CC BY
30
УДК 628.8: 696.4:644.62: 683.97
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ СТОКОВ В СИСТЕМАХ ВОДООТВЕДЕНИЯ
© В.Р. Чупин1, Е.С. Мелехов2, Р.В. Чупин3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предлагается программный комплекс для моделирования и оптимизации режимов движения стоков в системах водоотведения. Программный комплекс под названием TRACE-K включает базу данных в формате MS ACCESS, программу графического отображения и расчетные модули. База данных позволяет хранить, идентифицировать, агрегировать и представлять информацию о сетях и сооружениях систем водоотведения размерностью до 30 тыс. трубопроводных участков. Программа графического отображения позволяет представлять в двух - и трехмерном пространстве трубопроводы, смотровые колодцы, насосные станции и другие сооружения, а также интерпретировать результаты расчета в виде световых полей скоростей и расходов, пьезометрических графиков как в стационарном, так и динамическом режимах движения стоков. Расчетные модули реализуют методику гидравлического расчета напорно-безнапорного движения стоков с учетом возможного их выхода на поверхность земли и затопления территории. Ил. 12. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: утечка воды; поиск и обнаружение аварии; метод четырёх манометров.
DEVELOPING INFORMATION SYSTEM FOR SEWAGE MODE SIMULATION IN WATER DISPOSAL SYSTEMS V.R. Chupin, E.S. Melekhov, R.V. Chupin
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The paper proposes a software package for simulation and optimization of sewage flow modes in water disposal systems. TRACE-K software includes a database in MS ACCESS format, a program of graphical display and calculation modules. The database allows to store, identify, aggregate and present information on networks and facilities of water disposal systems with the dimensions to 30 thousand pipe sections. The graphic display program allows two-and three-dimensional representations of piping, inspection holes, pump stations and other facilities, as well as interpretations of calculation results in the form of light velocity fields and expenses, piezometric graphs both in stationary and dynamic modes of sewage flows. The calculation modules implement the methods of hydraulic calculation of pressure-non-pressure drainage flows taking into consideration the possible release of sewage on the surface, which results in territory flooding.
12 figures. 3 sources.
Key words: water leakage; accident searching and localization; method of four gauges.
Современные технологии развития городских инженерных систем водоотведения в России осуществляются программным методом. Сущность этого метода заключается в итеративном и последовательном принятии решения о реконструкции существующих и строительстве новых объектов коммунальной инфраструктуры. На первых этапах этого процесса формируется генеральная стратегия социально-экономического развития города, территории. Далее разрабатывается схема территориального планирования и создается или корректируется генплан, в рамках которого формируется программа комплексного развития инженерной инфраструктуры города, разрабатываются отдельно схемы водоснабжения и водоотведения, теплоснабжения, электроснабжения и др. Разрабатываются сроком на три года производственные и инвестиционные программы предприятий коммунального комплекса, для которых основой является ФЗ № 210. Такой сложный процесс принятия решения требует обработки большого количества информации и многочисленных расчетов, в том числе оптимизационных. Поэтому, создание программных комплексов, обеспечивающих информационную и вычислительную поддержку процесса принятия решения по развитию инженерной инфраструктуры города, является актуальной задачей. В настоящей работе предлагается программный комплекс для моделирования и оптимизации режимов движения стоков в системах водоотведения. Программный комплекс под названием TRACE-K включает базу данных в формате MS ACCESS, программу графического отображения и расчетные модули. База данных позволяет хра-
1Чупин Виктор Романович, доктор технических наук, профессор, директор Института архитектуры и строительства, тел.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
Chupin Victor, Doctor of technical sciences, Professor, Director of the Institute of Architecture and Construction, tel.: (3952) 405145, email: chupinvr@istu.edu
2Мелехов Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства. Melekhov Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Town Planning and Economy.
3Чупин Роман Викторович, кандидат технических наук, докторант кафедры городского строительства и хозяйства. Chupin Roman, Candidate of technical sciences, Competitor for a Doctor's degree of the Department of Town Planning and Economy.
нить, идентифицировать, агрегировать и представлять информацию о сетях и сооружениях систем водоотведе-ния размерностью до 30 тыс. трубопроводных участков. Программа графического отображения позволяет представлять в двух- и трехмерном пространстве трубопроводы, смотровые колодцы, насосные станции и другие сооружения, а также обеспечивает возможность интерпретировать результаты расчета в виде световых полей скоростей и расходов, пьезометрических графиков как в стационарном, так и в динамическом режимах движения стоков. Расчетные модули реализуют методику гидравлического расчета напорно-безнапорного движения стоков с учетом возможного выхода стоков на поверхность земли и затопления территории [1,2]. Не останавливаясь на особенностях организации базы данных и графического представления исходной и результирующей информации, рассмотрим организацию вычислительного процесса в ТРЛОБ-К, которая сводится к выполнению следующих этапов.
Ввод исходных данных. На этом этапе выделяются три основных объекта, составляющие модель сети во-доотведения: участки, узлы и канализационные насосные станции. Некоторые из них подразделяются на несколько подобъектов (рис. 1).
Рис.1. Классификация входной информации
Подготовка исходных данных. Имеет определенную структуру, особенности которой следующие:
1. Использование в расчетном модуле имен узлов или кодов не всегда удобно. Имена представляют собой текстовые строки, а коды могут быть изменены в процессе добавления или удаления объектов. Для устранения этих неудобств выполняется сквозная нумерация узлов расчетной схемы. При этом каждый узел получает свой уникальный номер.
2. Для объединения в единую расчетную схему двух и более гидравлически независимых фрагментов вводится фиктивный узел, который будет связан с основной схемой фиктивными ветвями. Для этого освобождается первый номер в массиве узлов под фиктивный узел. Номера начального и конечного узлов всех участков увеличиваются на 1.
3. Стоки, которые поступают в систему, и стоки, которые сбрасываются в приемные резервуары КНС, имеют одинаковое атмосферное давление, но по высотному положению они различны, то есть имеют разную потенциальную энергию. Поэтому каждая фиктивная ветвь будет иметь действующий напор, равный геодезической отметке притока или сброса стоков. Для дальнейшего определения этого напора выполняется поиск минимальной отметки среди всех узлов сброса, т.е. самого низко расположенного лотка.
4. Формируются фиктивные участки, которыми будут моделироваться сбросы стоков в канализационные колодцы, притоки стоков в приемные резервуары очистных сооружений, а также возможные выходы стоков на поверхность земли в любом из колодцев эксплуатируемой или анализируемой сети водоотведения (рис.2).
Анализ потокораспределения. Эта процедура выполняется один или несколько раз до тех пор, пока не останутся только фиксированные сбросы и фиктивные участки с отрицательными расходами и с расходами, меньше чем расчетные их величины. В итоге расходы на фиктивных ветвях укажут на количество стоков, выходящих на поверхность земли, а отрицательные расходы на пассивных ветвях - на наличие противотоков.
1) Операции в цикле:
• Запись в файл исходных данных по узлам и участкам сети.
• Расчет потокораспределения с формированием файла результатов расчета.
• Читается и анализируется файл результатов расчета по участкам, в процессе анализа выполняются
следующие действия: поиск фиктивного участка, направленного к колодцу (т.е. номер начального узла участка = 1); если рассчитанная нагрузка, т.е. та, которая может быть пропущена через колодец, больше или равна нагрузке, заданной в узле в исходных данных, то выполняется фиксация нагрузки на участке; в узел, моделируемый этим фиктивным участком, записывается его заданная нагрузка. Участок отмечается для дальнейшего удаления. Цикл повторяется.
• Удаление отмеченных участков.
2) Анализ итогов расчета:
• Читается файл результатов расчета. В процессе просмотра файла выполняются следующие действия:
1. Если участок не является фиктивным (т.е. ни начальный номер, ни конечный не равны 1), то выполняется проверка, перевернулся он или нет. Для этого сравниваются начальные и конечные номера узлов участка в исходном массиве и в просматриваемом файле. Нагрузка на участок назначается та, которая получена в результате расчета.
2. Если участок является фиктивным и направлен к фиктивному узлу (т.е. номер конечного узла = 1), следовательно, он перевернут и стоки будут истекать из колодца.
Перекодировка узлов и участков
Освобождение места в массиве узлов для фиктивного узла
Поиск минимальной отметки лотка
Формирование фиктивных участков
Добавление фиктивного узла (Ф.у.)
От узла сброса _кФ-У-_
№нач= №узла
№кон= 1(ф.у.)
1.= Отм.Кр.-Отм.Лот
Р=с1кол
Н=0
Номер=1 Отм.Лот=Отм.ггнп
От ф.у. к узлу сброса
От ф.у. к колодцу
№нач= КФ.у.)
№кон= №узла
1_= ОД
О=с1кол
Н=0
1Ч°нач= 1(ф.у.) №кон= №узла 1.= Отм.Кр.-Отм.Лот й=с]кол
Н=Отм.Кр -Отм.тт
Рис.2. Формирование циклической расчетной схемы
3. Если участок является фиктивным и направлен от фиктивного узла (т.е. номер начального узла = 1), следовательно, часть стоков будет попадать в колодец, а часть - на поверхность земли. При этом количество стоков, которые будут изливаться на поверхность земли, будут равны разности заданной нагрузки и нагрузки, полученной для этой фиктивной ветви. Последовательность таких операций представлена на рис.3.
Прямой ход вычислений. Представляет последовательность операций, связанных с определением гидравлических параметров системы водоотведения, и осуществляется в направлении от висячих вершин к корню дерева.
1. Работает блок построения дерева кратчайших расстояний. В результате работы этого блока формируется массив, в котором индекс массива - номер начального узла участка, а значение в массиве - номер конечного узла участка. Имея такую структуру, очень удобно организовать итерационный процесс.
2. Алгоритм движения по ветвям дерева от его корня к вершинам и обратно выполняется с использованием понятия степени вершин. Т.е. для каждой вершины (узла) дерева подсчитывается количество входящих и исходящих ветвей.
3. Запускается цикл, условием окончания которого является отсутствие входящих ветвей в фиктивный узел (корень дерева). Если узел висячий, то обрабатывается инцидентная ему ветвь. В этом цикле:
1) Проверяется участок на наличие насосной станции, если участок моделирует КНС, то согласно рис. 4 определяется напор, необходимый для пропуска расчетного расхода.
1.Фиксация нагрузки на участке
2. Удаление фиктивного участка
\1/
Анализ результатов
1. Проверка не фиктивных участков «перевернулся» или нет
2. Если оставшийся фиктивныйучасток перевернут, следовательно все стоки истекаютна поверхность
3. Если оставшийся фиктивный участок не перевернут, следовательно часть стоков колодец пропускает, а часть вытекает на поверхность
Рис. 3. Этапы вычисления расходов в системе водоотведения
2) Для самотечных участков производится проверка возможности работы их в напорном режиме, для этого определяется расход стоков при их транспортировании полным сечением.
3) Если фактический расход меньше расхода при полном сечении, устанавливается безнапорный режим движения стоков, для которого определяются значения глубин потока в начале и конце трубопровода.
4) Из гидравлики известно, что при фиксированных значениях расхода Qi всегда будет наблюдаться равномерное установившееся движение стоков, за исключением участков, в конце которых устраиваются перепады и сбросы стоков; если таковых сооружений нет, то достаточно определить нормальную глубину.
5) Если же в конце участка имеется перепад или сброс стоков в резервуар или водоем, то в конце участка будет наблюдаться кривая спада и установится критическая глубина, параметры которых вычисляются по следующим формулам:
В этих формулах глубина в начале участка принимается ^=0,9^, то есть близкой к нормальной глубине а глубина в конце получается равной критической h2=hкр. Далее по этим формулам вычисляется L. Если величина L окажется меньше ^ - длины расчетного участка, то в этом случае глубина в начале участка будет равна в конце ^кр. Если L получилось больше длины участка, что соответствует тому, что кривая спада выйдет за пределы участка и глубина стоков в начале участка будет меньше то по этой же формуле при известной L ведется подбор начальной глубины. За начальное значение h1 принимается критическая глубина на участке. На каждой итерации h1 увеличивается на 0,001. Условием окончания цикла является достижение h1 значения равного h0. В процессе работы цикла на каждой итерации сохраняется значение начальной глубины, полученное при наименьшей разности правой и левой частей формулы. Этапы вычисления представлены на рис. 5.
Рис. 5. Подбор начальной глубины участка
6) Если фактический расход больше или равен расходу при полном сечении, значит самотечный трубопровод работает в напорном режиме. В этом случае на расчет оказывает влияние наличие или отсутствие перепада в конце участка:
• если в конце участка перепада нет, то напор в начале участка определяется согласно рис.6;
------ -О
Рис.6. Случай напорного режима в самотечном трубопроводе
* если в конце расчетного участка имеется перепад или водослив, то также как и в безнапорном режиме, на конце участка устанавливается критическая глубина, нормальная глубина при этом будет соответствовать полному сечению 110=б, а на расстоянии I будет наблюдаться самотечный установившийся неравномерный режим движения стоков, при этом на участке длиной 1Х = I- I будет наблюдаться напорный режим (рис. 7);
/// ///\Ч\///\ЧЧ/У/\\\ \\
>
пнр
К 1
в
/
Рис. 7. Напорно-безнапорный режим движения стоков
* если напор в начале участка будет больше, чем отметка земли, стоки будут истекать из колодца на поверхность земли; в этом случае наполнение в начальном колодце установится на уровне красной отметки земли и, следовательно, расход в трубопроводе уменьшится на величину истечения его на поверхность земли;
* в том случае, если в конце участка нет перепада, то все вычисления производятся согласно рис.8, в противном случае - по схеме, представленной на рис. 9.
Рис. 8. Напорный режим с истечением стока на поверхность земли
Рис. 9. Напорно-безнапорный режим с истечением стока на поверхность земли
Общая схема расчета прямым ходом показана на рис. 10. Согласно этой схеме при последовательном рассмотрении участков сети, начиная от висячих вершин в направлении к корню дерева, вычисляются расходы, определяются режимы течения стоков и колодцы, из которых будут истекать стоки на поверхность земли.
да
_у;_
Расчет К НС
Рис. 10. Общая схема расчета прямым ходом
Расчет обратным ходом. Обратный ход необходим для корректировки расходов, режимов движения стоков и определения объемов стоков, попадающих на поверхность земли. Расчет начинается с подсчета степеней вершин. Проходка по дереву осуществляется от корня дерева (фиктивного узла) к его вершинам. При этом выполняются следующие проверки и корректировки:
• Если конечный колодец находится под напором, то вычисляются потери на трение и наполнение в начальном колодце с учетом этих потерь (рис. 11).
Рис. 11. Корректировки обратного хода под напором воды
• Если конечный колодец не под напором и уровень воды в нем выше, чем конечная глубина на участке, производится корректировка напора в начальном колодце по схеме, представленной на рис. 12.
Рис. 12. Корректировки обратного хода без напора воды
Вывод результатов расчета. Результаты расчетов выводятся в графической форме в виде различных раскрасок сети по скоростному режиму, по наполнению и напорам как в статическом, так и в динамическом режимах работы системы водоотведения.
Библиографический список
1. Чупин В.Р., Мелехов Е.С., Чупин Р.В. Напорное движение стоков в безнапорных коллекторах // Водоснабжение и санитарная техника. 2010 . №7. С. 15-24.
2. Чупин Р.В., Мелехов Е.С. Развитие теории и практики моделирования и оптимизации систем водоснабжения и водоотведения. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 323 с.
