Anna Szczęch 1, Katarzyna Kryzia 2 AGH w Krakowie Monitoring miejskich sieci wodociągowych w aspekcie wspomagnia programami informatycznymi Wprowadzenie Woda stanowi czynnik niezbędny do rozwoju roślin i zwierząt, jest niezastąpionym surowcem, środkiem utrzymania higieny osobistej oraz poziomu sanitarnego mieszkań i osiedli. Niezastąpiona jest również w rolnictwie i przemyśle [2, 4, 5]. Woda pobierana ze środowiska nie nadaje się zazwyczaj do bezpośredniego wykorzystania w celach konsumpcyjnych. Dlatego poddawana jest procesom oczyszczania - uzdatniania w celu zapewnienia szeregu rygorystycznych wymagań. Pobieraniem, uzdatnianiem oraz dostarczaniem wody zdatnej do picia dla ludzi w sposób zorganizowany zajmują się specjalnie do tego celu stworzone przedsiębiorstwa zarządzające infrastrukturą wodociągową. Do głównych zadań przedsiębiorstw wodociągowych należą: pełne pokrycie potrzeb odbiorców na wodę pitną, dostarczenie wody o odpowiedniej jakości pod odpowiednim ciśnieniem, zapobieganie awariom sieci wodociągowej, planowanie i wykonywanie remontów sieci oraz jej modernizacja i rozbudowa, zapobieganie stratom, planowanie ceny wody na kolejny rok kalendarzowy [6, 7, 9]. Infrastrukturę wodociągową stanowi zespół obiektów, których współdziałanie zapewnia niezawodną i efektywną pracę systemu zbiorowego zaopatrzenia w wodę (SZZW) [10]. W systemie zaopatrzenia występują i odpowiednio współdziałają: ujęcia wody, pompownie I stopnia (przepompownie z ujęcia do stacji uzdatniania), zakłady uzdatniania wody (stacje uzdatniania wody), zbiorniki wody czystej uzdatnionej, pompownie II stopnia (przepompownie ze zbiornika do sieci), zbiorniki wyrównawcze sieciowe, sieci przewodów wodociągowych. System sieci wodociągowej powinien zapewniać niezawodną dostawę wody o odpowiednich parametrach i w odpowiednich ilościach, możliwie najniższy koszt budowy oraz eksploatacji, trwałość i długowieczność wodociągu. W celu zapewnienia odpowiedniego funkcjonowania sieci wodociągowej ważne jest aby [8]: systematycznie wykonywać niezbędne roboty konserwacyjne w celu utrzymania przewodów, uzbrojenia i urządzeń w pełnej sprawności, niezwłocznie usuwać uszkodzenia, badać, analizować i regulować pracę sieci w celu utrzymania najwłaściwszego rozkładu ciśnień, badać jakość i zapewniać odpowiednie właściwości wody dostarczanej do odbiorców, ustalać, które z przewodów wymagają wymiany ze względu na nieodpowiedni stan techniczny. Podstawą eksploatacji i utrzymania sieci jest inwentaryzacja przewodów wodociągowych, na które składają się przede wszystkim przewody magistralne i rozdzielcze, uzbrojenie sieci oraz urządzenia specjalne. Zadanie zapewnienia niezawodnej dostawy wody wchodzi w zakres monitoringu sieci wodociągowej. 1 Anna Szczęch, AGH w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Górnictwa Odkrywkowego, Kraków, Polska, anna_szczech@onet.eu 2 Katarzyna Kryzia, AGH w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki, Kraków, Polska, kryzia@agh.edu.pl 9831
Monitoring ma dostarczyć szczegółowych informacji do działań takich jak: sterowanie i regulacja hydrauliczna sieci, kontrola i ocena jakości wody dostarczanej do odbiorców, ocena stanu technicznego przewodów i elementów wyposażenia technicznego sieci, ocena niezawodności dostawy wody do odbiorców w odpowiedniej ilości i jakości oraz pod odpowiednim ciśnieniem. Monitoring sieci wodociągowej Monitoring sieci wodociągowej można zdefiniować jako zespół czynności polegających na nadzorowaniu określonych parametrów pracy sieci wodociągowej w celu podejmowania racjonalnych i optymalnych decyzji w zakresie zapewnienia stałej dystrybucji wody [3]. Schemat ogólnej klasyfikacji monitorowania sieci wodociągowej przedstawia rys 1. Rys. 1. Schemat klasyfikacji monitoringu sieci wodociągowej. Źródło: Piechurski F.G.: Systemy monitoringu w sieci wodociągowej (1)., Magazyn instalatora, 10(158)/2011. W monitoringu ilościowym (hydraulicznym) bada się natężenie przepływu i ciśnienie w sieci. Jakościowy monitoring obejmuje parametry jakościowe wody: fizyczne (np. ph, mętność przewodność), chemiczne (np. stężenie środka dezynfekującego) oraz mikrobiologiczne (np. obecność bakterii E. coli). Monitoring techniczny traktowany jest jako uzupełnienie i ma na celu ocenę stanu technicznego elementów sieci oraz ułatwienie dystrybucji wody [1]. Najtrudniejszym zadaniem w monitoringu jest wybór lokalizacji punktów pomiarowych. Aby je odpowiednio wybrać, należy posiadać pełne informacje o funkcjonowaniu sieci wodociągowej. W tym celu wykonywane są analizy [3]: układu sytuacyjno-wysokościowego sieci, stanu technicznego sieci, problemów eksploatacyjnych występujących w sieci, wyników symulacji hydraulicznej pracy sieci. Równie ważnym aspektem w monitoringu jest sposób przesyłania danych ponieważ wpływa na koszty eksploatacyjne systemu. Wyróżnia się dwa systemy transmisji danych: przewodową i bezprzewodową. Do przewodowej zaliczamy transmisję siecią telefonii stacjonarnej, liniami dzierżawionymi, własnymi liniami kablowymi, natomiast do bezprzewodowej zaliczamy: sieć telefonii GSM, drogę radiową, łącza na promieniowanie podczerwone lub łącza wielkiej częstotliwości. Uzyskane informacje powinny pozwolić na określenie: wydajności ujęcia, objętość wody przepływającej przez główne magistrale sieci wodociągowej, lokalizacji wystąpienia awarii i jej skutków, niezawodności funkcjonowania systemu oraz słabych punktów SZZW [10]. 9832
Monitoring sieci wodociągowej rozumie się również w ogólności jako system komputerowy złożony z trzech elementów: urządzeń pomiarowych do mierzenia ciśnień i przepływu wody, systemu transmisji danych z punktów pomiarowych do komputera zbierającego i archiwizującego dane pomiarowe, oraz programu wizualizacji sieci wodociągowej ze zlokalizowanymi na niej punktami pomiarowymi [6]. Odpowiednia organizacja monitoringu sieci wodociągowej pozwala na uzyskanie podstawowych informacji o sieci oraz optymalne zarządzanie siecią wodociągową. Dzisiejszy poziom rozwoju elektroniki, informatyki i telekomunikacji umożliwia zdalne prowadzenie pomiarów w wybranych punktach sieci wodociągowej. Programy komputerowe wykorzystywane w eksploatacji sieci wodociągowej Od kilkunastu lat w krajowych przedsiębiorstwach wodociągowych wprowadza się rozwiązania informatyczne wspomagające procesy zarządzania. Standardem staje się wdrażanie systemów GIS do tworzenia map numerycznych sieci wodociągowo-kanalizacyjnych oraz systemów SCADA do monitorowania przepływów i ciśnień w sieci wodociągowej oraz pracy pomp w obu rodzajach sieci. Jednak systemy te wdrażane są niezależnie. Podstawę do stworzenia zintegrowanego systemu informatycznego wspomagającego kompleksowe zarządzanie przedsiębiorstwem wodociągowym stanowią współpracujące ze sobą systemy GIS i SCADA oraz modele hydrauliczne sieci [7]. GIS - Geographic Information System System informacji geograficznej (GIS) jest to komputerowy system do pozyskiwania, przetwarzania, analizowania i prezentacji danych w przestrzennym odniesieniu do powierzchni ziemi. Obejmuje on zazwyczaj bazę danych przestrzennych oraz odpowiednie oprogramowanie. System GIS w przedsiębiorstwach wodociągowych służy między innymi do: zlokalizowania danego obiektu na mapie, wsparcia pracy pogotowia wodociągowego poprzez: uzyskanie informacji o przestrzennym rozkładzie awarii, ich częstości, wyznaczenie zasięgu skutków awarii, właściwego usytuowania beczkowozów zaopatrujących ludność w wodę podczas awarii wizualizacji obliczeń symulacyjnych wykonanych modeli Mapa numeryczna stworzona za pomocą systemu GIS stanowi źródło informacji technicznych, technologicznych i graficznych sieci [7, 10]. SCADA - Supervisory Control and Data Aquisition SCADA jest to system informatyczny nadzorujący przebieg procesu technologicznego lub produkcyjnego. W przedsiębiorstwach wodociągowych zadaniem systemu SCADA jest zebranie i przetwarzanie danych z monitoringu, wizualizacja procesu, sterowanie nadrzędne, alarmowanie i rejestracja zdarzeń, archiwizacja danych oraz udostępnianie informacji o procesie. Umożliwia bieżącą kontrolę stanu pracy kluczowych obiektów sieci wodociągowych poprzez monitorowanie przepływów i ciśnień wody w stacjach źródłowych, pompowniach i zbiornikach oraz na końcówkach sieci wodociągowej oraz w przepompowniach ścieków sieci kanalizacyjnej. System ten nie daje możliwości na przykład automatycznej kalibracji modeli hydraulicznych sieci, wykrywania i lokalizacji ukrytych wycieków wody w sieci wodociągowej. Najpopularniejsze systemy SCADA to pakiety Monitor Pro, TelWin, program InTouch oraz oprogramowanie ifix, WinCE, Wizcon i RSView [7, 10, 11]. EPANET EPANET jest programem stworzonym przez Dział Zaopatrzenia w Wodę i Gospodarki Wodnej Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (Water Supply and Water Resources Division of the U.S. Environmental Protection Agency EPA) do komputerowych symulacji hydraulicznych i zachowań wody w sieciach ciśnieniowych. Jest jednym z najczęściej stosowanych programów służących do komputerowego modelo- 9833
wania sieci wodociągowej. Został on udostępniony na zasadach licencji publicznej (Public Domain), gwarantującej możliwość korzystania zarówno z samej aplikacji, jak i jej kodów źródłowych do zastosowań komercyjnych. Program umożliwia: wyznaczenie rozpływów wody w poszczególnych gałęziach sieci oraz ciśnień we wszystkich węzłach sieci, przeprowadzenie symulacji zmian warunków hydraulicznych przepływu wody w sieci projektowanej oraz juz istniejącej obliczenie zużywanej energii przez pompy, przeprowadzenie analizy wybranych parametrów jakościowych wody w różnych punktach sieci, np. wiek wody, obliczenie parametrów systemów wodociągowych dla różnych wariantów zasilania i rozbiorów wody, symulację pracy sieci podczas awarii podgląd wyników w formie różnych typów map, wykresów, tabeli i raportów specjalnych. Program jest też używany do celów edukacyjnych [ 7, 10, 11,12]. Przedstawione systemy pozwalają przedsiębiorstwu wodociągowemu prowadzenie coraz efektywniejszej eksploatacji, umożliwiając również szybką i precyzyjną reakcję w przypadku wystąpienia nieprawidłowości. Sprawny system monitoringu zwiększa jakość świadczonych usług oraz bezpieczeństwo systemu zbiorowego zaopatrzenia w wodę do spożycia. Podsumowanie Podstawowym zadaniem miejskiego przedsiębiorstwa wodociągowego jest dostarczanie wody odpowiedniej jakości i ilości, pod odpowiednim ciśnieniem użytkownikom sieci wodociągowej i usuwanie ścieków. Sprawny system monitoringu jest podstawą uzyskania odpowiedniej jakości wody. Dane uzyskane z monitoringu są analizowane i wykorzystywane w procesie zarządzania. Od kilkunastu lat w przedsiębiorstwach wodociągowych wprowadza się rozwiązania informatyczne wspomagające procesy zarządzania. Większość dużych przedsiębiorstw posiada system GIS do tworzenia map. Standardem staje się wdrażanie systemów SCADA do monitorowania przepływów i ciśnień w sieci wodociągowej oraz pracy pomp. Systemy te są wdrażane niezależnie, co uniemożliwia efektywne zarządzanie siecią wodociągową. Przedsiębiorstwa wodociągowe powinny dążyć do wdrożenia zintegrowanego systemu zarządzania [6, 7, 10]. Streszczenie W logistyce miasta istotnym procesem jest zarządzanie eksploatacją systemu wodociągowego, którego niezbędnym elementem jest monitoring. Wyróżniamy monitoring: ilościowy, jakościowy i techniczny. Od kilkunastu lat w przedsiębiorstwach wodociągowych wprowadza się rozwiązania informatyczne wspomagające procesy zarządzania. W artykule omówiono podstawy monitoringu sieci wodociągowej. Zwrócono uwagę na programy informatyczne GIS, SCADA, EPANET wspomagające eksploatację sieci wodociągowych które wdrożone do przedsiębiorstwa wodociągowego przynoszą znaczne korzyści techniczne oraz ekonomiczne. Słowa kluczowe: monitoring sieci wodociągowych, GIS, SCADA, EPANET, MONITORING OF URBAN WATER SUPPLY NETWORKS IN THE ASPECT OF COMPUER PROGRAMS SUPPORTING 9834
Abstract In logistics city is an important process operations management system, water supply system, which is an essential element of monitoring. There are monitoring: quantitative, qualitative and technical. For several years in companies incorporated water supply solutions that support management processes. The article discusses the basics of monitoring the water supply network. Described computer programs supporting the operation of water supply systems such as GIS, SCA-DA, Epanet. Keywords: monitoring of water supply, GIS, SCADA, EPANET, Literatura [1] Kryzia K., Szczęch A.: Charakterystyka procesu monitorowania jakości wody wodociągowej na przykładzie miasta Tarnowa, Logistyka, 4/2014, CD nr 6 Logistyka s. 4591-4596. [2] Maciak F.: Ochrona i rekultywacja środowiska, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2003 [3] Piechurski F.G.: Systemy monitoringu w sieci wodociągowej (1)., Magazyn instalatora, 10(158)/2011. [4] Sobczyk W.: Rolnictwo i środowisko, Wydawnictwa AGH, Kraków 2013, ss.355. [5] Sobczyk W.(red. nauk.): Wybrane zagadnienia ochrony i inżynierii środowiska. Wydawnictwa AGH, Kraków 2014, ss. 323. [6] Studziński J.: Zastosowanie danych z monitoringu w systemie zarządzania miejską siecią wodociągową, Studia i Materiały PSZW (W. Bojar, red.) tom 9, PSZW Bydgoszcz 2007, s. 154-164. [7] Studziński J., Służalec A., Ziółkowski A.: Wspomagane komputerowo kompleksowe zarządzanie miejskimi sieciami wodociągowo-kanalizacyjnymi. [w:] Dymaczewski Z., Jeż-Walkowiak J., Nowak M. (red.): Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód. PZITS Poznań, 2014. [8] Świderek A: Wykonywanie i eksploatacja sieci wodociągowych i kanalizacyjnych 311[39].Z1.01 Poradnik dla ucznia, Instytut Technologii Eksploatacji-Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007. [9] Tchórzewska-Cieślak B., Boryczko K.: Analiza eksploatacji sieci wodociągowej miasta Mielca [w:] Polska inżynieria środowiskowa pięć lat po wstąpieniu do Unii Europejskiej(red. J. Ozonek, A. Pawłowski), KOMITET INŻYNIERII ŚRODOWISKA PAN, t.58/1, 2009, s.27-33 [10] Tchórzewska-Cieślak B., Szpak D.: Zarządzanie miejską infrastrukturą wodociągową, Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, z. 61, 2014, s. 343-355 [11] Zmarzły M.: System ekspertowy do diagnostyki wycieków w sieci wodociągowej, Autoreferat rozprawy doktorskiej, Politechnika Opolska, 2014. [12] www.wodnet.pl/epanet-2 / aktualizowano 01.07.2015 9835