ZASTOSOWANIE I IMPLEMENTACJA CYFROWYCH DANYCH GEODEZYJNYCH DO KOMPUTEROWEGO MODELOWANIA PARAMETRÓW SIECI WODOCIĄGOWYCH I KANALIZACYJNYCH

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA Katedra Systemów Inżynierii Środowiska ZASTOSOWANIE I IMPLEMENTACJA CYFROWYCH DANYCH GEODEZYJNYCH DO KOMPUTEROWEGO MODELOWANIA PARAMETRÓW SIECI WODOCIĄGOWYCH I KANALIZACYJNYCH dr inż. Wojciech Kruszyński Białystok 2017

2 Długoletnia stagnacja w transferze nowoczesnych technologii i rozwiązań technicznych doprowadziła obecnie do wzrostu zainteresowania przedsiębiorstw komunalnych w dziedzinie wdrażania narzędzi informatycznych wspomagających modelowanie i monitoring sieci wodociągowych i kanalizacyjnych. Wynika to w głównej mierze z konieczności ograniczania kosztów eksploatacyjnych, poprawy działania istniejących sieci, a także zwiększenia efektywności zarządzania przedsiębiorstwem. Dynamiczny model sieci jest wysoce wydajnym narzędziem wspomagającym projektowanie, obserwację i regulowanie ciśnień i przepływów wody oraz ścieków, pozwalającym na podejmowanie uzasadnionych decyzji odnośnie eksploatacji, modernizacji i rozbudowy całego systemu ich dystrybucji.

3 Do najważniejszych zadań GIS w eksploatacji systemów wodociągowych i kanalizacyjnych należą: inwentaryzacja sieci, scentralizowanie informacji i danych w jednej bazie pozwalające na uproszczenie kontroli i weryfikacji informacji oraz cech topologicznych obiektów sieciowych, łatwy i szybki dostęp do danych oraz bezproblemowa ich wymiana wewnątrz przedsiębiorstwa, usprawnienie procesu usuwania awarii,

4 umożliwienie bieżącej i ciągłej kontroli parametrów hydraulicznych i jakościowych związanych z funkcjonowaniem sieci poprzez rejestrację, archiwizację i graficzną reprezentację pomiarów zbieranych za pośrednictwem systemu automatyki przemysłowej, możliwość stworzenia symulacji pracy sieci dla potrzeb modernizacyjnych i rozwojowych poprzez wykorzystanie analitycznych modeli przestrzennych, znaczne usprawnienie obsługi klienta.

5 Współczesne systemy geoinformacyjne przeznaczone do infrastruktury wodociągowokanalizacyjnej stanowią rozbudowane platformy zintegrowane z narzędziami służącymi do monitorowania i modelowania matematycznego. Współpracują one również z innymi systemami informatycznymi, takimi jak: systemy nadzorcze i zbierające informacje SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), systemami zarządzania pracami WMS (Work Management Systems) czy systemami obsługi dokumentacji archiwalnej EDMS (Electronic Document Management Systems)

6 Cały system informatyczny przedsiębiorstwa ma zazwyczaj budowę modułową, scaloną platformą GIS. Wybór poszczególnych elementów systemu oraz narzędzi wchodzących w jego skład powinien być poprzedzony wnikliwą analizą opłacalności, tj. określeniem stosunku potencjalnych korzyści płynących z wdrożenia takiego systemu do poniesionych nakładów. Okres zwrotu inwestycji w zakresie wdrożenia systemu informatycznego GIS skraca się wraz ze wzrostem wielkości eksploatowanego systemu wodociągowego i kanalizacyjnego. Przed rozpoczęciem modelowania, należy podjąć decyzję o wyborze oprogramowania oraz sposobie jego wykonania firma, instytucja zewnętrzna, czy własne zasoby kadrowe (szkolenie specjalistów do wykonania i obsługi modelu).

7 CEL MODELOWANIA SIECI: 1. Projektowanie nowych sieci lub ich nowych odcinków, umiejscowienia ujęć, pompowni, zbiorników, studzienek itp.. 2. diagnostyka istniejących sieci: informacje o obecnym i przyszłym zachowaniu się sieci w dowolnych warunkach, możliwość znalezienia jej słabych punktów, elementów przeciążonych i niedociążonych oraz optymalizację krótko- i średniookresową planu remontów

8 CEL MODELOWANIA SIECI: 3. Analiza sytuacji kryzysowych: zakres skutków i wielkość ograniczeń w dostawie wody spowodowanych zanieczyszczeniem źródła, zablokowaniem zaworu, awaryjnym wyłączeniem magistral lub zbiorników retencyjnych. Zwiększenie niezawodności zaopatrzenia obszarów poprzez zmianę sposobu ich zasilania itp. 4. Kontrola wydajności sieci pod kątem planowanej rozbudowy lub w warunkach zwiększonego obciążenia

9 CEL MODELOWANIA SIECI: 5. Optymalizacja zarządzania siecią: sterowanie przepływami, rozkładem ciśnień i czasami retencji pod kątem minimalizacji kosztów eksploatacyjnych, ustalenie prawidłowego współdziałania urządzeń zainstalowanych na sieciach z pozostałymi jej elementami, ograniczenie tranzytu wody w systemie poprzez obszarowe zbilansowanie zasilania i rozbioru wody.

10 Zarządzający siecią ma możliwość szybkiego przeprowadzenia wielu, dowolnego rodzaju symulacji, na przykład pod kątem optymalizacji metod zarządzania, optymalizacji planu konserwacji i napraw oraz do ustalenia właściwych reżimów eksploatacyjnych. Operatorzy sieci wodociągowych coraz częściej zdają sobie sprawę z konieczności stałego nadzoru nad jakością wody znajdującej się w systemie dystrybucyjnym. Jak dowodzą liczne doświadczenia, nawet jeżeli woda jest uzdatniana zgodnie z obowiązującymi normami, mogą wystąpić sytuacje, że po dotarciu do użytkownika jej parametry ulegną pogorszeniu i nie spełni ona wymagań co do smaku, zapachu, barwy oraz zawartości aktywnych zanieczyszczeń biologicznych.

11 Programy do modelowania posiadają możliwość różnorodnych wizualizacji parametrów pracy sieci (np.: rozkład ciśnień, prędkości przepływów i wiele innych). Dane i rezultaty obliczeń mogą być wyświetlane w postaci kolorowych plansz i wykresów lub w postaci tabelarycznej. Umożliwiają obliczenia i wizualizację jakości wody, symulację rozprzestrzeniania się i koncentracji dodawanych do wody związków chemicznych jak np.: związki chloru.

12 WYBRANE PROGRAMY DO MODELOWANIA SIECI WODOCIĄGOWYCH Zaprezentowane programy wykorzystywane są na całym świecie. Są to też najczęściej wykorzystywane aplikacje do modelowania w polskich przedsiębiorstwach wodociągowych oraz placówkach naukowo-badawczych.

13 EPANET EPANET jest oprogramowaniem darmowym zrobionym i udostępnionym przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska EPA. Cechuje go bardzo prosty interfejs użytkownika. Algorytmy obliczeniowe zastosowane w programie są bardzo dobre. Oprogramowanie jest udostępnione razem z kodem źródłowym. Wiele komercyjnych i nie komercyjnych aplikacji do modelowania przepływu cieczy w rurociągach zbudowane jest na jego algorytmach. Jednak już w wersji podstawowej daje możliwości pełnego modelowania sieci wodociągowej o dowolnej liczbie użytkowników. Epanet umożliwia: przeprowadzenie symulacji zmian warunków hydraulicznych przepływu wody w sieci projektowanej oraz już istniejącej, obliczenie zużywanej energii przez pompy zainstalowane na sieci, przeprowadzenie analizy wybranych parametrów jakości wody. Zapewnia przyjazny dla użytkownika sposób wczytywania większości danych i wizualizacji wyników.

14 Model sieci w programie EPANET wizualizacja wartości ciśnień oraz prędkości przepływu wody w przewodach sieci wodociągowej we wsi Dreństwo, gmina Bargłów Kościelny

15 SWMM Symulator systemów kanalizacyjnych firmowany przez US EPA. SWMM oznacza Storm Water Management Model a więc jest dedykowany głównie modelom kanalizacji deszczowej oraz ogólnospławnej.w skład programu SWMM wchodzą następujące moduły : RAIN służy do podawania i przechowywania danych dotyczących opadu oraz umożliwia wykorzystanie wielu formatów ich przechowywania, oblicza podstawowe parametry statystyczne, TEMPERATURE służy do podawania i przechowywania danych potrzebnych do obliczeń z parowania wody i topnienia śniegu, RUNOFF służy do modelowania hydrologicznego zlewni (uwzględnia opady, parowanie, topnienie śniegu, spływ powierzchniowy, odpływ podziemny wód opadowych) w tym kanałów otwartych pod względem hydraulicznym i jakościowym, COMBINE integruje wyniki pochodzące z osobnych symulacji, wynikających z podziału dużych systemów, STATISTICS służy do prostej analizy statystycznej danych wejściowych i wynikowych, TRANSPORT służy do modelowania hydraulicznego kanałów zamkniętych kanalizacji, traktując przepływy jako jednostajne i ustalone, jednak podstawową jego cechą jest modelowanie jakości ścieków w trakcie transportu siecią kanalizacyjną, EXTRAN służy do zaawansowanego modelowania hydraulicznego sieci kanalizacyjnych przy zastosowaniu układu równań różniczkowych Saint Venanta (równanie to zostało przedstawione w dalszej części rozdziału), umożliwia uwzględnianie różnych obiektów sieciowych kanalizacji rozdzielczej i ogólnospławnej, STORAGE służy przede wszystkim do modelowania jakościowego, ale także ilościowego w urządzeniach retencjonujących ścieki np. zbiorniki, oczyszczalnie ścieków.

16 SWMM

17 STANET Producent - biuro inżynierskie Fischer-Uhrig, Niemcy. Popularna w Niemczech aplikacja do modelowania. Obecnie wdrażana także w polskich przedsiębiorstwach komunalnych. Łączy prostotę wprowadzania danych, jak w Epanecie z zawansowanymi funkcjami i modułami, np. system GIS. Program STANET umożliwia przeprowadzenie obliczeń przepływu płynów i gazów w rurach (łącznie z sieciami parowymi). Najważniejszymi zastosowaniami programu STANET są: sieci gazowe oraz sieci sprężonego powietrza (także sieci wysokiego ciśnienia), sieci wodociągowe i inne sieci mediów płynowych, sieci ciepłownicze. Ponadto w programie STANET zintegrowane są moduły obliczeniowe dla: sieci kanalizacyjnych,

18 STANET Fragment modelu sieci wykonany w programie STANET

19 BENTLEY

20 BENTLEY

21 MIKE Powered by DHI

22 MIKE Powered by DHI

23 PODSTAWOWE FAZY BUDOWY MODELU 1. zbieranie i gromadzenie informacji o strukturze sieci wraz z obiektami. 2. budowa numerycznego modelu przepływów: tworzenie modelu strukturalnego istniejącego układu, wyznaczenie węzłowych poborów wody, 3. kalibracja, tarowanie modelu przepływów wraz z badaniami terenowymi

24

25

26 Budowa modeli komputerowych badanych sieci wodociągowych. Mapa cyfrowa obszaru ujęcia wody

27 Budowa modeli komputerowych badanych sieci wodociągowych. Rysowanie sieci wodociągowej, która może składać się z takich obiektów jak: węzły, rurociągi, rezerwuary, zbiorniki wieżowe, pompy, zawory.

28

29 Budowa modeli komputerowych badanych sieci wodociągowych. jestrator pomiarów ciśnienia wody AQUARD Cellbox HN, zamontowany w hydrancie nadziemnym

30 PODSUMOWANIE - KORZYŚCI WYNIKAJĄCE Z KOMPUTEROWEGO MODELOWANIA SIECI 1. Oszczędności wynikające z zaniechania niewłaściwych inwestycji sprawdzenie ich zasadności symulacjami w programie 2. Planowanie wyłączeń na sieci wiążących się z płukaniami, remontami lub inwestycjami w taki sposób, aby nie pogarszać standardów zaopatrzenia mieszkańców w wodę w czasie ich trwania. 3. Ograniczenie kosztów eksploatacyjnych oraz strat na sieci przez zmniejszanie wydajności źródeł w okresie najmniejszych rozbiorów.

31 PODSUMOWANIE - KORZYŚCI WYNIKAJĄCE Z KOMPUTEROWEGO MODELOWANIA SIECI 4. Ograniczenie kosztów eksploatacyjnych przez sterowanie pracą pompowni (sprawdzoną symulacjami w modelu) w taki sposób, aby ograniczyć zużycie energii, a jednocześnie utrzymać standardy zaopatrzenia mieszkańców w wodę. 5. Pełna wiedza w czasie rzeczywistym o parametrach tj. m.in. ilości i jakości dostarczanej wody w dowolnym miejscu sieci wodociągowej.