Проблемы построения профиля сети при моделировании гидравлических режимов в рамках разработки и актуализации схем водоснабжения и водоотведения

Проблемы построения профиля сети при моделировании гидравлических режимов в рамках разработки и актуализации схем водоснабжения и водоотведения

О.В. Козлова, инженер отдела наладки ТС; У.С. Бушуева, инженер отдела наладки ТС; Ф.Н. Газизов – технический директор, Е.А. Кикоть, генеральный директор, ООО «Невская Энергетика», г. Санкт-Петербург

С вступлением в действие постановления Правительства РФ №782 от 05.09.2013, активно начали разрабатываться проекты схем водоснабжения и водоотведения (ВиВ). При разработке большинства из них, техническим заданием в составе проектов требуется разработка электронной модели систем. Под электронной моделью понимается информационная система, включающая в себя базы данных, программное и техническое обеспечение, предназначенная для хранения, мониторинга и актуализации информации о технико-экономическом состоянии централизованных систем водоснабжения и (или) водоотведения, осуществления механизма оперативно-диспетчерского управления в указанных централизованных системах, обеспечения проведения гидравлических расчетов. ¹

В данной статье хочется остановиться на заключительной фразе определения «электронная модель» (ЭМ), и, основываясь на имеющемся опыте разработки и актуализации схем ВиВ более 100 муниципальных образований (с населением от 1 тыс. до 300 тыс.чел.), проанализировать проблемы, которые возникают при создании (актуализации) ЭМ.

Как следует из определения, ЭМ, помимо всего прочего, предназначена для выполнения гидравлических расчетов систем, впоследствии анализируемых в проектах схем ВиВ.

Заказчик проектов, как правило, добавляет в техническое задание требование к разработке ЭМ даже если этого напрямую не требует постановление . Желание Заказчика иметь разработанную ЭМ видится логичным, учитывая тот факт, что для прогнозирования перспективного развития города необходимо понимать локацию «узких мест» в гидравлике систем, тем более, что полноценных расчетов при выдаче новым абонентам технических условий на присоединение, как правило, ресурсоснабжающими организациями не выполняется.

Зачастую РСО выполняет лишь конструкторский расчет нового участка трубопровода, без уделения внимания вопросу: «повлияет присоединение нового абонента на гидравлический режим существующих потребителей»?

Добавляет неразберихи в данный вопрос еще ряд обстоятельств, повсеместно присутствующий на территории нашей страны:

• Схемы присоединения мало где сохранили первозданный вид.
• Подход к вопросу замены участков трубопроводов часто заключается в поверхностном анализе наличия/отсутствия критичных проблем с гидравлическим режимом. При отсутствии жалоб на недостаточный напор ХВС и прочих явных проблем, когда система перестает работать, диаметр заменяемого участка оставляют прежнего диаметра. В остальных случаях его увеличивают.

В конечном итоге, после выполнения мероприятий на системах водоснабжения и водоотведения, связанных с изменением конфигурации сети, результат может быть непредсказуемым, а так как всегда в процессе задействованы минимум две стороны (абонент и поставщик ресурсов), найти виновных в неудовлетворительной работе системы крайне сложно.

Помимо описанных выше сложностей, разработчик проектов схем ВиВ, при формировании электронной (гидравлической) модели сталкивается с еще одной важной проблемой, которой не уделяется должного внимания. Это проблема построения высотного профиля водопроводной сети или продольного профиля канализации.

Нередко, гидравлический расчет в электронной модели выполняется «на плоскости», без занесения данных о высотных отметках узловых точек сети, что предопределяет некорректность выполнения дальнейших гидравлических расчетов. И если для небольшой водопроводной сети, размещенной «на равнине» отклонение будет не критичным, то для сложного рельефа, отклонение высотной отметки на 10 м от плоскости даст ошибку в 1 кгс/см2, что существенно отразится на гидравлическом расчете.

Встречаются случаи использования для формирования рельефа открытых данных (например, SRTM3 – карты). Данные SRTM3 (SRTM - Shuttle Radar Topography Mission) представляют собой данные высот земной поверхности относительно эллипсоида WGS84 (рис. 1).

Рисунок 1.1 Пример построения рельефа с помощью SRTM3

Рисунок 1.2 Пример построения рельефа с помощью топосъемки

SRTM3 представляет собой набор файлов, каждый из которых покрывает территорию размером 1º на 1º, с разрешением в 3 секунды в 1 пикселе (примерно 90 м в широтном направлении). Данные SRTM3 являются универсальным источником для моделирования земной поверхности, главным образом для построения цифровых моделей рельефа и цифровых моделей местности.

Применение открытых радарных высотных данных SRTM3 в качестве исходной информации для построения электронных моделей инженерных систем и последующего гидравлического расчёта также имеет ряд проблем. Во-первых, из-за используемой в SRTM3 растровой модели данных с ячейкой 91,6 м, горизонтальной точностью – 20 м и более, вертикальной – 16 м и более.
Горизонталь имеет более точное положение (средние ошибки в плановом положении по километровой карте укладываются в диапазон 20 м на местности). Соответственно, чем круче склон, тем больше вероятная ошибка в ячейке данных SRTM3. Во-вторых, в покрытых лесом районах SRTM3 измеряет высоту вершин деревьев, а не поверхности, что приводит к значительным ошибкам. Аналогичная ситуация происходит в районах застройки, где вместо высоты поверхности земли, могут быть высотные отметки кровель домов, что при наладочном расчёте системы недопустимо.

Таким образом, ошибки геодезических данных, считанных с карт SRTM3, оказывают существенное влияние на результаты гидравлических расчётов инженерных систем (даже без учета того, что узловым точкам линейных объектов присваиваются высотные отметки поверхности земли, что само по себе неверно, т.к. в зависимости от способа прокладки, реальные отметки сети будут отличаться в бо́льшую или меньшую сторону).

Периодически встречаются электронные модели, высотный профиль которых построен на основе имеющейся (как правило, в отделе архитектуры администрации) топосъемки муниципального образования (рис. 1). Данный вариант образования профиля инженерной сети показывает результаты, более приближенные к реальности, чем при использовании SRTM3. Однако, при использовании топосъемки, также есть также ряд проблем, которые возникают при моделировании гидравлического режима, в том числе:

1. Преимущественное большинство топосъемки было выполнено в 80-х годах прошлого столетия, т.е. используемые данные не актуальны для территории, на которой произошли изменения с момента формирования исходной информации (новые районы, кварталы, насыпные территории и проч.);
2. Данный метод также дает профиль поверхности земли (более точный в сравнении с SRTM3), а не высотный профиль инженерных сетей;
3. 3. Погрешность определения высотного профиля сети может достигать 3-5 метров, что приводит к ошибке в определении давления в точке на 0,5 кгс/см2 для систем водоснабжения и совершенно неприменимо для формирования продольного профиля канализационной сети, где для определения уклона участков, требуется знать отметку лотка трубы с сантиметровой точностью.

Профиль канализационной сети, зачастую формируют путем выполнения конструкторского расчета, что совершенно не отражает реальных глубин заложения трубопроводов.

Еще один, но наиболее редко встречающийся в практике случай, - применение планшетов для построения высотного профиля сети (рис.2). Данный метод дает возможность наиболее точно сформировать гидравлическую модель всех систем (водоснабжения и водоотведения).

Рисунок 2. Пример построения модели по планшетам

Для сравнения результатов выполненных гидравлических расчетов в ПРК Zulu, на рисунках 3-5 проиллюстрированы продольные профили одной и той же части канализационной сети города N (несколько начальных участков), где данные о высотном профиле сети построены по вышеприведенным вариантам.

Рисунок 3. Продольный профиль, сформированный с помощью конструкторского расчета, относительно поверхности земли, построенный по данным SRTM3

Рисунок 4. Продольный профиль, сформированный с помощью конструкторского расчета, относительно поверхности земли, построенный по данным топографической съемки

Рисунок 5. Продольный профиль, сформированный с помощью на основе фактических (измеренных) высотных отметок трубопроводов канализации

Для анализа выберем один участок Ду300 мм. В результате построения рельефа по трем разным вариантам, получились следующие данные (на примере колодца №221):

• отметка поверхности земли по данным SRTM3 – 97,92 м;
• отметка поверхности земли по данным топосъемки – 88,71 м;
• фактическая отметка поверхности земли – 88,75 м.

Отличие фактических данных от данных топосъемки незначительно (4 см), а вот несовпадение отметок по SRTM3 колоссальное – более 9 метров! (см. ст.3 табл.1)

Но чтобы понять, как и на что это влияет, разберемся с тем, какие получились результаты построения непосредственно профиля сети.
Сравним два показателя, которые влияют на технические и экономические результаты расчетов, - глубина заложения и уклон рассматриваемого участка.

1. Уклон участка сети.

   Фактический уклон участка Ду 300 мм составляет 3,935 мм/м, при этом, по результатам моделирования по SRTM3 уклон составил 9,836 мм/м, а по топосъемке – 8 мм/м (см. ст.4 табл.1).

   Очевидно, что ошибка в определении уклона трубопровода в 2 и более раз, приведет к существенной ошибке в моделировании гидравлического режима и, в частности, в оценке пропускной способности сети. При этом, гидравлический режим, смоделированный по SRTM3 и планшетам будет свидетельствовать о наличии резерва пропускной способности участков, который фактически будет отсутствовать, либо будет существенно меньше.

   Так, если обратиться к справочнику по гидравлическому расчету канализационных сетей (таблицы Лукиных), то можно оценить ошибку в пропускной способности для рассматриваемого участка по каждому из вариантов расчета.

   Например, для трубопровода Ду 300 мм и уклона 4 мм/м, пропускная способность составлит 61,7 л/с. Для того же трубопровода, но с уклоном 8 мм/м, предельный расход уже 87,3 л/с, а для уклона 10 мм/м, - 97,6 л/с! (см. ст.6 табл.1).

   Таким образом, на рассматриваемом участке, при использовании топосъемки резерв завышен на 30%, а при использовании SRTM3, - на 58% (см. ст.7 табл.1).

   Естественно, что принимать даже предварительные решения, например, о возможности подключения дополнительных абонентов к данному участку совершенно некорректно, т.к. это может привести к проблемам с работой сети, либо к неверной оценке стоимости подключения новых абонентов.

2. Глубина заложения.

   При разработке (актуализации) схем ВиВ также выполняется оценка стоимости мероприятий по реконструкции/строительству линейных объектов. Чаще всего, оценочный расчет стоимости выполняют на основе укрупненных нормативов цен строительства (НЦС).

   Стоимость выполнения работ, согласно НЦС, зависит от следующих параметров участков: диаметр, материал трубопровода, субъект РФ, в котором выполняются работы, тип грунта и глубина заложения. Все перечисленные параметры, кроме последнего, при выполнении расчетов будут идентичны.

   Рассмотрим глубину заложения трубопровода, которая получилась на рассматриваемом нами участке по трем вариантам моделирования. Округляя глубину заложения до сантиметров, получаем, что фактическая глубина заложения (усредненная по участку) составляет 2,45 м.

   В расчете, выполненному по SRTM3, глубина заложения составила более 4 м, а в расчете, выполненном по топосъемке – 2,73 м.

   Для понимания на сколько можно ошибиться в стоимости реконструкции данного участка, обратимся к таблице 14-07-003 НЦС 81-02-14-2017³ (предполагая, что в нашем случае выполняется строительство участка канализационной сети из полиэтиленовых труб, группа грунтов 1-3, грунт сухой, разрабатываем его в отвал, с креплением и в базовом регионе).

   Для трубопровода канализационной сети, диаметром 315 мм, показатель стоимости строительства канализационной сети, с глубиной заложения 3 м составляет 5400,62 тыс. руб. за 1 км, тогда как построить тот же участок, но с глубиной заложения в 4 м стоит уже 54543,66 тыс. руб., т.е. более чем в 10 раз дороже!⁴

   Принимая во внимание то, что рассматриваемый участок находится вблизи «истока» канализационной сети (практически в начале сети), - величина ошибки расчетной глубины заложения по пути к очистным сооружениям будет только увеличиваться.

Несмотря на важность построения достоверного гидравлического режима, на практике редко встречаются электронные модели, построенные с использованием планшетов (не говоря уже о выполнении геодезической съемки), по ряду причин:

1. Во многих муниципальных образованиях они утеряны (или утеряна их часть), либо пришли в негодность, ввиду ужасных условий хранения;
2. Планшеты выполнены в 80-х годах и ранее, т.е. не отражают изменений, которые произошли за 40 или более лет (часть участков заменены, некоторые участки могут быть демонтированы, а где-то построены новые);
3. Планшеты могут иметь гриф секретности, т.к. на них отражены в том числе сети водоснабжения, что для городов с населением 200 тыс. чел. и более является государственной тайной. В таком случае при разработке (актуализации) схемы подрядчик может не иметь лицензию на осуществление работ с использованием сведений составляющих государственную тайну или просто сэкономить время, исключив длительные пересылки нужного ему материала по «Спецсвязи».

Вышеприведенные доводы позволяют сделать вывод о том, что при построении высотного профиля сетей в электронной модели, для дальнейшего корректного выполнения гидравлического расчета, возможно использовать только планшеты, при этом нужно быть уверенным в том, что с момента их создания не было изменений топологии инженерной сети.

Далее назревает логичный вопрос: «как быть, если актуальных данных нет, а корректная электронная модель всё же нужна»?

Выполнение геодезической съемки всей моделируемой сети, используя традиционные методы, будет в разы превосходить трудозатраты самого моделирования и обойдется заказчику «в копеечку», в связи с чем данный вариант всерьез заказчиками не рассматривается.

Рассмотрим альтернативное решение проблемы формирования высотного профиля сети.

В настоящее время, во многих сферах используются топографические карты и планы, при создании которых применяются различные методы геодезических измерений – от съёмки электронными тахеометрами и GNSS-приёмниками до наземного и мобильного лазерного сканирования. Использование геодезической аппаратуры гарантирует высокую точность измерений, прием сигналов большого количества спутников отличается высокой отказоустойчивостью, что требуется для надежной и результативной работы. Преимуществом использования геодезической аппаратуры так же являются сжатые сроки работ, полученные координаты в кратчайшее время поступают на обработку.

Удобство использования данной аппаратуры широко освещено в различных статьях и обзорах, остановимся на интересующих нас моментах.

Геодезическая спутниковая аппаратура GNSS предназначена для определения координат точек земной поверхности. Принцип действия рассматриваемой аппаратуры заключается в измерении времени прохождения сигнала от спутника до приёмной антенны прибора и вычислении значения расстояния до спутника. При вычислении координат, движущийся или неподвижный приемник определяет местоположение в трехмерной системе координат, связанной с центром масс Земли и неподвижной относительно нее. Для обозначения своих координат, приемник измеряет расстояния до четырех или более спутников. Далее, в измеренные расстояния между спутником и приемником вносятся поправки разности шкал времени спутника и общесистемной шкалы, а также задержка распространения сигнала в атмосфере. Положения спутников вычисляются по эфемеридам, передаваемым ими в навигационных сообщениях.

Данное оборудования позволяет использовать приемник в режиме кинематической съемки в реальном времени (RTK-режим). Для применения этого метода требуется наличие по меньшей мере двух приемников и канала передачи данных между ними, либо одного приемника и наличие сети референцных станций. В большинстве случаев, один из приемников (база) устанавливается над точкой с известными координатами, другой (ровер) - над искомой точкой. Базовый приемник производит измерения по фазе несущей частоты, вычисляет RTK поправки и направляет эту информацию на ровер, который обрабатывает полученные значения вместе со своими собственными измерениями, определяет свое местоположение относительно базы. Наличие сети референцных вышек, позволяет обойтись одним прибором, который используется в качестве ровера. Ровер получает поправки от сети референцных станций, число которых в стране растет с каждым годом.

Точности съемки координат в кинематике, в зависимости от используемого оборудования можно добиться в пределах 10 мм по высоте, что полностью удовлетворяет требованиям построения высотного профиля сети, в том числе канализационной, где даже дециметровая точность неприемлема.

Еще более ускоряет (а значит и удешевляет процесс построения высотного профиля сети), возможность интеграции GNSS приемников в геоинформационный программный комплекс ZuluGIS для выполнения инженерных расчетов.

Таким образом, на сегодняшний день можно выполнять геодезическую съемку в режиме реального времени с автоматическим переносом высотных координат и координат в плане в ZuluGIS, в котором непосредственно выполняется электронное моделирование инженерных сетей. Для этого необходимо лишь пройти интересующую нас сеть, иметь необходимое оборудование и программное обеспечение.

При наличии референсных сетей, средняя скорость выполнения данных работ (время может изменяться в зависимости от местности, где выполняются измерения и помех) составляет 7-10 км сетей в день одной бригадой, при том, что выполнение такой же работы традиционными методами займет в разы больше времени.

Подводя итог, можно констатировать, что залог принятия корректных решений по выполнению мероприятий, связанных с изменением гидравлического режима (или оценкой его текущего состояния) напрямую зависит от правильности построения исходной модели существующей сети, что невозможно сделать без информации о ее высотном профиле. Степень совершенства существующего геодезического оборудования и возможность его интеграции в геоинформационный комплекс позволяет добиться существенного удешевления работ по уточнению геодезических координат трубопроводов. Однако, на практике такой подход практически не применяется и это является одной из причин некорректности электронных моделей и в конечном итоге решений, принятых в проектах схем водоснабжения и водоотведения.