Создание и оценка гидравлической модели для реконструкции резервуаров чистой воды на сетях водоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание и оценка гидравлической модели для реконструкции резервуаров чистой воды на сетях водоснабжения

Криницкий Д.Р.

Аннотация

В статье рассматривается процесс создания гидравлической модели системы водоснабжения крупного населенного пункта на территории Российской Федерации. Особое внимание уделяется реконструкции существующих резервуаров чистой воды. Приводится методика сбора исходных данных, построение модели в специализированном программном обеспечении и оценка полученных результатов на основе полевых измерений. Рассматриваются преимущества и ограничения использования такой модели для проектирования и эксплуатации систем водоснабжения, а также предлагаются решения для устранения выявленных проблем в процессе моделирования. резервуар чистой воды реконструкция

Ключевые слова: Резервуар чистой воды, реконструкция, гидравлическая модель, EPANET 2.0, модель водопотребления, моделирование, оптимизация водоснабжения.

Annotation: The article deals with the process of creating a hydraulic model of the water supply system of a large population center in the Russian Federation. Special attention is paid to the reconstruction of existing clean water reservoirs. The methodology of initial data collection, model building in the specialized software and evaluation of the obtained results on the basis offield measurements are given. The advantages and limitations of using such a model for the design and operation of water supply systems are considered, and solutions to eliminate the identified problems in the modeling process are proposed.

Key words: Fresh water tank, reconstruction, hydraulic model, EPANET 2.0, water consumption model, simulation, water supply optimization.

Введение

С развитием городов и населенных пунктов увеличивается их население и как следствие возрастает водопотребление, что требует строительства новых водопроводных очистных сооружений либо реконструкции уже имеющихся. В ходе реконструкции уже имеющихся резервуаров чистой воды резервуарный парк может не заменяться, а дополняться новыми резервуарами при реконструкции [1]. В результате, после нескольких реконструкций на площадке очистных сооружений может находиться уже целая группа разных по объему резервуаров, объединенных в единую систему. Их взаимная работа может сопровождаться неустойчивой работой, переливами и застоями жидкости в резервуарах [2]. Именно с такой инженерной проблемой пришлось столкнуться авторам статьи.

В рамках решения данной задачи были собраны и проанализированы исходные данные о состоянии системы водоснабжения, разработана гидравлическая модель с использованием специализированного программного обеспечения EPANET, проведена калибровка модели на основе полевых данных, проанализирована работа системы и предложены эффективные решения для устранения выявленных проблем [3,4].

Цель и задачи исследования

Целью данной статьи является создание и оценка гидравлической модели системы водоснабжения крупного населенного пункта на территории Российской Федерации, с учетом реконструкции существующих резервуаров чистой воды, для обеспечения надежного и эффективного функционирования системы.

Основные задачи включают:

1) Провести сбор и анализ исходных данных о состоянии существующей системы водоснабжения, включая данные о водопотреблении, режимах работы насосных станций, геометрические параметры трубопроводов и резервуаров.

2) Разработать гидравлическую модель системы водоснабжения с использованием специализированного программного обеспечения EPANET, включающую новые и существующие резервуары чистой воды.

3) Провести калибровку модели на основе полевых данных и сравнить результаты моделирования с реальными измерениями для оценки точности модели.

4) Проанализировать работу системы водоснабжения с учетом реконструкции резервуаров, выявить проблемы и предложить эффективные решения для их устранения.

5) Оценить преимущества и ограничения использования гидравлической модели для проектирования и эксплуатации систем водоснабжения, а также предоставить рекомендации по оптимизации работы системы.

Процесс создания гидравлической модели системы водоснабжения в программе EPANET

Создание гидравлической модели системы водоснабжения с учетом реконструкции резервуаров чистой воды является важной задачей, требующей комплексного подхода и тщательной проработки всех этапов [5]. В рамках данного исследования была разработана гидравлическая модель с использованием программы EPANET, что позволило детально проанализировать работу системы водоснабжения и выявить возможные проблемы и пути их решения [6].

За основу была взята система водоснабжения населенного пункта с численностью населения немногим более 60 тысяч человек. В данном населенном пункте присутствует нефиксированный отбор воды из сети, а также имеется промышленное предприятие с постоянным (фиксированным) водопотреблением. (Рисунок 1)

Рисунок 1. Гидравлическая модель в программе EPANET

Исходные данные для моделирования включали в себя информацию о геометрических параметрах сети, гидравлических характеристиках элементов системы, а также данные о режимах эксплуатации и водопотреблении. В первую очередь были собраны данные о длинах, диаметрах и материалах трубопроводов, высотных отметках узлов и резервуаров. Также были определены коэффициенты шероховатости труб и характеристики насосов, включая кривые напора и производительности. Дополнительно были учтены графики водопотребления, режимы работы насосных станций [7,8,9].

На основе собранных данных в программе EPANET была создана модель системы водоснабжения. Ввод данных включал создание нового проекта и введение элементов сети. Были определены координаты узлов, заданы высоты и параметры водопотребления для каждого узла.

Трубопроводы были введены с указанием их длин, диаметров и коэффициентов шероховатости. Для каждого резервуара были заданы отметки дна и максимального уровня воды, объемы и параметры управления. Насосные станции были размещены на соответствующих участках сети с указанием их характеристик, таких как кривые напора и производительности [10,11].

Важным этапом являлась настройка параметров модели, включающая задание временных параметров и условий эксплуатации. Были определены шаг времени моделирования и продолжительность расчетного периода, что позволило учесть неравномерность водопотребления. Также были введены данные о суточной и часовой неравномерности водопотребления для каждого узла, используя реальные данные и стандартные коэффициенты неравномерности. Настройка режимов работы насосов и резервуаров включала задание правил управления насосами и уровнями воды в резервуарах, что обеспечило контрольные точки и условия включения/выключения насосов [12,13,14].

После настройки всех параметров модели была проведена симуляция, что позволило выполнить гидравлические расчеты для каждого временного шага. Результаты моделирования были проанализированы с использованием инструментов программы EPANET, что позволило получить данные о давлении, скорости потока и уровнях воды в узлах и резервуарах [15,16]. Для оценки точности модели результаты моделирования были сопоставлены с полевыми данными, что позволило выявить соответствие уровней воды в резервуарах, напоров и расходов.

На основе сравнения результатов моделирования с реальными данными была проведена калибровка модели. В случае необходимости параметры модели, такие как коэффициенты шероховатости и характеристики насосов, были скорректированы для улучшения соответствия расчетных данных реальным измеренным значениям. Проведение анализа чувствительности модели позволило определить влияние ключевых параметров на результаты моделирования и обеспечить их корректировку [17,18].

Таким образом, созданная гидравлическая модель системы водоснабжения в программе EPANET позволила детально проанализировать работу системы, выявить потенциальные проблемы и предложить эффективные решения для их устранения. Гидравлические модели, созданные с использованием EPANET, являются важным инструментом для проектировщиков и инженеров, позволяя обеспечить надежность и эффективность систем водоснабжения.

Проблемы и их решение в процессе создания гидравлической модели системы водоснабжения

Создание гидравлической модели системы водоснабжения, включающей реконструкцию резервуаров чистой воды, является сложным и многогранным процессом, требующим учета множества факторов и данных. В процессе разработки модели для системы водоснабжения населенного пункта, возникли определенные проблемы, решение которых потребовало применения различных методик и подходов.

Одной из первых и наиболее значимых проблем, с которой пришлось столкнуться, был сбор и обработка исходных данных. Недостаток точных и полных данных о состоянии существующей сети, характеристиках трубопроводов, насосных станций и водопотреблении затруднял начальный этап моделирования. Для решения данной проблемы был проведен комплекс мероприятий по сбору данных, включая полевые исследования и использование архивных данных. Важную роль сыграло взаимодействие с эксплуатационными службами, предоставившими необходимую информацию о режимах работы насосных станций и графиках водопотребления. Также были использованы данные о геометрических параметрах трубопроводов и характеристиках насосов, что позволило создать более точную модель [19].

Следующей значимой проблемой была настройка параметров модели, включая коэффициенты шероховатости труб, характеристики насосов и параметры резервуаров. Ошибки в этих данных могли привести к недостоверным результатам моделирования. Для решения этой проблемы была проведена калибровка модели, включающая итеративное изменение параметров и сравнение результатов моделирования с реальными данными. Были использованы результаты полевых измерений для настройки коэффициентов шероховатости труб и характеристик насосов. Кроме того, для повышения точности модели была проведена оценка данных о уровнях воды в резервуарах и напорах в узлах системы.

Важным аспектом моделирования является учет неравномерности водопотребления в течение суток. Неправильная настройка суточных и часовых коэффициентов неравномерности могла привести к значительным отклонениям результатов моделирования от реальных условий эксплуатации. Для учета неравномерности водопотребления были использованы реальные данные о потреблении воды, предоставленные эксплуатационными службами. Эти данные были введены в модель в виде суточных и часовых графиков водопотребления, что позволило учесть вариации в потреблении воды в разное время суток и достичь более точных результатов моделирования.

Проверка точности модели и её калибровка были важными этапами, на которых также возникли сложности. Необходимость обеспечить соответствие моделируемых данных реальным измерениям требовала тщательной проверки и корректировки модели. Для решения этой проблемы была проведена детальная оценка результатов моделирования, включая анализ давления, скорости потока и уровней воды в узлах и резервуарах. В случае выявления значительных отклонений параметры модели корректировались. Особое внимание уделялось калибровке характеристик насосов и настройке режимов их работы, что позволило добиться необходимой точности моделирования.

Одной из специфических проблем было обеспечение эффективного взаимодействия между новыми и существующими резервуарами чистой воды. Неравномерное распределение воды между резервуарами могло привести к застойным зонам и переливам. Для решения этой проблемы были разработаны и протестированы различные сценарии работы системы, что позволило оптимизировать работу насосных станций и добиться эффективного взаимодействия между резервуарами.

Таким образом, созданная гидравлическая модель системы водоснабжения в программе EPANET, несмотря на возникшие трудности, позволила детально проанализировать работу системы и предложить эффективные решения для улучшения её функционирования. Решение указанных проблем потребовало применения комплек сного подхода и использования различных методик, что обеспечило высокую точность и надежность полученных результатов [20].

Заключение

Моделирование системы водоснабжения, особенно в контексте реконструкции резервуаров чистой воды, является важным инструментом для проектировщиков и инженеров, позволяющим детально анализировать и оптимизировать работу системы. Однако, как показало наше исследование, успешное использование гидравлической модели в значительной степени зависит от точности и полноты исходных данных. В процессе создания модели мы столкнулись с несколькими проблемами, начиная от сбора и обработки исходных данных до настройки параметров модели и ее калибровки. Каждая из этих проблем потребовала детального анализа и применения различных методик для их решения.

Получение верных исходных данных о геометрических параметрах сети, характеристиках трубопроводов и режимах эксплуатации является ключевым этапом, без которого невозможно обеспечить точность модели. Недостаток или искажение данных может привести к значительным отклонениям результатов моделирования от реальных условий, что, в свою очередь, снижает эффективность принятия проектных решений. В ходе нашего исследования, используя полевые измерения и архивные данные, удалось повысить точность модели, что подтвердилось при сравнении результатов моделирования с реальными данными.

Тем не менее, необходимо подчеркнуть, что моделирование не представляет собой универсальное средство решения всех проблем и требует критического анализа при интерпретации результатов. Модель может подтвердить или опровергнуть гипотезы, заложенные в нее изначально, но не способна автоматически обеспечить правильное решение всех проблем. Для успешной реконструкции резервуаров чистой воды необходимо разработать критерии и методические указания, учитывающие особенности работы новых и существующих резервуаров. Эти критерии должны обеспечивать равномерное распределение водных потоков и соответствие гидравлических характеристик, что позволит достичь пропорционального изменения расхода в нескольких параллельно работающих резервуарах.

В заключение, гидравлическое моделирование с использованием специализированного программного обеспечения, такого как EPANET, является мощным инструментом для проектирования и оптимизации систем водоснабжения. Однако его эффективность напрямую зависит от точности исходных данных и правильной формулировки задачи. Без этих условий результаты моделирования могут быть неверными или вводящими в заблуждение. Поэтому, наряду с развитием технологий моделирования, необходимо уделять особое внимание сбору данных и разработке методических подходов в решении данной задачи, что позволит обеспечить надежное и эффективное функционирование систем водоснабжения.

Литература

1. Федоров, С. В., Столбихин, Ю. В., Новикова, А. М. Моделированиерезервуарного парка на площадке водопроводных очистных сооружений // Вода и экология: проблемы и решения. 2018. № 4 (76). С. 27-33. DOI: 10.23968/2305-3488.2018.23.4.27-33.

2. Николенко, И. В., Котовская, Е. Е. Анализ методик определения регулирующей емкости резервуаров чистой воды // Строительство и техногенная безопасность. 2021. № 23(75). С. 79-87.

3. СП 31.13330.2021. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М.: Минстрой России, 2021. 123 с.

4. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М.: Госстрой СССР, 1985. 136 с.

5. СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества".

6. Rossman, L. A. EPANET 2 Users Manual. Cincinnati: National Risk Management Research Laboratory, Office of Research and Development, U.S. Environmental Protection Agency, 2000. 200 с.

7. Абрамов, Н. Н. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1982.

8. Абрамов, Н. Н. Надежность систем водоснабжения. М.: Стройиздат, 1984. 216 с.

9. Лавров, В. А. Системы водоснабжения: проектирование и

эксплуатация. М.: Инфра-М, 2019. 352 с.

10. Григорьев, В. А., Павлова, Н. И. Водоснабжение и водоотведение. СПб.: Лань, 2017. 416 с.

11. Ильин, Ю. П., Козлов, В. М. Гидравлика и гидравлические машины. М.: Высшая школа, 2018. 368 с.

12. Шевченко, А. В. Современные методы моделирования систем водоснабжения. Вестник инженерных наук. 2020. № 5. С. 22-30.

13. Иванов, И. И., Смирнов, А. А. Автоматизация систем водоснабжения. М.: Энергоатомиздат, 2016. 288 с.

14. Ковалев, П. С. Проектирование водоснабжающих систем: теория и практика. Новосибирск: Наука, 2018. 294 с.

15. Фролов, В. П., Сидоров, Е. В. Моделирование и анализ водопроводных сетей. Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2017. 200 с.

16. Чернышев, В. Н. Основы гидравлики и гидромашин. СПб.: БХВ- Петербург, 2015. 320 с.

17. Макаров, Д. С. Инновационные технологии в системах водоснабжения. Казань: Казанский государственный технический университет, 2019. 250 с.

18. Кузнецов, С. А. Надежность и безопасность водопроводных систем. Екатеринбург: Уральский федеральный университет, 2020. 310 с.

19. Петров, И. В., Никитин, М. С. Практическое руководство по проектированию водоснабжения. Ростов-на-Дону: Феникс, 2016. 230 с.

20. Власов, В. П. Методы оптимизации работы систем водоснабжения. Нижний Новгород: ННГАСУ, 2018. 275 с.

Размещено на Allbest.ru