Danilenko A., van den Berg C., Macheve B., Moffitt L. J., (2014). The IBNET Water
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
49
Supply and Sanitation Blue Book 2014, World Bank, Washington, D. C., USA.
Delleur, J. W., (2007). The handbook of groundwater engineering. CRC Press Taylor &
Francis Group, USA.
Doruş M., (2008). Studii şi cercetări privind pierderile de apă în reţelele de distribuţie.
Teză de doctorat. Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti.
Forchheimer P., (1901). Wasserbewegung Durch Boden. Z Ver Deutsch Ing, 45, pp. 1782–1788.
Gardner W. H., (1988). Water movement in soils. USGA Green Section Record, March/April
1988, pp. 23 - 27.
Gavrilaș G., Crenganiș L., (2016). Aspect regarding the modeling of water distribution
networks using geographical information systems (GIS) and the Epanet program. RevCAD,
Journal of Geodesy and Cadastre, no. 22, „1 Decembrie” University of Alba Iulia, Aeternitas
Publishing House Alba Iulia, pp. 53-58, ISSN 1583-2279.
Gavrilaș G., Crenganiș L., (2016). The use of geographical information systems (GIS) in
upgrading water distribution and sewerage systems. RevCAD, Journal of Geodesy and
Cadastre, no. 22, „1 Decembrie” University of Alba Iulia, Aeternitas Publishing House Alba
Iulia, pp. 59-64, ISSN.
Georgescu A. M., Perju S., Georgescu S. C., Anton A., (2014). Numerical Model of a
District Water Distribution System in Bucharest. Procedia Engineering. 70, pp. 707-714,
doi: 10.1016/j.proeng.2014.02.077.
Giurcănoiu M., Mirel I., Carabeţ A., Chivereanu D., Florescu C., Stăniloniu C., (2002).
Construcţii şi instalaţii hidroedilitare. Edit. de Vest, Timişoara.
Giustolisi O., Savic D.A., Kapelan Z., (2008). Pressure-driven demand and leakage simulation
for water distribution networks. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 134, pp. 626-635.
Goodwin P., (2013). Water Loss Control: An Emerging Issue. The ABCs of the Water
Loss Control Committee Report. PNWS - AWWA Spokane Conference Distribution
Committee - Water Loss Control FG Inland Empire Sub Section PreCon, Spokane.
Greyvenstein B., van Zyl J. E., (2007). An experimental investigation into the pressure -
leakage relationship of some failed water pipes. Journal of Water Supply: Research and
Technology – AQUA, 56 (2), pp. 117 – 124.
Guo S., Zhang T.Q., Shao W.Y., Zhu D. Z., Duan Y.Y., (2013). Two-dimensional pipe
leakage through a line crack in water distribution systems. Journal of Zhejiang University-
SCIENCE A (Applied Physics & Engineering), 2013 14(5), pp. 371-376.
Gupta R., Nair A. G. R., Ormsbee L., (2016). Leakage as pressure-driven demand in design of
water distribution networks. Journal of Water Resources Planning and Management, DOI:
10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000629.
Hobjilă V., Luca M., Mitroi A., (1999). Rezervor circular din beton precomprimat cu
fascicule postîntinse segmentate, vol. I – Elemente de calcul hidraulic şi static. Edit. CERMI,
Iaşi, ISBN 973-9378-97-8 şi 973-9378-98-6.
Hobjilă V., Luca M., (2000). Complemente privind proiectarea şi expertizarea unor
tipuri de construcţii hidrotehnice. Edit. CERMI, Iaşi, ISBN 973-8000-38-6.
Hobjilă V., Luca M., (2000). Expertiză tehnică privind “Starea actuală a rezervorului
de 10.000 m3 de la S. P. Mărgineni, RAGC Bacău, judeţul Bacău şi posibilitatea reabilitării
funcţionale”, S.C. Poliascas S.A. Iaşi.
Hosseinalipour S.M., Aghakhani H., (2011). Numerical & experimental study of flow from a
leaking buried pipe in an unsaturated porous media. International Journal of Mathematical,
Computational, Physical, Electrical and Computer Engineering Vol:5, No:6, pp. 859 – 864.
Hudak P., Sadler B., Hunter B., (1998). Analyzing underground water-pipe breaks in
residual soils. Water Engineering & Management 145 (12), pp. 15-20. USA.
Lambert A. O., (2003). Assessing Non-Revenue Water and its Components - a practical
approach. Water 21 - Magazine of the International Water Association, Vol. August 2003, pp. 50-51.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
50
Lambert A. O., Hirner W., (2000). Losses from Water Supply Systems: Standard
Terminology and Recommended Performance Measures. International Water Association.
Luca Al. L., (2014.a). Cercetări asupra filtraţiei cu nivel liber în domeniile Darcy şi
post Darcy. Teză de doctorat, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi.
Luca M., (2008). Servicii de inspecţie şi expertizare - Galerie hidrotehnică Strunga a
aducţiunii Timişeşti – Iaşi din punct de vedere al siguranţei în exploatare şi la acţiuni seismice
probabile în amplasament. S.C. Polias-Instal S.R.L., Iaşi. Beneficiar: R.A.J.A.C. Iaşi.
Luca M., Tămăşanu F., Luca Al. L., (2008) Servicii de inspecţie şi expertizare - Galerie
hidrotehnică Strunga a aducţiunii Timişeşti – Iaşi din punct de vedere al siguranţei în
exploatare şi la acţiuni seismice probabile în amplasament. C70/2008, S.C. Polias-Instal S.R.L.,
Iaşi, Beneficiar: R.A.J.A.C. Iaşi.
Luca M., Luca Al. L., Tămaşanu F., (2012). Reactualizare Expertiză Tehnică – Lucrări de
reabilitare în zona de subtraversare râul Moldova a conductelor de aducţiune apă Timişeşti,
sat Soci, comuna Mirosloveşti, judeţul Iaşi. Contract de expertiză tehnică, S.C. Polias-Instal
S.R.L. Iaşi. Beneficiar S.C. ApaVital S.A Iaşi.
Luca M., (2012). Expertiză tehnică pentru rezervor 200 mc Satu Nou şi rezervor 500 mc
la Staţia de Tratare Belceşti, jud. Iaşi. S.C. POLIAS-INSTAL S.R.L. Iaşi. Beneficiar: S.C.
APAVITAL S.A. Iaşi.
Luca M., Bălan A., Toma D., Apetroi I. V., Avram M., (2015). The adduction pipes management
on limiting water loss. Proceedings IWA Regional Conference: “Water Loss Management 2015”,
ARA Publishing, Bucureşti, Romania, pp. 348 – 356, ISBN 978-606-93752-6-6.
May J., (1994). Leakage, Pressure and Control. BICS International Conference on
Leakage Control Investigation in underground Assets. London, March 1994.
Mănescu Al., (1998). Alimentări cu apă. Aplicaţii. Ed. *H*G*A*, Bucureşti.
Mănescu Al., (2012). Manual pentru controlul pierderilor de apă din sistemele de
alimentare cu apă. Ed. EstFalia, Bucureşti.
Morrison J., Tooms S., Rogers D., (2007). District Metered Areas Guidance Notes. IWA
Publishing, London, United Kingdom.
Muranho J., Ferreira A., Sousa J, Gomes A., Sá Marques A., (2012). WaterNetGen - an
EPANET extension for automatic water distribution networks models generation and pipe
sizing. Water Science and Technology: Water Supply, 12(1), pp. 117-123.
Muranho J., Ferreira A., Sousa J., Gomes A., Sá Marques A., (2014.b). Pressure-
dependent Demand and Leakage Modelling with an EPANET Extension – WaterNetGen,
Procedia Engineering, 89, pp. 632–639, doi:10.1016/j.proeng.2014.11.488.
Noack C., Ulanicki B., (2006). Modelling of soil deffusibility on leakage characteristics of
burried pipes. 8th Annual Water Distribution Systems Analysis Symposium, Cincinnati Ohio, USA.
Pestişanu C., (1979). Construcţii, Edit. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti.
Pietraru V., (1977). Calculul infiltraţiilor, Ed. Ceres, Bucureşti.
Racoviţeanu G., Dineţ E., Boer A., (2015). Assessment of the current level of the non-revenue
water in Romania. Proceedings IWA Regional Conference: “Water Loss Management 2015”,
ARA Publishing, Bucureşti, Romania, pp. 14 – 24, ISBN 978-606-93752-6-6.
Rajeev P., Kodikara J., Robert D., Zeman P., Rajani B., (2013). Factors contributing to large
diameter water pipe failure as evident from failure inspection. Proceedings of LESAM 2013
Strategic Asset Management Of Water And Wastewater Infrastructure, Sydney, Australia.
Richards L.A., (1931). Capillary Conduction of Liquids through Porous Mediums.
Journal of Applied Physics, 1, pp. 318-333.
Srinilta S. A., (1967). Flow of water through columns of layered soil. Retrospective
Theses and Dissertations. Paper 3431.
Sturm R., Gasner K., Andrews L., (2015). Water Audits in the United States: A Review of
Water Losses and Data Validity. Water Research Foundation, U.S.A., ISBN 978-1-60573-224-4.
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
51
Szymkiewicz A., (2013). Mathematical models of flow in porous media, chapter in
Modelling water flow in unsaturated porous media. Accounting for nonlinear permeability
and material heterogeneity, GeoPlanet:Earth and Planetary Sciences, pp. 9-47.
Tămăşanu F., (2012). Contribuţii la optimizarea hidraulică şi funcţională a aducţiunilor
de apă. Teză de doctorat. Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi.
Teeluckdharry S., (2017). An experimental investigation of leakage flow paths in soil
surrounding leaks in water distribution systems. Research Project. University of Cape Town.
Toma S., (1996). Contribuţii la perfecţionarea tehnicilor şi echipamentelor de
valorificare prin irigaţie a apelor locale, cu protecţia echilibrului tehnologic. Teză de
doctorat, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” Iaşi.
van Zyl J. E., Clayton C. R. I., (2007). The effect of pressure on leakage in water
distribution systems. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Water Management,
Volume 160 Issue 2, June 2007, pp. 109-114.
Ward J. C., (1964). Turbulent Flow in Porous Media. Journal of Hydraulics Division,
ASCE, Vol. 90(5).
*** GP 127-2014: Ghid privind reabilitarea conductelor pentru transportul apei.
*** NP 133-2013 Normativ privind proiectarea, execuţia şi exploatarea sistemelor de
alimentare cu apă şi canalizare a localităţilor. Vol. 1 Alimentări cu apă. Edit. Matrix, Bucureşti.
*** ASCE (American Society of Civil Engineers), (2013). 2013 Report Card for America's
Infrastructure.
*** Department of Water Affairs, Republic of South Africa, (2013). National water
resource strategy, Republic of South Africa.
*** S.C. APAVITAL S.A., (2017.a). Raport de performanţă 2016
*** S.C. APAVITAL S.A., (2018). Raport tehnic
ACTIVITATEA ŞTIINŢIFICĂ ÎN CADRUL ŞCOLII DE DOCTORAT
Lucrări ştiinţifice publicate (listă selectivă din 38 de lucrări)
Lucrări publicate – cotare ISI
1. Chirica Ştefania, Luca M., Lateș Iustina, (2019). Investigation of water loss
from pipes located in various relief features of Iaşi County, PESD, Vol. 13, No. 1,
“Al. I. Cuza University of Iasi”, pg. 171-180, ISSN 1843-5971 - (Print), ISSN 2284
– 7820 - (Online), DOI: 10.2478/pesd-2019-0013.
2. Chirica Ştefania, Luca Al. L., Lateș Iustina, (2018). Considerations on
drinking water management in the Moldavian plateau and plain region, PESD,
Vol. 12, No. 1, “Al. I. Cuza University of Iasi”, pg. 139-147, ISSN 1843-5971 -
(Print), ISSN 2284 – 7820 - (Online).
3. Lateş Iustina, Luca Al. L., Chirica Ştefania, Luca M., (2018). Studies and researches
on monitoring by GIS models extreme phenomenons in the popular center, PESD, Vol.
12, No. 2, pg. 155-166, ISSN 1843-5971 - (Print), ISSN 2284 – 7820 - (Online).
Lucrări publicate – cotare BDI
4. Chirica Ştefania, Luca M., Lateş Iustina, (2018). Considerations on the ground
pollutant effect on drinking water conveyance pipes. Lucrări Ştiinţifice Seria Horticultură,
An LXX, 61 (1)/2018, Universitatea de Ştiinţe Agricole şi Medicină Veterinară Iaşi, pg.
231-236, ISSN 1454-7376.
5. Chirica Ştefania, Luca M., Lateş Iustina, Luca Al. L., (2018). Water loss
Chirica Ştefania Rezumatul tezei de doctorat
52
management in order to protect available water resources. Scientific Papers.
Series E. Land Reclamation, Earth Observation & Surveying, Environmental
Engineering, Ed. CERES Publishing House, Vol. VII, pg. 122-127, ISSN 2285-
6064 (Print), ISSN 2393-5138 (Online).
6. Chirica Ştefania, Luca M., (2017). Studies and research on pipe networks water
losses. The Annals of “Dunarea de Jos” University of Galati, Fascicle IX Metallurgy and
Materials Science, nr. 3 – Septembrie 2017, Edit. Galaţi University Press, Galaţi,
România, pg. 11 – 17, ISSN 1453-083X.
7. Chirica Ştefania, Luca M., (2017). Analysis of the Moldavian plateau potable
water sources quality parameters. Lucrări Ştiinţifice Seria Horticultură, USAMV
Iaşi, Ed. “Ion Ionescu de la Brad”, Vol. 60, Nr. 1, pg. 219 – 224, ISSN 1454-7376
(Print), ISSN 2069-8275 (Online).
8. Chirica Ştefania, Luca M., Luca Al. L., (2017). Protection of distribution networks
water quality. Lucrări Ştiinţifice Seria Horticultură, USAMV Iaşi, Ed. “Ion Ionescu de la
Brad”, Vol. 60, Nr. 1, pg. 225 – 230, ISSN 1454-7376 (Print), ISSN 2069-8275 (Online).
Lucrări publicate – volume şi anale
9. Chirica Ştefania, Luca M., Logigan I., Luca Al. L., (2019). Considerations on
Water Losses from Storage Tanks. Proceedings International Conference: Proceedings
International Conference: The Southeast Europe Regional Conference Water Loss 2019,
ARA Publishing, Bucureşti, Romania, pg. 129-141, ISBN 978-973-88245-5-3.
10. Chirica Ştefania, Luca M., Lateş Iustina, (2018). Considerations on the
monitoring of main water pipelines for the purpose of limiting water loss,
ROMAQUA an XXIV nr.7/2018, Vol. 129, pg. 30-39, ISSN 1453-6986.
11. Chirica Ştefania, Luca M., (2018), Aspecte privind parametrii de calcul
hidraulic a pierderilor de apă din conductele sistemului de alimentare cu apă.
Conferinţa tehnico-ştiinţifică cu participare internaţională Instalaţii pentru
Construcţii şi Economia de Energie, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din
Iaşi, Facultatea de Construcţii şi Instalaţii, Departamentul de Ingineria Instalaţiilor,
Ediţia a XXVIII-a, 5-6 iulie 2018, Iaşi, România, pg. 181 – 188.
12. Chirica Ştefania, (2017). The analysis of “water loss” phenomenon from pipe
networks. Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi, Publicat de Universitatea
Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi, Volumul 63 (67), Nr. 3-4, Secţia
Hidrotehnică, Edit. Politehnium, pg. 55-62 ISSN 1224-3892.
13. Chirica Ştefania, Luca Al. L., (2017). Aspecte privind pierderile de apă din
reţelele de conducte. Conferinţa tehnico-ştiinţifică cu participare internaţională
Instalaţii pentru Construcţii şi Economia de Energie, Universitatea Tehnică
„Gheorghe Asachi” din Iaşi, Facultatea de Construcţii şi Instalaţii, Departamentul de
Ingineria Instalaţiilor, Ediţia a XXVII-a, 6-7 iulie 2017, Iaşi, România, pg. 91 – 99.
14. Luca M., Chirica Ştefania, Luca Al. L., (2017), Elemente de analiză
hidraulică a fenomenului “pierderi de apă” din reţelele de conducte. Conferinţa
tehnico-ştiinţifică cu participare internaţională Instalaţii pentru Construcţii şi
Economia de Energie, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi,
Facultatea de Construcţii şi Instalaţii, Departamentul de Ingineria Instalaţiilor,
Ediţia a XXVII-a, 6-7 iulie 2017, Iaşi, România, pg. 100–108.