Основные аспекты построения и применения электронной модели системы водоснабжения

Институт «МосводоканалНИИпроект» успешно реализовал электронные модели схем водоснабжения и водоотведения Уфы, Иркутска, Пензы, Оренбурга. С 2006 года в ООО «Тюмень Водоканал» ведется работа по созданию электронной модели водоснабжения города Тюмени. Модель водоснабжения создавалась с целью оптимизации системы, выбора места расположения точек для контроля давления, а также для определения мест повышенного и пониженного напора в сети. К настоящему времени создана детализированная электронная модель системы водоснабжения, особенностью которой является высокая точность и информативность. Специализированный отдел предприятия постоянно занимается актуализацией созданной электронной модели.

Сложившаяся в последнее годы неблагоприятная ситуация в системах водоснабжения и водоотведения, связанная с износом и техническим состоянием трубопроводов и оборудования в большинстве городов России, а также с ограничением в условиях реформирования жилищно-коммунального хозяйства материальных ресурсов на их восстановление и обновление, требует научно обоснованного подхода к реконструкции и модернизации этих систем.

Для поэтапного решения проблем водной отрасли России, реализации путей развития и реконструкции систем водоснабжения и водоотведения городов России, а также экономического стимулирования их развития правительством России утверждены и введены в действие новые нормативные документы: федеральный закон № 416 «О водоснабжении и водоотведении» [1] и «Правила разработки и утверждения схем водоснабжения и водоотведения и требования к их содержанию» [2].

На основании этих документов развитие централизованных систем водоснабжения и водоотведения городов России осуществляется только в соответствии со схемами этих систем, основой которых является построение и реализация электронной модели системы водоснабжения и водоотведения города. Программное обеспечение электронной модели должно решать задачи сохранности баз данных и геоинформационного отображения схем сетей, мониторинга и актуализации следующей информации:
- графическое отображение объектов централизованных систем водоснабжения с привязкой к топографической основе муниципального образования;
- описание основных объектов централизованных систем водоснабжения;
- описание реальных характеристик режимов работы централизованных систем водоснабжения и их отдельных элементов;
- моделирование всех видов переключений, осуществляемых на сетях централизованных систем водоснабжения;
- определение расходов воды, расчет потерь напора по участкам водопроводной сети;
- расчет изменений характеристик объектов централизованных систем водоснабжения (участков водопроводных сетей, насосных станций потребителей) с целью моделирования различных вариантов схем;
- оценка выполнения сценариев перспективного развития централизованных систем водоснабжения и с точки зрения обеспечения режимов подачи воды.

Необходимость разработки электронной модели водоснабжения обуславливается также тем, что она является базисом для проведения таких видов работ как:
1. Выявление проблемных участков в системе и составление списков реконструируемых трубопроводов.
2. Оптимизация диаметров действующих трубопроводов.
3. Разработка мероприятий, направленных на недопущение снижения минимально необходимого давления в системе.
4. Разработка программы по снижению давления в городе.
5. Выбор точек контроля давления в системе.
6. Выбор места установки регуляторов давления.

7. Выбор оптимального режима работы насосных станций.
8. Разработка программ по снижению всех видов потерь воды.

Основные задачи и этапы построения модели

В нормативных актах Российской Федерации не утверждена степень детализации электронных моделей. Поэтому на первом этапе при отсутствии детальной информации о работе систем водоснабжения разрабатывается укрупненная модель системы, включающая в себя основные магистрали и основные источники питания системы.

Институтом «МосводоканалНИИпроект» накоплен достаточный опыт в области построения электронных моделей при разработке схем систем водоснабжения городов с населением с населением более 500 тыс. человек. Это позволило сформировать единые принципы построения укрупненных электронных моделей для систем водоснабжения, которые легли в основу разработки электронной модели города Тюмени. Принципы построения укрупненных моделей аналогичны разработке детализированной модели.

Первоначально целью построения электронной модели является оценка существующего состояния системы водоснабжения и разработка списка мероприятий по улучшению ее работы. Однако при разработке схем водоснабжения формулируются дополнительные задачи:
- проведение нагрузочных расчетов (моделирование аварийных ситуаций и пожаров). Разработка необходимых мероприятий для обеспечения надежной работы на случай аварийных ситуаций;
- разработка мероприятий для подключения существующих районов и площадок перспективного строительства к централизованным системам водоснабжения;
- разработка укрупненной электронной модели перспективного развития системы водоснабжения рассматриваемого города.

Этапы построения электронной модели напрямую согласуются с поставленными задачами и включают в себя:
1. Построение расчетной схемы.
2. Определение расходной характеристики модели.
3. Проведение предварительных расчетов системы.
4. Калибровку модели.
5. Анализ результатов моделирования и предложения необходимых мероприятий для улучшения работы существующей системы.
6. Анализ перспективного развития города и предложение мероприятий по подключению перспективных районов.
7. Построение модели перспективного развития системы.

Для построения расчетной схемы существующего состояния сети водоснабжения в формате ГИС необходим план сетей водоснабжения на геоподоснове. Расчетная схема включает в себя трубопроводы, колодцы, оборудование насосных станций, регуляторы давления и другие объекты. Одной из особенностей построения расчетных схем в рамках укрупненной электронной модели является то, что за основу принимаются основные магистральные трубопроводы, диаметр которых равен или более определенного значения. Для городов России с населением от 500 тыс. до 1 млн. человек значение диаметра основных магистральных трубопроводов обычно составляет 300 мм по опыту реализации схем водоснабжения и водоотведения.

Второй особенностью построения расчетной схемы в рамках укрупненной электронной модели является использование условной схемы водоотбора, при которой отбор воды из сети представлен как нефиксированные узловые отборы. Расстановка расчетных узловых отборов производится в местах пересечения магистральных трубопроводов, а также в местах сосредоточенного отбора необходимых расходов воды промышленными предприятиями.

Расходная характеристика модели основывается на статистической информации подач насосных станций водоснабжения, а также на статистике расходов, приходящих/выходящих из резервуаров, расположенных в зонах водоснабжения. При этом для определения текущего состояния системы гидравлический расчет проводятся на час максимального водопотребления. Для этого, исходя из имеющихся эксплуатационных данных, выявляется день наибольшего водопотребления. Расчетный час находится путем выявления максимальной часовой подачи насосных станций второго подъема данного дня. Исходя из статистики подач расходов на расчетный час и территориального баланса, производится распределение расходов по зонам водоснабжения.

При разработке детализированной электронной модели жилые дома, а также промышленные предприятия рассматриваются как отдельные потребители воды. Данные потребители привязываются к соответствующим зонам водоснабжения. При этом расход для жилых домов рассчитывается, исходя из количества проживающих жителей в данном доме. В дальнейшем для всех потребителей вводится единый коэффициент для получения соответствия их суммы с суммой фактического расхода, поданного насосными станциями в систему подачи и распределения воды.

При разработке укрупненной электронной модели расчетные узловые отборы «привязываются» к соответствующим зонам водоснабжения. Сосредоточенный отбор воды для нужд промышленных предприятий привязывается к соответствующим расчетным узлам сети, которые определяются трассировкой и месторасположением предприятий. Для определения узловых расходов из общей подачи воды в зону водоснабжения вычитается суммарный расход от сосредоточенных потребителей. По- лученный результат делится на общую протяженность трубопроводов на расчетной схеме, тем самым вычисляется удельный расход на 1 метр трубы.

Этап проведения предварительных расчетов системы заключается в выявлении ошибок при внесении данных в модель и соответствующей ее корректировке.

Одним из важных этапов построения электронной модели является ее калибровка. Целью калибровки электронной модели сети водоснабжения, рассматриваемого города, является соблюдение в узловых точках расчетной модели реальных свободных напоров, в соответствии с принятым расчетным часом. Калибровка проводится индивидуально для каждой зоны водоснабжения.

Для калибровки электронной модели используются все имеющиеся статистические данные и натурные измерения на сети водоснабжения, произведенные на принятый расчетный час:
- данные о количестве включенных насосных агрегатов, свободном напоре и расходе насосных станций;
- данные о высоте воды в резервуарах;
- данные свободного напора перед насосными агрегатами в ЦТП.

Стоит также отметить, что в модели необходимо учитывать отключенные от работы участки сети, т.к. они могут повлиять на потокораспределение в системе и, соответственно, изменить значения свободного напора в узлах гидравлической модели. Корректировка расчетного свободного напора в узловых точках сети производится путем изменения следующих гидравлических характеристик трубопроводов в расчетной схеме:
- эквивалентная шероховатость трубопроводов;
- зарастание трубопроводов.

Под эквивалентной разнозернистой шероховатостью понимают такую высоту выступа шероховатости, которая создает сопротивление, равное действительному сопротивлению испытываемого трубопровода [3]. Зарастанием трубопровода принято называть уменьшение внутреннего сечения трубы вследствие протекания физических, химических и биологических процессов внутри трубопровода. Различие между двумя представленными гидравлическими характеристиками наглядно отображено на рис. 1 [4].

Рис. 1. Различие между шероховатостью и зарастанием трубопровода

Для стальных и чугунных трубопроводов, бывших в эксплуатации, начальное значение шероховатости обычно принимается 1,5 мм в соответствии со справочными данными [5]. Начальное зарастание трубопроводов принимается 0 мм.

Для анализа работы системы в первую очередь производится анализ свободных напоров в сети. В результате выявляются расчетные узловые отборы, свободный напор которых не укладывался в допустимый диапазон (26-60 метров). Дополнительно определяется распределение скоростей движения воды в сети для выявления участков сети с низкими скоростями. На втором этапе производится анализ работы системы на случай возможных чрезвычайных ситуаций (аварии на основных магистральных линиях и пожары). Для моделирования аварий на сети отключаются от работы основные магистральные сети около насосных станций и анализируется работа системы. Моделирование аварий, а также пожаров производится индивидуально для каждой зоны водоснабжения. Расходы на тушение пожаров и их одновременное количество принимаются в зависимости от численности населения рассматриваемой зоны на основе СП 8.13130.2009 [6].

Итогом моделирования аварийных ситуаций и пожаров, а также анализа работы сети является разработка перечня мероприятий для обеспечения надежной и бесперебойной работы системы при возможности возникновения нештатных ситуаций.

На третьем этапе анализа в рамках разработки мероприятий для перспективного развития системы, к моделируемой сети подключаются перспективные районы строительства. Для обеспечения подключения перспективных районов строительства к сети водоснабжения города разрабатывается перечень мероприятий, направленный на обеспечение новых жилых районов бесперебойным водоснабжением.

Все выявленные мероприятия, а также перспективные потребители вносятся в модели перспективного развития системы, которые создаются в рамках схем водоснабжения и водоотведения.

Реализация электронной модели на примере системы водоснабжения города Тюмени

В ООО «Тюмень Водоканал» с 2006 года начата работа по созданию ГИС сетей водопровода с использованием программно-расчетного комплекса Zulu [7], разработчиком которого является ООО «Политерм» (г. Санкт-Петербург). Целью создания являлось повышение качества, надежности и энергоэффективности системы подачи и распределения воды (СПРВ).

Первым шагом создания гидравлической модели явилась оцифровка имеющихся на предприятии планшетов М1:2000. На данной топографической основе с использованием ГИС Zulu была подготовлена укрупненная схема магистральных водоводов г. Тюмени. Для уточнения фактического давления проводились работы по манометрической съемке водопроводной сети города при помощи регистраторов SebalogP. В ходе калибровки гидравлической модели были подобраны коэффициенты шероховатости трубопроводов. В результате удалось достичь достаточной точности расчетов, максимальное расхождение между теоретическим и фактическим значением давления составило не более 1,0 атм.

Гидравлическая модель магистральных водоводов позволила провести ряд важных мероприятий по оптимизации режима работы водопроводной сети г. Тюмени: проектирование и запуск в работу насосной станции 3-го подъема на Московском тракте, выбор места расположения и монтаж датчиков для контроля давления в водопроводной сети города. Данная информация в настоящее время транслируется в реальном времени в центральную диспетчерскую службу и используется для качественного регулирования работы насосных станций.

Модель магистральных водоводов позволяла выполнять гидравлические расчеты системы водоснабжения для решения стратегических проблем в масштабах всего города. При этом из-за упрощенности схемы не было возможности делать прогнозы в случае производства работ во внутриквартальных сетях. В результате было принято решение вести работы по созданию более детализированной расчетной схемы с нанесением трубопроводов до каждого потребителя. Для этой цели в 2010 году были приобретены электронные планшеты М1:500 и осуществлена привязка трубопроводов в ГИС на более точную топографическую основу.

Параллельно проводились полевые работы по паспортизации водопровода силами линейных бригад ООО «Тюмень Водоканал». Результаты обследования оформлялись в виде паспортов на водопроводные колодцы с занесением в базу данных ГИС. С 2011 года в систему дополнительно заносятся фотоматериалы места расположения и технологических схем водопроводных колодцев. На текущий момент работы по паспортизации проведены в среднем для 40% водопроводной сети города. Для основных магистральных водоводов системы водоснабжения Тюмени в базу данных ГИС занесено более 90% паспортов водопроводных колодцев и камер.

В результате в ООО «Тюмень Водоканал» на базе ГИС Zulu 7.0 создана детализированная гидравлическая системы водопровода, содержащая информацию о 12 000 колодцев, 40 000 участках сети, 13 000 единицах запорной арматуры. Особенностью данной системы является более высокая информативность и точность.

Использование гидравлической модели необходимо для принятия решений по управлению системой водоснабжения. Вследствие этого актуальным является вопрос оценки достоверности проводимых расчетов. Исходным материалом оценки правильности расчетов модели и калибровки служит информация о свободном напоре в 10 контрольных точках сети, получаемая в режиме реального времени центральной диспетчерской службой ООО «Тюмень Водоканал» с помощью SCADA-системы. С 2013 года для данной цели также используются показания 800 датчиков давления, установленных на вводах в жилые дома в рамках целевой программы по установке приборов учета.

В процессе калибровки гидравли- ческой модели на основе данных о фактическом давлении для каждого участка водопроводной сети подбирается величина гидравлического сопротивления. Данный показатель зависит от материала трубопровода, диаметра, возраста трубопровода. За счет использования информации о давлении в 800 точках после калибровки удалось достичь высокой точности гидравлической модели.

В ООО «Тюмень Водоканал» детализированная гидравлическая модель сетей водопровода на основе ГИС Zulu применяется для анализа состояния водопроводной сети. Расчеты производятся при изменениях режима работы водозаборных узлов, плановых и аварийных отключениях магистральных водоводов, для определения технической возможности подключения проектируемых объектов к действующим сетям.

В 2011 году на основе комбинации расчетных данных, фактических замеров расходов и данных службы водосбыта была реализована программа по снижению избыточного напора в сети водопровода г. Тюмени. В ходе работ совместно со специалистами ООО «РВК-консалтинг» было произведено обследование, выбор места расположения и диаметров регуляторов давления. Монтаж данного оборудования позволил снизить избыточный свободный напор в районах установки при обеспечении всех потребителей услугой в полном объеме. Контрольные замеры подтвердили стабилизацию напора в сети после регуляторов при неравномерной работе насосных станций 2-го подъема в течение суток. В результате зафиксировано снижение общего количества возникновения новых повреждений на сетях водопровода в районах регулирования напора.

Таким образом, к настоящему времени ООО «Тюмень Водоканал» прошел путь от создания первичной укрупненной электронной модели магистральных сетей водоснабжения до создания детализированной электронной модели. При этом некоторое время на предприятии две системы существовали параллельно. Каждая из них имеет свои особенности.

Плюсами укрупненной схемы, безусловно, являются простота, скорость расчетов, удовлетворительная точность в масштабах районов города. Потребностям предприятия между тем отвечает та модель, которая максимально используется в ежедневной работе. Данная модель должна содержать расположение и привязки всех колодцев, запорной арматуры, насосных станций, помогать в поиске колодцев на местности, для чего используются паспорта и фотографии колодцев. Со временем требованием к электронной системе также становится возможность отображать текущее давление в элементах системы водоснабжения в режиме on-line (SCADA), формировать список отключаемых абонентов для оповещения. Удовлетворить всем вышеперечисленным требованиям может только детализированная электронная модель.

Выводы:

В статье рассмотрены и классифицированы основные этапы, необходимые для построения электронной модели системы водоснабжения. Представлен опыт создания и практического применения электронной мо- дели в повседневной жизни водоканала.

Обязательным условием эффективного использования электронной модели является ее вовлечение в производственную жизнь предприятия. Использование детализированной гидравлической модели в целом повышает устойчивость и эффективность работы системы водоснабжения города.

Литература:
1. Федеральный закон № 416-ФЗ от 07.12.2011 «О водоснабжении и водоотведении».
2. Постановление правительства РФ от 05.09.2013 №782 «О схемах водоснабжения и водоотведения».
3. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. Москва: Недра, 1982. 11 стр.
4. // Справка ПО ZuluHidro: [сайт]. [2015]. URL: http://www.politerm.com.ru/ zuluhydro/help/math_source_data.htm (дата обращения:25.01.2016).
5. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Ленинград: Энергия, 1975. 138 стр.
6. СП 8.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Источники наружного противопожарного водоснабжения. Требования пожарной безопасности.
7. // Сайт [2015]. URL: http://www. politerm.com.ru (дата обращения: 28.01.2016).
8. Примин О. Г., Борткевич В. С., Миркис В.И., Кантор Л.И., Винарский С.Л.
«О разработке схем водоснабжения городов России» // Водоснабжение и санитарная техника, № 7, 2014.
9. Шишов С.Ю.; Иванов В.М.; Бычков Д.А.; Незамаев Е.А. Гидравлическая модель для контроля и управления режимом работы системы водоснаюжения г. Тюмени // Водоснабжение и санитарная техника, № 6, 2014, стр. 59-65.
10. Храменков С.В. Стратегия модернизации водопроводной сети //М.:ОАО «Издательство «Стройиздат», 2005.
11. Абрамов Н.Н., Поспелова М.М., Варапаев В.Н., Керимова Д.Х., Сомов М.А. Расчет водопроводных сетей. 3-е изд., Стройиздат, 1976.

The main aspects of the construction and application of electronic models of the water supply system

In recent years «MosvodokanalNIIproject» Institute has successfully implemented the electronic mod: els for the development of water supply and wastewater disposal systems for such Russian cities as Ufa, Irkutsk, Penza and Orenburg. The Institute has accumulated sufficient experience in this field including the elaboration of methods for the development of enlarged water supply models for the cities of Russia which population exceeds 500 000 inhabitants.
The elaboration of the electronic model for the water supply of the city of Tyumen has been carried out by «Tyumen Vodokanal» since 2006. The water supply model was aimed at the following: to optimize the system, to determine the location of pressure control points and to identify the low and high pressure zones of the network. This electronic model is of high accuracy and of great informative value. It is con: stantly updated by relevant specialists.
By the example of the Tyumen city case study the article summarizes the experience gained by the two organizations («MosvodokanalNIIproject» Institute and «Tyumen Vodokanal») in the field of the practical construction of electronic models for water supply systems.

Gromov Grygoriy Nikolaevych, head of group of Department on the design of sewer and water facilities, JSC «MosvodokanalNIIproekt», postgraduate student of the Department of water supply. 105005, Moscow, pleteshkovsky TRANS., 22. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Bychkov Dmitry Aleksandrovich, head of Central dispatch service of OOO «Tyumen Water Company». 625007, Tyumen, street 30 years of victory (Pobedy), 31. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №9 (109), 2016 г.