5 - 2009

Bentley Systems — моделирование и эксплуатация наружных сетей водоснабжения и канализации

Дмитрий Борисов

Системы наружного водоснабжения

Системы водоотведения

Системы ливневой канализации

Проектирование и ведение городского водного хозяйства — дело сложное и ответственное. Требуется не только правильно запроектировать систему наружных коммуникаций, но и обеспечить ее надежную, бесперебойную эксплуатацию. Особенно важно учесть возможные пиковые нагрузки на системы водоснабжения и водоотведения, возникающие, например, при пожарах или при выпадении большого количества осадков. Кроме того, необходимы моделирование и анализ переходных процессов в системах водоснабжения и канализации: такие процессы могут привести к механическим повреждениям элементов сетей. Еще одна серьезная задача — проанализировать качество питьевой воды. Казалось бы, найти программный продукт для решения всех этих задач практически невозможно, однако такое решение есть.

Методические решения Haestad компании Bentley Systems продолжают совершенствовать технологию, ставшую стандартом для анализа, проектирования и управления гидрологическими и гидравлическими системами. Продукты Haestad могут применяться при проектировании, строительстве и эксплуатации на протяжении всего жизненного цикла инфраструктуры водных ресурсов. Интегрированная система может распределять и организовывать технические данные и анализ, управлять ими, а также планировать рабочие процессы на любом коммунальном предприятии или консультационной фирме, действующих в отрасли водоснабжения или канализации сточных либо ливневых вод. Особо следует отметить, что большинство решений — многоплатформенные. Проектирование и анализ могут осуществляться или непосредственно в интерфейсе программы, или под управлением AutoCAD. Последнее позволяет специалистам, ранее работавшим в AutoCAD, освоить программы быстро и практически безболезненно.

Наружные сети водоснабжения и канализации можно разделить на три группы. Это системы водопровода, системы водоотведения и ливневая канализация. Рассмотрим функциональные возможности программного обеспечения для каждого из данных разделов.

Системы наружного водоснабжения

Данный раздел представлен следующими программными продуктами: WaterGEMS, WaterCAD и HAMMER.

WaterGEMS — многоплатформенное решение для анализа сетей водоснабжения, обладающее повышенной совместимостью и располагающее средствами создания геопространственных моделей, оптимизации и управления ресурсами. WaterGEMS представляет собой простую в использовании инженерную среду для анализа, проектирования и оптимизации систем водоснабжения — от анализа систем пожаротушения и концентрации загрязняющих веществ в подаваемой воде до расчета потребления энергии и управления капитальными вложениями.

Инженерно-технические службы и консультанты могут совместно работать с одним и тем же набором данных, пользуясь различными интерфейсами, а группы моделирования — привлекать к работе инженеров из других отделов. Инженеры могут пройти обучение, выбирая уже известные им интерфейсы, и получать результаты, которые можно визуализировать на различных платформах.

ArcGIS-интерфейс WaterGEMS позволяет специалистам по работе с ГИС использовать архитектуру геоинформационных баз данных ESRI при создании единого пакета данных для моделирования и ГИС. Существует возможность создавать, редактировать, рассчитывать и визуализировать модели WaterGEMS непосредственно из приложений ArcMAP (рис. 1), имея полный доступ ко всем средствам гидравлического моделирования.

Рис. 1. Совместная работа WaterGEMS и ArcMAP

Рис. 1. Совместная работа WaterGEMS и ArcMAP

Модули в составе пакета — LoadBuilder и TRex — помогают инженерам вносить значения водопотребления и высотных отметок узлов на основе геопространственных данных или данных из САПР, позволяя избежать возможных ошибок при ручном вводе данных, и ускоряют построение модели. WaterGEMS также содержит средства анализа чертежей и соединений, что обеспечивает цельность гидравлической модели. Также включенный в состав пакета модуль Skelebrator автоматически оптимизирует сеть, поддерживая гидравлическую эквивалентность, что расширяет диапазон применения моделей.

Модуль Darwin Calibrator оценивает миллионы возможных решений и калибрует модель так, чтобы она соответствовала всем значениям расходов и давлений, измеренных на местах. Darwin Designer автоматически находит стратегии проектирования и реконструкции, оптимальные с точки зрения максимальной выгоды или минимизации затрат. Расчет производится исходя из объемов капиталовложений, стоимости прокладки коммуникаций, а также ограничений по давлению и скорости. Инженеры также могут варьировать затраты и анализировать расход энергии для определения оптимального энергопотребления насосов.

WaterCAD служит для проектирования и анализа систем водоснабжения — от моделирования работы системы при пожаротушении и при проверке качества воды до учета энергопотребления и управления финансовыми затратами (рис. 2).

Рис. 2. Интерфейс программы WaterCAD

Рис. 2. Интерфейс программы WaterCAD

Особенности WaterCAD позволяют инженерам в автоматическом режиме проектировать систему водоснабжения, исходя из ее геометрии и нагрузок. Учитываются существующие и вновь проектируемые участки. Возможно рассчитать как отдельный участок трубопровода, так и всю систему в целом. Для минимизации земляных работ WaterCAD автоматически определяет рациональные диаметры трубопроводов.

Если в системах водоснабжения и канализации не будут учтены переходные процессы, то воздействие таких процессов может стать причиной разрушения труб и оборудования, возникновения угрозы для безопасности операторов; в систему могут попасть опасные загрязняющие вещества, и предоставление услуг потребителям будет прекращено. Со временем повышенный износ труб и насосов в результате гидравлических ударов способен привести к преждевременному разрушению элементов систем.

Наиболее экономически эффективным методом является выполнение анализа переходных процессов для обнаружения слабых мест и определения адекватной стратегии сглаживания перепадов давления. Программное обеспечение HAMMER, проверенное пятнадцатью годами применения в солидных проектах, обладает мощнейшим аналитическим инструментом для специалистов по системам водоснабжения.

В HAMMER используется метод характеристик (MOC) — самый точный и надежный алгоритм для анализа неустановившегося потока жидкости, являющийся стандартным критерием технического уровня. В отличие от алгоритмов, подобных методу волнового распределения (известному также как метод волновых характеристик), не обеспечивающих точность решения, так как вычисления производятся только в местах соединений, метод MOC вычисляет результаты в промежуточных точках вдоль трубопровода, фиксируя критические изменения, которые в ином случае остались бы незамеченными (рис. 3).

Рис. 3. Анализ системы водоснабжения в программе HAMMER

Рис. 3. Анализ системы водоснабжения в программе HAMMER

HAMMER позволяет в точности моделировать влияние широкого диапазона устройств гашения пульсации потока и роторного оборудования. Пользователь имеет возможность выбрать из более чем двадцати различных устройств и проанализировать неограниченное число динамических моделей для разработки наиболее подходящей стратегии уменьшения негативного воздействия гидравлического удара.

В начало В начало

Системы водоотведения

Этот раздел представлен следующими программными продуктами: SewerGEMS, SewerCAD, FlowMaster и HAMMER.

Встроенный в SewerGEMS интерфейс ArcGIS позволяет специалистам ГИС использовать преимущества архитектуры геопространственной базы данных ESRI, чтобы обеспечить единый набор данных создаваемых моделей и геоинформационной системы. Поддерживается создание, редактирование, расчет и визуализация моделей SewerGEMS непосредственно из ArcMAP с полным доступом ко всем инструментам гидравлического моделирования, а также к функциям геопространственной обработки данных, что значительно ускоряет процесс разработки модели. Чтобы ускорить процесс построения модели, можно воспользоваться геопространственными данными, чертежами САПР, базами данных и электронными таблицами. SewerGEMS обеспечивает синхронизацию обмена информацией с базами данных, геопространственными связями и способен осуществлять обмен виртуальными и цифровыми данными. SewerGEMS также позволяет создавать чертежи и содержит средства графического просмотра для определения совместимости, чтобы гарантировать гидравлическую связность модели (рис. 4).

Рис. 4. Результаты работы программы SewerGEMS

Рис. 4. Результаты работы программы SewerGEMS

 

Включенный в SewerGEMS модуль LoadBuilder помогает распределить нагрузку канализационных стоков на основании различных источников данных ГИС, таких как счета абонентов за пользование водой, измерения расхода стоков на большой территории, известные результаты полигонометрического анализа плотности населения или использования земель.

Нагрузка канализационных стоков в SewerGEMS может быть представлена как определенные пользователем гидрографы, в виде шаблона нагрузок или данных об удельных нагрузках. Приложение обеспечивает доступ к комплексным инженерным библиотекам с многочисленными типовыми удельными нагрузками в зависимости от плотности населения, от площади или по расчетам и потреблению. SewerGEMS также позволяет пользователю вводить и сохранять неограниченное число шаблонов потока для точного моделирования изменений потока в течение дня.

SewerGEMS включает два динамических механизма моделирования, вычисляющих эффект хранения и условия возникновения переполнения внутри сооружений систем канализации. Возможность выбора между механизмом EPA-SWMM и быстрым, устойчивым внутренним механизмом расчета полного набора волновых компонентов по формуле Сен-Венана обеспечивает дополнительный комфорт пользователям, которые привыкли к моделированию SWMM и знакомы с его возможностями и ограничениями.

SewerCAD является программным обеспечением для комплексной разработки и анализа систем наружной канализации. Обеспечиваются расчеты объема сточных вод, интенсивности входного потока и движения жидкости в трубопроводе.

SewerCAD используется для определения докритических, критических и закритических условий с помощью надежных, стандартных, медленно изменяющихся пошаговых алгоритмов. Специализированный инструментарий позволяет визуализировать поведение системы канализации на протяжении длительного периода времени (рис. 5). Результаты анализа системы могут быть анимированы для определения критических перепадов давления и перегрузки участков сети.

Рис. 5. Анализ участка системы канализации в программе SewerCAD

Рис. 5. Анализ участка системы канализации в программе SewerCAD

Модуль LoadBuilder помогает инженерам анализировать нагрузки на коллектор, основанные на множестве источников поступления сточных вод. Учитывается использование воды потребителями, результаты замеров, площадные и линейные потребители. Нагрузка на коллектор также может быть представлена в SewerCAD как гидрограф, построенный на основании общей и отдельно взятой нагрузки.

Особенности SewerCAD позволяют инженерам проектировать систему канализации в автоматическом режиме, исходя из ее геометрии и нагрузок. Учитываются существующие и вновь проектируемые участки. Есть возможность рассчитать как отдельный участок трубопровода, так и всю систему в целом, просто задавая граничные условия: минимальные или максимальные скорости, уклоны и наполнение. Для минимизации земляных работ SewerCAD автоматически определяет рациональные диаметры трубопроводов и уклоны.

FlowMaster позволяет быстро выполнить гидравлические расчеты для различных типов элементов систем канализации, благодаря чему можно оптимизировать водозаборные отверстия и плотины.

С использованием алгоритмов, основанных на методологиях Федерального управления шоссейных дорог США (FHWA) Circular No. 12 и Circular No. 22, выполняются проектирование и анализ водозаборных решеток, лотков, канав и прочих отверстий. Вычисляются наполнение и глубина желоба. Анализируется течение жидкости в трубопроводе, исходя из длины трубы, времени начала и конца процесса, изменения уровня и давления, наполнения и диаметра (рис. 6). Приложение FlowMaster рассчитывает потери давления на трение с помощью формул Куттера, Дарси-Вейсбаха и Хазен-Вильямса.

Рис. 6. Результаты работы программы FlowMaster

Рис. 6. Результаты работы программы FlowMaster

Программа также служит для проектирования и анализа каналов, канав и незаполненных объемов трубопроводов любой формы, включая прямоугольные, эллиптические, параболические и произвольной формы.

Выполняется расчет параметров плотин, исходя из нагрузок, верхнего бьефа и критического подъема воды. Осуществляется проектирование прямоугольных, круглых и произвольных водозаборных отверстий, исходя из уровня критического подъема воды.

В начало В начало

Системы ливневой канализации

Раздел представлен следующими программными продуктами: StormCAD, FlowMaster и HAMMER.

StormCAD представляет собой программное обеспечение для комплексной разработки и анализа систем ливневой канализации. Интуитивно понятный интерфейс программы делает как никогда легким процесс проектирования и анализа систем ливневой канализации от уличного стока до водовыпускного отверстия (рис. 7). StormCAD обеспечивает расчеты объема стока, интенсивности входного потока, ливневого стока и движения жидкости в трубопроводе.

Рис. 7. Интерфейс программы StormCAD

Рис. 7. Интерфейс программы StormCAD

StormCAD определяет перехват потока водоприемниками коллекторной системы и анализирует направление потока по обводным каналам к выбранным конечным точкам. Водоприемники могут быть рассчитаны по методике Федерального управления шоссейных дорог США (FHWA) HEC-22, а в качестве водоприемников можно выбирать решетки, бордюры, люки, кюветы или их комбинации. Инженеры могут использовать разнообразные методы вычисления потери напора, включая методы HEC-22 Energy и AASHTO.

Производится расчет потерь напора на трение с помощью формул Маннинга, Куттера, Дарси-Вейсбаха и Хазен-Вильямса; рассматриваются трубопроводы системы ливневой канализации круглой, квадратной, сводчатой, эллиптической, треугольной, трапецеидальной или неправильной формы.

При проектировании коллектора ливневой канализации StormCAD использует встроенный метод расчета расхода пика паводка. Вместо расхода, рассчитанного в программе, StormCAD также допускает непосредственный ввод известных значений расхода для приточных водоприемников. Допускается вводить или импортировать данные о времени концентрации водосбора либо указывать минимально допустимое время концентрации для предотвращения превышения объема максимального стока небольших водоприемников.

StormCAD позволяет указывать данные интенсивности, продолжительности и частоты осадков (IDF) с помощью формул (включая Hydro-35) или таблиц. При выполнении моделирования затем можно строить кривые IDF и повторно использовать их данные для других проектов в этом регионе. Инженер может работать с неограниченным числом областей водосбора и применять C-коэффициенты для каждого водоприемника водосбора. StormCAD позволяет задавать внешние сточные бассейны, дополнительные каналы для моделирования внешних стоков, которые вносят вклад в нагрузку на водоприемники.

И в заключение — краткий список пользователей решений Bentley Systems по наружным сетям водопровода и канализации: МУП «Уфаводоканал», United Utilities, WaterNet, EPAL, Veolia Environment, Aquas di Portugal, муниципалитеты Бухареста, Загреба, Афин, Стокгольма, Parsons International, Atkins, Abu Dhabi Distribution Company, Дельфтский технический университет и многие другие.

В начало В начало

САПР и графика 5`2009