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

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.

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,

• 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.

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)

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).

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

Model sieci w programie EPANET– wizualizacja wartości ciśnień oraz

prędkości przepływu wody w przewodach sieci wodociągowej we wsi

Dreństwo, gmina Bargłów Kościelny

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.

SWMM

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,

• sieci elektrycznych.

STANET

Fragment modelu sieci wykonany w programie STANET

BENTLEY

BENTLEY

MIKE Powered by DHI

MIKE Powered by DHI

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

Budowa modeli komputerowych badanych sieci

wodociągowych .

Mapa

cyfrowa

obszaru

ujęcia

wody

Budowa modeli komputerowych badanych sieci

wodociągowych .

Rysowanie sieci wodociągowej, która może składać się z takich

obiektów jak:

węzły,

rurociągi,

rezerwuary,

zbiorniki wieżowe,

pompy, zawory.

Budowa modeli komputerowych badanych sieci

wodociągowych .

Rejestrator pomiarów ciśnienia wody AQUARD Cellbox HN, zamontowany w hydrancie nadziemnym.

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.

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.