Модернизация водопровода в Великобритании усложнила обнаружение утечек

Jul 13, 2023

Главный научный сотрудник в области инженерных и физических наук, Саутгемптонский университет

Джен Магглтон получает финансирование от EPSRC и UK Water Industry Research.

Университет Саутгемптона предоставляет финансирование как член The Conversation UK.

Посмотреть всех партнеров

Великобритания теряет ошеломляющие 3 миллиарда литров воды каждый день из-за протекающих труб. Проблема не ограничивается только Великобританией. Во всем мире ежедневно теряется почти 90 миллиардов литров воды, что составляет до половины всей воды, перекачиваемой по всему миру.

Воздействие этой потери воды на окружающую среду является значительным. Процесс очистки и перекачки воды потребляет от 2% до 3% общего потребления энергии в мире, поэтому энергия, которая теряется впустую из-за потери воды, соответствует примерно 1% глобального углеродного следа.

Но почему из труб вытекает столько воды?

Водопроводная сеть Великобритании состоит из обширной системы подземных труб протяженностью более 300 000 км. Многие из этих труб были проложены викторианцами – а некоторые более 200 лет назад – и сейчас они приходят в упадок. Эти трубы также часто расположены в труднодоступных и многолюдных местах глубоко под землей, что затрудняет техническое обслуживание, ремонт и обнаружение утечек.

В последние десятилетия компании водоснабжения внедрили пластиковые трубы, рассчитывая сократить количество утечек. Около трети сети сейчас состоит из пластиковых труб. Однако эти трубы также склонны к утечкам, особенно в местах стыков.

Одна из проблем, стоящих перед водной отраслью Великобритании, заключается в том, что обнаружение утечек в пластиковых трубах оказалось более сложной задачей, чем ожидалось. На протяжении последних 25 лет я тесно сотрудничал с водной отраслью Великобритании, чтобы понять, в чем мы ошибаемся. Оказывается, традиционный способ поиска утечек на металлических трубах — прислушиваясь к ним — не работает для пластиковых труб.

Утечка воды издает звуковой сигнал. В случае металлических труб эти звуки могут распространяться по трубе на многие сотни метров, а иногда и на километры.

Для улавливания этих акустических сигналов мы используем инструменты, называемые гидрофонами. Гидрофоны — это, по сути, подводные микрофоны, которые мы размещаем в доступных точках трубопроводной сети, например, у пожарных гидрантов. Анализируя время, необходимое шуму утечки для достижения различных мест расположения гидрофонов, можно оценить местонахождение утечки.

Этот метод обнаружения утечек широко использовался в водном хозяйстве на протяжении многих десятилетий и доказал свою высокую эффективность – то есть вплоть до повсеместного внедрения пластиковых труб.

Когда тот же метод обнаружения утечек впервые был использован на пластиковых трубах, он просто не сработал. С тех пор мы потратили годы на изучение того, как звук распространяется в пластиковых водопроводных трубах, и теперь знаем, что происходит нечто совершенно иное по сравнению с их металлическими аналогами.

Причина того, что звук распространяется так далеко по металлическим трубам, заключается в том, что акустическая энергия в основном остается в воде. Однако в пластиковых трубах большая часть энергии передается стенкам трубы, где она либо рассеивается в виде тепла, либо излучается в окружающую землю. В результате по трубе передается меньше акустической энергии.

Проще говоря, в пластиковых трубах шум утечки не распространяется так далеко, поэтому звук часто не достигает гидрофонов, расположенных вдоль трубопроводной сети.

В настоящее время исследователи изучают различные способы использования того факта, что большая часть энергии шума от утечек в пластиковых трубах излучается в землю.

Один из способов — измерить вибрацию на поверхности земли и использовать эти измерения для определения места утечки. Разместив массив датчиков вблизи трубы, мы можем определить направление, откуда исходит шум утечки. Повторные измерения, проведенные в разных местах, позволили бы нам постепенно сузить место утечки.