Геоинформационная система управления водоснабжением

Введение

Научно-производственное предприятие «Институт геоинформатики» (далее — «Институт») является разработчиком геоинформационных систем управления городскими сетями водоснабжения и канализации «ГИС_ВОДОКАНАЛ».

Компьютерный программный комплекс «ГИС_ВОДОКАНАЛ» внедрен 24.10.2019г. на сети водоснабжения г. Днепрорудное Васильевского района Запорожской области, которая является частью сети водоснабжения Таврического эксплуатационного цеха водоснабжения и водоотведения Коммунального предприятия «Облводоканал» Запорожского областного Совета. По факту внедрения есть акт.

Компьютерная программа «ГИС_ВОДОКАНАЛ» разработана с использованием технологии OpenGIS — инструментальной картографической оболочки QGIS, СУБД PostgreSQL/PostGIS.

Функционирование компьютерной программы производится в вычислительной сети Internet/Intranet рабочих мест на базе персональных ЭВМ без ограничения их количества. При разработке «ГИС_ВОДОКАНАЛ» была взята за основу разработанная ранее геоинформационная система «ГИС_ВОДОКАНАЛ» Хортицкого района г.Запорожье (автор — директор Института Миросенко Д.А.), который по размерности является средним городом: население 200,0 тысяч человек, на территории района находятся крупные предприятия: АО «Мотор-Сич», Завод цветных металлов и др. По факту разработки есть акт.

Геоинформационная система (ГИС) управления инженерными сетями водоснабжения городов (сел, поселков) имеет следующую общую структуру:

• подсистема электронных топографических карт сети водоснабжения;
• телекоммуникационная подсистема датчиков и приборов контроля напора и расхода, управления работой насосных станций;
• подсистема математического моделирования сети водоснабжения, которая решает задачи:
  • оперативного устранения аварий;
  • прогнозирования работы сети в различных режимах;
  • определения мест утечек и других гидравлических нарушений, приводящих к потерям воды;
  • приведения сети в энергосберегающую структуру, обеспечивающую экономию энергоресурсов — оптимальную (необходимую и достаточную) подачу воды, экономию электроэнергии и др.;
  • оперативный контроль качества воды.

1. Подсистема электронных топографических карт сети водоснабжения

Подсистему составляют электронные топографические карты М 1:1000 (основной), 1:500, 1:2000, содержащие городскую застройку в системе условных знаков ДСТУ «Условные знаки для топографических планов масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500».

Разработка таких топографических карт подробно описана в разделе «Генеральные планы населенных пунктов».

Городская сеть водоснабжения представлена на этих планах условными знаками следующих объектов сети: колодцы, участки водоводов, абоненты, задвижки, датчики автоматического контроля напора и расхода воды, насосные станции. Определен необходимый и достаточный состав технических характеристик — атрибутов этих объектов, а именно:

• для колодца — координаты расположения, геодезическая отметка земли, инвентарный номер, графическая схема деталировки колодца, содержащая наличие и схему соединения приборов и запорной арматуры;
• для участка водовода — координаты линии трассы, геодезические отметки глубины прокладки труб, длина участка, количество труб в трассе, диаметр и материал трубы водовода, год и месяц прокладки;
• для задвижки — марка, диаметр, рабочее давление, общее число витков, число витков закрытия;
• для насосной станции — координаты расположения, геодезическая отметка высоты, показания напора H и расхода Q на выходах насосной станции;
• для датчика — координаты расположения, геодезическая отметка высоты, показания напора H и расхода Q;
• для абонента — координаты расположения, отметка земли в месте врезки, высота здания, наименование абонента; фактическое потребление воды за указанный период.

Поиск нужного участка сети на карте города масштаба 1:10000 (или М1:5000) производится по адресу

А затем по указанному месту вызывается топокарта более точного масштаба — 1:1000, 1:500, 1:2000

2. Телекоммуникационная подсистема датчиков и приборов контроля напора и расхода, управления работой насосных станций

Телекоммуникационная система Scada (либо ее аналог) обеспечивает:

• оперативный сбор показаний приборов (датчиков) автоматического контроля напора и расхода, расположенных в контрольных точках сети;
• дистанционное компьютерное управление насосами насосных станций через полупроводниковые преобразователи частоты (ППЧ) двигателей насосных агрегатов. Такое управление — с использованием ППЧ — подачей воды, совместно с использованием показаний датчиков напора и расхода, позволяет учитывать уменьшение/увеличение потребления воды в течение суток и подавать воду в достаточном/не избыточном количестве.

Гибкое регулирование подачи воды через ППЧ обеспечивает до 20% экономии энергоресурсов.

3. Подсистема математического моделирования сети водоснабжения.

Управление сетью водоснабжения производится на основании расчетных значений математической модели гидравлического состояния этой сети и сравнительного анализа расчетных и фактических значений расхода, напора и пьезометров (напор плюс отметка высоты) в контрольных точках сети.

Гидравлическое состояние сети определяется поверочным расчетом, при проведении которого производится определение потокораспределения в сети, подачи и напора источников при известных диаметрах труб и отборах воды в узловых точках. При поверочном расчете известными величинами являются: диаметры и длины всех участков сети, их гидравлические сопротивления, фиксированные узловые отборы воды, напорно-расходные характеристики всех источников, геодезические отметки всех узловых точек. В результате поверочного расчета должны быть определены: расходы и потери напора на всех участках сети, подачи источников, пьезометрические напоры во всех узлах системы.

Для построения математической модели используются:

• электронные топографические карты, как источник картографической и технической (атрибутивной) информации об объектах сети;
• данные о топологии сети: о закольцованных и распределенных (не закольцованных) участках;
• координаты расположения и отборы абонентов.

Математическая модель сети водоснабжения вместе с расчетными значениями поверочного расчета приведена на рисунке:

Одновременно с поверочным расчетом для всех абонентов выдается уровень подачи воды при заданных напоре и расходе насосной станции:

Для повышения точности поверочного расчета его проведение производится с учетом: времени дня, дня недели, наличия выходных, месяца, года; значений выходного напора и расхода насосной станции; показаний датчиков автоматического контроля напора/расхода в контрольных точках сети

В результате проведения расчета обнаруживаются гидравлические нарушения — недостаточная/избыточная подача воды, пониженная/повышенная скорость и другие.

На участке сети — отрицательный расход: Q-1,2861 л/с, причина которого — недостаточно открытая в узле ветвления задвижка Z_D250в100откр60, а именно — открыта на 60%. При увеличении числа витков будет устранен отрицательный расход.

Перестройка сети в энергосберегающую структуру производится путем поиска и устранения гидравлических нарушений, а также определения процента открытия/закрытия задвижек с целью экономной (необходимой и достаточной) подачи воды.

Математическая модель позволяет прогнозировать подачу воды при различных исходных данных. В частности, для заблаговременного предупреждения абонентов о снижении подачи воды насосной станцией

А именно, заданы следующие пониженные напор и расход насосной станции:

• на первом насосе выходной расход 500 л/с при норме 1020 л/с, выходной напор — 20 м при норме 37 м;
• на втором насосе выходной расход 500 л/с при норме 884 л/с, выходной напор — 20 м при норме 36,6 м.

В результате расчета математической моделью по каждому абоненту рассчитано снижение подачи воды, показанное в графе «Разность» на рисунке:

Выводы

Геоинформационная система управления инженерными сетями водоснабжения при совместной работе подсистем электронного картографирования, телекоммуникационной подсистемы и подсистемы математического моделирования решает задачи:

• оперативного устранения аварий
• прогнозирования работы сети в различных режимах
• определения мест утечек и других гидравлических нарушений, приводящих к потерям воды
• приведения сети в энергосберегающую структуру, обеспечивающую экономию энергоресурсов — оптимальную (необходимую и достаточную) подачу воды, экономию электроэнергии и др.
• оперативный контроль качества воды

Экономический эффект от внедрения ГИС управления инженерными сетями водоснабжения — экономия энергоресурсов от 20% и более.