Zastosowanie i implementacja cyfrowych danych geodezyjnych do komputerowego modelowania parametrów sieci wod-kan
Application and implementation of digital geodetic data to computer modeling of water supply and sewerage network parameters
Rys. Wykorzystanie GIS do odwzorowania systemu dystrybucji wody (przewody magistralne) w Białymstoku. Na rysunku widoczne są główne węzły sieci wraz z podziałem na przypadające na nie obszary zużycia wody, opracowane za pomocą diagramów Woronoja
Rys. W. Kruszyński, M. Kolendo
Małe zakłady wodociągowo-kanalizacyjne nie mają środków na zakup licencji i pakietów obsługi kompleksowych systemów zarządzania w oparciu o systemy GIS i moduły modelowania sieci. Alternatywą dla nich może być oprogramowanie typu open source do modelowania i GIS. Środowiska te można łączyć za pomocą istniejących platform bądź budując własne oprogramowanie. Warto przy tym skorzystać z doświadczeń z wdrażania takich systemów przez kadrę naukowo-badawczą polskich uczelni technicznych.
Zobacz także
Grupa Aliaxis Biblioteki BIM Grupy Aliaxis – kompletne pod każdym względem
Building Information Modelling (BIM) powoli staje się codziennością w biurach projektowych i na placach budowy. Inwestorzy, projektanci i generalni wykonawcy dostrzegli potencjał cyfryzacji, coraz chętniej...
Building Information Modelling (BIM) powoli staje się codziennością w biurach projektowych i na placach budowy. Inwestorzy, projektanci i generalni wykonawcy dostrzegli potencjał cyfryzacji, coraz chętniej wdrażając nowe technologie i procesy. Producenci materiałów i produktów budowlanych również starają się iść z duchem czasu. Niestety zbyt często „gotowość na BIM” jest upraszczana i sprowadzana do posiadania biblioteki obiektów BIM (np. rodzin Revit). Co gorsza, jakość plików i danych do pobrania...
EcoComfort Koszt budowy domu 2017 – na jaką kwotę musisz być przygotowany?
Koszty budowy domu każdego roku analizuje kilkadziesiąt tysięcy prywatnych inwestorów, którzy rozpoczynają walkę o własne cztery ściany. Jeszcze większa liczba ludzi sprawdza koszty budowy domu, bo marzy...
Koszty budowy domu każdego roku analizuje kilkadziesiąt tysięcy prywatnych inwestorów, którzy rozpoczynają walkę o własne cztery ściany. Jeszcze większa liczba ludzi sprawdza koszty budowy domu, bo marzy o własnym kącie. Budowa domu jest dla większości inwestorów największym wydatkiem w życiu, bo to tam właściciel planuje spędzić swoją przyszłość. Nie da się ukryć, że do budowy domu trzeba się dobrze przygotować. Wbrew pozorom inwestycja nie zaczyna się wraz z wyborem działki czy projektu – rozpocząć...
dr inż. Edmund Nowakowski Metody określania obliczeniowych przepływów wody w budynkach mieszkalnych
Norma PN-92/B-01706 [1], zawierająca wzory i tabele do określania obliczeniowych przepływów wody w instalacjach wodociągowych w budynkach, została w maju 2009 r. unieważniona bez podania normy zastępczej....
Norma PN-92/B-01706 [1], zawierająca wzory i tabele do określania obliczeniowych przepływów wody w instalacjach wodociągowych w budynkach, została w maju 2009 r. unieważniona bez podania normy zastępczej. Wobec konieczności znalezienia innej metody obliczeniowej w artykule omówiono sposoby obliczeń wykorzystywane dotychczas w Polsce.
W artykule:• Budowa modelu i symulacje hydrauliczne
|
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:
- Projektowanie nowych sieci lub ich nowych odcinków, umiejscowienia ujęć, pompowni, zbiorników, studzienek itp.
- 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.
- 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.
- Kontrola wydajności sieci pod kątem planowanej rozbudowy lub w warunkach zwiększonego obciążenia.
- 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.
Rys. 2. Przykład komputerowego modelowania prędkości przepływu w sieci kanalizacyjnej Supraśla w programie SWMM [8]
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:
- w sieci wodociągowej – poprawę jakości wody poprzez wybór optymalnych parametrów eksploatacyjnych zmniejszających wiek i zwiększających średnią prędkość przepływu wody w przewodach,
- w sieci kanalizacyjnej – ograniczenie ilości wód infiltracyjnych i przypadkowych oraz minimalizację ryzyka uciążliwości zapachowej sieci,
- 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,
- ograniczenie kosztów eksploatacyjnych oraz strat na sieci przez zmniejszanie wydajności źródeł w okresie najmniejszych rozbiorów,
- 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,
- 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.
Rys. 2. Przykład komputerowego modelowania prędkości przepływu w sieci kanalizacyjnej Supraśla w programie SWMM. Analiza wyników modelowania wpływu zmian chropowatości przewodów na prędkość przepływu ścieków (oś Y – prędkość przepływu [m/s], oś x – nr przewodu) [8]
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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Kulbik M., Komputerowa symulacja i badania terenowe miejskich systemów wodociągowych, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2004.
- 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.
- Rewiński J., Komputerowe modelowanie kanalizacji dla wybranej miejscowości, praca magisterska, promotor Kruszyński W., Białystok 2018.
- Urynowicz K., Komputerowe modelowanie wybranych parametrów sieci wodociągowej w gminie rolniczo-przemysłowej, praca magisterska, promotor Kruszyński W., Białystok 2015.