Геоінформаційна система керування водопостачанням

Вступ

Науково-виробниче підприємство «Інститут геоінформатики» (надалі — «Інститут») є розробником геоінформаційних систем управління міськими мережами водопостачання та каналізації «ГІС_ВОДОКАНАЛ».

Комп’ютерний програмний комплекс «ГІС_ВОДОКАНАЛ» запроваджений 24.10.2019р. на мережі водопостачання м. Дніпрорудне Василівського району Запорізької області, яка є частиною мережі водопостачання Таврійського експлуатаційного цеху водопостачання та водовідведення Комунального підприємства «Облводоканал» Запорізької обласної Ради. За фактом впровадження є акт.

Комп’ютерна програма «ГІС_ВОДОКАНАЛ» розроблена з використанням технологии OpenGIS — інструментальної картографічної оболонки QGIS, СУБД PostgreSQL/PostGIS.

Функціонування комп’ютерної програми здійснюється в обчислювальній мережі Internet/Intranet робочих місць на базі персональних ЭОМ без обмеження їх кількості. При розробці «ГІС_ВОДОКАНАЛ» була взята за основу розроблена раніше геоінформаційна система «ГІС_ВОДОКАНАЛ» Хортицкого району м. Запоріжжя (автор — директор Институту Миросенко Д.А.), який за розмірністю є середнім містом: населення 200,0 тысяч чоловік, на території району знаходятся великі підприємства: АТ «Мотор-Січ», Завод кольорових металів и та ін. За фактом розробки є акт.

Геоінформаційна система (ГІС) керування інженерними системами водопостачання міст (сел, селищ) має наступну загальну структуру:

• підсистема електронних топографічних карт мережі водопостачання;
• телекомунікаційна підсистема датчиків і приладів контролю напору і витрати, керівання роботою насосних станцій;
• підсистема математичного моделювання мережі водопостачання, яка вирішує завдання:
  • оперативного усунення аварій;
  • прогнозування роботи мережі в різних режимах;
  • визначення місць витоків та інших гідравлічних порушень, що призводять до втрат води;
  • приведення мережі в енергозберігаючу структуру, що забезпечує економію енергоресурсів — оптимальну (необхідну та достатню) подачу води, економію електроенергії та ін .;
  • оперативний контроль якості води.

1. Підсистема електронних топографічних карт мережі водопостачання

Підсистему складають електронні топографічні карти М 1:1000 (основний), 1:500, 1:2000, що містять міську забудову в системі умовних знаків ДСТУ «Умовні знаки для топографічних планів масштабів 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500».

Розробка таких топографічних карт докладно описана у розділі «Генеральні плани населених пунктів».

Міська мережа водопостачання представлена на цих планах умовними знаками наступних об'єктів мережі: колодязі, ділянки водоводів, абоненти, засувки, датчики автоматичного контролю напору і витрати води, насосні станції. Визначено необхідний і достатній склад технічних характеристик — атрибутів цих об'єктів, а саме:

• для колодязя — координати розташування, геодезична позначка землі, інвентарний номер, графічна схема деталировки колодязя, що містить наявність та схему з'єднання приладів і запірної арматури;
• для ділянки водоводу — координати лінії траси, геодезичні позначки глибини прокладки труб, довжина ділянки, кількість труб в трасі, діаметр і матеріал труби водоводу, рік та місяць прокладання;
• для засувки — марка, діаметр, робочий тиск, загальне число витків, число витків закриття;
• для насосної станції — координати розташування, геодезична позначка висоти, показання напору H і витрати Q на виходах насосної станції;
• для датчика — координати розташування, геодезична позначка висоти, показання напору H і витрати Q;
• для абонента — координати розташування, позначка землі в місці врізки, висота будівлі, найменування абонента; фактичне споживання води за вказаний період.

Пошук потрібної ділянки мережі на карті міста масштабу 1:10000 (або М1:5000) здійснюється за адресою

А потім за вказаним місцем викликається топокарта більш точного масштабу — 1:1000, 1:500, 1:2000

2. Телекомунікаційна підсистема датчиків і приладів контролю напору і витрати, керування роботою насосних станцій

Телекомунікаційна система Scada (або її аналог) забезпечує:

• оперативний збір показників приладів (датчиків) автоматичного контролю напору і витрати, розташованих в контрольних точках мережі;
• дистанційне комп'ютерне керування насосами насосних станцій через напівпровідникові перетворювачі частоти (НПЧ) двигунів насосних агрегатів. Таке керування — із використанням НПЧ — подачею води, спільно з використанням показань датчиків напору і витрати, дозволяє враховувати зменшення / збільшення споживання води протягом доби і подавати воду в достатній / НЕ надмірній кількості.

Гнучке регулювання подачі води через НПЧ забезпечує до 20% економії енергоресурсів.

3. Підсистема математичного моделювання мережі водопостачання.

Керування мережею водопостачання проводиться на підставі розрахункових значень математичної моделі гідравлічного стану цієї мережі і порівняльного аналізу розрахункових та фактичних значень витрати, напору й пьезометров (натиск плюс позначка висоти) у контрольних точках мережі.

Гідравлічний стан мережі визначається повірочним розрахунком, під час проведення якого проводиться визначення потокорозподілу в мережі, подачі й напору джерел за відомих діаметрах труб та відборах води у вузлових точках. Під час перевірного розрахунку відомими величинами є: діаметри й довжини всіх ділянок мережі, їх гідравлічні опори, фіксовані вузлові відбори води, напірно-витратні характеристики всіх джерел, геодезичні позначки всіх вузлових точок. В результаті повірочного розрахунку мають бути визначені: витрати й втрати напору на всіх ділянках мережі, подачі джерел, п'єзометричні напори у всіх вузлах системи.

Для побудови математичної моделі використовуються:

• эелектронні топографічні карти, як джерело картографічної та технічної (атрибутивної) інформації про об'єкти мережі;
• дані про топології мережі: про закільцьовані та розподілені (НЕ закільцьовані) ділянках;
• координати розташування й відбори абонентів.

Математична модель мережі водопостачання разом із розрахунковими значеннями повірочного розрахунку наведена на малюнку:

Водночас із повірочним розрахунком для всіх абонентів видається рівень подачі води при заданих напорі й витраті насосної станції:

Для підвищення точності повірочного розрахунку його проведення здійснюється з урахуванням: часу дня, дня тижня, наявності вихідних, місяцу, року; значень вихідного напору і витрат насосної станції; показників датчиків автоматичного контролю напору / витрат у контрольних точках мережі

В результаті проведення розрахунку виявляються гідравлічні порушення — недостатня / надлишкова подача води, знижена / підвищена швидкість та ін.

На ділянці мережі — негативна витрата: Q-1,2861 л/с, причина якої — недостатньо відкрита на вузлі розгалуження засувка Z_D250в100откр60, а саме — відкрита на 60%. При збільшенні числа витків буде усунутf негативна витрата.

Перебудова мережі в енергозберігаючу структуру проводиться шляхом пошуку та усунення гідравлічних порушень, а також визначення відсотка відкриття / закриття засувок з метою економної (необхідної і достатньої) подачі води.

Математична модель дозволяє прогнозувати подачу води за різних вихідних даних. Зокрема, для завчасного попередження абонентів про зниження подачі води насосною станцією

А саме, завдані такі знижені натиск і витрата насосної станції:

• на першому насосі вихідна витрата 500 л/с за норми 1020 л/с, вихідний напір — 20 м за норми 37 м;
• на втором насосе вихідна витрата 500 л/с за норми 884 л/с, вихідний напір — 20 м за норми 36,6 м.

В результаті розрахунку математичною моделлю по кожному абоненту розраховане зниження подачі води, вказане у графі «Різниця» на малюнку:

Висновки

Геоінформаційна система керування інженерними мережами водопостачання за спільнії роботи підсистем електронного картографування, телекомунікаційної підсистеми та підсистеми математичного моделювання вирішує завдання:

• оперативного усунення аварій
• прогнозування роботи мережі у різних режимах
• визначення місць витоків та інших гідравлічних порушень, що призводять до втрат води
• приведення мережі до енергозберігаючої структури, що забезпечує економію енергоресурсів — оптимальну (необхідну і достатню) подачу води, економію електроенергії та ін.
• оперативний контроль якості води

Економічний ефект від впровадження ГІС керування інженерними мережами водопостачання — економія енергоресурсів від 20% й більше.