Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0088

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0088
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет"
Название доклада
Автоматизированная информационная система мониторинга и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения
Докладчик
Фрумин Григорий Тевелевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования: Разработка современных методов и технологий оценки и прогнозирования качества и количества объемов ливневого стока с целью обеспечения производственных нужд организаций, осуществляющих природоохранную деятельность, водоотведение, транспортировку воды и сточных вод, а также для возможности осуществления управления сетями водоотведения в оперативном режиме.
Задачи исследования: 1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей проблематику учета выпадающих атмосферных осадков и водоотведения, а также автоматизации учета и прогнозирования ливневых стоков. 2. Оценка вклада отдельных факторов в формирование уровня загрязненности ливневых стоков. 3. Разработка методики автоматизированного учета, мониторинга и прогноза выпадающих атмосферных осадков на территории крупного промышленного города (на примере Санкт-Петербурга). 4. Разработка макета автоматизированной информационной системы мониторинга и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения. 5. Проведение экспериментальных исследований разработанного макета автоматизированной информационной системы в условиях различных сезонов года на опытном бассейне канализования на территории Санкт-Петербурга. 6. Апробация разработанной методики. 7. Разработка рекомендаций по учету антропогенной нагрузки на загрязненных территориях на формирование общего уровня загрязнения ливневого стока для различных районов Санкт-Петербурга.
Актуальность и новизна исследования
Формирование поверхностного стока с урбанизированных территорий крупных промышленных городов относится к одной из самых важных проблемам при решении задач производственной и экологической безопасности.
Одной из основных особенностей городского поверхностного стока является то, что объем такого стока значительно превышает объем поверхностного стока в естественных природных условиях. Другой особенностью является накопление в процессе формирования городского поверхностного стока значительного количества взвешенных и органических веществ, нефтепродуктов, загрязняющих токсичных веществ.
Мониторинг и управление балансом ливневых стоков возможен только при учете всех особенностей их формирования и должен быть направлен как на количественный и качественный их учет (в целях предотвращения подтоплений, перегрузок систем водоотведения), так и на предотвращение попадания в систему водоотведения загрязняющих веществ.
Актуальность исследования обусловлена необходимостью создания автоматизированной системы учета и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения с возможностью ее оперативного доведения до служб ЖКХ, МЧС, подразделений ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга». Новизна исследования заключается в том, что разработанный макет автоматизированной информационной системы позволяет учитывать количество ливневых стоков и может быть использован в оперативной практике для обеспечения работы городских служб, обеспечивающих работу инфраструктуры города.
Описание исследования

Для решения поставленных задач применялись следующие решения и методики.

1. Автоматизация измерения, сбора и обработки информации об атмосферных осадках. В соответствии с требованиями Росгидромета и Всемирной метеорологической организации измерение количества выпавших атмосферных осадков рекомендуется производить автоматическим осадкомером, отвечающим установленным требованиям к диапазону и погрешности измерения. Таким осадкомером является автоматический осадкомер OTT Pluvio2, имеющий свидетельство Росстандарта на утверждение типа средств измерений и хорошо зарекомендовавший себя в международной практике. В осадкомере OTT Pluvio2 измерения атмосферных осадков производятся по принципу взвешивания. При этом измеряется как количество, так и интенсивность выпадающих жидких, твердых и смешанных осадков. Осадкомер был установлен на опытном бассейне канализования на территории Санкт-Петербурга. Монтаж осадкомера и настройку даталоггера OTT NetDL 1000, необходимого для сбора и передачи информации об осадках на сервер, производил индустриальный партнер в лице Компании «КНТП». В качестве источников первичной информации были использованы данные суточного количества атмосферных осадков на опытном бассейне канализования.

2. Оптимизация осадкомерной сети. Сеть наблюдений за атмосферными осадками должна состоять из осадкомерных пунктов, которые репрезентативны относительно особенностей городской застройки и метеорологического режима. На основе статистического анализа данных многолетних наблюдений за осадками по территории Санкт-Петербурга с использованием теории случайных функций выполнено обоснование размещения осадкомерных пунктов. Оптимальное расстояние между пунктами определено исходя из критериального соотношения, в основе которого положение о том, что интерполяция атмосферных осадков происходит с точностью, не большей, чем точность измерения.

3. Прогноз количества атмосферных осадков. Прогнозирование гидрометеорологических переменных основано на принципе использования разнородных данных, поступающих из различных источников, что подразумевает возможность использования этих данных для формирования единого массива на «входе» прогностической модели. В качестве подобной модели была выбрана адаптированная мезомасштабная метеорологическая прогностическая модель WRF. Данная модель в России широко применяется как дополнительный метод прогноза погоды (в частности, в Гидрометцентре России, РГГМУ и других организациях) при исследовании атмосферных процессов и в качестве инструмента в работах по усвоению радиолокационных данных. Модель WRF представляет собой систему программных модулей (модуля ассимиляции гидрометеорологических данных и других). Исходными данными для прогнозирования являются данные от внешней глобальной метеорологической модели GFS или NCEP в формате GRIB2; данные о гидрометеорологических параметрах от станций сети Росгидромета, находящихся непосредственно в области моделирования в формате GRIВ; данные радиальной скорости и радиолокационной отражаемости от доплеровского метеорологического радиолокатора в формате LITTLE_R. Результатом работы прогностической модели является прогноз гидрометеорологических параметров на следующие сутки.

4. Расчет объемов ливневых стоков. Данные об атмосферных осадках служат входным параметром для расчета объемов ливневых стоков. Расходы дождевых вод в ливневой канализации определялись в соответствии с рекомендациями по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты с учетом характера подстилающей поверхности на территории Санкт-Петербурга.

5. Учет антропогенной нагрузки. Для разработки рекомендаций по учету антропогенной нагрузки на формирование общего уровня загрязнения ливневого стока для районов Санкт-Петербурга проанализирована информация о загрязненности почво-грунтов и атмосферных осадках. Статистический анализ позволил провести ранжирование районов города по степени загрязненности.

Результаты исследования

1. Выполнен анализ пространственно-временной изменчивости осадков в Санкт-Петербурге. При обработке данных о сумме осадков использовались методы статистического анализа. Было рассчитано среднее количество атмосферных осадков в год, теплый (с апреля по октябрь) и холодный (с ноября по март) периоды. В качестве аналитической функции распределения ежегодной вероятности превышения средних годовых сумм осадков в Санкт-Петербурге использовано трехпараметрическое гамма-распределение, параметры которого рассчитаны методом моментов. Средняя многолетняя сумма осадков по Санкт-Петербургу составила 596 мм. Распределение их в течение года неравномерное. Большая часть осадков (69 %) выпадает в теплый период года, в холодный период выпадает 31 % годовой суммы осадков. Выявлен положительный тренд межгодового количества атмосферных осадков в городе. Использование данных наблюдений на осадкомерной сети в черте города позволило провести анализ пространственной изменчивости выпадения атмосферных осадков по территории Санкт-Петербурга.

2. Разработана методика автоматизированного учета, мониторинга и прогноза выпадающих атмосферных осадков на территории крупного промышленного города (на примере Санкт-Петербурга), основанная на применении автоматических осадкомеров ОТТ Pluvio2. Выполнена оптимизация сети осадкомеров, позволяющая учесть неравномерность выпадения осадков по территории Санкт-Петербурга.

3. Разработан макет автоматизированной информационной системы мониторинга и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения (АИС «ОСАДКИ» 1.0 (RainDRain_System_1.0), http://raindrain.rshu.ru/).

4. Проведены экспериментальные исследования макета автоматизированной информационной системы мониторинга и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения в условиях зимнего и летнего сезонов года (на опытном бассейне канализования).

5. Проведена оценка сходимости прогнозируемых и фактических атмосферных осадков. Установлено, что прогностическая информация блока мезомасштабного моделирования макета имеет сходимость с данными осадкомера OTT Pluvio2 и прогнозами Росгидромета.

6. Разработаны рекомендации по учету антропогенной нагрузки на загрязненных территориях на формирование общего уровня загрязнения ливневого стока для различных районов Санкт-Петербурга.

7. Разработано Техническое задание на выполнение ОКР по теме: «Создание опытного образца автоматизированной системы управления и контроля распределения ливневых стоков по различным бассейнам канализования для крупных промышленных городов».

8. Выполнена технико-экономическая оценка эффективности автоматизированной информационной системы мониторинга и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения и проведены маркетинговые исследования. Результаты исследования соответствуют мировому уровню и имеют соответствующую правовую охрану. Все результаты в соответствии с условиями лицензионного договора будут переданы индустриальному партнеру – компании «КНТП».

Практическая значимость исследования
Разработанный макет автоматизированной информационной системы мониторинга и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения:
- позволяет в автоматическом режиме измерять количество атмосферных осадков в различных районах крупного промышленного города, обеспечивая оперативность получения данных;
- позволяет повысить точность определения слоя выпадающих атмосферных осадков по бассейнам канализования за счет дифференцированного подхода с учетом неравномерности выпадения атмосферных осадков по территории;
- позволяет оценивать объемы ливневого стока по бассейнам канализования;
- позволяет оценивать антропогенную загрязненность ливневых стоков металлами, органическими соединениями, взвешенными веществами и биогенными элементами в различных административных районах города;
- дает возможность прогнозирования атмосферных осадков и объемов ливневого стока, поступающих в систему водоотведения.
Макет автоматизированной информационной системы мониторинга и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения предназначен для организаций, осуществляющих сбор и очистку ливневых стоков, а также обеспечивающих безаварийную эксплуатацию городских сооружений и систем водоотведения (в частности, ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» и других организаций).
Внедрение разработанного макета позволит повысить эффективность мониторинга и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения за счет более точного пространственного и временного учета выпадающих атмосферных осадков.
Практическая реализация полученных результатов позволит повысить производственную и экологическую безопасность населения крупных городов и промышленных центров Российской Федерации, подверженных риску выпадения интенсивных атмосферных осадков и имеющих ограниченную по своим возможностям систему водоотведения и очистки ливневых стоков, а также оптимизировать имеющиеся мощности коммунальных служб и снизить производственные издержки на водоотведение и очистку ливневых стоков.