Die Modernisierung der britischen Wasserleitungen hat die Erkennung von Lecks erschwert

Jul 13, 2023

Hauptwissenschaftlicher Mitarbeiter für Ingenieurwissenschaften und Physik, University of Southampton

Jen Muggleton erhält Fördermittel vom EPSRC und UK Water Industry Research.

Die University of Southampton stellt als Mitglied von The Conversation UK finanzielle Mittel bereit.

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Das Vereinigte Königreich verliert täglich unglaubliche 3 Milliarden Liter Wasser durch undichte Rohre. Das Problem ist nicht nur auf das Vereinigte Königreich beschränkt. Weltweit gehen täglich fast 90 Milliarden Liter Wasser verloren, was bis zur Hälfte des weltweit gepumpten Wassers ausmacht.

Die Auswirkungen dieses Wasserverlusts auf die Umwelt sind erheblich. Der Prozess der Wasseraufbereitung und -förderung verbraucht zwischen 2 % und 3 % des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs, sodass die durch Wasserverluste verschwendete Energie etwa 1 % des globalen CO2-Fußabdrucks ausmacht.

Aber warum tritt so viel Wasser aus Rohren aus?

Das britische Wassernetz besteht aus einem riesigen System erdverlegter Rohre mit einer Länge von über 300.000 km. Viele dieser Rohre wurden im viktorianischen Zeitalter verlegt – einige bereits vor über 200 Jahren – und verfallen nun. Diese Rohre befinden sich häufig auch in schwer zugänglichen und überfüllten Bereichen tief unter der Erde, was Wartung, Reparatur und Lecksuche zu einer großen Herausforderung macht.

In den letzten Jahrzehnten haben Wasserversorgungsunternehmen Kunststoffrohre eingeführt, in der Erwartung, die Zahl der Lecks zu verringern. Mittlerweile besteht das Netz zu rund einem Drittel aus Kunststoffrohren. Allerdings sind auch diese Rohre anfällig für Undichtigkeiten, insbesondere an den Verbindungsstellen.

Eine der Herausforderungen für die britische Wasserindustrie besteht darin, dass sich die Erkennung von Lecks in Kunststoffrohren als schwieriger als erwartet erwiesen hat. In den letzten 25 Jahren habe ich eng mit der britischen Wasserindustrie zusammengearbeitet, um herauszufinden, wo wir Fehler gemacht haben. Es stellt sich heraus, dass die herkömmliche Methode zur Suche nach Lecks an Metallrohren – durch Abhören – bei Kunststoffrohren nicht gut funktioniert.

Wasserlecks erzeugen ein hörbares Geräusch. Bei Metallrohren können sich diese Geräusche über viele Hundert Meter – manchmal sogar Kilometer – entlang des Rohres ausbreiten.

Um diese akustischen Signale aufzunehmen, nutzen wir Instrumente, sogenannte Hydrophone. Hydrophone sind im Wesentlichen Unterwassermikrofone, die wir an zugänglichen Stellen entlang des Rohrnetzes platzieren, beispielsweise an Hydranten. Durch die Analyse der Zeit, die das Leckgeräusch benötigt, um verschiedene Hydrophonstandorte zu erreichen, ist es möglich, den Verbleib des Lecks abzuschätzen.

Diese Methode der Lecksuche ist in der Wasserwirtschaft seit vielen Jahrzehnten weit verbreitet und hat sich – bis zur flächendeckenden Einführung von Kunststoffrohren – als sehr effektiv erwiesen.

Als die gleiche Methode zur Lecksuche erstmals bei Kunststoffrohren angewendet wurde, funktionierte sie einfach nicht. Seitdem haben wir jahrelang untersucht, wie sich Schall in Wasserrohren aus Kunststoff ausbreitet, und wir wissen jetzt, dass im Vergleich zu ihren Gegenstücken aus Metall etwas ganz anderes passiert.

Der Grund dafür, dass Schall in Metallrohren eine so weite Strecke zurücklegt, liegt darin, dass die akustische Energie größtenteils im Wasser verbleibt. Bei Kunststoffrohren wird jedoch ein Großteil der Energie auf die Rohrwand übertragen, wo sie entweder als Wärme abgegeben oder in das umgebende Erdreich abgestrahlt wird. Dadurch steht weniger Schallenergie zur Verfügung, die sich entlang des Rohrs ausbreiten kann.

Vereinfacht ausgedrückt reicht das Leckgeräusch in Kunststoffrohren nicht so weit, so dass der Schall oft nicht die entlang des Rohrnetzes angebrachten Hydrofone erreicht.

Forscher erforschen derzeit verschiedene Möglichkeiten, die Tatsache auszunutzen, dass ein Großteil der Lärmenergie von Lecks in Kunststoffrohren in den Boden abstrahlt.

Eine Möglichkeit wäre, die Vibrationen an der Erdoberfläche zu messen und anhand dieser Messungen den Ort des Lecks zu bestimmen. Durch den Einsatz einer Reihe von Sensoren in der Nähe des Rohrs können wir herausfinden, aus welcher Richtung das Geräusch des Lecks kommt. Durch wiederholte Messungen an unterschiedlichen Orten könnten wir dann die Position des Lecks schrittweise eingrenzen.

Dieser Ansatz dürfte in ländlichen Gebieten gut funktionieren, wo der unterirdische Raum weniger überfüllt ist und die Hintergrundgeräusche minimal sind. In geschäftigen unterirdischen städtischen Umgebungen ist dies jedoch möglicherweise nicht so praktisch.

Eine andere Lösung besteht darin, Technologien zu nutzen, die uns bereits umgeben, beispielsweise Glasfaser-Telekommunikationskabel. Diese Kabel werden typischerweise entlang von Pipeline-Strecken verlegt und sind in städtischen Gebieten weit verbreitet. Sie reagieren außerdem sowohl auf Temperatur als auch auf Vibrationen und könnten daher möglicherweise als verteilte akustische und Temperatursensoren eingesetzt werden.

Es ist wichtig, dass neue Wege gefunden werden, um Wasserlecks effektiver zu finden – nicht nur, um Geld bei den Rechnungen zu sparen, sondern auch im Interesse des Weltklimas, dem die Zeit immer knapper wird.

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