Komputerowe modelowanie systemów zaopatrzenia w wodę

wydany w Dodatek specjalny – 2013-11
  DRUKUJ

Na potrzeby bieżącego sterowania zaopatrzeniem w wodę oraz prognozowania zaopatrzenia w ten cenny surowiec opracowywane są programy i modele nastawione na oszczędzanie zużycia wody oraz ekonomikę i niezawodność jej dystrybucji.

Ten artykuł jest dostępny dla wszystkich.

W obecnych czasach ilość, sposób zużycia i dystrybucja wody powinny podlegać daleko idącej racjonalizacji, zważywszy na ograniczenie jej zasobów, jak również społeczno-gospodarcze koszty marnotrawienia. W wielu krajach sygnalizowana jest potrzeba prowadzenia działań w znacznym stopniu ograniczających zużycie wody przez odbiorców, bez pogarszania standardu ich życia. Równocześnie dąży się do wprowadzenia w systemach dystrybucji wody rozwiązań umożliwiających każdorazowe pokrycie chwilowego zapotrzebowania na ten surowiec w ilości i o parametrach wymaganych przez odbiorców. Takie gospodarowanie wymaga od projektantów i eksploatatorów dokładnych informacji o wielkości i strukturze oraz zmienności poboru przez potencjalnych odbiorców, co umożliwia sterowanie i kontrolowanie rozdziału wody w sieciach wodociągowych.

Długoletnia stagnacja w transferze nowoczesnych technologii i rozwiązań technicznych doprowadziła obecnie do wzrostu zainteresowania przedsiębiorstw wodociągowych w dziedzinie wdrażania narzędzi informatycznych, wspomagających modelowanie i monitoring sieci wodociągowych. Wynika to w głównej mierze z konieczności ograniczania kosztów eksploatacyjnych, poprawy działania istniejących sieci, a także zwiększenia efektywności zarządzania przedsiębiorstwem.

Dynamiczny model sieci wodociągowej jest wysoce wydajnym narzędziem, wspomagającym obserwację i regulowanie ciśnień oraz przepływów wody, pozwalającym na podejmowanie uzasadnionych decyzji odnośnie eksploatacji, modernizacji, a także rozbudowy całego systemu wodociągowego miasta lub gminy.

Budowanie modelu sieci

Głównym celem modelowania jest projektowanie sieci wodociągowej lub jej nowych odcinków, umiejscowienia ujęć, pompowni, zbiorników, a także diagnostyka istniejącej sieci, np. pozyskiwanie informacji o zachowaniu się sieci w dowolnych warunkach i możliwość znalezienia jej słabych punktów. Ponadto jej zadaniem jest analiza sytuacji kryzysowych, np. zakresu skutków i wielkości ograniczeń w dostawie wody oraz kontrolowanie wydajności sieci pod kątem planowanej rozbudowy lub w warunkach zwiększonego zapotrzebowania. Celem jest też optymalizacja zarządzania siecią, do której należy sterowanie przepływami, rozkładem ciśnień i czasami retencji pod kątem minimalizacji kosztów eksploatacyjnych, ustalenie prawidłowego współdziałania urządzeń zainstalowanych w sieci z pozostałymi jej elementami i ograniczenie tranzytu wody w systemie poprzez obszarowe zbilansowanie zasilania i rozbioru wody. Zarządzający siecią ma możliwość szybkiego przeprowadzenia wielu dowolnego rodzaju symulacji, np. pod kątem optymalizacji metod zarządzania, optymalizacji planu konserwacji i napraw oraz 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, może dojść do tego, że po dotarciu do użytkownika jej parametry ulegną pogorszeniu i nie spełni ona wymagań dotyczących smaku, zapachu, barwy oraz zawartości aktywnych zanieczyszczeń biologicznych.

Programy do modelowania posiadają możliwość różnorodnych wizualizacji parametrów pracy sieci. Dane i rezultaty obliczeń mogą być wyświetlane w postaci kolorowych plansz i wykresów lub w formie tabelarycznej. Umożliwiają obliczenia i wizualizację jakości wody, symulację rozprzestrzeniania się i koncentracji dodawanych do wody związków chemicznych, takich jak związki chloru.

Do podstawowych faz budowy modelu należy zbieranie i gromadzenie informacji o strukturze sieci wraz z obiektami, budowa numerycznego modelu przepływów, do których należy tworzenie modelu strukturalnego istniejącego układu i wyznaczenie węzłowych poborów wody, a także tarowanie modelu przepływów wraz z badaniami terenowymi.

W każdej z trzech faz konstruowania modelu należy wykonać szereg zadań szczegółowych, wg określonej specyfikacji. Wstępne zadanie stanowi wybór określonego użytkowego programu komputerowego wraz z jego charakterystyką. Natomiast ostatnia faza pracy polega na wdrożeniu modelu do praktyki projektowej i eksploatacyjnej. Stopień rozpoznania konkretnego systemu wodociągowego powinien być szczegółowy, aby spowodować merytoryczną jedność rzeczywistego obiektu z jego modelem. Szczególnie dotyczy to etapu tarowania modelu, gdyż prawidłowe jego zrealizowanie jest niezmiernie ważne dla oceny późniejszej jego przydatności.

Gromadzenie danych

Najczęściej zbieranie danych wiąże się z koniecznością pozyskania rozmaitych materiałów, np. planów sytuacyjno-wysokościowych terenu z wytrasowaną siecią przewodów i lokalizacją obiektów w postaci mapy tradycyjnej lub numerycznej, ogólnych i miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego danego terenu, powykonawczej dokumentacji technicznej, którą zazwyczaj cechuje niekompletność, oraz sprawozdania rocznego z działalności przedsiębiorstwa. Ponadto należy pozyskać dane o odbiorcach wody i ilości jej sprzedaży oraz raporty dobowe z eksploatacji obiektów. Należy też dokonać spisu środków trwałych w przedsiębiorstwie itd.

Na etapie gromadzenia danych należy kierować się zasadą ograniczonego zaufania do uzyskanych informacji, zależnie od źródła ich pochodzenia. Dane o wątpliwej wiarygodności trzeba wyróżnić dodatkowym oznaczeniem. Ponadto ważne uzupełniające źródło informacji stanowi także praktyczna wiedza średniej kadry technicznej w przedsiębiorstwie, poparta wieloletnim doświadczeniem. Zakres zbioru danych wejściowych precyzuje program użytkowy, który stanowi podstawę do tworzenia komputerowego modelu przepływów w konkretnym systemie wodociągowym.

Zbiór danych, ze względu na sposób wykorzystania, można wyszczególnić w trzech zasadniczych grupach jako: strukturalne, operacyjne i dotyczące wielkości oraz czasowo-przestrzennej zmienności poboru wody. Dane strukturalne charakteryzują topologię sieci oraz urządzenia eksploatowane w obiektach danego systemu wodociągowego. Zbiór ten jest wykorzystany do utworzenia modelu strukturalnego, który będzie odwzorowywał poszczególne elementy rzeczywistego systemu. Natomiast dane operacyjne określają stan początkowy i ograniczenia, a także precyzują procedury sterowania urządzeniami podczas eksploatacji. Z kolei na podstawie danych pomiarowych o zużyciu wody przez poszczególnych odbiorców w rocznych, kwartalnych, a nawet godzinowych horyzontach czasowych, szacowane są pobory węzłowe w modelu, zgodnie z metodyką.

Kreowanie obrazów systemu wodociągowego

Budowa podmodelu strukturalnego polega na odwzorowaniu geometrii sieci w połączeniu z lokalizacją obiektów w danym systemie wodociągowym. Na podstawie materiałów źródłowych dąży się do przedstawienia rzeczywistej struktury sieci przewodów (gałęzi) i ich połączeń (węzłów) w formie graficznej w postaci schematu. W analogiczny sposób tworzy się także schematy rozmieszczenia urządzeń we wszystkich obiektach, zgodnie z usytuowaniem ich w ciągach technologicznych. W rezultacie powstaje obraz systemu wodociągowego, na którym wszystkie węzły i gałęzie oznacza się dowolnymi numerami identyfikacyjnymi. Jednym z najistotniejszych zadań w procesie budowy modelu komputerowego danego systemu wodociągowego jest ustalenie wartości węzłowych wydatków (poboru wody) oraz jego przestrzennego i czasowego rozkładu. Parametr ten powinien zostać określony w modelu układu wodociągowego z siecią przewymiarowaną. Dokładność oszacowania wartości i zmienności czasowo-przestrzennej tego parametru wpływa na poprawność odwzorowania rzeczywistego rozkładu przepływów w sieci. W sieciach przewymiarowanych chwilowy przyrost prędkości w przewodach, spowodowany wzrostem poboru wody, w znacznie większym stopniu decyduje o wzroście spadku naporu hydraulicznego aniżeli zmiana chropowatości rurociągów. Wynika to z faktu, że spadek hydrauliczny jest zależnością kwadratową w relacji do wzrostu prędkości, a liniową w stosunku do zmiany chropowatości.

W modelu, w celu określenia wartości średniego dobowego zapotrzebowania na wodę i jej godzinowego rozkładu, zazwyczaj wykorzystuje się normatywne wskaźniki zużycia wody i współczynniki nierównomierności jej poboru. Tylko w nielicznych przypadkach wskaźniki normatywne podlegają uaktualnianiu metodą prób i błędów na etapie weryfikacji modelu na podstawie pomiarów eksploatacyjnych. Znaczna rozbieżność pomiędzy wartościami normatywnymi wskaźników a wielkościami rzeczywistego poboru wody sprawia, iż w praktyce ich przydatność okazuje się ograniczona.

Podstawą analiz w systemie wodociągowym są wyniki eksploatacyjnych pomiarów kontrolnych w roku poprzedzającym utworzenie modelu, tj. zbiór odczytów wodomierzowych wszystkich odbiorców wody (zużycie) oraz rejestr wielkości jej produkcji. Metoda ta zdecydowanie różni się od dotychczas stosowanych, ponieważ określa się indywidualne wielkości faktycznego poboru wody dla każdego odbiorcy, z jednoczesnym uwzględnieniem ich rzeczywistego czasowo-przestrzennego rozkładu w obszarze zasilania. Reprezentatywność zgromadzonego zbioru danych pomiarowych wynika z ich ukształtowania przez specyficzne warunki zasilania i poboru wody w konkretnym systemie wodociągowym.

Proces tarowania modelu

W wyniku właściwie przeprowadzonego procesu tarowania modelu można osiągnąć: uwiarygodnienie modelu, ujawnienie i usunięcie błędów w danych wejściowych, pogłębienie wiedzy o działaniu czynnego systemu i jego hydraulicznej sprawności.

Uwiarygodnienie modelu jest podstawowym warunkiem jego wdrożenia do praktyki projektowej i eksploatacyjnej. Oczekiwany stan zgodności modelu z jego obiektem rzeczywistym uzyskuje się przez określenie stopnia dokładności odwzorowania systemu wskutek przetestowania danych wejściowych i oszacowania jego parametrów. W trakcie prowadzonych prac często konieczna jest korekta niektórych połączeń przewodów, a także zmiana niepoprawnie ustalonych średnic, długości lub rodzaju materiału użytych przewodów.

W wyniku tarowania modelu pozyskiwana jest rzeczywista wiedza o budowie systemu, jego działaniu oraz sprawności hydraulicznej sieci. Znajomość ta jest efektem wykonanych badań terenowych, testowania modelu oraz przeprowadzenia weryfikacji danych. Zdobyte wiedza i doświadczenie podczas budowy modelu pozwalają ocenić stosowane dotychczas techniki operacyjne w eksploatacji systemu, a także zaproponować bardziej racjonalne rozwiązania strukturalne, które następnie można zweryfikować za pomocą utworzonego modelu przepływów.

W celu zweryfikowania budowanego modelu sieci wodociągowej w wybranych punktach montuje się rejestratory ciśnienia i przepływów. Zebrane w ten sposób pomiary służą do porównania wyników modelowania z rzeczywistymi wartościami z rejestratorów. Dzięki temu możliwa jest kalibracja, warunkującą prawidłową ocenę hydraulicznych warunków pracy modelowanej sieci (fot. 1).

Statystyczna ocena porównawcza

W celu oceny wiarygodności utworzonych modeli ze stanem rzeczywistym przeprowadza się statystyczną ocenę porównawczą wyników pomiarów i symulacji. Statystyki dla każdego punktu (węzła) zawierają średnią obserwowaną wartość, średnią symulowaną wartość i średni błąd bezwzględny pomiędzy wszystkimi parami wartości (obserwowaną i symulowaną). Te same statystyki obliczone zostały dla sieci jako całości. Oblicza się współczynnik korelacji między średnią wartością obserwowaną a symulowaną w każdym porównywanym punkcie. Na wykresie korelacji kreśli się rozrzut obserwowanych i modelowanych wartości dla pomiarów w każdym rozważanym punkcie (węźle). Każdy punkt jest przedstawiony innym kolorem. Im bardziej punkty te skupiają się wokół prostej o nachyleniu 45°, tym lepiej pasują do siebie wyniki pomiarów i modelowania.

Epanet

Jednym z programów wykorzystywanych na całym świecie w przedsiębiorstwach wodociągowych oraz placówkach naukowo-badawczych jest Epanet. To darmowe oprogramowanie, opracowane i udostępnione przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska EPA. Cechuje jo bardzo prosty interfejs użytkownika. Algorytmy obliczeniowe zastosowane w programie są bardzo dobre. Oprogramowanie udostępnia się razem z kodem źródłowym, a wiele komercyjnych i niekomercyjnych aplikacji do modelowania przepływu cieczy w rurociągach zbudowanych jest na jego algorytmach. Jednak już w wersji podstawowej daje to możliwości pełnego modelowania sieci wodociągowej o dowolnej liczbie użytkowników. Epanet pozwala na przeprowadzenie symulacji zmian warunków hydraulicznych przepływu wody w sieci projektowanej oraz już istniejącej, symulacji pracy systemu zaopatrzenia w wodę, obliczenie zużywanej energii przez pompy zainstalowane na sieci, a także przeprowadzenie analizy wybranych parametrów jakości wody. Zapewnia on przyjazny dla użytkownika sposób wczytywania większości danych i wizualizacji wyników. Program jest też bardzo wrażliwy, zarówno na zadawane wartości początkowe, jak i warunki brzegowe. Zawiera szereg narzędzi do analizy danych i wyników, pozwalających na edycję danych i wyników na ekranie, zestawienia wyników w tabelach, graficzną prezentację wyników obliczeń na wykresach, animację schematu sieci wodociągowej, zmianę skali emitowanej na ekranie mapy oraz jej przesuwanie, a także poszukiwanie wybranych obiektów.

Stanet

Do popularnych w Niemczech aplikacji do modelowania zaliczyć można Stanet. Obecnie jest on wdrażany także w polskich przedsiębiorstwach komunalnych. Łączy prostotę wprowadzania danych z zawansowanymi funkcjami i modułami, takimi jak system GIS. Stanet jest zintegrowanym programem do analizy układów sieciowych. Oprócz obliczeń, graficznego wprowadzania danych i obrazowania wyników zawiera również bazę danych. Okno przeglądania parametrów poszczególnych elementów może zostać wyświetlone równocześnie z grafiką i używane jest np. jako system informacyjny o systemie sieci, zwłaszcza z uwagi na to, że opiera się na standardowych plikach bazy danych dBASE-III, które mogą być rozszerzane przez użytkownika. Ponieważ część graficzna i bazy danych używają tych samych plików, wymiana danych z innymi aplikacjami jest prosta. Program umożliwia przeprowadzenie obliczeń przepływu płynów i gazów w rurach (łącznie z sieciami parowymi). Najważniejszymi zastosowaniami programu są sieci gazowe oraz sieci sprężonego powietrza (także wysokiego ciśnienia), sieci wodociągowe oraz inne sieci mediów płynowych i sieci ciepłownicze. Ponadto w programie zintegrowane są moduły obliczeniowe dla sieci kanalizacyjnych i elektrycznych.

Do najważniejszych cech programu należą: łatwe tworzenie i modyfikowanie sieci, elastyczna konstrukcja sieci, obliczanie wielkości nieznanych i wprowadzanie wartości (ciśnienia, dopływu i pojemności), dowolne przedstawianie przypadków matematycznych oraz hydraulicznych, obliczenia dodatkowych wartości, tj. temperatury, radiacji do otoczenia i śledzenie parametrów gazu, oraz automatyczna kontrola układu sieci z wyraźnymi informacjami o błędnych lub niekompletnych wymaganiach technicznych. Do zalet programu niewątpliwie zaliczyć należy również automatyczne tworzenie podsieci od zamkniętych zaworów i regulatorów, różne możliwości wprowadzania danych z wykorzystaniem klawiatury, myszy oraz tabletu graficznego, graficzne wprowadzanie i wyprowadzanie elementów sieci, selektywne przedstawianie pojedynczych grup elementów sieci, ustawianie kolorów dla każdego parametru sieci, przedstawianie danych technicznych elementów sieci, skuteczne funkcje dla selektywnego przedstawiania parametrów sieci i rezultatów obliczeń, wyprowadzanie rysunków tła w formacie pikselowym i grafiki wektorowej oraz pomoc dla użytkownika podczas definiowania pól w bazie danych i wiele innych.

WaterCad

Dużym, rozbudowanym, komercyjnym oprogramowaniem do modelowania i zarządzania sieciami dystrybucji wody jest WaterCAD (rys. 1). Pozwala on na symulacje hydrauliczne i obliczeniowe modelu reprezentowanego przez standardowe elementy sieci: odcinki rury, węzły konsumpcyjne, rezerwuary, zbiorniki, hydranty oraz pompy, zawory regulacyjne, kontrolne itp. WaterCAD jako model hydrauliczny jest stosowany do pełnego nadzoru i bieżącej kontroli sieci wodociągowych przez wielu profesjonalnych dostawców wody. Dzięki modelowi sieci wodociągowej, wykonanemu w oprogramowaniu, można m.in. dokonywać bieżących analiz przepływów wody w sieci i opłacalności podejmowanych w kolejnych latach przedsięwzięć wymiany przewodów, optymalizacji ciśnienia i prowadzić prace ograniczające straty. Można też nadzorować jakość wody wodociągowej, osiągi sieci pod kątem ppoż., dokonywać analiz typu „co? – jeśli...”, sprawdzać różne konfiguracje połączeń przewodów sieci, sposoby pompowania (przepompownie) oraz projektować i nadzorować pracę zaworów ograniczających ciśnienie w sieci, wymiarować w sposób optymalny średnice przewodów dedykowanych do wymiany itd. Oprogramowanie potrafi wskazywać użytkownikowi miejsce i wielkość wycieków.

Koszyk korzyści

Wśród zalet komputerowego modelowania sieci wodociągowych wyróżnić należy oszczędności wynikające z zaniechania niewłaściwych inwestycji (sprawdzenie ich zasadności w ramach symulacji w programie), planowanie tzw. wyłączeń w sieci (wiążących się z płukaniami, remontami lub inwestycjami) w taki sposób, aby nie pogarszać standardów zaopatrzenia mieszkańców w wodę oraz ograniczyć koszty eksploatacyjne i strat w sieci przez zmniejszanie wydajności źródeł w okresie najmniejszych rozbiorów. Ponadto korzyścią z komputerowego modelowania sieci wodociągowych jest zredukowanie 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. Zapewniana jest także pełna wiedza w czasie rzeczywistym o istotnych parametrach, m.in. o ilości i jakości dostarczanej wody w dowolnym miejscu sieci wodociągowej.

dr inż. Wojciech Kruszyński, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Politechnika Białostocka

 

Ten artykuł jest dostępny dla wszystkich

Z prenumeratą cyfrową lub papierową uzyskasz
bezpłatny dostęp do wszystkich treści.

Sprawdź ofertę prenumeraty

Zaloguj się  |  Prenumerujesz? – otrzymaj dostęp

comments powered by Disqus