В статье предлагается подход для анализа системы водоотведения при подключении к ней новых объектов на основе геоинформационных технологий. Рассматриваются случаи подключения объектов при наличии различной входной информации и соответствующие алгоритмы.
Ключевые слова: геоинформационные технологии, система водоотведения, гидравлический расчет.
Система водоотведения крупного города представляет собой сложное инженерно-техническое сооружение, обеспечивающее необходимые санитарно-гигиенические условия для жизни населения. В настоящее время наблюдается интенсивное строительство и развитие больших городов. При расширении зоны строительства существует задача оптимального подключения объектов новой застройки к действующей системе водоотведения, в которой ключевым вопросом является анализ эксплуатационных характеристик действующей системы водоотведения с целью принятия решения ее возможной реконструкции и дальнейшей эксплуатации.
Управление данной системой невозможно без применения современных компьютерных технологий, которые являются эффективным инструментом для управления и мониторинга канализационных сетей. Под моделью сети водоотведения понимается комплекс программ и баз данных, описывающий топологию наружных сетей и сооружений водоотведения, их технические и режимные характеристики. Моделирование систем водоотведения позволяет получить полную картину состояния городской сети, выявить проблемные участки и прогнозировать процесс распределения стоков и их объемы при подключении к действующей сети участка новой застройки.
Традиционно подобные проблемы решаются с помощью программных продуктов, базирующихся на методиках гидравлического моделирования, таких как SewerGems (Bentley). Они являются дорогостоящими, ограничены по лицензиям и не всегда оперативны, что затрудняет работу подразделений развития сетей. В связи с этим актуальной задачей является разработка и реализация автоматизированных методов, позволяющих эффективно и быстро оценить работоспособность системы водоотведения при подключении к ней новых объектов.
Широкие возможности в данном вопросе предоставляют ГИС‑технологии, позволяющие накапливать, отображать, анализировать и обрабатывать пространственные данные совместно с паспортизацией объектов сети [1]. Модель системы водоотведения представляется в виде инженерной сети. Точки подключения внешней городской сети водоотведения к домовой рассматриваются как источники для городской канализационной системы. При увеличении застройки новые объекты воспринимаются как дополнительные источники для действующей канализационной сети.
Целью данной работы является разработка подходов для анализа действующей системы водоотведения при подключении к ней участков новой застройки. Необходимо оценить перегрузку сети водоотведения при ее расширении за счет присоединения новых источников.
Важными моментами для разработки данного подхода являются расположение зоны новой застройки, а также наличие или отсутствие детального плана строительства. Алгоритм оценки работы сети будет зависеть от известной информации о новой застройке.
Расположение нового строительства может быть одним из двух вариантов.
- Застройка расположена в стороне от действующей сети.
- Застройка находится внутри действующей сети.
Анализ работы специалистов по развитию сетей приводит к тому, что новая застройка рассматривается как дополнительный источник, и в зависимости от наличия плана строительства выделяется два случая.
- Нет детальных планов нового строительства.
- Имеется детальный план застройки и информация о расположении объектов с данными по водоотведению.
В первом случае вся область застройки принимается как один источник, который необходимо присоединить к некоторому колодцу действующей сети. Входными данными являются предполагаемый суммарный объем стоков со всей зоны новой застройки. Во втором случае входными данными являются объемы стоков от каждого дома или подъезда новой застройки. На основе подаваемых на вход стоков проводится анализ перегрузки системы водоотведения.
Таким образом, можно перечислить возможные случаи подключения объектов новой застройки на основе входной информации о строительстве.
1А. Застройка расположена в стороне от сети, отсутствует детальный план.
1B. Застройка расположена в стороне от сети, есть информация о детальном плане.
2А. Застройка расположена внутри сети, отсутствует детальный план.
2B. Застройка расположена внутри сети, есть информация о детальном плане.
Все перечисленные случаи графически представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Расположение новой застройки в стороне от сети при отсутствии (1А) и с наличием (1B) детального плана строительства. Расположение новой застройки внутри сети при отсутствии (2A) и наличии (2B) детального плана
В случае 1B есть информация о стоках каждого здания или подъезда новой застройки. Однако по отношению к действующей сети новая застройка будет восприниматься как один источник. В связи с тем, что область новой застройки, как правило, значительно меньше области действующей сети, то подключение новой зоны целесообразно осуществлять через один колодец, на который приходятся все стоки объектов нового строительства. Поэтому различие между случаями 1A и 1B заключается в первоначальном нахождении колодца всех стоков новой застройки при наличии детального плана. Алгоритм работы системы в случае отдаленного расположения новой застройки представлен схематично на рисунке 2 (слева).
Когда новая застройка находится внутри системы водоотведения без детального плана строительства, она так же воспринимается как один источник, для которого необходимо искать рекомендуемые колодцы для подключения. В отличие от случая с отдаленным расположением объектов, здесь необходима дополнительная проверка найденных колодцев, которые подошли по критерию пропускной способности. Найденный колодец может находиться с противоположной стороны от застройки, чем колодец, который необходимо подключить. Или же колодцы могут разделяться другими строениями. Такие колодцы можно отнести к рекомендуемым, но с пометкой о необходимой реконструкции сети.
Когда имеется детальный план строительства внутри действующей системы, объекты застройки, возможно, целесообразно подключить к нескольким колодцам функционирующей сети. Для этого область новых объектов необходимо разделить на участки и рассматривать эти участки поочередно. Сначала для текущего участка находится колодец, на который приходятся все стоки данного участка. Далее эта область воспринимается как один источник, аналогично случаю без детального плана внутри системы. После расчета для текущего участка, участок необходимо подключить к сети, чтобы рассчитывать следующий. Обособленно проводить расчеты не является корректно, потому что каждый участок влияет на перегрузку системы.
Алгоритм работы системы в случае расположения новой застройки внутри действующей сети водоотведения схематично представлен на рисунке 2 (справа).
Каждый из приведенных алгоритмов имеет общие основные операции, такие как:
– определение колодца стоков;
– поиск потенциальных колодцев для подключения;
– расчет пропускной способности сети для каждого из потенциальных колодцев.
Рис. 2. Алгоритмы работы системы, когда новая застройка находится в стороне от сети (слева), и когда новая застройка находится внутри сети (справа)
Каждая операция представляет собой отдельный расчетный блок разрабатываемой программной системы. Определение колодца стоков основано на расчете направления потоков участка системы водоотведения. Направление потока рассчитывается для каждой трубы, которая топологически связана с колодцами. На основании отметок лотка колодцев направление потока определяется в сторону понижения уровня. Таким образом, путем перебора всех труб и их топологических связей восстанавливается картина направления движения стоков на участке сети.
Поиск потенциальных колодцев для подключения подразумевает собой получение всех колодцев, находящихся на приемлемом расстоянии от колодца, который необходимо подключить. Для этого задается значение расстояния от колодца.
Пропускная способность сети водоотведения зависит от перегрузки системы. В качестве критерия перегрузки системы предлагается превышение оптимальной степени наполнения трубы h/d, где h — высота слоя протекающей воды, d — диаметр трубы. Наполнение стоков в канализационных самотечных трубах в обязательном порядке не должно быть полным. Это обусловлено следующими моментами. Наличие резерва по пропускной способности на отдельных участках сети необходимо при непредвиденном увеличении стоков в экстренных случаях или при попадании плавающих предметов. Также внутри канализационных сетей возможно изменение свойств сточных вод под воздействием процессов разложения или гниения, что приводит к выделению газов над стоками. Наличие свободного пространства над жидкостью обеспечивает движение по трубам жидкости и газов.
Наполнение труб определяется на основе гидравлических расчетов, которые для канализационной сети производят по зависимостям для установившегося равномерного движения. Согласно «СНиП 2.04.03–85. Канализация. Наружные сети и сооружения» вычисления проводятся с использованием уравнения Шези [2]
где 
— средняя скорость потока (м/c),
— гидравлический радиус (м),
— гидравлический уклон трубы,
— коэффициент, зависящий от гидравлического радиуса и шероховатости смоченной поверхности трубопровода.
А также с помощью уравнения постоянства расхода
где 
— расход (
), 
— живое сечение потока (
.
Данный подход позволяет оценивать пропускную способность сети при подключении к ней новых объектов, расположенных внутри сети или отдаленно от нее. С помощью данной методики можно рассмотреть разные варианты подключения новой застройки эффективным и быстрым способом. Результатом являются наиболее оптимальные варианты подключения, а также таблица и карта пропускной способности действующей системы в зависимости от типа застройки и расположения.
Разрабатываемый инструмент экспертно-аналитических расчетов в среде ГИС позволит специалистам управления инженерными сетями прогнозировать поведение системы при увеличении строительства. Анализ полученной информации предоставит полноценное видение состояния действующей системы водоотведения для последующего принятия решения о возможности новой застройки, выбора колодцев подключения и необходимости реконструкции сети.
Литература:
- Захарова, Е.А., ГИС-технологии для инженерных сетей на примере систем водоотведения/ Захарова // Мавлютовские чтения. Материалы XII Всероссийской молодежной научной конференции. (16–18 октября 2018 г., г. Уфа). Изд-во: «Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. — РИК УГАТУ», 2018. — С. 220–222
- СНИП 2.04.03–85. Канализация. Наружные сети и сооружения.
