Zastosowanie GIS w systemach wodociągowych i kanalizacyjnych

Do podstawowego zakresu zastosowań systemów geoinformacyjnych należą badania oddziaływań pomiędzy zespołami czynników środowiskowych i ich wpływu na środowisko oraz analiza informacji przestrzennych w procesach decyzyjnych. Ponadto tego typu systemy stanowią podstawowe źródło danych do modeli analitycznych.

Systemy GIS znajdują zastosowanie m.in. w działalności administracyjnej, zarządzaniu infrastrukturą, działalności gospodarczej, ochronie i monitorowaniu środowiska naturalnego, transporcie, gospodarce mieszkaniowej, planowaniu kryzysowym, planowaniu przestrzennym, w badaniach i edukacji. Blokowy schemat struktury systemu GIS przedstawiono na rys. 1. [1].

Jednym z elementów infrastruktury aglomeracji miejskich są sieci wodociągowe i kanalizacyjne, które poprzez wymiar przestrzenny są komponentem antropogenicznym środowiska i jako takie podlegają zasadom gromadzenia i analizy danych typowym dla systemów geoinformacyjnych. Stan taki wynika z faktu, iż każdy element sieci może być opisany poprzez przyjęty model danych współrzędnymi geograficznymi (dane lokalizacyjne) i atrybuty istotne z punktu widzenia działań projektowych i eksploatacyjnych (dane nieprzestrzenne).

GIS w systemach wod-kan 

Do najważniejszych zadań GIS w eksploatacji systemów wodociągowych i kanalizacyjnych należą [4]: 

• 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,
• 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. 

W przypadku sieci wodociągowych i kanalizacyjnych istotnym czynnikiem wpływającym na funkcjonalność i możliwości wykorzystania geobaz (baz informacji geograficznych) jest przyjęcie odpowiedniego modelu danych. Z uwagi na charakter struktury przestrzennej omawianych sieci, najczęściej wykorzystuje się wektorowy model obiektowy, w którym reprezentacja elementów sieci odbywa się poprzez zastosowanie obiektów wektorowych, tj. punktów (hydranty, zasuwy, wodomierze), odcinków (rurociągi) i wieloboków (budynki, zlewnie).

Obiekty reprezentujące elementy sieci są podzielone na tzw. klasy obiektów stanowiące rodziny komponentów opisywanych poprzez te same atrybuty. Na przykład do jednej klasy obiektów należą przewody, które mają takie cechy, jak: średnica, materiał, wiek, współczynnik oporów liniowych, awaryjność i inne. Dane dotyczące wartości poszczególnych atrybutów obiektów należących do jednej grupy przechowywane są w tabelach relacyjnej bazy danych, w której pola określone są poprzez poszczególne atrybuty, a wiersze zawierają elementy grupy. Graficzna reprezentacja elementów należących do jednej klasy obiektów realizowana jest w przyjętym układzie współrzędnych geograficznych na warstwie tematycznej (rys. 2.).

Elementom sieci wodociągowych i kanalizacyjnych nadaje się właściwości topologiczne, które pozwalają na pełną weryfikację i kontrolę poprawności rozwiązania przestrzennej struktury poszczególnych jej składników. Praca na elementach topologicznych w przypadku sieci wodociągowych umożliwia m.in. ocenę spójności systemu (co ma szczególne znaczenie po procesie dygitalizacji map), detekcję niewęzłowych przecięć przewodów i usunięcie duplikatów linii. Innym atutem danych o właściwościach topologicznych jest optymalizacja kwerend (np. kwerendy trasujące, pozwalające określić zasięg dopływu wody w sieci ze źródła).

Współczesne systemy geoinformacyjne przeznaczone do infrastruktury wodociągowo-kanalizacyjnej 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) [3].

Tak więc 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.

Zasadniczo okres zwrotności inwestycji w zakresie wdrożenia systemu informatycznego GIS skraca się wraz ze wzrostem wielkości eksploatowanego systemu wodociągowego i kanalizacyjnego. Poniżej przedstawiono i scharakteryzowano najważniejsze moduły bazodanowego systemu informatycznego GIS w przedsiębiorstwie wodociągów i kanalizacji.

Moduł centralny systemu informacji przestrzennej (platforma GIS) – stanowi jednostkę centralną systemu informatycznego, która w zależności od przyjętej architektury, standardu danych oraz interfejsu użytkownika determinuje zakres i sposób jego stosowania. Platforma GIS ma narzędzia pozwalające na przestrzenną reprezentację danych z pozostałych modułów, tworzenie i edytowanie warstw mapy, przeglądanie i analizowanie atrybutów obiektów bazy oraz generowanie wydruków. Od rodzaju zastosowanego systemu GIS zależą możliwości i ograniczenia w zakresie komunikacji z innymi systemami informatycznymi (pliki wymiany danych).

Moduł do prowadzenia ewidencji sieci oraz archiwizacji i zarządzania dokumentacją służy do prowadzenia ewidencji obiektów sieci, do których należą m.in. przewody i armatura, studzienki czy też budynki wraz z wyposażeniem. Każdy obiekt opisany jest poprzez pakiet informacji – atrybuty, charakterystyczne dla klasy obiektów, do której należy (rys. 3).

W systemie ewidencyjnym przedsiębiorstwa znajdują się też często dane dotyczące specjalistycznego sprzętu wykorzystywanego podczas realizacji zadań inwestycyjnych i remontowo-naprawczych. Zawierają one np. informacje o czasie pracy urządzeń, zapotrzebowaniu na energię elektryczną/paliwo czy też nazwiska osób obsługujących określony sprzęt z wyszczególnieniem roboczogodzin.

Z informatycznymi narzędziami ewidencyjnymi ściśle wiąże się tzw. system obsługi dokumentacji archiwalnej (EDMS), który w połączeniu z GIS pozwala na proste i szybkie przeglądanie dokumentów przechowywanych w bazie. Dotyczy to szczególnie dokumentacji obiektów przestrzennych, gdzie istnieje możliwość bezpośredniego powiązania dowolnego punktu przestrzeni geobazy z dokumentem tekstowym lub graficznym. W praktyce dostęp np. do dokumentacji technicznej, sprawozdawczej, czy też informacyjnej uzyskuje się poprzez wskazanie na mapie numerycznej obiektu, którego ma ta dokumentacja dotyczyć.

System rejestracji zdarzeń i zarządzania pracami (WMS) – do głównych jego zadań należą: 

• rejestracja zgłoszeń o stanach awaryjnych, wspomaganie decyzyjne w procesie usuwania awarii oraz ewidencja awarii, 
• wspomaganie procesów decyzyjnych i tworzenie harmonogramów prac remontowych i inwestycyjnych na sieci,
• przeprowadzanie symulacji i analiz ekonomicznych dotyczących konserwacji i eksploatacji sieci wodociągowej i kanalizacyjnej.

W przypadku wystąpienia awarii na sieci, system automatyki przemysłowej lub dyspozytor pogotowia wodociągowo-kanalizacyjnego przekazuje informacje dotyczące lokalizacji, przyczyn i zakresu awarii do systemu informatycznego. System ten z kolei w sposób automatyczny generuje karty pracy i zlecenie wraz z danymi niezbędnymi do sprawnego podjęcia działań naprawczych (np. plany sytuacyjne i spis zasuw sieciowych wymagających zamknięcia w celu odłączenia uszkodzonego przewodu oraz plan sieci z zaznaczonym obszarem wyłączonym z eksploatacji wraz ze wskazaniem miejsc dostawy wody transportem kołowym).

System WMS w oparciu o dane ewidencyjne i zaimplementowane algorytmy optymalizacyjne oraz narzędzia analizy ekonomicznej pozwala na planowanie prac związanych z eksploatacją, modernizacją i rozbudową sieci z uwzględnieniem procedur zabezpieczających środki i fundusze na ich realizację. 

Moduł do rejestracji i archiwizacji danych z systemów automatyki przemysłowej umożliwia rejestrację, archiwizację i analizę odczytów dokonywanych przez urządzenia automatyki przemysłowej (wodomierze, przepływomierze, ciśnieniomierze, czujniki układów pomiarowych, np. czujniki poziomu wody w zbiornikach, mierniki poboru prądu w agregatach pompowych, analizatory chemiczne i in.).

Dzięki zdefiniowaniu stanów normatywnych i dopuszczalnych stanów granicznych wartości mierzonych, możliwe jest generowanie alarmów wraz z procedurami realizowanymi w wypadku ich wystąpienia. Znaczna część parametrów pracy sieci zarówno wodociągowej, jak i kanalizacyjnej charakteryzuje się nie tylko zmiennością czasową, lecz również przestrzenną, co umożliwia implementację narzędzi służących do analizy danych, typowych dla systemów GIS.

Do parametrów takich należą choćby ciśnienie w sieci wodociągowej czy też wielkość przepływu ścieków w sieci kanalizacyjnej. Analiza tego typu danych pozwala m.in. zlokalizować punkty niekontrolowanego wypływu wody w sieci wodociągowej czy miejsca zrzutu ścieków o przekroczonych wartościach wskaźników zanieczyszczenia do sieci kanalizacyjnej. Dane z systemu automatyki przemysłowej stanowią istotną część danych potrzebnych do prowadzenia obliczeń i symulacji w modelach matematycznych pracy sieci wodociągowej i kanalizacyjnej.

Moduł rozliczeniowy i ekonomiczny – to część składowa systemu bazodanowego przedsiębiorstwa związana z kwestiami finansowymi i rozliczeniowymi obejmuje następujące działy:

• sprzedaż i marketing,
• finanse i księgowość,
• kadry i płace,
• elektroniczny obrót płatniczy,
• gospodarka magazynowa,
• zarządzanie majątkiem trwałym. 

Moduł ten dotyczy zarówno danych przestrzennych powiązanych w sposób bezpośredni z modułem centralnym GIS, jak również danych nieprzestrzennych niemających cech geometrycznych stanowiące abstrakcyjną klasę obiektów w przyjętym modelu danych.

GIS i matematyczne modele danych przestrzennych – symulacja hydrauliczna pracy sieci wodociągowej czy też sieci zbiorczej ścieków sanitarnych lub deszczowych jest ważnym narzędziem w planowaniu inwestycji i prac okresowych oraz w podejmowaniu decyzji w stanach awaryjnych. W przypadku zintegrowanego z systemem informacji przestrzennej modułu przeprowadzającego obliczenia analityczne, GIS stanowi dla niego bazę danych.

Po przeprowadzeniu symulacji, jej wynik może być ponownie eksportowany z modelu hydraulicznego do bazy i zwizualizowany na mapie w układzie współrzędnych geograficznych (rys. 4.).

Modele hydrauliczne sieci wodociągowych pozwalają określić wielkości przepływów w przewodach, wartości ciśnień w węzłach oraz czasową zmienność stanów obiektów sieciowych przy zadanych warunkach eksploatacyjnych. Ponadto możliwe jest prowadzenie analiz energochłonności systemu, badanie stanów pożarowych, uderzeń hydraulicznych i jakości wody.

W przypadku sieci kanalizacyjnych, dzięki danym o fizjografii terenu, zagospodarowaniu zlewni (w tym jej stopniu uszczelnienia), uzbrojeniu terenu, rodzaju gruntów, jakości odprowadzanych ścieków oraz danych o opadach atmosferycznych, możliwe jest implementowanie zaawansowanych, wieloparametrowych metod obliczeniowych pozwalających poznać warunki pracy sieci w sytuacjach szczególnych.

Dzięki dostępności powyższych danych i znacznemu wzrostowi mocy obliczeniowej do analiz pracy elementów sieci kanalizacyjnej wprowadza się modele dwu- i trójwymiarowe oraz modele dwuwymiarowe do symulacji spływu powierzchniowego.

W zależności od potrzeb, istnieją dwa podejścia do zagadnień projektowych i modelowych sieci kanalizacyjnych deszczowych:

• tworzenie szczegółowych i rozbudowanych modeli analitycznych sieci, które obciąża się określonym opadem, 
• tworzenie bazy danych o zakresie podtopień i zalań w przypadku wystąpienia opadu o określonym natężeniu i diagnostyka on-line z wykorzystaniem bieżących danych o wysokości opadu (w sytuacjach zagrożenia powodziowego). 

Obecnie istnieje tendencja do tworzenia zintegrowanych modeli matematycznych łączących obliczenia i symulacje na wszystkich etapach eksploatacji zasobów wodnych, począwszy od uzdatniania wody, poprzez jej transport i dystrybucję sieciami wodociągowymi, odprowadzanie wód zużytych systemami kanalizacyjnymi, aż po symulowanie pracy oczyszczalni ścieków i wpływu odprowadzania ścieków oczyszczonych do odbiornika na środowisko. W takim ujęciu wynik prowadzonych obliczeń w ogniwie wcześniejszym omawianego łańcucha stanowi dane wyjściowe do ogniwa dalszego. Takie całościowe podejście do zagadnienia gospodarki wodnej pozwala na scentralizowanie i optymalizację działań decyzyjnych w obrębie regionu.

Podsumowanie 

GIS w połączeniu z innymi systemami informatycznymi może stanowić potężne narzędzie do zarządzania majątkiem przedsiębiorstw wodociągów i kanalizacji. Systemy informacji geograficznej w znacznym stopniu obniżają koszty eksploatacji sieci, a poprzez potrzebę ciągłej aktualizacji danych i dzięki odnajdywaniu coraz to nowych zastosowań, ich faza wdrożeniowa praktycznie się nie kończy. Graficzna reprezentacja danych na mapach tematycznych pozwala w prosty i wyrazisty sposób przedstawiać wyniki zawiłych analiz i działań eksperckich organom decyzyjnym przedsiębiorstwa i opinii publicznej.

O celowości stosowania GIS w przedsiębiorstwach wodociągów i kanalizacji mogą świadczyć prowadzone badania naukowe [2, 4], które ukazują 25-proc. wzrost liczby polskich przedsiębiorców wdrażających system geoinformacyjny w ostatnim dziesięcioleciu oraz deklarację wszystkich objętych badaniami dużych i średnich przedsiębiorstw potrzeby wdrożenia takiego systemu.

Literatura

1. Longley P.A., Goodchild M.F.i in., GIS. Teoria i praktyka, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006.
2. Kwietniewski M., Information systems for distribution management, National report in the 7 International Raport, pp. IR7 30-31, International Water Supply Association (IWSA), World Congress 1997, Madrid 1997.
3. Miszta-Kruk K., Kwietniewski M., Zakres wdrożenia GIS w przedsiębiorstwach wodociągów i kanalizacji w Polsce, mat. konferencyjne „GIS modelowanie i monitoring w zarządzaniu systemami wodociągowymi i kanalizacyjnymi”, wyd. PZITS, Warszawa 2007.
4. Kwietniewski M., Kierunki rozwoju zarządzania eksploatacją sieci wodociągowych i kanalizacyjnych, mat. konferencyjne „GIS modelowanie i monitoring w zarządzaniu systemami wodociągowymi i kanalizacyjnymi”, wyd. PZITS, Warszawa 2005.