Задачи повышения эффективности моделирования систем водоснабжения

УДК 628.38.761

Опыт моделирования систем водоснабжения позволяет выделить четыре этапа, которые отличаются совокупностью применяемых вычислительных методов, реализующих их программ и решаемых задач. Ряд специалистов отмечает отставание отечественного уровня от общемировых тенденций. Но более правильно говорить о расслоении в среде специалистов, использующих и создающих модели. В настоящее время формируется очередной этап в развитии моделирования, связанный с изменениями в самих системах водоснабжения. Чтобы не упустить наметившиеся тенденции, нужно, прежде всего, изменить подходы к обучению и подготовке специалистов на всех уровнях.

Ключевые слова: моделирование систем водоснабжения, вычислительные методы, обучение специалистов.

Развитие гидравлических расчетов водопроводных сетей в СССР и сформировавшееся уже в основном в российский период направление моделирования систем водоснабжения представляет собой единый процесс совершенствования расчетных методов, программного обеспечения и технологий, нашедших повсеместное применение в проектировании и эксплуатации водопроводных сетей и сооружений, относящихся к подсистеме подачи и распределения воды. Данный процесс формировался в контексте мирового опыта и характеризовался отдельными этапами развития моделирования и сменой поколений моделей.

Изначальное фактическое равенство на начальных этапах и определенные заделы, имевшие место в 70-е годы, были утрачены в 90-е годы в силу известных социально-экономических процессов и заметного отставания в использовании персональных компьютеров (ПК). Образовавшийся разрыв между отечественным и зарубежным уровнем развития моделирования в целом был успешно преодолен в начале века, тем не менее отдельные специалисты [1] небезосновательно считают, что отставание существует и даже имеет критический размер, особенно по части практического использования моделей на небольших предприятиях ВКХ России.

Основываясь на опыте моделирования систем водоснабжения в Санкт-Петербурге и ряде регионов, авторы сформировали свое представление относительно особенностей развития моделирования на фоне мирового опыта и задач по его развитию.

Модели первого поколения, которые использовались в 60-е годы прошлого века, основывались на методах В.Г. Лобачева и Харди Кросса, М.М. Андрияшева. Среди первых отечественных программ для ЭВМ следует отметить хорошо известные разработки Л.Ф. Мошнина (ВНИИ ВОДГЕО), Н.Н. Абрамова (МИСИ) и несколько менее известные программы Н.У. Койды (ЛИИЖТ), А.М. Курганова (ЛИСИ), Г.П. Чайковского (ХабИИЖТ), Н.А. Черникова (ЛИИЖТ). Программы и методы, применявшиеся на первом этапе, были ориентированы на расчеты водопроводных сетей вручную, имели ограничения по количеству контуров (колец) рассчитываемых сетей и позволяли считать только плоские в топологическом отношении сети.

Модели второго поколения (70-е-80-е годы прошлого века) были изначально ориентированы на использование ЭВМ, и за счет применения методов вычислительной материки (Ньютона-Рафсона и др.) позволили снять ограничения по количеству контуров (колец) сети и рассчитывать сети любой топологии, системы с нефиксированными отборами, то есть расходами, зависящими от напора воды. Соответствующие программы разработали академик РАН В.Я. Хасилев, А.П. Меренков, А.Г. Евдокимов, А.Д. Тевяшев, Р.В. Чупин, Stoner, John R. Haestad и др. Тем не менее трудоемкая подготовка исходных данных, необходимость существенного упрощения расчетных схем и отсутствие графического представления результатов существенно препятствовали широкому внедрению гидравлических расчетов водопроводных сетей.

Модели третьего поколения (80-е-90-е годы прошлого века) отличались следующими особенностями: использование графического интерфейса пользователя, применение для хранения и обработки информации баз данных. Графический интерфейс коренным образом изменил положение дел в моделировании, сделав результаты моделирования наглядными и понятными не только специалистам по моделированию, но и эксплуатационному персоналу.

Именно третье поколение моделей ознаменовалось переходом от отдельных гидравлических расчетов к моделированию, как непрерывному процессу сбора и обработки данных и анализа потокораспределения в сетях. На данном этапе широко применяются ПК и профессиональные коммерческие программы, такие как WaterCAD, Stoner, Mikenet, «Армтест» («Политерм»), «Гидрограф» (ИВЦ «Поток»).

Модели четвертого поколения отличают:
- повсеместный переход к моделированию длительных периодов работы системы водоснабжения (квазистационарные модели);
- моделирование качества воды;
- оптимизация параметров сети и режимов ее эксплуатации.

Многие программы и методы третьего поколения успешно перешли в модели четвертого поколения и зачастую их вполне допустимо рассматривать как единый этап, в ходе которого происходит переход от калибровки сетей к калибровке систем водоснабжения, включая калибровку насосных станций, режимов потребления, резервуаров. Именно на данном этапе, по мнению ряда специалистов [1], сложилось критическое отставание в области моделирования систем водоснабжения российских поселений. Несомненно, приходится сталкиваться с глубокой и досадной недооценкой роли моделирования длительных периодов работы системы водоснабжения и вопросов их полноценной калибровки, но нам хорошо известны и противоположенные примеры, причем не только в столичных, но и в региональных водоканалах. Наиболее широко используются отечественные программные комплексы ZULU, CityCom, SibStream, в крупных водоканалах применяются и зарубежные средства моделирования, такие как Sinergi, DHIMIKEUR-BAN, WaterCAD.

Куда важнее в данный момент не упустить формирующийся сейчас очередной этап моделирования, который связан с развитием концепции «разумных» сетей, или S-Net, обладающих такими свойствами, как:
- развитые непрерывного автоматического мониторинга системы водоснабжения;
- внедрение зонального принципа построения сети, включая зоны контроля водопотребления и зоны контроля давления;
- наличие на сетях и станциях средств автоматического управления в режиме реального времени, включая оптимальное управление подачей воды по диктующим точкам сети;
- наличие адекватной подробной модели системы водоснабжения, интегрированной с ГИС и системами абонентского учета;
- использование программного обеспечения, позволяющего вырабатывать стратегию оптимизации системы и режимов ее эксплуатации в режиме реального времени;
- переход к использованию CALS-технологий моделирования (англ. Continuous Acquisition and Lifecycle Support - непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла системы);
- высокая квалификация и постоянное обучение персонала.

Следует отметить, что ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» имеет определенный опыт в данном направлении. Наряду с функционирующей на предприятии ГИC и имеющимся опытом моделирования в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» перешли к созданию системы управления водоснабжением, суть которой заключается в определении оптимального рабочего давления в диктующих точках, управлении работой водопроводных насосных станций по данным о давлении в диктующих точках, формировании зональной системы учета воды и контроля над утечками [2-5].

В зарубежной практике подобные гидравлические модели используются для управления активами, разработанные методики позволяют существенно повысить энергоэффективность систем водоснабжения [6].

Проделанный анализ позволяет сформировать следующие задачи в области моделирования систем водоснабжения городов России:
- создание методического обеспечения в области моделирования систем водоснабжения;
- написание учебника для ВУЗов, адекватно отражающего мировой опыт моделирования;
- постоянный обмен опытом, обучение на базе передовых предприятий.

Особое внимание следует уделить разъяснению специалистам вопросов калибровки моделей, особенностям и значению моделирования длительных периодов работы систем водоснабжения и нефиксированных отборов воды.

По нашему мнению, на данном этапе вопросы обучения и методического обеспечения наиболее важны для выравнивания общего уровня в области моделирования и преодоления опасного расслоения среди специалистов и предприятий ВКХ.

Литература:
1. Сычев О.Ф. Отставание критического размера. Актуальные проблемы моделирования водопроводных сетей в России // Вода Magazine. 2015. № 4 (92).
2. Юдин М.Ю., Смирнова С.В., Мельник Е.А., Хямяляйнен М.М. Гидравлическая модель в системе управления водопроводной сетью Санкт-Петербурга // Водоснабжение и санитарная техника. 2012.№ 3.
3. Юдин М.Ю., Смирнова С.В., Хямяляйнен М.М. Опыт применения комплексных гидравлических расчетов системы подачи воды Санкт-Петербурга // Водоснабжение и санитарная техника. 2006. № 9-1.
4. Махнев П.П., Юдин М.Ю., Пиленкова Е.Е., Хямяляйнен М.М. Моделирование подачи воды Санкт-Петербурга // Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 8 ч. 2.
5. Кармазинов Ф. В., Панкова Г. А., Ипатко М. Н., Игнатчик В. С., Игнатчик С. Ю.,Саркисов С. В., Путилин П. А. Методика оптимизации зональных систем водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника, 2016. № 2.
6. Energy efficiency in water distribution systems - a path to an ideal network: AGS experience.
J. Feliciano, R. Almeida, A. Santos, A. Ganhao, D. Covas, H. Alegre. Published August 2014, 14 (4) 708-716; DOI: 10.2166/ ws. 2014.027.

Water supply systems modeling. The problem of efficiency improving

The experience of water supply systems modeling shows four stages, which are different by aggregation of calculating methods, programs, realizing those methods set of tasks. Some experts noted the lag of domestic modeling level of global trends. Its more correct to speak of stratification among experts, which are use and create such models. The next stage of models developing is forming. Its based on changes of water supply systems itself. Being on the same page with global trends means changing the ways of education and raising up professional skills for all involved personalities.

Keywords: modeling of water supply systems, computational methods, training and education.

Yudin Mikhail Yurievich, head of the advanced design of systems of water supply and sanitation sue «Lengiproinzhproekt». 196105, Saint-Petersburg, Kuznetsovskaya, 52 D. cor. 1. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Mezentsev Andrey Fedorovich, chief specialist of the department for advanced design of water supply and sanitation sue «Lengiproinzhproekt». 196105, Saint-Petersburg, Kuznetsovskaya, 52 D. cor. 1. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Pilenkova Catherine Evgenievna, specialist of the department for advanced design of water supply and sanitation sue «Lengiproinzhproekt». 196105, Saint-Petersburg, Kuznetsovskaya, 52 D. cor. 1. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Hamalainen Mikhail Mikhailovich, candidate of technical Sciences, director of department of development of systems of water supply and sanitation of the production directorate. Sue «Vodokanal of St. Petersburg». 191015, Russia, Saint-Petersburg, St cavalry., 42. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №6 (106), 2016 г.