Как повысить устойчивость системы распределения воды к землетрясениям

Введение: растущая потребность в сейсмически устойчивых системах водоснабжения

Землетрясения представляют собой одну из самых разрушительных угроз для городских систем распределения воды, способную отключить критическую инфраструктуру за секунды. Когда происходит сильное сотрясение земли, погребенные трубопроводы могут разрушаться, насосные станции могут разрушаться, а резервуары для хранения могут опрокидывать, оставляя целые сообщества без воды в течение нескольких недель или месяцев. Землетрясение в Нортридже в Калифорнии в 1994 году вызвало более 1400 разрывов трубопровода; землетрясение в Крайстчерче в 2011 году, землетрясение в Новой Зеландии повредило более 2000 км водопровода; и землетрясение в Кобе в 1995 году оставило 1,3 миллиона домашних хозяйств без воды. Эти события ясно показывают, что сейсмическая устойчивость не является факультативной - это необходимость общественного здравоохранения и безопасности.

Повышение устойчивости систем распределения воды требует многоуровневого подхода: разработка более прочных компонентов, проектирование избыточных сетей, развертывание интеллектуального мониторинга и повышение готовности сообщества.В этой статье представлено всеобъемлющее руководство для руководителей водохозяйственных предприятий, инженеров, планировщиков и политиков по снижению сейсмического риска и обеспечению непрерывности водопользования до, во время и после землетрясения.

Понимание уязвимостей системы распределения воды

Перед осуществлением мер по смягчению последствий важно понять, где и как водные системы наиболее подвержены повреждению от землетрясения.Уязвимости охватывают зарытые трубопроводы, наземные объекты и поддерживающие системы управления.

Уязвимости трубопроводов: материалы и соединения

Старые чугунные и асбестоцементные трубы особенно хрупки и склонны к разрыву при землетрясении. Сварные стальные и пластичные железные трубы работают лучше, но их уязвимость во многом зависит от типа используемых соединений. Жесткие соединения (например, колокольчик и спигот с свинцовым выталкиванием) не обеспечивают гибкости, тогда как прокладочные резиновые соединения обеспечивают некоторую пропускную способность. Гибкие шарнирные или сдержанные расширяющие соединения позволяют трубам вращаться и расширяться без разрыва - критически важные в областях дифференциального движения почвы.

Коррозия усугубляет уязвимость. Даже современное пластичное железо может стать хрупким, если не защитить. Сжижение почвы - где насыщенная песчаная почва теряет прочность и ведет себя как жидкость - может привести к тому, что трубы будут плавать или тонуть, что приведет к поломке. Аналогичным образом, боковое распространение на склонах может разорвать трубы.

Уязвимости надземной инфраструктуры

Насосные станции, очистные сооружения, резервуары и резервуары также находятся в опасности. Неукрепленная кладка или непроводящие бетонные стены могут разрушаться. Цистерны, установленные на возвышенных платформах, могут опрокидываться или страдать от отказа якоря. Трубопроводные соединения с оборудованием (линии всасывания/разряда) часто не имеют гибкости, что приводит к разрывам, когда здание трясется иначе, чем присоединенные трубы.

Критическое электрическое и контрольное оборудование (моторы, распределительные устройства, шкафы SCADA) должно быть защищено от встряхивания; в противном случае потеря мощности или телеметрия могут отключить насосы, даже если трубопровод не поврежден.

Системные уязвимости: отсутствие избыточности и изоляции

Многие системы водоснабжения выполнены в виде радиальных сетей — одна труба питает ветку, поэтому один разрыв может изолировать целые кварталы. Кроме того, немногие системы имеют автоматические разделительные клапаны для изоляции поврежденных секций при сохранении давления в остальной части.

Сейсмическая инфраструктура: модернизация и новое строительство

Выбор правильных материалов и соединений трубы

Для новых установок предпочтительны трубы из протокового железа с удерживаемыми соединениями или трубы из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). ПЭВП является гибким и может вмещать значительное движение грунта без разрыва. Для существующих систем замена хрупких сегментов ПЭВП или протокового железа с использованием гибких соединений является наиболее прямой модернизацией. Трубы с шаровым соединением (например, TR Flex US Pipe или аналогичные) позволяют вращаться до нескольких градусов на сустав.

Гибкие соединения в структурах

Там, где трубопроводы входят в здания, насосные станции или резервуары, устанавливают гибкие муфты или расширяющие соединения. Они поглощают дифференциальное движение между конструкцией и закопанной трубой. Сейсмическая подгонка оборудования (центры управления двигателем, генераторы, системы химического питания) предотвращает опрокидывание и разрыв трубопроводов.

Сейсмическая изоляция базы для танков и водохранилищ

Большие резервуары с поднятой водой могут быть изолированы с использованием ламинированных резиновых подшипников или раздвижных маятников для отделения резервуара от движения грунта. Для стальных или бетонных резервуаров на уровне земли анкерные болты должны быть рассчитаны на сейсмические силы, или резервуар должен быть размещен на гибком фундаменте. Двухстенные или раздельно расположенные резервуары обеспечивают дополнительную избыточность - если одна стенка трещин, другая отсека сохраняет воду.

Автоматические сейсмические затворы

Установить сейсмические запорные клапаны на каждом резервуаре и выходе из резервуара. Эти клапаны закрываются, когда ускорение грунта превышает порог, предотвращая быструю потерю запасенной воды через разбитые трубы потока. Они могут быть механическими (срабатывающими маятником) или электронными (подключенными к системе раннего предупреждения о землетрясении).

Внешние ресурсы: Американское общество инженеров-строителей (ASCE) публикует ASCE 7 и ASCE/SEI 24-14 для сейсмического проектирования резервуаров для воды и трубопроводов.DuPont Water & Infrastructure Руководство содержит рекомендации по выбору материалов.

Увольнение и сетевой дизайн

Независимо от того, насколько сильны отдельные компоненты, сбои все еще могут произойти. Устойчивая система должна обеспечить несколько путей для доступа воды к клиентам.

Looped vs. Radial Network Topology (недоступная ссылка)

Радиальные (мертвые) сети очень уязвимы: один разрыв может перерезать подачу на все ниже по течению. Преобразование радиальных ветвей в петли — где вода может течь в двух направлениях — резко повышает надежность. Даже если одна сторона повреждена, петля поддерживает поток. Все новые линии распределения должны быть спроектированы как часть петлевой сетки.

Распределенные зоны хранения и давления

Многократно стратегически расположенные подземные резервуары или приподнятые резервуары создают независимые зоны давления. Если насосная станция выходит из строя в одной зоне, вода может подаваться под действием силы тяжести из резервуара в соседней зоне через аварийные соединения. Распределенное хранилище также обеспечивает аварийное водоснабжение для пожаротушения и питья во время ремонта.

Коммунальные службы должны установить кольцевые сети большого диаметра вокруг ядра города, соединяя все основные источники воды (очистные сооружения, колодцы, водохранилища), чтобы вода могла быть перенаправлена вокруг поврежденных районов.

Чрезвычайные связи и перекрестные связи

Там, где несколько водопроводных сетей обслуживают прилегающие районы (города, округа), устанавливают аварийные промежуточные соединения с большими счетчиками и превенторами обратного потока. Если система одной коммунальной службы повреждена, другая может обеспечить аварийное снабжение. Эти переходы должны тестироваться ежегодно.

Для промышленных или больничных кампусов двойная подачка из двух разных сетей или резервуаров для хранения гарантирует, что один отказ трубы не приведет к отключению критически важных пользователей.

Управление давлением и контроль потока

Во время землетрясения внезапные падения давления от крупных разрывов могут привести к кавитации насосов и разрушению целых зон давления. Установить клапаны поддержания давления для поддержания минимального давления в неповрежденных зонах. Кроме того, автоматические клапаны управления (снижение давления, высота, объем) предотвращают слив резервуаров для хранения при возникновении разрывов ниже по течению.

Системы мониторинга и раннего предупреждения

Мониторинг в режиме реального времени позволяет коммунальным службам немедленно обнаруживать повреждения и изолировать пораженные участки до того, как потеря воды станет катастрофической.

SCADA усовершенствования для сейсмического реагирования

Современные системы надзорного контроля и сбора данных (SCADA) должны включать в себя сейсмические акселерометры на ключевых узлах (насосных станциях, резервуарах, границах зон давления). При превышении порогов ускорения SCADA может автоматически изолировать сегменты и направлять воду по альтернативным маршрутам. Операторы получают сигнализацию с GPS-координатами предполагаемых разрывов на основе аномалий давления.

Обнаружение акустической утечки и умные сети водоснабжения

Развертывание акустических датчиков (слушающих устройств) и корреляторов на существующих трубопроводах может обнаруживать утечки в режиме реального времени, особенно полезные после землетрясения. Умная сетевая аналитика воды может идентифицировать местоположение разрыва путем сравнения потока и давления в нескольких точках. Некоторые продвинутые системы (например, ]TaKaDu , Bentley OpenFlows ) используют ИИ для дифференциации нормального спроса и сейсмического повреждения.

Интеграция раннего предупреждения землетрясений (EEW)

В регионах с системами раннего предупреждения (например, ShakeAlert в западных США, JMA в Японии) водоканалы могут подписаться на получение оповещений за секунды до сильного встряхивания. Этого окна достаточно, чтобы автоматически закрывать сейсмические клапаны, замедлять насосы, запускать резервные генераторы и изолировать чувствительное оборудование. В районе залива Rapid Transit (BART) уже используется ShakeAlert; аналогичные протоколы для водоканала осуществимы.

Внешняя ссылка: Система раннего предупреждения о землетрясениях ShakeAlert предоставляет техническое руководство для интеграции полезности.

Портативное и постоянное давление/поток логгеров

Низкозатратные регистраторы данных, размещенные на пожарных гидрантах (или в счетчиках), могут быть временно установлены до землетрясения для записи профилей давления после события. Они помогают точно определить точки изоляции сети, не отправляя экипажи в поврежденные районы.

Меры сообщества и политики

Только техническое обновление недостаточно; институциональное и общественное участие гарантирует, что планы финансируются, тестируются и выполняются.

Планы реагирования на чрезвычайные ситуации и соглашения о взаимной помощи

Каждая водоканал должна иметь подробный Сейсмический план реагирования на чрезвычайные ситуации, охватывающий: роли, иерархию командования, предварительную постановку ремонтных материалов (трубы, муфты, клапаны, экскаваторы) и процедуры закрытия и восстановления зон. Участие в сетях взаимопомощи (например, ] WARN — Water / Wastewater Agency Response Network ) позволяет коммунальным службам заимствовать персонал и оборудование у соседних агентств, когда местные ресурсы перегружены.

Упражнения и дрели

Настольные упражнения (имитация крупного землетрясения) должны проводиться ежегодно для управления и операций. Физические упражнения, которые развертывают экипажи, закрывают клапаны и тестируют взаимосвязи, укрепляют мышечную память и выявляют пробелы в плане.

Государственное образование и готовность клиентов

Коммунальные службы должны информировать клиентов о хранении аварийной воды (1 галлон на человека в день в течение 3-7 дней). Предоставить инструкции о том, как отключить воду на домашнем счетчике, чтобы предотвратить утечки загрязнения после проскальзывания. Пропаганда может быть выполнена через социальные сети, вставки коммунальных счетов и общественные семинары.

Финансирование и пропаганда политики

Утилита должна выступать за государственные и федеральные гранты (например, помощь в смягчении последствий стихийных бедствий FEMA, кредиты EPA SRF, CDBG-DR HUD). Многие города приняли меры по облигациям: облигация Сан-Франциско на 4,6 миллиарда долларов США по безопасности землетрясений и реагированию на чрезвычайные ситуации (2010), финансируемая за капитальное обновление системы водоснабжения.

Строительные кодексы должны предусматривать сейсмическое проектирование всей новой инфраструктуры водоснабжения общего пользования. Планирование землепользования может предусматривать отказ от строительства объектов водоснабжения в зонах с высоким уровнем сжижения, если не используются специальные фундаменты.

Тематические исследования: устойчивость в действии

Сан-Франциско, Калифорния

После землетрясения в Лома-Приете в 1989 году Комиссия по коммунальным услугам Сан-Франциско (SFPUC) инициировала программу улучшения водохозяйственной системы (WSIP), инвестиции в размере 4,6 млрд. долларов США. Основные обновления: замена более 100 миль хрупких чугунных труб пластичным железом и HDPE; добавление сейсмических запорных клапанов во всех основных водохранилищах; построена новая система аварийного водоснабжения под названием Вспомогательная система водоснабжения (AWSS) с выделенными сейсмически устойчивыми трубопроводами, цистернами и соединениями с пожарными катерами. Во время землетрясения в Напе в 2014 году (M6.0) система водоснабжения Сан-Франциско не претерпела серьезных перерывов - свидетельство инвестиций.

Лос-Анджелес, Калифорния

Программа сейсмического усиления LADWP установила сотни сейсмических клапанов и ежегодно заменяла около 200 миль старых труб. Лос-Анджелесские заводы по рекультивации воды были модернизированы с гибкими соединениями труб. LA также сотрудничала с USGS для интеграции ShakeAlert для автоматического закрытия клапанов в критических резервуарах.

Крайстчерч, Новая Зеландия

После разрушительного землетрясения 2011 года (M6.3) Крайстчерч перестроил свою водную сеть с акцентом на прочные материалы (трубы ПЭВП, гибкие соединения) и отделение питьевой воды от сточных вод для снижения риска загрязнения. В настоящее время в городе используются крышки люков с сейсмическим рейтингом, протоковое железо с удерживаемыми соединениями и передовая система SCADA с сигнализацией, связанной с землетрясением.

Токио, Япония

Водная система Токио является одной из самых сейсмически устойчивых в мире. Она имеет сеть глубоких подземных резервуаров, сейсмически изолированных труб и автоматических разделительных клапанов, контролируемых сейсмическими данными в реальном времени. Бюро водных работ Токио вложило значительные средства в проточные железные трубы с сейсмоустойчивыми соединениями и имеет комплексную систему раннего предупреждения о землетрясениях, интегрированную в SCADA.

Краткое изложение передовой практики и приоритетных действий

Повышение устойчивости системы распределения воды к землетрясениям является долгосрочным, капиталоемким процессом, однако поэтапный подход может принести немедленные выгоды.

Стоимость бездействия намного выше, чем необходимо для инвестиций. Одно крупное землетрясение может отключить систему водоснабжения на несколько недель, что обойдется в миллионы потерянных экономических операций и потенциально может вызвать кризисы в области общественного здравоохранения. Систематическое улучшение инфраструктуры, избыточность, мониторинг и готовность общин к водоснабжению может значительно уменьшить воздействие землетрясений и поддерживать поток воды, когда это необходимо больше всего.