Prof. dr hab. inż. Marian

Kwietniewski

Politechnika Warszawska

Wydział Inżynierii Środowiska

Zakład Zaopatrzenia w Wodę i

Odprowadzania Ścieków

Modelowanie sieci

wodociągowych

Studia stacjonarne II st.

Specjalność – Zaopatrzenie w Wodę i Odprowadzanie

Ścieków

„Projektowanie Systemów Zaopatrzenia w Wodę”

Wykład

Rozwój oprogramowania

do modelowania

komputerowego sieci

• Etap pierwszy - okres stosowania tzw.

programów obliczeniowych wspomagających

projektowanie sieci

• Etap drugi

- trwa do dzisiaj, rozwój

programów nowej generacji z dużymi

możliwościami graficznej wizualizacji wyników.

- programy współpracujące z bazami danych

typu GIS

na zasadzie eksportu

wyników do bazy i

prezentacji

wyników w bazie.

31.05.21

2

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

2013.03.25

Model komputerowy sieci

jako trzyelementowa

struktura

• Zestaw określonych danych reprezentujących

odwzorowanie fizyczne danej sieci wodociągowej,

• Równania matematyczne opisujące hydrauliczne

zależności zachodzące w sieci,

• Procedury i algorytmy do efektywnego

rozwiązywania powyższych równań.

31.05.21

3

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Modelowanie komputerowe

sieci

jako proces

• Faza I - przygotowanie zestawienia danych o

elementach modelu w postaci graficznej i

opisowej (tabelarycznej)

• Faza II - tworzenie pliku komputerowego

zawierającego dane o modelu w formacie

zrozumiałym dla programu symulacyjnego.

• Fza III - kalibracja modelu

31.05.21

4

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Podstawowe elementy

struktury modelu

• 

31.05.21

5

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Kalibracja modelu

-podstawy

• Analiza skonstruowanego modelu – struktury

sieci oraz sprawdzenie prawidłowego układu
powiązań elementów tworzących model i ich
pracy,

• Sprawdzenie i ewentualne dopasowanie

oszacowanych parametrów modelu, a przede
wszystkim chropowatości przewodów,
oporów miejscowych oraz rozkładu
przestrzennego i wielkości rozbiorów wody .

31.05.21

6

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Kalibracja modelu

-podstawy

Proces kalibracji wymaga określenia oraz

weryfikacji:

• wymaganej dokładności modelu,
• niezbędnych danych pomiarowych,
• ilość punktów pomiarowych ciśnienia, natężenia

przepływu, parametrów jakości wody,

• częstotliwości wykonywania pomiarów.
• topografii sieci,
• współczynników chropowatości,
• rozbiorów węzłowych,
• charakterystyk pomp

.

31.05.21

7

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Kalibracja modelu

–

kampania pomiarowa

Parametry

• ciśnienie
• natężenie przepływu
• poziomy wody w zbiornikach

Założenia

• pomiary wykonywane jednocześnie w tym samym

przedziale czasu i z taką samą częstością we wszystkich

punktach pomiarowych,

• min 4x 24-godzinne pomiary ciśnienia i przepływu,
• częstość rejestracji wartości parametrów – co 3 – 5 min.
• doby o możliwie ekstremalnych warunkach pracy
• w dużej sieci – wyodrębnienie stref do oddzielnej kalibracji

31.05.21

8

Moduł hydrauliczny

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Kalibracja modelu

–

kampania pomiarowa

Wydzielenie stref pozwala na:

•

bilansowanie i weryfikację rozbiorów wody w
strefie w oparciu o wskazania wodomierzy,

•

bilansowanie zużycia i strat wody, potrzeb własnych
(głównie płukanie sieci wod i kan) i innego nie
rejestrowanego zużycia wody,

•

określenie nierównomierności rozbiorów wody
(głównie dla różnych grup odbiorców w danej
strefie),

•

prowadzenie kontroli wycieków wody,

•

zaprojektowanie monitoringu sieci

31.05.21

9

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Kalibracja modelu

–

kampania pomiarowa

Przy lokalizacji punktów pomiarowych należy

przeanalizować:

• układ syt-wys. sieci z uwzględnieniem gęstości sieci i

hierarchizacji przewodów pod względem ich funkcji,

• zasięg działania sieci z uwzględnieniem istotnych obszarów

zasilania w wodę oraz gęstości rozmieszczenia odbiorców wody,

• stan techniczny sieci,
• dotychczasowe problemy eksploatacyjne występujące w sieci tj.

małe prędkości, niepewne kierunki przepływu, pogorszenie

jakości wody u odbiorców itp.,

• przybliżone zasięgi (strefy) zasilania sieci w wodę z

poszczególnych wodociągów,

• dostępność miejsc i obiekty już istniejące na sieci np. studnie

zasuw, odpowietrzeń, odwodnień.

31.05.21

10

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Kalibracja modelu

–

kampania pomiarowa

Analiza i prezentacja wyników

• Porównanie wartości błędu bezwzględnego (wartości uśrednionych)

parametru w punktach pomiarowych
- ∆

W

= f(liczby punktów pomiarowych) – np. wykres słupkowy (oś pozioma -

punkty, oś pionowa - ∆

W

)

- mapy z punktami pomiarowymi i zaznaczonymi np. okręgami, wielkościami

błędów,

• Porównanie zmierzonych i obliczonych godzinowych wartości parametru

Funkcja – na osi pionowej zmierzone wartości, na osi poziomej obliczone

wartości – wyniki powinny układać się wzdłuż linii prostej – miarą

dokładności jest np. współczynnik korelacji.

• Zbiór wykresów dla wszystkich punktów pomiarowych

Porównanie zmierzonych i obliczonych godzinowych wartości parametru w

funkcji czasu – co 1 godzina w wybranej dobie – 2 wykresy dla 1 punktu

pomiarowego

31.05.21

11

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Kalibracja modelu

–

kampania pomiarowa

Błąd bezwzględny (uśredniony)

N

W

W

N

i

o

m

W











1

gdzie: ∆

W

– błąd bezwzględny (uśredniony) parametru W (np.

ciśnienie,

przepływ),

W

m

– wartość zmierzona parametru W (uśredniona w

godzinie),

W

o

– wartość obliczona parametru W za pomocą

modelu

IW

m

– W

o

I –bezwzględna różnica wartości zmierzonej i

obliczonej,

N - liczba (godzinowych) pomiarów wartości parametru

W (przyjęto N = 24).

31.05.21

12

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Kalibracja modelu

–

dokładność i błędy

Liczba punktów pomiarowych i dokładność modelu

dla różnych potrzeb

31.05.21

13

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Kalibracja modelu

–

dokładność i błędy

Przypadek 1 - obliczona

linia ciśnienia powyżej rzeczywistej linii ciśnienia

31.05.21

14

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Kalibracja modelu

–

dokładność i błędy

Przypadek 2 - obliczona

linia ciśnienia poniżej rzeczywistej linii ciśnienia

31.05.21

15

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Korzyści wynikające ze

stosowania modeli sieci

-

wybrane

• Poznanie zachowania się sieci w zmieniających się

warunkach eksploatacyjnych statycznych i

dynamicznych – analiza, ocena oraz śledzenie

rzeczywistych parametrów pracy sieci (przepływy,

prędkości, ciśnienia,),

• Identyfikacja i analiza nieprawidłowości w pracy sieci,
• Projektowanie modernizacji istniejącej sieci w tym,

ocena wpływu nowych elementów na pracę sieci,

• Wspomaganie prac eksploatacyjnych np.

ukierunkowane płukanie sieci

• Ocena efektów napraw i remontów – ocena

efektywności eksploatacji,

31.05.21

16

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Korzyści wynikające ze

stosowania modeli sieci

-

wybrane

•

Planowanie i weryfikacja systemu monitoringu sieci,

•

Ocena „wieku” i jakości wody w sieci wodociągowej.

•

Osiąganie optymalnych parametrów pracy systemu
dystrybucji wody w określonych sytuacjach,

•

Planowanie systemu kontroli wycieków wody

•

Projektowanie zmian w systemie w celu
zaspokojenia potrzeb przyszłego użytkownika i
odbiorcy wody,

•

Umożliwienie oceny kosztów przyszłych inwestycji

,

31.05.21

17

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Przykładowe wyniki

kalibracji modułu

jakościowego modelu sieci

–

stężenie chloru

31.05.21

18

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Przykładowe wyniki kalibracji

modułu hydraulicznego modelu

sieci

- ciśnienie

31.05.21

19

Punkt

pomiarowy

Wysokość

ciśnienia

zmierzona

Wysokość

ciśnienia

z obliczeń w

modelu

Błąd

bezwzględ

ny

Błąd

względn

y

-

[m H

2

0]

[m H

2

0]

[m H

2

0]

[%]

Pompownia II st.

Sekuła I

52,04

46,71

5,33

10,24

Pompownia II st.

Sekuła II

47,63

47,65

0,02

0,04

Stacja pomiarowa

ul.

Ceglana

(punkt pomiarowy

nr 1)

31,48

32,07

0,59

1,87

ul. Ks. Brzóski 59

40,41

39,76

0,65

1,61

ul. Daszyńskiego

47,48

48,23

0,75

1,58

Stacja paliw CPN-

Orlen

ul.

Brzeska/Ujrzanow

ska

48,21

36,91

11,3

23,44

ul. Jodłowa 10

38,35

36,86

1,49

4,04

Prof. Marian Kwietniewski, Politechnika

Warszawska, e-mail:

[e-mail]

31.05.21

20

Punkt

pomiarowy

Przepływ

zmierzony

Przepływ

obliczony

z modelu

Błąd

bezwzględn

y

Błąd

względny

-

[m

3

/h]

[m

3

/h]

[m

3

/h]

[%]

Pompownia II st.

Sekuła I

187,07

196,21

9,14

4,7

Pompownia II st.

Sekuła II

256,74

216,16

40,58

18,8

Przykładowe wyniki kalibracji

modułu hydraulicznego modelu

sieci

- przepływ

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Lokalizacja punktów

poboru

•

13 punktów pomiarowych +

punkt „pompownia”,

•

4 grupy punktów, (pobór

próbek co 1, 2, 4 i 6

godzin).

Lokalizację uzależniono od:

•

odległości pomiędzy
pompownią a punktem
pomiarowym,

•

czasu zatrzymania wody
(ang. water age),

•

lokalizacja w obrębie
przewodów magistralnych,

•

reprezentatywności
odbiorców wody,

31.05.21

21

Kalibracja modelu zmian jakości wody

Przed kalibracją

0,28
7

Porównanie średnich wartości stężenia chloru

obliczonych

i „pomierzonych”.

31.05.21

22

Prof. Marian Kwietniewski, Politechnika

Warszawska, e-mail:

[e-mail]

Po kalibracji

• Przypisanie każdemu z wydzielonych wcześniej

obszarów

(4 strefy czasu zatrzymania wody) innej wartości

stałej rozkładu chloru

Raport z kalibracji – porównanie „pomierzonych” i

obliczonych średnich wartości stężenia chloru

31.05.21

23

Prof. Marian Kwietniewski, Politechnika

Warszawska, e-mail:

[e-mail]

Metodyka badań

Wykorzystany pierwszorzędowy model rozkładu

chloru:

C – stężenie chloru po czasie t (mg/dm

3

)

C

0

– początkowe stężenie chloru (mg/dm

3

)

t – czas (h),
k – tzw. stała rozkładu chloru (1/h)

k = k

b

+ k

w

k

b

–współczynnik rozkładu chloru w masie wody,

k

w

–współczynnik rozkładu chloru w warstwie

przyściennej przewodu.

31.05.21

24

Prof. Marian Kwietniewski,

Politechnika Warszawska, e-

mail:

[e-mail].e

du.pl

Programy do modelowania sieci

wodociągowych

Program

Producent

Integracja

z GIS

Rodzaj danych

Dostępność

AQUA

Environmental
Software

 +

-

 

AQUIS

7 Technologies

 +

ESRI (ArcSDE), AutoCAD,

Microstation

 http://www.7t.dk/products/aquis/inde

x.aspx

CASS Works Water Model

RJN Computer
Services

+ 

CASS View – system GIS

(rozwiązanie własne)

 http://www.rjn.com/main_cass_works.
htm

CYBERNET

Heasted Methods

 +

AutoCAD

 http://www.bentley.com/en-
US/Products/Water+and+Wastewater

+Network+Analysis+and+Design/Ha
estad.htm

EPANET

US EPA

-

-

www.epa.gov/ORD/NRMRL/wswrd/epa
net.html

FAAST-3

FAAST Software

-

-

 http://www.fast-software.pl/

Flow Network Analysis

Kelix Software
Systems

-

-

 http://www.edstech.com/

HydrauliCAD

Autodesk

-

-

 http://hydraulicad.com/heart_autoca

d_design_center.html

HYDROFLO

Tahoe Design
Software

 -

-

 http://www.tahoesoft.com/html/hydro
flo.htm

HYDRONET

Engineered
Software

 -

-

 http://www.tricity.wsu.edu/htmls/mm
e/me303/fall1999/flocfd.htm

InfoWaterH2ONET/H2OMA

P

MWH Soft

 +

ArcGIS, AutoCAD

 http://www.aquamedia.at/templates/i

ndex.cfm/id/16968

InfoWorks WS

Wallingford
Software

 +

SmallWorld, ESRI, Integraph

 http://www.wateronline.com/downloa
d.mvc/InfoWorks-WS-Technical-

Review-0001

KYPIPE2/PIPE2008

University of

Kentucky

 +

ESRI, AutoCAD

 http://www.cholarisk.com/files/KYPIPE

_2008.pdf

MikeNET/MikeURBAN

DHI Group

 +

Platforma ESRI (ArcGIS,

ArcInfo, ArcView),

SmallWorld, Framme, MapInfo

 http://www.dhigroup.com/

31.05.21

25

Prof. Marian Kwietniewski, Politechnika Warszawska, e-mail:

[e-mail]

Program

Producent

Integrac

ja z GIS

Rodzaj danych

Dostępność

Piccolo

SAFEGE Consulting
Engineers

 +

Interfejs z GIS oparty

na Oracle, DBASE

 http://piccolo-fran-
ais.software.informer.com/

Pipe2000

KYPipe

 +

AutoCAD, ArcView,

ArcGIS

 http://kypipe.com/kypipe

PipelineNET

SAIC

 +

ArcGIS

 http://eh2o.saic.com/iwqss/

PIPES++/PIPES

WATERCOM PTY LTD

 +

MapInfo, ESRI,

AutoCAD

 http://www.watercom.com.au/ppp_manual
.pdf

RinCAD

CEDEGER LITEE

 +

AutoCAD

  http://www.rincad.es

STANET

Fischer-Uhrig

Engineering

- 

ArcView, MapInfo,

SmallWorld

 http://www.stafu.de/en

SWS

Stone Associates

 +

ESRI, AutoCAD

 

SynerGEE Water

AdvanticaGroup
STONER

 +

ESRI, CIS, SMM-

(przypisywanie

rozbiorów wody)

 http://www.gl-
group.com/en/water/SynerGEEWater.php

THDNET

THD Engineering

- 

-

 

USU-NETWK

Utah State University

 -

-

 https://usu.edu/

WADISO SA

Geustyn-Loubser-
Streicher Consulting

Engineers

 +

ESRI, AutoCAD,

Albion (system GIS –

jako rozwiązanie

własne)

 http://www.gls.co.za/

WaterCAD/WaterGEMS Bentley Systems

 +

ESRI, AutoCAD,

Microstation

 http://www.bentley.com/en-
US/Promo/HM+Solutions/GoToGEMs.htm

Waterman

Thompson Mapping

Systems

 -

AutoCAD

 

WaterMax

The Pitometer Associates

- 

-

 http://www.wateronline.com/product.mvc/

Hydraulics-and-Water-Quality-Program-
0001

WATNET

WRc plc

 +

ESRI

 http://www.edie.net/suppliers/details.asp?
cid=9968

WATSYS

Export Development

Corporation

 +

AutoCAD,

obsługiwane systemy

GIS niewymienione w

ofercie

 http://www.civilsystems.com/watsys.html

31.05.21

26

Prof. Marian Kwietniewski, Politechnika Warszawska, e-mail:

[e-mail]