Заказчик: Администрация Краснобродского городского округа

Кемерово 2016

Список исполнителей

Содержание

ВВЕДЕНИЕ        4

1. Общее назначение электронной модели системы водоснабжения и водоотведения городского округа        6

2. Расчетные модули электронной модели        11

2.1. Общие положения        11

2.2. Базовый комплект        11

2.3. Подсистема гидравлика        12

2.3.1. Расчет текущего (фактического) гидравлического режима        12

2.3.2. Моделирование переключений        13

2.3.3. Модельные базы        13

2.3.4. Пьезометрический график        17

2.3.5. Продольный профиль        19

2.3.6. Групповые изменения характеристик элементов водопроводных и канализационных сетей по заданным критериям        21

2.3.7. Табличные и графические аналитические инструменты        23

3. База данных электронной модели системы водоснабжения и водоотведения городского округа        24

4. Структура и состав электронной модели        24

4.1. Общие положения        24

4.2. Электронная модель        25

5. Моделирование элементов системы водоснабжения и водоотведения        28

5.1. Моделирование источников        28

5.2. Моделирование участков сетей        29

5.2. Моделирование узлов сети        29

5.3. Моделирование насосных станций        30

5.4. Моделирование потребителей        30

6. Описание топологической связанности объектов        31

ВВЕДЕНИЕ

«Схема водоснабжения и водоотведения Краснобродского городского округа на период 2016 – 2021 гг. с перспективой до 2031 г.» выполняется на основании Муниципального контракта №03-16-ОК от 01.01.2001 г., заключенного между Администрацией Краснобродского городского округа и , в объеме согласованного Технического задания, в соответствии с ФЗ № 000 «О водоснабжении и водоотведении» и ПП РФ г. «О схеме водоснабжения водоотведения».

Схема водоснабжения и водоотведения городского округа – совокупность графического (схемы, чертежи, планы подземных коммуникаций на основе топографо-геодезической подосновы, аэрофотосъемочные материалы) и текстового описания технико - экономического состояния централизованных систем горячего водоснабжения, холодного водоснабжения и водоотведения и направлений их развития. В схеме водоснабжения и водоотведения обосновывается необходимость и экономическая целесообразность проектирования и строительства новых, расширения и реконструкции существующих сооружений, средств их эксплуатации и управления с целью обеспечения энергетической безопасности развития экономики поселения и надежности водоснабжения и водоотведения потребителей.

Целью раздела «Электронная модель систем водоснабжения и водоотведения городского округа» является создание инструмента обеспечивающего:

а) графическое отображение объектов централизованных систем водоснабжения и (или) водоотведения с привязкой к топографической основе муниципального образования;

б) описание основных объектов централизованных систем водоснабжения и (или) водоотведения;

в) описание реальных характеристик режимов работы централизованных систем водоснабжения и (или) водоотведения (почасовые показатели расхода и напора для всех насосных станций в часы максимального, минимального, среднего водоразбора, пожара и аварий на магистральных трубопроводах и сетях в зависимости от сезона) и их отдельных элементов;

г) моделирование всех видов переключений, осуществляемых на сетях централизованных систем водоснабжения и (или) водоотведения (изменение состояния запорно - регулирующей арматуры, включение, отключение, регулирование групп насосных агрегатов, изменение установок регуляторов);

д) определение расходов воды, стоков и расчет потерь напора по участкам водопроводной и канализационной сетей;

е) гидравлический расчет водопроводных и канализационных сетей (самотечных и напорных);

ж) расчет изменений характеристик объектов централизованных систем водоснабжения и (или) водоотведения (участков водопроводных и (или) канализационных сетей, насосных станций потребителей) с целью моделирования различных вариантов схем;

з) оценка выполнения сценариев перспективного развития централизованных систем водоснабжения и (или) водоотведения с точки зрения обеспечения режимов подачи воды и отведения стоков;

База данных электронной модели систем водоснабжения и (или) водоотведения содержит:

а) описание программы моделирования, ее структуры, алгоритмов, возможностей и ограничений при выполнении расчетов;

б) описание модели системы подачи и распределения воды, модели системы сбора и отведения сточных вод;

в) описание системы ввода, вывода и способа переноса исходных данных и характеристик объектов централизованных систем водоснабжения и (или) водоотведения в электронную модель систем водоснабжения и (или) водоотведения, а также результатов моделирования в другие информационные системы.

1. Общее назначение электронной модели системы водоснабжения и водоотведения городского округа

Электронная модель систем водоснабжения и водоотведения городского округа создана на базе программных комплексов «ZuluHydro» и «ZuluDrain», разработанных (г. Санкт - Петербург).

Под электронной моделью систем водоснабжения и водоотведения понимается математическая модель этих систем, привязанная к топографической основе города, предназначенная для имитационного моделирования всех процессов, протекающих в ней.

Геоинформационная система «Zulu» и программно - расчетный комплекс «ZuluHydro» и «ZuluDrain» позволяет решать необходимый для разработки «Схемы водоснабжения и водоотведения» набор задач:

- автоматически создавать электронную модель систем водоснабжения и водоотведения при нанесении ее на карту города с графическим представлением объектов, с привязкой к топографической основе и полным топологическим описанием связности объектов;

- проводить паспортизацию систем водоснабжения и водоотведения;

- выполнять гидравлический расчет;

- моделировать все виды переключений, осуществляемые в системах;

- выполнять расчет балансов;

- проводить групповые изменения характеристик объектов (участков трубопроводов, потребителей) по заданным критериям с целью моделирования различных перспективных вариантов схемы водоснабжения и водоотведения;

- строить пьезометрические графики и производить их сравнение для разработки и анализа сценариев перспективного развития коммуникаций;

- учитывать реконструкцию коммуникаций, связанную с увеличением диаметра трубопроводов для обеспечения перспективных приростов нагрузок;

-  производить расчет отдельных элементов системы водоснабжения и водоотведения.

Расчету подлежат тупиковые и кольцевые сети водоснабжения, в том числе с повысительными насосными станциями и дросселирующими устройствами, работающие от одного или нескольких источников.

Расчеты «ZuluHydro» и «ZuluDrain» могут работать не только в тесной интеграции с геоинформационной системой (в виде модуля расширения ГИС), но и в виде отдельной библиотеки компонентов, которые позволяют выполнять расчеты из приложений пользователей.

Задачи, решаемые «ZuluHydro»:

– Построение расчетной модели водопроводной сети;

– Паспортизация объектов сети;

– Поверочный расчет водопроводной сети;

– Конструкторский расчет водопроводной сети;

– «Гидроудар» -  расчет переходных процессов;

– Коммутационные задачи;

– Построение пьезометрического графика.

Задачи, решаемые «ZuluDrain»:

– Построение расчетной модели канализационной сети;

– Паспортизация объектов сети;

– Поверочный расчет канализационной сети;

– Конструкторский расчет канализационной сети;

– Построение продольного профиля.

Результаты выполненных расчетов можно экспортировать в MS Excel.

ГИС «Zulu» - наиболее распространенное программное обеспечение на территории России (более 4000 пользователей).

Географическая информационная система «Zulu» обладает следующими достоинствами, отсутствующими у многих ГИС:

- отсутствием ограничений на объем вводимой информации;

- возможностью самостоятельного освоения и работы;

- возможностью написания дополнительных модулей в оболочке ГИС;

- дружественным интерфейсом, схожим с популярными офисными приложениями под Windows;

- возможностью работы с общедоступными Tile - серверами;

- возможностью привязки фотоснимков к географическим координатам

местности;

- возможностью отображения движущихся объектов на карте сервера ZuluServer 7.0 через WEB службу WMS;

- высокой скоростью обработки большого объема графической информации;

- возможностью передвижения по коммуникациям предприятия при наличии WEB ZuluServer с корректировкой графических и семантических данных с мобильного устройства, работающего под управлением Windows 7;

- возможностью создания модели рельефа местности и решения целого ряда задач:

- определение высоты местности в любой точке в границах триангуляции, -  вычисление площади поверхности заданной области;

- вычисление объема земляных работ по заданной области;

- построение изолиний с заданным шагом по высоте;

- построение зон затопления;

- построение растра высот;

- построение продольного профиля (разреза) по произвольно заданному пути;

- автоматическое занесение данных по высотным отметкам во всех модулях инженерных расчетов (ZuluThermo, ZuluSteam, ZuluHydro, ZuluDrain, ZuluGaz).

Скорость работы ГИС «Zulu» с большим объемом графической информации превосходит все геоинформационные системы, представленные в сравнительной таблице.

Дополнительные возможности ГИС «Zulu»:

- фильтры по районам;

- работа с геоданными;

- работа с SQL серверами;

- средство разработки собственных приложений;

- привязка космических снимков и работа с ними;

- работа с Google;

- работа с поверхностью земли;

- построение зоны затопления при весенних паводках;

- построение профиля местности (трубопроводов);

- использование WMS, WFS форматов;

- работа с географическими координатами и проекциями;

- хранение данных в различных системах координат (Широта/Долгота (WGS 84, ПЗ - 90, Пулково 42) (градусы);

- меркатор (метры);

- поперечный Меркатор -  UTM или Гаусса - Крюгера (метры);

- отображение данных, хранящихся в разных системах координат на одной карте, в одной из проекций или на глобусе;

- перевод данных из одной системы координат в другую;

- привязка данных местной системы координат к глобальной системе координат;

- ГИС Zulu предоставляет возможность работать с Tile - серверами в координатах: EPSG:3395 -  WGS 84 / World Mercator на сфероиде. Эта проекция используется такими сервисами как Космоснимки, Яндекс карты, Карты mail. ru (спутник) и др. EPSG:3857 -  WGS 84 / Pseudo - Mercator (Spherical Mercator) на сфере. Эта проекция используется такими сервисами как Google, Virtualearth, Maps - For - Free, Wikimapia, Open Street Map, Роскосмос, Навител, Nokia и др.;

- импорт из MapInfo данных в соответствующих проекциях;

- построение модели рельефа местности по изолиниям и реперным точкам (триангуляция Делоне, с ограничениями, с учетом изолиний);

- по модели рельефа: определение высоты местности в любой точке, отображение рельефа;

- триангуляционная сетка;

- отмывка с заданным направлением, высотой и углом освещения;

- экспозиция склонов;

- отображение уклонов;

- построение продольного профиля (разреза) по произвольно заданному пути.

Кроме того, система позволяет получать и отображать на карте пространственные данные с web - серверов. Карты WMS с различных серверов поддерживающих спецификации WMS (Web Map Service), разработанные Open Geospatial Consortium (OGC).

Данные WMS сервера подключаются к системе в виде особого слоя (слой WMS). Этот слой может отображаться на карте в различных комбинациях с любыми другими слоями.

Программа позволяет работать с данными сервера по спецификациям WMS 1.1.1, WMS 1.3.0 (Web Map Service) иWFS 1.0.0 (Web Feature Service) разработанными OGC (Open Geospatial Consortium).

WEB - служба WMS позволяет отображать слои и карты сервера на клиентах, поддерживающих спецификации WMS, в частности, Zulu, Google Earth, Google Api, Open Layers, Yandex Map, MapInfo, ArcGIS и др.

WEB - служба WFS обеспечивает доступ к векторной и семантической информации сервера для клиентов, поддерживающих данную спецификацию.

В программе предусмотрена возможность создавать макросы на языке программирования Visual Basic Script (VB Script), JavaScript (J Script), Microsoft Visual Studio For Appli cations. Назначение макросов кнопкам интерфейса.

Выполнение SQL запросов к пространственным данным в соответствии со стандартами OGC.

Выборка объектов слоя по различным условиям, включая пространственные отношения.

Создание пользовательских стилей линий, из комбинации штриховых, символьных, текстовых элементов.

2. Расчетные модули электронной модели

2.1. Общие положения

Основой программно - расчетного комплекса «ZuluHydro» и «ZuluDrain» является географическая информационная система (ГИС) «Zulu». При помощи ГИС создается карта населенного пункта и наносятся на неё водопроводных и канализационных сетей. Программно - расчетный комплекс «ZuluHydro» и «ZuluDrain» позволяет рассчитывать системы централизованного водоснабжения и водоотведения любого объема и сложности. Расчету подлежат тупиковые и кольцевые сети (количество колец в сети неограниченно), а также системы водоснабжения и водоотведения, в том числе с насосными станциями. Результаты расчетов могут быть экспортированы в MS Excel, наглядно представлены с помощью тематической раскраски и пьезометрических графиков. Картографический материал и схема сетей может быть оформлена в виде документа с использованием макета печати.

При создании векторного слоя сетей городского округа использованы схемы магистральных, распределительных и квартальных сетей, предоставленные МУП «Водоканал».

2.2. Базовый комплект

В базовый комплект входят следующие модули:

ПРК «ZuluHydro»

- Поверочный расчет водопроводных сетей;

- ПО для построения пьезометрических графиков.

ПРК «ZuluDrain»

- Поверочный расчет сетей водоотведения;

- ПО для построения продольного профиля.

2.3. Подсистема гидравлика

2.3.1. Расчет текущего (фактического) гидравлического режима

Текущие и аварийные гидравлические режимы, режимы отключений и переключений в ПРК «ZuluHydro» и ПРК «ZuluDrain» производится с помощью модулей «Поверочный расчет водопроводной сети» и «Поверочный расчет сетей водоотведения».

ZuluHydro

Целью поверочного расчета является определение потокораспределения и потери напора в каждом участке водопроводной сети, подачи и напора источников при известных диаметрах труб и отборах воды в узловых точках.

Для поверочного расчета исходными величинами являются:

В результате расчета определяются:

ZuluDrain

Целью гидравлического поверочного расчета системы водоотведения является определение пропускной способности существующих трубопроводов. Поверочный расчет напорной канализации выполняется в расчетном модуле «ZuluHydro».

Созданная математическая имитационная модель системы водоснабжения и водоотведения, служащая для решения поверочной задачи, позволяет анализировать гидравлический режим работы системы, а также прогнозировать изменение у потребителей.

2.3.2. Моделирование переключений

Анализ отключений, переключений, поиск ближайшей запорной арматуры, отключающей участок от источников, или полностью изолирующей участок и т. д.

Моделирование позволяет рассчитать изменения в сети вследствие отключения или изолирования заданных объектов сети (участков, арматуры и т. д.).

Результаты расчета отображаются на карте в виде тематической раскраски и выводятся в отчет.

2.3.3. Модельные базы

В модели используются следующие базы данных элементов сети:

ZuluHydro

- Источник (резервуар, открытый водозабор, скважина с погружным насосом);

- Участок;

- Колодец;

- Колодец с гидрантом;

- Водонапорная башня;

- Контррезервуар;

- Насос (насос с фиксированным напором, насос с заданными характеристиками);

- Потребитель (потребитель с фиксированным отбором, потребитель с заданным напором, потребитель с заданным сопротивлением, потребитель с нефиксированным отбором вычисляемым сопротивлением);

- Регулятор давления;

- Запорная арматура;

- Обратный клапан;

- Воздушный колпак;

- Разрушаемая мембрана;

- Локальное сопротивление.

ZuluDrain

- Колодец;

- Выпуск;

- Участок.

Представленное наполнение паспорта объектов водопроводных и канализационных сетей является базовым, при необходимости элементы базы данных паспорта могут быть заменены, удалены, добавлены и перегруппированы.

Примечание: Напорная канализация выполняется с использованием элементов ZuluHydro.

Рис. 2.1. Пример отображения базы паспорта объектов водопроводной сети

Рис. 2.2. Пример отображения базы паспорта объектов канализационной сети

2.3.4. Пьезометрический график

Целью построения пьезометрического графика является наглядная иллюстрация результатов гидравлического расчета (поверочного, конструкторского).

Цвет и стиль линий задается пользователем.

В таблице под профилем выводится информация по каждому узлу и участку сети. Количество выводимой под профилем информации настраивается пользователем.

Рис. 2.3. Пример отображения пьезометрического графика водопроводной сети

2.3.5. Продольный профиль

Целью построения продольного профиля является наглядная иллюстрация результатов расчета (поверочного, конструкторского). При построении профиля отображаются линия поверхности земли, отметки лотков, диаметры, уклоны трубопроводов, глубины колодцев, а также наполнение колодцев и участков сети водоотведения по выбранному маршруту, например, от потребителя до одного из колодцев.

Маршрут для продольного профиля строится автоматически, достаточно указать его начальный и конечный узлы. Если путей от одного узла до другого может быть несколько, то необходимо указать промежуточные узлы.

Цвет и стиль линий задается пользователем.

В таблице под профилем выводится информация по каждому узлу и участку сети. Количество выводимой под графиком информации настраивается пользователем.

Рис. 2.4. Пример отображения продольного профиля канализационной сети

2.3.6. Групповые изменения характеристик элементов водопроводных и канализационных сетей по заданным критериям

ПРК «ZuluHydro» и ПРК «ZuluDrain» имеет в своем составе гибкий инструмент групповых изменений характеристик объектов.

Изменение характеристик объектов сети может производиться по желанию пользователя по виду группировки:

– суммарно;

– отдельного источника;

– зона действия источника, определенная граничными условиями;

– тип объекта сети;

– уникальное свойство группы объектов сети.

Помимо изменения характеристик групп объектов возможно изменение режима работы этих объектов.

Данный инструмент применим для различных целей и задач гидравлического моделирования. Трубопроводы реальной сети всегда имеют физические характеристики, отличающиеся от проектных, в силу происходящих во времени изменений -  коррозии и отложений, отражающихся на изменении эквивалентной шероховатости и уменьшении внутреннего диаметра вследствие зарастания. Очевидно, что эти изменения влияют на гидравлические сопротивления участков трубопроводов, и в масштабах сети в целом это приводит к весьма значительным расхождениям результатов гидравлического расчета по "проектным" значениям с реальным гидравлическим режимом, наблюдаемым в эксплуатируемой водопроводной или канализационной сети. С другой стороны, измерить действительные значения шероховатостей и внутренних диаметров участков действующей сети не представляется возможным, поскольку это потребовало бы массового вскрытия трубопроводов, что вряд ли реализуемо. Поэтому эти значения можно лишь косвенным образом оценить на основании сравнения реального (наблюдаемого) гидравлического режима с результатами расчетов на гидравлической модели, и внести в расчетную модель соответствующие поправки. В этом, в первом приближении, и состоит процесс калибровки.

Как пример, для предварительного моделирования фактического режима с помощью вышеописанного инструмента можно изменить характеристику трубопроводов водопроводных и канализационных сетей в части таких параметров как – зарастание и эквивалентная шероховатость. Так как за время эксплуатации значения этих характеристик изменились относительно проектных, можно изменить эти показатели относительно такого условия как год прокладки инженерных сетей. Инструмент позволяет выделить в группу участки с совпадающим годом прокладки или промежутком лет прокладки и изменить характеристики только этой группы объектов.

2.3.7. Табличные и графические аналитические инструменты

Электронная модель имеет в своем составе дополнительные средства для анализа состояния гидравлического режима и помощи при его отладке, а также калибровки фактического состояния гидравлики сети. К этим средствам относится:

– произвольные табличные аналитические документы, построенные по исходным данным и результатам гидравлического расчета;

– гидравлические справки по отдельным узлам, участкам, источникам, насосным станциям и потребителям;

– произвольные запросы и выборки из базы данных, содержащие любые описанные функции от параметров режима, полученных в результате гидравлического расчета;

– «гидравлическая» раскраска сети: разными цветами выделяются включенные, отключенные и тупиковые участки сетей;

– специальные раскраски сети по значениям различных характеристик гидравлического режима;

– графические выделения (выделения цветом или иным способом узлов и/или участков сети по некоторому критерию), например: потребители с превышением давления, колодцы, камеры с "прижатыми" задвижками, узлы с напором ниже заданного, участки с превышением заданной скорости потока, и т. п.

– расстановка на схеме сетей значков - стрелок, указывающих направление движения потока по магистрали;

– подпись на схеме значений расходов по участкам и давлений в узлах сети.

Набор раскрасок, графических выделений и аналитических документов ничем не органичен, кроме потребностей пользователя и соблюдения общего принципа: группировать, фильтровать и анализировать можно только те данные, которые в явном виде присутствуют в базе данных проекта, либо вычислимы из последних.

3. База данных электронной модели системы водоснабжения и водоотведения городского округа

База данных электронной модели системы водоснабжения и водоотведения городского округа передана заказчику в электронном виде в формате ПРК «ZuluHydro» и ПРК «ZuluDrain». Указанная база данных имеет большой объем выходных табличных данных, предоставление ее в печатном виде не целесообразно.

4. Структура и состав электронной модели

4.1. Общие положения

Основой для создания электронных моделей схемы водоснабжения и водоотведения городского округа послужили полученные от Управления архитектуры и градостроительства топосновы города в электронном виде в формате MapInfo с разбивкой по слоям.

Данные векторные слои составляли генеральный план города и разделялись на следующие типы:

– здания;

– дороги, улицы, проезды;

– гидрография;

– железные дороги;

– зеленые насаждения;

– надписи;

– наружные инженерные сети;

– линии рельефа местности,  горизонтали;

– прочие вспомогательные слои.

Программными средствами Zulu все основные векторные слои были импортированы в электронную модель города. Таким образом, была получена электронная карта города, выполненная в соответствующем масштабе и с соответствующей деталировкой, которая зависела от качества исполнения изначального генерального плана

4.2. Электронная модель

Электронная модель представляет собой связанный граф, где узлами являются объекты, а дугами графа – участки водопроводной и канализационной сети. Каждый объект математической модели относится к определенному типу, характеризующему данную инженерную сеть, и имеет режимы работы, соответствующие его функциональному назначению. Водопроводная и канализационная сеть включает в себя следующие основные объекты:

– Источник;

– Участок;

– Потребитель;

– Обобщенный потребитель;

– Узел;

– Насосная станция;

– Задвижка;

– Воздушный клапан;

– Регулятор напора;

– Регулятор расхода.

Пример графического представления объектов системы водоснабжения и водоотведения городского округа с привязкой к топографической основе представлен на рис. 4.1. и рис. 4.2.

Рис. 4.1. Графическое представление объектов системы водоснабжения и водоотведения с привязкой к топографической основе

Рис. 4.2. Графическое представление объектов системы водоснабжения и водоотведения с привязкой к топографической основе

(подробный вид)

5. Моделирование элементов системы водоснабжения и водоотведения

5.1. Моделирование источников

Источник – это символьный объект сети, моделирующий режим работы водозабора, скважины, резервуара чистой воды, контррезервуара, водонапорной башни.

Условное обозначение источника в зависимости от режима работы:

Источник - 

Водонапорная башня - 

Контррезервуар - 

5.2. Моделирование участков сетей

Сеть водоснабжения и канализации изображается в одну линию и может, в зависимости от желания пользователя, соответствовать или не соответствовать стандартному изображению сети по ГОСТ 21- 605- 82.

Как любой объект сети, участок имеет разные режимы работы, например, «включен» или «выключен», см. рис.5.1.

Рис. 5.1. Режимы изображения участка

Участок как тип инженерной сети может выступать в качестве отсекающего устройства. Т. е. в этом случае его можно использовать для отключения объектов, например, потребителей.

5.2. Моделирование узлов сети

Узел – это символьный объект сети, например, разветвление трубопровода, смена диаметра, вида трубопровода или точка контроля для регулятора.

Условное обозначение узловых объектов в зависимости от режима работы:

Водопроводный колодец с водоразборной
колонкой - 

Водопроводный колодец с пожарным
гидрантом - 

Колодцы канализационной сети -

5.3. Моделирование насосных станций

Насосная станция – символьный объект сети, характеризующийся заданным напором или напорно - расходной характеристикой установленного насоса.

Типовое обозначение насоса (насосной станции) в ГИС Zulu в зависимости от режима работы см. рис. 5.2.

Рис. 5.2. Пример отображения насосной станции

5.4. Моделирование потребителей

Потребитель – это символьной объект сети, характеризующийся потреблением услуг водоснабжения или водоотведения.

Условное обозначение потребителя в зависимости от режима
работы см. рис. 5.3.

Рис. 5.3. Пример отображения потребителя

6. Описание топологической связанности объектов

Описание топологической связности представляет собой описание гидравлической структуры узлов системы водоснабжения и водоотведения (коллекторов, камер). В результате выполнения данного этапа работ была создана гидравлическая модель системы водоснабжения и водоотведения, отражающая существующее положение системы водоснабжения и водоотведения города. Подробно алгоритм описание топологической связности объектов представлен в руководстве пользователя, прилагаемом к ПРК «Zulu».