Создание автоматизированной информационной системы учета атмосферных осадков

В статье представлена информация об автоматизированной информационной системе учета атмосферных осадков (АИС «Осадки»), которая позволяет получать достоверную информацию о количестве выпавших атмосферных осадков по разным районам города и пригородов. Приводится описание АИС «Осадки» и расчета объема поверхностного стока на основании сведений, получаемых системой. Представлена информация об управлении этой системой. Полученные сведения обрабатываются и используются для прогнозирования поступления поверхностного стока в систему канализации, прогнозирования режимов работы оборудования на насосных станциях и очистных сооружений, а также для расчета платы за сброс поверхностного стока.

В структуре сточных вод, поступающих на очистку с территории, канализованной по общесплавной системе, поверхностный сток на данный момент составляет 25%. С учетом непрерывного снижения водопотребления на протяжении последних 15 лет и увеличения площадей непроницаемых покрытий за счет застройки городских территорий доля поверхностного стока имеет постоянный тренд к увеличению. Так как выпадение атмосферных осадков по количеству, интенсивности и месту выпадения носит неравномерный характер, нагрузка на систему водоотведения в этот промежуток времени в целом возрастает резко и неравномерно. Это требует выработки соответствующих подходов к управлению поверхностным стоком.

Как известно, управлять можно только тем, что можно измерить. Поэтому потребность в более точных и верифицированных данных по количеству атмосферных осадков с учетом неравномерности и интенсивности выпадения по разным районам города и пригородам возросла. В настоящее время в Санкт-Петербурге разработаны и реализуются мероприятия по отведению и очистке поверхностного стока [1].

Для того чтобы правильно оценить количество поверхностных сточных вод, необходимо определить, сколько выпадает атмосферных осадков (жидких и твердых) на отдельно взятой территории.

С учетом увеличения случаев выпадения нерасчетных атмосферных осадков, неравномерности выпадения по разным районам города и пригородам существующих постов наблюдения Гидрометцентра недостаточно.

Отсутствие достоверной и оперативной информации о количестве атмосферных осадков по разным районам города и пригородам делает невозможным своевременное принятие мер по предотвращению последствий интенсивного выпадения атмосферных осадков. Эта информация является основой при эксплуатации существующих систем водоотведения и при проектировании, строительстве и реконструкции сетей и сооружений водоотведения.

С целью устранения существующих недостатков в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» в тесном сотрудничестве с Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) и федеральным государственным бюджетным учреждением «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова» создана автоматизированная информационная система учета атмосферных осадков.

Целями создания АИС «Осадки» являются:
1. Возможность оперативного управления инфраструктурой города (в том числе комплексом водоотведения) во избежание затоплений территорий города в период интенсивных атмосферных осадков, принятие неотложных мер в области благоустройства.
2. Определение количества фактически выпавших атмосферных осадков по каждому конкретному объекту.
3. Определение количества фактически выпавших атмосферных осадков для заданных территорий (дорог, административных районов, парков), территорий обслуживания.

Система включает в себя 34 осадкомера и 7 метеостанций, которые объединены в пункты наблюдений. В состав пункта наблюдения входят осадкомер, регистратор данных, шкаф управления, метеостанция. При создании АИС «Осадки» разработана методическая, техническая документация и программное обеспечение. Данные пункты наблюдения включены в состав государственной наблюдательной сети Росгидромета [8].

Осадкомеры (рис. 1) предназначены для непрерывного измерения количества атмосферных осадков (жидких, твердых, смешанных) и наблюдением за их интенсивностью. Диапазон рабочих температур составляет от - 40°С до + 50°С [2].

Рис. 1. Общий вид осадкомера

Осадкомер имеет емкость для сбора и взвешивания атмосферных осадков, защиту от ветра, шкаф для сбора и передачи данных, энергоблок. Это устройство измеряет количество всех видов атмосферных осадков: выпавшего дождя, снега и т.д. Система подъема температуры специального устройства - кольца осадкомера - позволяет оттаивать снежинки и затем измерять воду, определяя количество выпавшего снега.

Технические характеристики осадкомера представлены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики осадкомера

Метеостанции в составе анемометра ультразвукового (рис. 2) и погодного датчика (рис. 3) производят измерение дополнительных параметров: температуры и влажности воздуха, атмосферного давления, направления и скорости ветра [3, 4].

Рис. 2. Общий вид анемометра ультразвукового

Рис. 3. Общий вид датчика погодного

Измерение параметров ветра ультразвуковым анемометром осуществляется четырьмя ультразвуковыми датчиками. При этом выполняются циклические измерения во всех направлениях. На основании разницы времени прохождения звука рассчитываются результирующая скорость ветра и направление. Атмосферное давление измеряется при помощи встроенного датчика.

Температура воздуха измеряется датчиком погодным с помощью прецизионного терморезистора, а влажность воздуха - емкостного датчика влажности. Абсолютное давление воздуха измеряется с помощью встроенного датчика.

Данные с пунктов наблюдения и метеостанций поступают на регистратор данных (рис. 4), который разработан специально для применений, связанных с гигрометрией, метеорологией и измерений параметров окружающей среды [7].

Рис. 4. Общий вид регистратора данных

Стандартная версия регистратора данных имеет четыре физических канала ввода, ЖК-дисплей. Все входы устройства имеют внутреннюю защиту от перенапряжений. С помощью внутреннего или внешнего GSM-модема (модема сотовой связи) можно осуществлять удаленную передачу данных [5,6], а также дистанционную настройку параметров.

Пункты наблюдения равномерно расположены на территории Санкт-Петербурга и ближайших пригородов (среднее расстояние между пунктами наблюдений составляет 8-12 км), что соответствует рекомендациям Всемирной метеорологической организации [5]).

АИС «Осадки» круглосуточно, с интервалом в пять минут в автоматическом режиме выполняет сбор метеорологической информации и передает ее в систему Росгидромета [6] и диспетчерские ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».

Выводы:

В Санкт-Петербурге создана первая в России автоматизированная информационная система учета атмосферных осадков высокой плотности.

Использование АИС «Осадки» обеспечивает оперативную передачу данных, позволяет рассчитать объем поверхностного стока для территорий города (земельные участки, дороги, административные районы, парки, территорий обслуживания) и ближайших пригородов с учетом пространственной неоднородности выпадения атмосферных осадков. Кроме того, в том числе, благодаря этому стало возможным формирование сверхкраткосрочного прогноза (до 12 час.).

Получение оперативной и прогностической метеоинформации позволяет оперативно управлять инфраструктурой города (в том числе комплексом водоотведения) во избежание затоплений улиц и транспортных магистралей в период интенсивных атмосферных осадков и опасных явлений, обеспечивает принятие неотложных мер в части благоустройства территории. Анализ поступающих, архивных и прогнозируемых данных обеспечивает возможность принятия своевременных организационно-технических решений для оптимизации режима работы сетей и сооружений, задействованного в водоотведении поверхностных сточных вод персонала, резервирования мощностей обслуживающих организаций, информирования и координации действий с органами власти и управления внешних структур (МЧС, администрации города и т.д.).

Более объективная и точная информация об объемах поверхностного стока позволяет разработать и спроектировать систему отведения поверхностного стока и сооружений для их очистки с максимальной точностью и минимальными затратами.

Экологическая результативность создания АИС «Осадки» заключается в снижении негативного воздействия на окружающую среду, предотвращении несанкционированных загрязнений водоемов, почв, смыва реагентов с улиц и транспортных магистралей, размывания почв и нанесения урона зеленым насаждениям, увеличении объемов доступных к использованию водных ресурсов единственного питьевого источника города реки Нева, повышении комфортности жизнедеятельности населения.

Создание АИС «Осадки» - важная часть проекта по внедрению системы управления водоотведением Санкт-Петербурга, создание которой предусмотрено утвержденной правительством города схемой водоснабжения и водоотведения.

Литература:
1. Журнал «Водоснабжение и санитарная техника», № 6, 2015, стр. 32-41.
2. Руководство по эксплуатации датчика атмосферных осадков.
3. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 3. Часть 1 «Метеорологические наблюдения на станциях», 1985.
4. РД 52.04.614-2000. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 3. Часть 2 «Обработка материалов метеорологических наблюдений», 2000.
5. Инструкция по эксплуатации регистратора данных .
6. РД 52.04.567-2003. Положение о государственной наблюдательной сети, 2003.

Development of computer-based atmospheric precipitation data recording system

The paper presents a computer-based atmospheric precipitation data recording system (CIS «Precipitation») to obtain reliable information on the quantity of atmospheric precipitation in different city districts and the suburbs. The CIS «Precipitation» and the calculation of surface runoff volume using the CIS data are described. The details of the CIS operation are given. The obtained data are processed and used to forecast the inflow of surface runoff to the sewerage system, to predict operation curves of equipment in pumping stations and wastewater treatment plants, and to calculate the surface runoff discharge fee. The CIS key components (precipitation gauges, weather sensors, data loggers, etc.) are described. Thirty four automated observation points of the CIS are installed across the city area at a distance of 8-12 km from each other. Moreover, the CIS «Precipitation» comprises 7 weather stations.

Keywords: atmospheric precipitation, precipitation gauge, weather stations, modules, atmospheric precipitation data recording system, surface runoff.

Dmitriy M. Mikhailov, Chief Engineer, Deputy Director of Wastewater Disposal Directorate, SUE «Vodokanal of St. Petersburg» 1, Beliy Island, 198184, St. Petersburg, Russia. Е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..

Tatiana A. Sinkevich, Deputy Manager of Water Balance and Production Control, Wastewater Disposal Directorate, SUE «Vodokanal of St.Petersburg» 1, Beliy Island, 198184, St. Petersburg, Russia. Е-mail: Sinkevich_ta@ vodokanal.spb.ru.

Dmitriy O. Pashkovskiy, Deputy Manager of Water Balance Unit, Water Balance and Production Control, Wastewater Disposal Directorate, SUE «Vodokanal of St. Petersburg» 1, Beliy Island, 198184, St. Petersburg, Russia. Е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №3 (103), 2016 г.