Zastosowanie i implementacja cyfrowych danych geodezyjnych do komputerowego modelowania parametrów sieci wod-kan

Do optymalnego zarządzania infrastrukturą wodno-ściekową miasta coraz powszechniej wykorzystuje się dane geoprzestrzenne (GIS). Pozwala to zyskać dodatkowe narzędzie analityczne do planowania, projektowania czy pozyskiwania danych operacyjnych. Integracja modeli hydraulicznych sieci wodociągowej i bytowo-gospodarczej w jednym spójnym systemie zarządzania na bazie GIS jest szczególnie ważna, bo umożliwia holistyczną ocenę funkcjonowania systemu gospodarki wodno-ściekowej w mieście (rys. 1) [1,2].

Systemy wspomagania decyzji bazujące na systemie informacji przestrzennej (GIS) powiązanym z różnorodnym oprogramowaniem specjalistycznym stają się standardem w nowoczesnym zarządzaniu przedsiębiorstwem wodociągowo-kanalizacyjnym. Z badań przeprowadzanych przez podmioty oferujące komercyjne rozwiązania w tym zakresie wynika jednak, że tylko ok. 40% przedsiębiorstw z branży posługuje się systemami tego typu, a jednocześnie zdecydowana większość jest zainteresowana ich wdrożeniem lub rozwojem w najbliższej przyszłości. Dodatkowo większość stosowanych w praktyce systemów zarządzania bazujących na GIS ogranicza się do inwentaryzacji posiadanych zasobów sieciowych i integracji wielu baz danych w jednym spójnym systemie informatycznym. Tylko w nielicznych przypadkach systemy tego typu zawierają moduły modelujące pracę sieci w warunkach dynamicznych, co wynika przede wszystkim z dodatkowych kosztów wdrożenia związanych z budową wystarczająco niezawodnych modeli sieci wodociągowej i/lub kanalizacyjnej.

Długoletnia stagnacja w transferze nowoczesnych technologii i rozwiązań technicznych doprowadziła do wzrostu zainteresowania przedsiębiorstw komunalnych wdrażaniem narzędzi informatycznych wspomagających zarządzanie gospodarką wodno-kanalizacyjną [6]. Wynika to w głównej mierze z konieczności ograniczania kosztów eksploatacyjnych, poprawy działania istniejących sieci, a także zwiększania efektywności zarządzania przedsiębiorstwem. 

Dynamiczny model sieci jest wysoce wydajnym narzędziem wspomagającym jej obserwację i eksploatację, pozwalającym na podejmowanie uzasadnionych optymalnych decyzji odnośnie do eksploatacji, modernizacji i rozbudowy całego systemu wodociągowego i ściekowego miasta lub gminy. Precyzja działania modelu zależy w dużej mierze od dokładności wprowadzonych danych, zawartych w cyfrowych podkładach geodezyjnych. Dane wprowadza się za pomocą wybranego oprogramowania do danych GIS i modelowania. Możliwe jest też wykonanie tego w jednym zintegrowanym środowisku [6,7].

Przeprowadzenie komputerowych symulacji pracy sieci wodociągowej ma za zadanie pomóc w znalezieniu metody i sposobu na poprawienie jakości wody dostarczanej przez sieć wodociągową. Za pomocą specjalnego oprogramowania można modelować m.in. zmiany w wieku wody w całym systemie dystrybucji. Świeża woda wpływa do sieci ze zbiorników lub źródła. Wiek wody w przewodach jest parametrem określającym jej świeżość i wpływającym na jakość. Model uwzględnia czas, w jakim woda przebywa w danym odcinku od momentu wpłynięcia z ujęcia i wymieszania z wodą znajdującą się już w sieci [6].

Budowa modelu i symulacje hydrauliczne pracy sieci kanalizacyjnej w warunkach dynamicznych z wykorzystaniem dostępnego oprogramowania pozwolą na uzyskiwanie informacji o prognozowanych parametrach pracy sieci w dowolnych warunkach, umożliwiając lepsze poznanie złożonego zespołu czynników determinujących efektywność działania całego systemu [5].

Na rynku dostępne są kompleksowe systemy zarządzania przeznaczone dla przedsiębiorstw z branży wodociągowo-kanalizacyjnej, budowane w oparciu o systemy GIS i zawierające moduły komputerowego modelowania sieci wodociągowych i kanalizacyjnych. Są to rozwiązania takich firm, jak: Bentley Systems (USA), MIKE Powered by DHI (Dania), Stanet (Niemcy). Firmy te mają przedstawicielstwa w Polsce i zajmują się wdrażaniem kompleksowych platform do zintegrowanego zarządzania przedsiębiorstwem, również z wykorzystaniem modelowania matematycznego pracy sieci dostarczającej wodę i odprowadzającej ścieki. Rozwiązania te wymagają jednak zakupu kosztownych licencji oraz pakietów obsługi prowadzonej przez firmy zewnętrzne. Koszty wdrożeń często przekraczają możliwości budżetowe małych przedsiębiorstw wodociągowych. Ograniczenie kosztów związanych z zakupem licencji i obsługi wdrażanych rozwiązań można uzyskać dzięki zastosowaniu oprogramowania typu open source i wykorzystaniu doświadczenia kadry naukowo-badawczej. W tym celu z powodzeniem wykorzystuje się dostępne darmowe oprogramowanie do modelowania i GIS. Środowiska te można łączyć za pomocą istniejących platform bądź budując własne oprogramowanie.

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 ich bezproblemowa wymiana wewnątrz przedsiębiorstwa,
• usprawnienie procesu usuwania awarii,
• umożliwienie bieżącej i ciągłej kontroli parametrów hydraulicznych i jakościowych związanych z funkcjonowaniem sieci poprzez rejestrację,
• archiwizacja i graficzna reprezentacja pomiarów zbieranych za pośrednictwem systemu automatyki przemysłowej,
• możliwość stworzenia symulacji pracy sieci na potrzeby modernizacyjne i rozwojowe poprzez wykorzystanie analitycznych modeli przestrzennych,
• znaczne usprawnienie obsługi klienta. 

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), systemy zarządzania pracami – WMS (Work Management Systems) czy systemy obsługi dokumentacji archiwalnej – EDMS (Electronic Document Management Systems).

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 ze 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) [4].

Cele modelowania sieci

Główne cele modelowania sieci wod-kan to:

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 optymalizacja krótko- i średniookresowa planu remontów.
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.
5. Optymalizacja zarządzania siecią: sterowanie przepływami, rozkładem ciśnień i czasami retencji pod kątem minimalizacji kosztów eksploatacyjnych, ustalenie prawidłowego współdziałania urządzeń zainstalowanych na sieci z pozostałymi jej elementami, ograniczenie tranzytu wody w systemie poprzez obszarowe zbilansowanie zasilania i rozbioru wody.

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 [4].

Programy do modelowania umożliwiają różnorodną wizualizację parametrów pracy sieci (np. rozkładu ciśnień, prędkości przepływów i wiele innych). Dane i rezultaty obliczeń mogą być wyświetlane w postaci kolorowych plansz i wykresów lub tabelarycznie. Umożliwiają obliczenia i wizualizację jakości wody czy symulację rozprzestrzeniania się i koncentracji dodawanych do wody związków chemicznych, np. związków chloru.

Sieci wodociągowe, zwłaszcza w małych i średnich gminach, to często systemy rozgałęzione o małych rozbiorach wody. Często występuje w nich problem wtórnego zanieczyszczenia wody w wyniku zbyt długiego okresu jej przebywania w przewodach, a w sieciach kanalizacji rozpoczęcie procesów zagniwania ścieków. W przedsiębiorstwach takich brakuje zwykle zintegrowanego systemu zarządzania gospodarką wodno-ściekową w oparciu o podkłady cyfrowe oraz systemów monitoringu wybranych parametrów. Konieczność wdrożenia tych rozwiązań wymagana jest obecnie przez przepisy UE.

Funkcjonalność i korzyści

Funkcjonalne rozwiązanie podwyższające jakość usług w sektorze wodociągowo-kanalizacyjnym w oparciu o wyniki modelowania hydrodynamicznego w powiązaniu z siecią monitoringu i bazą danych GIS pozwala na: 

1. w sieci wodociągowej – poprawę jakości wody poprzez wybór optymalnych parametrów eksploatacyjnych zmniejszających wiek i zwiększających średnią prędkość przepływu wody w przewodach,
2. w sieci kanalizacyjnej – ograniczenie ilości wód infiltracyjnych i przypadkowych oraz minimalizację ryzyka uciążliwości zapachowej sieci,
3. oszczędności wynikające z zaniechania realizacji niewłaściwych inwestycji – sprawdzenie ich zasadności symulacjami w programie. Planowanie „wyłączeń” na sieci wiążących się z płukaniem, remontami lub inwestycjami w taki sposób, aby nie pogarszać standardów zaopatrzenia mieszkańców w wodę lub odprowadzania ścieków w czasie ich trwania,
4. ograniczenie kosztów eksploatacyjnych oraz strat na sieci przez zmniejszanie wydajności źródeł w okresie najmniejszych rozbiorów,
5. ograniczenie kosztów eksploatacyjnych poprzez sterowanie pracą pompowni (sprawdzoną symulacjami w modelu) w taki sposób, aby ograniczyć zużycie energii, a jednocześnie utrzymać standardy zaopatrzenia mieszkańców w wodę i odprowadzania ścieków,
6. uzyskanie pełnej wiedzy w czasie rzeczywistym o parametrach, czyli m.in. ilości i jakości dostarczanej wody w dowolnym miejscu sieci wodociągowej czy też przepływach ścieków w kanalizacji bytowo-gospodarczej, oraz dodatkowej wiedzy w zakresie wzajemnego oddziaływania systemów wodociągowego i kanalizacyjnego w warunkach dynamicznych.

W wyniku symulacji przeprowadzonych w dotychczasowych modelach stwierdzono, że możliwe jest zmniejszenie procentowe średniego wieku wody w przewodach. W badanych sieciach wodociągowych w symulacji 72-godzinnej wiek wody spadł o 4,82% w stosunku do stanu istniejącego, natomiast w symulacji 240-godzinnej wiek wody spadł o 10,72% [3,4]. W rzeczywistych sieciach wodociągowych powinno się dążyć do ograniczania wieku wody w przewodach o jeszcze wyższe wartości procentowe. Wymaga to jednak pełnego wdrożenia systemu badawczego w wybranym przedsiębiorstwie. Analiza rozkładu prędkości wykonana na modelach stanu istniejącego wszystkich badanych sieci wodociągowych wykazała, że w większości przewodów przepływy są mniejsze od zalecanego poziomu 0,5 m/s.

Zbyt mała prędkość wody w rurach wywołuje odkładanie osadów na dnie rurociągów i zmniejszenie drożności przewodu, co powoduje wzrost ciśnienia i prędkości przepływu wody w danym odcinku. W pewnym momencie wzrost prędkości przepływu powoduje porwanie osadu nagromadzonego i wypływ zanieczyszczonej wody u odbiorcy końcowego. Przy dłuższych odcinkach i małych prędkościach przepływu dochodzi jeszcze zjawisko stagnacji wody w przewodach, co może skutkować groźbą wtórnego namnożenia się bakterii. Stąd zalecenia, aby prędkość wody mieściła się w przedziale 0,5–1,3 m/s. 

Wdrożenie zintegrowanego systemu w sieciach wodociągowych powinno pozwolić na regulację ciśnienia w celu utrzymania jego wartości w każdym punkcie w zakresie wymaganym z dokładnością ±10% oraz zmniejszenie obszarów z prędkością poniżej 0,2 m/s o co najmniej 20% i zmniejszenie średniego wieku dostarczanej wody w obszarach z najdłuższym wiekiem wody o co najmniej 20%, a także ograniczenie strat wody o 12%. W sieciach kanalizacyjnych z kolei wdrożenie opracowanych rozwiązań pozwoli na redukcję dopływu wód deszczowych do oczyszczalni ścieków i redukcję fragmentów sieci działających pod ciśnieniem w czasie pogody deszczowej o co najmniej 10%.

Obecnie wykonuje się dużo sieci wodno-kanalizacyjnych na terenie gmin wiejskich, a inwestorzy często nie mają odpowiedniej wiedzy na temat możliwości i korzyści wynikających z modelowania hydraulicznego. Tworzenie modelu kanalizacji sanitarnej jest bardziej pracochłonne niż modelu sieci wodociągowej dla tego samego obszaru. Jednak nakład pracy jest rekompensowany przez fakt, że wykonany i skalibrowany model jest niezastąpionym narzędziem do oceny warunków hydraulicznych.

Modelowanie może zostać wykorzystane już na etapie rozwiązań koncepcyjnych przy tworzeniu programów funkcjonalno-użytkowych, a przy wykonywaniu projektów budowlanych w pewnych przypadkach może zastąpić tradycyjne metody obliczania. Przy analizowaniu istniejących, często nieszczelnych sieci kanalizacyjnych dodatkową zaletą jest możliwość matematycznego ujęcia dopływu wód przypadkowych, zarówno opadowych, jak i gruntowych. Udział tych wód w kanalizacji sanitarnej jest często znaczący. Skalibrowany model hydrauliczny pozwala ujawnić krytyczne miejsca istniejącej kanalizacji, co ułatwia podejmowanie decyzji inwestycyjnych. 

Badania zostały zrealizowane w ramach pracy nr WZ/WBiIŚ/02/2019 i sfinansowane ze środków na naukę MNiSW.

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego na konferencji „Efektywne obniżanie strat wody w systemach wodociągowych – innowacje, rozwiązania, wdrożenia”, Lipowy Most, 8–10 maja 2019

Literatura

1. Cieżak W., Cieżak J., Kotowski A. i in., Modelowanie matematyczne systemów wodociągowych i kanalizacyjnych ze względu na bezpieczeństwo działania, Raporty Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej, 2017, ser. SPR nr 22.
2. Czapczuk A., Dawidowicz J., Piekarski J., Application of Multilayer Perceptron for the Calculation of Pressure Losses in Water Supply Lines, Rocznik „Ochrona Środowiska”, t. 19, 2017, s. 540–556.
3. Gwoździej-Mazur J., Świętochowski K., Kaźmierczak B., Analysis of water losses and failure frequency in an urban-rural water supply system, „Ekonomia i Środowisko” nr 2/2018, s. 76–86.
4. Gwozdziej-Mazur J., Świętochowski K., Analysis of the water meter management of the urban-rural water supply system, „E3S Web of Conferences” Vol. 44, 2018.
5. Kruszyński W., Dawidowicz J., Andraka D., Toma­szew­ska J., Application and digital implementation GIS data to computer modeling of the sanitary sewage network in Podlaskie voivodship, „Ekonomia i Środowisko” nr 2, 2018, s. 99–107.
6. Kulbik M., Komputerowa symulacja i badania terenowe miejskich systemów wodociągowych, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2004.
7. Kulbik M., Przykłady realizacji i interpretacji wyników sondażowych pomiarów terenowych w czynnych systemach wodociągowych, Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych Oddział Wielkopolski, 2018, s. 218–219.
8. Rewiński J., Komputerowe modelowanie kanalizacji dla wybranej miejscowości, praca magisterska, promotor Kruszyński W., Białystok 2018.
9. Urynowicz K., Komputerowe modelowanie wybranych parametrów sieci wodociągowej w gminie rolniczo-przemysłowej, praca magisterska, promotor Kruszyński W., Białystok 2015.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!