KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE ZARZ
DZANIA
EKSPLOATACJ
SYSTEMÓW TECHNICZNYCH
PRZY ZASTOSOWANIU SYMULACJI CYFROWEJ
Część czwarta
Zastosowanie symulacji cyfrowej do zarządzania
Eksploatacją sieci wodociągowych i kanalizacyjnych
Robert Fedorowicz, Edward Kołodziński, Robert Komarec
1. Zadania i struktura organizacyjna przedsiębiorstwa wodno-kanalizacyjnego
Przedsiębiorstwo wodno-kanalizacjne realizuje szereg zadań związanych z ewidencją,
eksploatacją, modernizacją, rozbudową, remontami sieci, z ochroną środowiska oraz z
obsługą aktualnych i przyszłych odbiorców. W zakresie ewidencji danych o sieci branżowej
najefektywniejszym sposobem komputerowego wspomagania zarządzaniem jest stosowanie
systemów informacji geograficznej (przestrzennej) o terenie typu GIS (z ang. Geografic
Information System)[6], pozwalających na gromadzenie, przetwarzanie i analizy danych
skorelowanych z mapą cyfrową oferowaną przez systemy tego typu.
Prawidłowa realizacja zadań eksploatacyjnych wymaga podejmowania trafnych decyzji w
zakresie wydawania warunków technicznych na podstawie szacowania obciążeń istniejących,
modernizowanych lub projektowanych sieci wodno-kanalizacyjnych, z uwzględnieniem
zasobów wodnych. W trakcie podejmowania tych decyzji wielce użyteczne mogą być analizy i
obliczenia symulacyjne oraz oceny techniczno-eksploatacyjnych parametrów sieci wodno-
kanalizacyjnych a także ciągły dostęp do aktualnej i wiarygodnej informacji graficznej o
wysokim stopniu złożoności.
Posiadanie w systemie informacji przestrzennej kompletu danych o sieci pozwala
wykonywać złożone analizy i obliczenia symulacyjne. Dla sieci wodociągowych analizy te
obejmują np.: kontrolę poprawności struktury sieci i parametrów elementów sieci oraz
symulację rozpływów wody w dowolnych wariantach funkcjonowania sieci dystrybucyjnej, w
dowolnych warunkach eksploatacyjnych. System informacji przestrzennej posiadający takie
możliwości uzyskuje dzięki temu zupełnie nową jakość i oferuje użytkownikowi szereg
właściwości nie spotykanych w innych systemach tego typu. Obliczenia i analizy
symulacyjne wykonywane są w oparciu o model matematyczny [1], reprezentujący istotne
cechy rzeczywistego systemu dystrybucyjnego wody.
1.1 Struktura przedsiębiorstwa wodno-kanalizacyjnego
Przedsiębiorstwo wodno-kanalizacyjne składa się z działów, z których każdy ma do
wykonania inne zadania. Poniżej (rys. 1) przedstawiono przykładową strukturę organizacyjną
przedsiębiorstwa [3].
DYREKCJA
DZIAA
PRODUKCJI DZIAA
SIECI
DZIAA
DZIAA
DZIAA

WODY I OCZYSZCZANIA WODNO-KANALIZACYJNYCH TECHNICZNY WODOMIERZY ZBYTU
Rys. 1 Przykładowa struktura organizacyjna przedsiębiorstwa wodno-kanalizacyjnego [3]
Przedsiębiorstwo wodno-kanalizacyjne realizuje zadania związane z ewidencją,
użytkowaniem i remontami sieci wodociągowych i kanalizacyjnych, ich modernizacją,
rozbudową, z ochroną środowiska oraz z obsługą aktualnych i przyszłych odbiorców.
Każdy z działów realizuje określony zbiór zadań, jednak skuteczność działania całego
przedsiębiorstwa uwarunkowana jest jakością współpracy jego części składowych.
1.2 Zakres komputerowego wspomagania zarządzania przedsiębiorstwem
Komputerowy system wspomagania zarządzania eksploatacją sieci wodno-
kanalizacyjnych wspomaga zarządzanie przedsiębiorstwem w następujących obszarach jego
działania:
" ewidencjonowania i eksploatacji sieci wodociągowych i kanalizacyjnych,
" modernizacji, rozbudowy i remontów sieci wodociągowych i kanalizacyjnych,
" ochrony środowiska i hydrogeologii,
" obsługi aktualnych i przyszłych odbiorców.
Skuteczność komputerowego wspomagania zarządzania w przedsiębiorstwie istotnie
zwiększa zastosowanie mapy cyfrowej terenu jego odpowiedzialności. Możliwość
warstwowego wyświetlania zawartości mapy cyfrowej, oraz łatwy dostęp do danych
opisowych poszczególnych elementów sieci wodno-kanalizacyjnej skraca czas oraz zwiększa
poprawność podejmowania decyzji w procesie zarządzania przedsiębiorstwem.
1.3 Przykłady komputerowego wspomagania zarządzania przedsiębiorstwem
Komputerowy system wspomagania zarządzania eksploatacją sieci wodno-
kanalizacyjnej jest wyspecjalizowanym systemem informacji przestrzennej. Korzystanie z
systemu przyspiesza i usprawnia realizację zadań wykonywanych w przedsiębiorstwie oraz
powoduje racjonalizację podstawowych zadań w komórkach organizacyjnych objętych
systemem. Dotyczy ona dostępu do aktualnych danych o sieci wodno-kanalizacyjnej, jej
aktualizacji, przepływu informacji między komórkami organizacyjnymi oraz tworzenia
dokumentów formalnych.
Natychmiastowy dostęp do potrzebnych informacji zgromadzonych w bazie danych
oraz zorganizowany proces aktualizacji informacji, to podstawowe elementy systemu
gwarantujące jego efektywne wykorzystanie przy zachowaniu wysokiego poziomu
bezpieczeństwa danych i niezawodności działania.
Dostęp do dowolnej informacji przechowywanej w systemie możliwy jest w każdej
komórce organizacyjnej przedsiębiorstwa natychmiast, bez konieczności wizytowania
Ośrodka Dokumentacji Geodezyjno-Kartograficznej w celu uzyskania kopii mapy (można ją
wydrukować z każdego stanowiska roboczego w całości lub interesujący jej fragment /rys.2/
w ciągu kilkunastu sekund).
Rys. 2 Widok zasadniczej mapy cyfrowej
W celu zasięgnięcia informacji np. o danym odcinku sieci wodociągowej wystarczy wskazać
na mapie ten odcinek i automatycznie wyświetlone zostaną jego szczegółowe dane opisowe
(rys. 3).
Rys. 3 Dane opisowe wybranego odcinka sieci wodociągowej
W przypadku zaistnienia konieczności wygenerowania określonego raportu lub
zestawienia w bardzo krótkim czasie można otrzymać niezbędną informację poprzez jedno
naciśniecie "przycisku". Przykład raportu dotyczącego odcinków sieci wodociągowej, które
uległy awarii w pierwszym kwartale 2001 z wyszczególnieniem ilości awarii (awaria może
wystąpić kilkukrotnie na tym samym odcinku a w systemie gromadzone są informacje o
wszystkich tego typu zdarzeniach) i wybranych parametrów odcinka (średnica, długość)
przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4 Raport zawierający informacje o odcinkach które uległy awarii w pierwszym kwartale 2001
Raport przedstawiony na rys. 4 można wydrukować przez naciśnięcie kolejnego "przycisku"
lub naciskając inny "przycisk" uzyskać podświetlenie wyspecyfikowanych odcinków na
mapie cyfrowej (rys. 5).
Rys. 5 Odcinki sieci wodociągowej (kolor czerwony) które uległy awarii w pierwszym kwartale 2001
Wykonanie dokumentów przedstawionych na rys. 4 i 5 tradycyjnymi technikami
zajęłoby dużą ilość czasu zespołowi kilku ludzi natomiast dzięki wspomaganiu
komputerowemu można uzyskać te dokumenty w kilkanaście sekund.
Dokumenty powstałe w trakcie tworzenia kolejnych raportów mogą być oczywiście
zachowane i przetwarzane w ramach systemu przez innych jego użytkowników.
2 Zakres wykorzystania statycznej symulacji*) komputerowej rozpływów wody
W przedsiębiorstwie wodociągów i kanalizacji szereg zadań może być wspomaganych
komputerowo za pomocą symulacji statycznej rozpływu wody w sieci wodociągowej i
spływów ścieków w sieciach kanalizacyjnych.
Symulacja komputerowa przepływu wody może ułatwiać podejmowanie decyzji i
wykonywanie bieżących zadań w przedsiębiorstwie wodociągów i kanalizacji. Analizy i
obliczenia symulacyjne można wykonywać dla sieci już istniejących, modernizowanych lub
przy projektowaniu nowych.
Symulacja komputerowa może być pomocna podczas realizacji w przedsiębiorstwie
wodociągów i kanalizacji następujących grup zadań:
" ewidencji sieci,
" eksploatacji sieci,
" modernizacji i rozbudowy sieci,
" obsługi klientów.
*)
W istocie rzeczy są to statyczne obliczenia rozpływu wody w stanie równowagi.
W ramach grupy zadań związanych z ewidencją sieci analizy symulacyjne ułatwiają
kontrolę zakresów, logiki i spójności danych opisowych. Wiele błędów, popełnionych
podczas wprowadzania danych, może być z łatwością zidentyfikowanych podczas
wykonywania obliczeń symulacyjnych. Np. błąd przy wprowadzaniu jednego z parametrów
odcinka sieci wodociągowej (np. średnicy) o dwa rzędy może pozostać długo nie zauważony
lub wykryty natychmiast przy próbie wykonania analizy rozpływów za pomocą pakietu
symulacji statycznej
W ramach grupy zadań związanych z eksploatacją sieci symulacja komputerowa
może być pomocna przy ocenie stopnia wykorzystania sieci, oszacowaniu możliwości jej
dociążenia bez ponoszenia dodatkowych kosztów związanych z rozbudową sieci. Symulacja
komputerowa może również wspomagać proces planowania remontu fragmentu sieci.
Wykonanie obliczeń symulacyjnych może być pomocne przy oszacowaniu skutków remontu i
zakresu (obszaru) objętego skutkami planowanych wyłączeń. Obliczenia symulacyjne mogą
pozwolić ocenić skutki nagłego przerwania dopływu wody do fragmentu sieci. System może
wskazać armaturę niezbędną do odcięcia dopływu wody do miejsca awarii.
W ramach grupy zadań związanych z modernizacją i rozbudową sieci symulacja
komputerowa pozwala na oszacowanie skutków planowanej modernizacji oraz zmianę
przyjętych założeń projektu, w jego wczesnej fazie, w przypadku uzyskania negatywnych
wyników obliczeń dla pierwotnych założeń. Można w ten sposób uniknąć np.
przewymiarowania sieci w stosunku do potrzeb i zaoszczędzenia tym samym znacznych
środków finansowych.
Symulacja komputerowa może także skutecznie wspomagać proces obsługi
aktualnych i przyszłych klientów. W przypadku zgłoszenia się nowego klienta do
przedsiębiorstwa wodociągów i kanalizacji można wykonać obliczenia symulacyjne,
uwzględniające włączenie go i uzyskać odpowiedz
na pytanie, czy włączenie tego klienta w
określonym miejscu jest możliwe tak, aby nie pogorszyć warunków dostawy wody i odbioru
ścieków z istniejących już gospodarstw domowych, zakładów, instytucji usługowych i
użyteczności publicznej bez ponoszenia dodatkowych inwestycji. Podobne analizy można
wykonać dla istniejącego już klienta w przypadku chęci rozszerzenia usług na dostawę wody i
odbiór ścieków.
Pakiet programowy symulacji statycznej dla sieci wodociągowej wspomaga pracę
przedsiębiorstwa wodno-kanalizacyjnego poprzez realizację dwóch głównych grup zadań:
zadania w zakresie analizy struktury sieci wodociągowej oraz zadania w zakresie
symulacji przepływu wody w sieciach wodociągowych.
2.1 Analiza struktury (topologii) sieci wodociągowej
Realizacja tej grupy zadań polega na analizie struktury sieci wodociągowej [4] w zakresie:
" poprawności incydencji elementów sieci,
" spójności struktury sieci z uwzględnieniem zasilania lub jego braku,
" kontroli danych opisowych (wykrywanie np. zerowej długości i średnicy
odcinków),
" wskazywanie armatury niezbędnej do odcięcia dopływu wody do miejsca awarii.
W przypadku wystąpienia błędu użytkownik informowany jest stosowym
komunikatem oraz następuje podświetlenie błędnych elementów (np. odcinki o zerowej
średnicy i/lub o zerowej długości) na mapie.
2.2 Symulacja statyczna rozpływu wody w sieciach wodociągowych
Podstawą realizacji każdego z poniższych zadań jest wykonanie obliczeń rozpływu
w danej sieci wodociągowej [2][4][6][7]. Dla takiej sieci (ustalonych zasileń i rozbiorów)
wykonuje się obliczenia symulacyjne uzyskując wyniki  np. ciśnienia, prędkości i przepływy
w istotnych miejscach sieci wodociągowej. Wyniki obliczeń mogą być prezentowane także w
postaci graficznej np. odcinki w których prędkość przepływu jest zbyt niska (w tych
miejscach sieci mogą powstawać wtórne ogniska zanieczyszczeń) mogą zostać podświetlone
na mapie.
2.2.1 Ocena zdatności sieci rzeczywistej
Oceny zdatności rzeczywistej sieci wodociągowej można dokonać na podstawie
wykonania obliczeń rozpływów dla modelu sieci, odpowiadającego rzeczywistej sieci
wodociągowej. Analiza parametrów przepływu takich jak ciśnienia i prędkości przepływu
pozwala ocenić stopień zdatności sieci wodociągowej. Szczególnie przydatna może być
właściwość pakietu do selekcjonowania np. odcinków dla których prędkość przepływu należy
do zadanego przez użytkownika przedziału prędkości przepływu (rys. 6). Przydatna może być
także właściwość do selekcjonowania odcinków i węzłów poniżej określonej wartości
ciśnienia (definiowanej przez użytkownika w Parametrach obliczeń) oraz analiza prędkości
przepływu w poszczególnych odcinkach sieci wodociągowej.
Wyniki dla elementów:
****** Węzły zwykłe:
_______________________________________________________________
| |RzędnaTer| q | P | PMinLok |Dotrzym.P|
| ID | [m] | [dm3/s] | [m H2O] | [m H2O] |Glob| Lok|
|___________|_________|___________|_________|_________|____|____|
| 3988 | 0.00 | 0.05 | 27.32 | 0.00 | | |
| 4204 | 0.00 | 0.15 | 19.64 | 0.00 | N | |
| 4215 | 0.00 | 0.15 | 22.66 | 0.00 | | |
.................................................................
| 4216 | 0.00 | 0.05 | 17.79 | 0.00 | N | |
| 4235 | 0.00 | 0.20 | 17.79 | 0.00 | N | |
| 1592 | 0.00 | 0.10 | 35.88 | 0.00 | | |
|___________|_________|___________|_________|_________|____|____|
Rys. 6 Odcinki sieci wodociągowej należące do poszczególnych zakresów prędkości przepływu:
I zakres (kolor niebieski): poniżej 0.5m/s, II zakres (kolor zielony): od 0.5 do 1.5m/s,
III zakres (kolor czerwony): ponad 1.5 m/s oraz wyniki obliczeń dla wybranych węzłów
2.2.2 Ocena możliwości dociążenia (badanie przepustowości) istniejącej sieci
Ocena możliwości dociążenia sieci wodociągowej polega na wykonaniu obliczeń
rozpływów dla sieci wodociągowej obciążonej dodatkowymi, w stosunku do tzw. stanu
normalnej eksploatacji. Po wykonaniu obliczeń i przeprowadzeniu analizy uzyskanych
rezultatów możliwym jest uzyskanie odpowiedzi na pytania dotyczące możliwości
zwiększenia obciążenia sieci wodociągowej (rys. 7). Podobnie jak w poprzednim podpunkcie
bardzo przydatne będą możliwości analizy wyników w postaci podświetlania obiektów - np.
odcinków w których nastąpił nadmierny spadek ciśnienia spowodowany dodatkowym
poborem wody.
dodatkowy
pobór wody
Podsieć (1): Bilans dostaw wody
________________________________________________________
| nr z
ródła | Dostawa wody [dm3/s] | Wydajność [dm3/s] |
|_____________|______________________|___________________|
| y
ródła ciśnieniowe |
|________________________________________________________|
| 1593 | 1153.4 | 1000.0 |
| 9084 | 436.3 | 900.0 |
|-------------|----------------------|-------------------|
| suma | 1589.7 | 1900.0 |
|_____________|______________________|___________________|
Wykryto przekroczenie wydajności 1 z
ródła ciśnieniowego
Nie dotrzymano globalnego minimalnego ciśnienia wody
w 71 węzłach i w 73 odcinkach
Rys. 7 Ocena możliwości dociążenia sieci wodociągowej dodatkowym poborem wody
(kolor czerwony odcinki w których ciśnienie wody spadło nadmiernie)
Po zwiększeniu poboru wody w sieci wodociągowej przekroczona zostanie
maksymalna wydajność jednego ze z
ródeł wody a mimo to powstaną nadmierne spadki
ciśnień aż w 73 odcinkach wodociągu (tabela na rys. 7). Następnym krokiem analizy może
być zmniejszenie poziomu poboru wody, zmiana punktu poboru wody (o ile jest to możliwe)
lub wprowadzenie nowego z
ródła wody. Decyzja należy do projektanta.
2.2.3 Weryfikacja projektów rozbudowy i modernizacji sieci
Weryfikacja projektów rozbudowy i/lub modernizacji sieci wodociągowej polega na
dokonaniu niezbędnych zmian w topologii modelu rzeczywistej sieci wodociągowej
( dobudowaniu w modelu sieci wodociągowej projektowanych odcinków), uwzględnieniu
 przyszłych obciążeń oraz wykonaniu obliczeń rozpływów dla  zmodernizowanej sieci
wodociągowej. Analiza wyników obliczeń dla  zmodernizowanej sieci (rys. 8), pozwala
ocenić efekt planowanych modernizacji i jej skutki dla funkcjonowania sieci wodociągowej w
przyszłości, jeszcze we wczesnej fazie projektowania rozbudowy i/lub modernizacji
rzeczywistej sieci wodociągowej.
Podsieć (1): Bilans dostaw wody
________________________________________________________
dodatkowy
| nr z
ródła | Dostawa wody [dm3/s] | Wydajność [dm3/s] |
pobór wody
|_____________|______________________|___________________|
| y
ródła ciśnieniowe |
|________________________________________________________|
| 1593 | 881.1 | 1000.0 |
| 9084 | 367.6 | 900.0 |
| 9102 | 341.1 | 150.0 |
|-------------|----------------------|-------------------|
| suma | 1589.8 | 2050.0 |
nowe z
ródło
|_____________|______________________|___________________|
Wykryto przekroczenie wydajności 1 z
ródła ciśnieniowego
Nie dotrzymano globalnego minimalnego ciśnienia wody
w 7 węzłach i w 7 odcinkach
Rys. 8 Po wprowadzeniu dodatkowego z
ródła znacznie spadła ilość odcinków
z przekroczeniem ciśnienia minimalnego (kolor czerwony)
Po wprowadzeniu dodatkowego z
ródła wody o maksymalnej wydajności 150 [dm3/s]
znacznie spadła ilość odcinków w których panuje zbyt niskie ciśnienie. Niestety z bilansu
dostaw wody wynika, że wciąż w siedmiu odcinkach ciśnienie jest zbyt niskie a ponadto
przekroczona jest dopuszczalna wydajność "nowego" z
ródła wody. Kolejnym krokiem
analizy mogło by być zwiększenie wydajności nowego z
ródła, zmniejszenie poboru wody
lub wprowadzenie jeszcze jednego z
ródła wody. Decyzja należy do projektanta a pakiet
programowy symulacji ma za zadanie ułatwić wypracowanie ostatecznej decyzji dotyczącej
rozbudowy i/lub modernizacji sieci wodociągowej.
2.2.4 Ocena skutków awarii
Komputerowy system wspomagania zarządzania eksploatacją sieci wodno-
kanalizacyjnych pozwala nie tylko na ewidencjonowanie zdarzeń takich jak awaria (z
uwzględnieniem jej stanu: bieżąca lub usunięta) ale także na ocenę jej wpływu na
funkcjonowanie sieci dystrybucyjnej. Zaistnienie awarii na odcinku sieci wodociągowej (np.
rozerwanie wodociągu przez maszyny budowlane) może powodować wypływ wody, spadek
ciśnienia w sieci, konieczność odcięcia dopływu wody do miejsca awarii. System pozwala
ocenić funkcjonowanie sieci po zaistnieniu awarii poprzez wykonanie symulacyjnych
obliczeń rozpływów wody a wyniki tych obliczeń zilustrować jak na rys. 9.
Rys. 9 Odcinki o zbyt niskim ciśnieniu (kolor czerwony) po zaistnieniu awarii (czerwony trójkąt) oraz
armatura zaporowa niezbędna do odcięcia dopływu wody do miejsca awarii (kolor czarny)
System wspomaga także proces lokalizacji awarii poprzez automatyczne wskazanie
armatury niezbędnej do odcięcia dopływu wody do miejsca jej wystąpienia - rys. 9.
3. Podsumowanie
Zaprezentowano zakres komputerowego wspomagania pracy przedsiębiorstwa wodno-
kanalizacyjnego oraz przykładowe rozwiązania na bazie Komputerowego Systemu
Wspomagania Zarządzania Eksploatacją Sieci Wodno-Kanalizacyjnych WodKan. System
tego typu pozwala na zrewolucjonizowanie pracy przedsiębiorstwa, znaczne skrócenie czasu
dostępu do zasobów przedsiębiorstwa bez dodatkowego obciążania pracowników. Uzyskana
w krótkim czasie informacja może być łatwo propagowana do poszczególnych działów dzięki
pracy w sieci komputerowej. Znaczącemu skróceniu ulega także czas obsługi klientów.
Bogate możliwości systemu znakomicie rozszerza możliwość wykonywania statycznych
obliczeń symulacyjnych pozwalających ocenić funkcjonowanie sieci wodociągowej
i kanalizacyjnej w przyszłości, po jej rozbudowie lub modernizacji.
Symulacja komputerowa przepływów w sieciach wodociągowych może być pomocna
w trakcie realizacji bieżących zadań eksploatacyjnych w przedsiębiorstwie wodociągów i
kanalizacji.
Zaprezentowano zakres komputerowego wspomagania pracy przedsiębiorstwa wodno-
kanalizacyjnego z wykorzystaniem statycznej symulacji komputerowej rozpływu wody
zaimplementowanej w Komputerowym Systemie Wspomagania Zarządzania Eksploatacją
Sieci Wodno-Kanalizacyjnych WodKan.
Prowadzenie analiz i statycznych obliczeń symulacyjnych w systemie informacji
przestrzennej pozwala wykorzystać mapę cyfrową nie tylko jako z
ródło danych do tych analiz
ale także jako skuteczne narzędzie do wizualizacji wyników obliczeń (analiza ilościowa).
Przedstawione w artykule przykładowe możliwości zastosowania symulacji statycznej
przepływu wody w sieciach wodociągowych oparto na pakiecie programowym symulacji
statycznej rozpływu wody stanowiącym integralną część Komputerowego Systememu
Wspomagania Zarządzania Eksploatacją Sieci Wodociągowej i Kanalizacyjnej WodKan,
którego bardziej szczegółowy opis można uzyskać na stronie internetowej pod adresem
(www.CyberLtd.pl).
4. Literatura
[1] A. Chojnacki: Modelowanie matematyczne Skrypt WAT, Warszawa 1986.
[2] W. Błaszczyk: Projektowanie sieci kanalizacyjnych. Arkady, Warszawa 1960.
[3] E. Kołodziński, R. Fedorowicz, A. Malinowska,.: Komputerowe wspomaganie
zarządzania eksploatacją sieci wodociągowej i kanalizacyjnej. Materiały I Sympozjum
naukowego Systemy Informacji o Terenie w zarządzaniu, dowodzeniu i kierowaniu,
Jelenia Góra 2000.
[4] Fedorowicz R., Kołodziński E., Komarec R. Symulacja komputerowa w zarządzaniu
eksploatacją sieci wodociągowych i kanalizacyjnych. Materiały VII Warsztatów
Naukowych PTSK  Symulacja w badaniach i rozwoju . Zakopane 2000.
[5] T. Gabryszewski: Wodociągi. Arkady, Warszawa 1983.
[6] W. Petrozolin: Projektowanie sieci wodociągowych. Arkady, Warszawa 1974.
[7] Praca zbiorowa: Wodociągi i kanalizacja. Poradnik. Arkady, Warszawa 1971.