Optimalizační přístup při plánování rekonstrukcí vodovodních řadů

Transkript

1 Optmalzační přístup př plánování rekonstrukcí vodovodních řadů Ladslav Tuhovčák*, Pavel Dvořák**, Jaroslav Raclavský*, Pavel Vščor*, Pavel Valkovč* * Ústav vodního hospodářství obcí, Fakulta stavební VUT v Brně ** Brněnské vodárny a kanalzace a.s. 1. Úvod Dle údajů SOVAK [1] čnla celková délka vodovodní řadů veřejných vodovodů v roce 1999 v ČR km. Značná část těchto vodovodních sítí, zejména v hstorckých centrech větších měst se v současné době blíží ke konc své žvotnost. Dokazují to údaje o ztrátách vody, které čnly v průměru za ČR v tomtéž roce cca 25,9 % vody vyrobené k realzac. Toto číslo výrazně převyšuje hodnoty udávané ve většně zemí Evropské une. Řada vlastníků provozovatelů trubních sítí s zejména v poslední době nechala vypracovat stude o optmální rychlost obnovy těchto sítí. Z těchto studí vyplývá, že v průměru by se ročně mělo obnovt nebo opravt cca 1,5 až 2 % celkové délky vodovodní sítě. Pro veřejnou vodovodní síť v ČR to představuje zhruba 750 km/rok. Praktcky všechny větší města v ČR musí společně s provozovatel těchto systémů hledat odpověd na otázky, které část sítí je nutno rekonstruovat, kdy, proč, jak a samozřejmě za kolk. Plán rekonstrukcí by měl být přtom zpracován tak, aby optmalzoval jednak dopad do ceny vodného a zároveň zajstl funkčnost vodárenských systémů. 2. Expertní systém SUPSYS jako podpůrný prostředek rozhodování Jako podpůrný prostředek pro plánování a pro kvalfkovaná rozhodnutí, které řady vodovodní sítě rekonstruovat, sanovat nebo úplně vyměnt, v jakém čase, za jakých podmínek, jakým metodam atd., je na Ústavu vodního hospodářství obcí v rámc řešení výzkumného záměru MŠMT [2] vyvíjen expertní systém označený akronymem SUPSYS. Expertní systém je řešen formou relatvně samostatného modulu, který může být využíván užvatelem samostatně nebo může být začleněn do ntegrovaného nformačního systému provozovatele vodovodních sítí. Základní struktura vyvíjeného expertního systému s vazbam mez jednotlvým moduly je znázorněna na Obr. 1. Expertní systém bude tvořen následujícím relatvně samostatným moduly Databází nezbytných dat o posuzovaném vodovodním dstrbučním systému Bází znalostí o dostupných a použtelných technologích pro opravy a rekonstrukce trubních řadů Analytckým technckým moduly Databází výkonnostních ukazatelů, která bude obsahovat výsledky analytckých modulů Rozhodovacím algortmy s multkrterálním hodnocením Výstupním moduly - dlouhodobá stratege obnovy sítě, střednědobý plán a roční plán

2 SUPSYS SBĚR DAT Databáze METODY REKONSTRUKCE Báze znalostí TECHNICKÉ MODULY - HYDRAULICKÝ MODEL - MODEL KVALITY VODY - MODEL SPOLEHLIVOSTI - MODEL PREDIKCE PORUCH VÝKONNOSTNÍ UKAZATELE Databáze PLÁNOVÁNÍ (ROZHODOVACÍ) PROCES Multkrterální optmalzace VÝSTUPY DLOUHODOBÁ STRATEGIE OBNOVY SÍTĚ (15-20 LET) STŘEDNĚDOBÝ PLÁN (3-5 LET) Obr. 1 Základní struktura expertního systému SUPSYS ROČNÍ PLÁN 3. Databáze vstupních údajů - sběr dat Prvním relatvně samostatným modulem systému je databáze základních údajů o každém vodovodním řadu v posuzovaném systému zásobování vodou. Je zpracován návrh struktury základní věty této datábaze, která specfkuje vyžadované údaje ke každému úseku sítě. Členění posuzovaného systému na jednotlvé úseky vychází z topologe sítě pro hydraulcký model se zohledněním rozmístění uzávěrů, které umožnují provozní odstavení hodnoceného úseku. To znamená, že každý úsek je defnován dvojcí uzlů. V současné době je správa databáze vyvíjená v prostředí MS Access, výhledově plánujeme přejít na databáz ORACLE. Databáze by měla být propojena s GIS a dalším moduly nformačního systému provozovatele sítě, aby j bylo možno průběžně doplňovat a aktualzovat. Databáze musí poskytnout všechny potřebné údaje pro analytcké modely, pro které bude zdrojem vstupních dat.

3 4. Metody rekonstrukce - Báze znalostí Jde o relatvně zcela samostatný modul v rámc SUPSYS, který má poskytnout užvatel všechny známé a dostupné nformace o metodách výstavby, rekonstrukcí a sanací vodovodních řadů, zejména bezvýkopových technologích. Využtí modulu v rámc SUPSYS se předpokládá př sestavování ročních plánů rekonstrukcí a obnovy sítě. V uplynulém roce byla zpracována základní analýza struktury modulu, která zahrnuje základní pojmy a termnolog používanou v rámc ISTT platnou legslatvu a souvsející normy, odkazy na dostupnou lteraturu nformace o používaných trubních materálech základní přehled využívaných bezvýkopových technologí rozdělených na - opravy lokální - opravy celkové - opravy šachet a objektů - výstavba nového potrubí ve stávající trase - výstavba potrubí v nové trase přehled společností v ČR s uvedením technologí, které v současně době v této oblast nabízejí V rámc známých a dosud používaných technologí je zpracováván přehled jednotlvých metod včetně jejch hodnocení z hledska vhodnost, dostupnost a fnanční náročnost. Podrobněj je současný stav tohoto modulu popsán v [3]. 5. Analytcké modely Tyto modely slouží k dalšímu technckému posouzení jednotlvých úseků vodovodní sítě a získání dalších výkonnostních ukazatelů potřebných pro plánování rekonstrukcí a obnovy sítě. Ty jsou ukládány do databáze výkonnostních ukazatelů. V současné době jsou jako součást SUPSYS navrhovány 4 následující modely hydraulcký model sítě model kvalty vody model spolehlvost sítě model predkce vývoje poruch Hydraulcký model sítě Jde o základní analytcký modul, který využívají zbývající 3 modely. V současné době je dostupná celá řada programů, která poměrně na vysokém stupn užvatelského komfortu řeší problematku smulace hydraulckých poměrů ve vodovodních sítích. V ČR je dnes zřejmě nejrozšířenější program ODULA, který je využíván v rámc SUPSYS. Pro každé tlakové pásmo se předpokládá zpracovaní časových snímků pro pracovní den a den pracovního kldu pro stávající a výhledové potřeby vody. Výsledkem analýzy jsou pak mnmální a maxmální provozní tlaky a hodnoty průtoků v jednotlvých úsecích sítě. Hydraulcký model rovněž umožňuje smulace hydraulckých poměrů v sít př vyřazení konkrétního úseku nebo část sítě. Před používáním modelu je nutná jeho kalbrace přímým měřením na sít. Model kvalty vody Jde o analytcký modul, který poskytuje nformace o vývoj kvalty vody př její dstrbuc v posuzovaném systému. K základním výstupům tohoto modulu patří doba zdržení vody (doba dotoku z napájecího uzlu k jednotlvým odběratelům) a vybrané ukazatele kvalty vody. S ohledem na možnost řeštelského pracovště a možnost kalbrace modelu přímým měřením na sít byl zatím vybrán ke sledování pouze jedný

4 parametr kvalty vody, a to obsah zbytkového chlóru. V rámc SUPSYS se plánuje testování modelu kvalty vody s využtím programu ODULA. V uplynulém roce byl realzován nákup měřícího zařízení ní pro měření zbytkového chlóru přímo na sít. Výsledkem modelu by mělo být stanovení doby zdržení vody v sít a především ohodnocení vlvu jednotlvých úseků na vývoj kvalty vody. Model spolehlvost sítě Spolehlvost vodovodní sítě je možné posuzovat podle dvou základních krtérí. Prvním z nch je zabezpečení požadovaného množství vody, tedy přístup kvanttatvní. Druhým je zabezpečení dodávky vody v požadované kvaltě, tj. přístup kvaltatvní. Spolehlvost celého systému zásobování vodu je závslá na spolehlvost jeho jednotlvých prvků. Spolehlvost každého prvku je funkcí celé řady faktorů, které mají často charakter náhodných velčn. V rámc vývoje SUPSYS se zabýváme problémem stanovení kvanttatvní spolehlvostí a to jak pro jednotlvé prvky sítě (uzly) tak pro celou vodovodní síť. Podrobněj je zvolený přístup ke stanovení spolehlvost vodovodní sítě popsán v [4],[5]. Pro účely multkrterálního hodnocení je v současné době posuzován vlv jednotlvých úseků sítě na celkovou spolehlvost sítě. Model predkce poruch Vývoj tohoto modulu je teprve na začátku. Na základě statstckého vyhodnocení počtu poruch v jednotlvých částech sítě, jejch příčn a dynamky vývoje by měl být modelem predkován předpokládaný vývoj poruch v rámc posuzované sítě v daných časových horzontech a zároveň stanoveny tzv. pohotovost jednotlvých úseků K p, které budou sloužt jako vstupní údaje pro model spolehlvost. 6. Databáze výkonnostních ukazatelů V současné době probíhá vývoj návrhu struktury databáze výkonnostních ukazatelů získaných z analytckých modulů. Ukazatele budou vztaženy opět k jednotlvým úsekům topologckého schématu hydraulckého modelu a pro každý úsek budou zahrnovat především mnmální a maxmální hydrostatcké tlaky mnmální a maxmální průtoky a rychlost průtoků hodnocení úseku z hledska dopadu jeho vyřazení na hydraulcké poměry v sít mnmální a maxmální dobu dotoku vody do uzlů úseku z jednotlvých napájecích uzlů hodnocení vlvu úseku na kvaltu vody v sít hodnocení úseku z hledska staří trubního materálu hodnocení úseku z hledska vývoje počtu poruch hodnocení úseku z hledska predkovaného počtu poruch hodnocení úseku z hledska jeho vlvu na celkovou spolehlvost posuzované sítě Databáze bude společně s databází vstupních dat základním zdrojem údajů pro multkrterální hodnocení významu každého úseku a pro tvorbu jednotlvých výstupních modulů SUPSYS.

5 7. Multkrterální hodnocení optmalzační přístup k plánování rekonstrukcí V rámc řešení SUPSYS byla navržena první varanta multkrtarálního hodnocení jednotlvých úseků posuzované sítě. Je navrženo hodnocení každého úseku pomocí 4 dílčích krtérí. Každé dílčí j-té hodnotící krtérum je vyjádřeno jako bezrozměrné hodnocení každého -tého úseku a platí pro něj h j <0,1> (1) Pro výslednou multkrteríální funkc j-tého úseku posuzované sítě pak platí 4 H = h j = max (2) j= 1 Zvolený přístup byl testován v rámc [6] na vybraném tlakovém pásmu vodovodní sítě města Brna. Posuzovaná vodovodní síť má jeden vodojem, 127 uzlů a 167 úseků. Byl zpracován hydraulcký model pomocí software ODULA, z databáze poruch BVK za roky 1991 až 1996 byla provedena analýza poruch, tlakových poměrů v sít, analýza stáří trubního materálu a vlv vyřazení každého úseku na celkovou spolehlvost sítě. Byla sestavena multkrterální funkce, kde jednotlvé dílčí členy funkce jsou h 1 h 2 h 3 h 4 - poruchovost úseku (průměrná poruchovost přepočítaná na jednotku délky sítě) - vlv hydrodynamcký tlaku - vlv stáří trubního materálu - vlv úseku na celkovou spolehlvost vodovodní sítě Pro každý úsek posuzované vodovodní sítě byla z uvedených dílčích krtérí stanovena hodnota výsledné multkrterální funkce podle rovnce (2). V Tab.1 je prezentováno prvních deset úseků s největší dosaženou hodnotou H. Úseky, které jsou v tabulce zvýrazněné šedou barvou byly v průběhu let 1997 a 1998 skutečně rekonstruovány. Tab. 1 Úseky s maxmální hodnotou výsledné multkrterální funkce H Číslo Počáteční Koncový h úseku uzel uzel 1 h 2 h 3 h 4 H ,58 1,00 0,74 0,00 2, ,00 0,35 0,54 0,00 1, ,28 0,56 1,00 0,00 1, ,00 0,87 0,72 0,00 1, ,39 0,54 0,62 0,00 1, ,44 0,48 0,59 0,00 1, ,00 0,75 0,74 0,00 1, ,15 0,74 0,55 0,01 1, ,10 0,61 0,74 0,00 1, ,00 0,68 0,74 0,00 1,41

6 8. Výstupy Tř úrovně výstupů jsou plánovány př využívání podpůrného prostředku SUPSYS. Předpokládá se, že tento expertní systém bude využíván př plánování dlouhodobé stratege obnovy sítě (15-20 let). Tento výstup bude zpracováván pro celý posuzovaný systém zásobování vodou a měl by obsahovat pouze základní doporučení jako celkové roční procento obnovy sítě k danému časovému horzontu ve varantách, orentační fnanční náročnost jednotlvých varant, hodnocení dopadů těchto varant do ceny vody a zajštění funkčnost posuzovaného systému atd. Dalším výstupem bude zpracování střednědobého plánu obnovy sítě, který bude jž zpracováván samostatně pro jednotlvá tlaková pásma posuzovaného systému. Bude obsahovat časový harmonogram obnovy a rekonstrukce jednotlvých část resp. úseků tlakového pásma s uvedením celkových délek jednotlvých trubních řadů podle proflů a trubního materálu s uvedení základního doporučeného způsobu rekonstrukce - zda v otevřené rýze nebo s využtím bezvýkopových technologí, vyplývající fnanční náklady v jednotlvých letech atd. Tento plán by měl zároveň navazovat resp. být koordnován se správc ostatních sítí, plánovaným opravam komunkací a plánovanou výstavbou v dotčeném zájmovém území. Posledním možným výstupem bude roční plán oprav, sanací a rekonstrukcí vodovodních řadů s detalním časovým harmonogramem a rozsahem rekonstrukcí jednotlvých úseků, doporučenou metodou jejch rekonstrukce, dopady na provoz sítě včetně případného omezení dodávky vody a zajštění způsobu náhradního zásobování vodou, dopady na dopravní omezení, dopady na správce ostatních sítí, zábory pozemků, fnanční náklady na jednotlvé úseky atd. 9. Závěr Předložená metodka vícekrterálního hodnocení úseků vodovodní sítě pro potřeby plánování jejch rekonstrukcí je první varantou navrženou a testovanou v rámc řešení příslušné část výzkumného záměru. Záměrem řeštelského kolektvu je rozšířt dílčí krtéra o další faktory, např. vlv úseku na kvaltu vody v sít nebo tzv. korekční faktor, který by se snažl posthnout ostatní vlvy (rekonstrukce vozovek, jných sítí atd.). Zároveň budou pokračovat práce na vývoj jednotlvých modulů SUPSYS. 10. Lteratura [1] Mnsterstvo zemědělství ČR: Vodovody a kanalzace ČR, Agrospoj, Praha 2000 [2] Tuhovčák, L.: Vývoj metod modelování a řízení vodohospodářských a dopravních systémů, Výzkumný záměr CEZ J22/ část Vodárenské systémy -průběžná zpráva o řešení za rok 1999, VUT Brno, Brno 1999 [3] Raclavský, J., Tuhovčák, L., Valkovč, P.: Báze znalostí o rekonstrukcích vodovodních řadů, semnář Vývoj metod modelování a řízení vodohospodářských a dopravních systémů FAST VUT, Brno 2000 [4] Vščor, P., Tuhovčák, L.: Spolehlvost vodovodních sítí. Sborník II. meznárodní konference VODA Zlín 98, Zln, March 1998, str [5] Vščor, P.: Management of Water Dstrbuton Systems and Leakage Control, Proceedngs of the 13 th European Junor Scentst Workshop on Servce-Lfe Management of Water Mans and Sewers, Technsche Unverstät Dresden, Dresden SRN, 1999, str. 87 [6] Dvořák, P.: Vlv poruch rozváděcích řadů na spolehlvost vodovodních sítí, dsertační práce, Fakulta stavební VUT v Brně, Brno, 2000