Технологии за умно управление на водите

Нарастващото градско население, застаряващата ВиК инфраструктура и динамичните метеорологични модели създават „перфектна буря“ за управлението на водите в градската среда. Някои селища са застрашени от наводнения заради екстремното време. Други все повече страдат от силните засушавания. Градските власти са принудени да търсят начин да управляват водите по-ефективно, по-далновидно и по-гъвкаво. В настоящата статия ще разгледаме успешни примери и технологии внедрени в съвременните градове за по-умното управление на водите.

Текст: списание Инфрабилд

Над 55% от населението на света живее в градове. Според ООН, консервативните прогнози са този процент да нарасне до 70% до 2050 г. Бързата урбанизация и климатичните промени създават нови предизвикателства за управлението на водите. Най-видимите трудности са наводненията при бури и недостигът на вода при засушаване. Но заедно с това водната инфраструктура има отношение и към други аспекти на градския живот - ефекта на градския топлинен остров, градското земеделие, управлението на транспорта.

Емблематичният пример на Барселона

Барселона е град, чиито пример в управлението на водите е световен образец. През 2008 г. язовирите в града остават с толкова малко вода, че местното правителство е принудено да внася питейна вода от Франция. Ситуацията се случва през най-сухата година в Испания, а Каталуня - икономическият локомотив на Испания е най-засегнатият регион. Градската управа се заема да подобри водната устойчивост на града и да го подготви за бъдещето. Проучване на водната система на Барселона от 2008 г. отбелязва, че системата губи средно по 800000 литра вода всеки ден. Подобно пилеене е недопустимо в модерен град във времето на суша. Тогава Барселона преоценява начина, по който използва водата.

Мерките включват вграждане на IoT сензори и услуги за наблюдение на това колко вода се използва за улесняване на обществените услуги. Технологията успява да намали количеството вода, използвано на обществени територии, постигайки огромни икономии. За да помогне за разрешаването на водната криза, правителството насърчава гражданите да участват в програмата на града за опазване на водата. Изготвен е „протокол за суша“ за целия град, който да помогне за справяне с недостига на вода при засушавания, включващ общи мерки за пестене на вода и конкретни стъпки за приложение при различни сценарии. Шест години по-късно, през 2014 г., разчетът показва, че новата система помага на града да пести вода на стойност 75 милиона евро годишно.

Области на управление

Водопреносната инфраструктура, доставяща вода до домовете и бизнес организациите, е ключова в управлението на водните ресурси. Наред с това обаче канализационната система също се нуждае от повишено внимание. Тази нужда се обостря заради зачестяващите метеорологични събития като внезапни проливни дъждове и бури. По същата причина и градските реки и езера се нуждаят от по-интелигентно наблюдение и управление. Към това неизбежно следва да се добавят градските и крайградските земеделски терени, както и индустриалните обекти, консумиращи големи количества вода поради естеството на своята дейност. В ново време градското управление на водите е редно да обхване и системите за събиране на дъждовна вода - водозадържащи ивици и езера, изградените изкуствени влажни зони, резервоари.

Сензори, IoT, анализи

Съвременният технологичен свят предлага широка палитра от решения за изграждане или надграждане на системи за мониторинг, които могат да обхванат всички компоненти на водната система в града. Условно тези технологии могат да се разделят на няколко групи: сензори, захранване, комуникации, платформи за събиране на данните и техния анализ, средства за дистанционно управление. Изобилието от сензорни технологии днес е подвластно на възхода на „интернета на нещата“ (IoT). IoT сензорите измерват химически състав, налягане, мътност на водата, а при пречистването на водата - остатъчни химикали и утайки. Те „докладват“ своите резултати към централизирана система за мониторинг, давайки цялостен поглед над водната мрежа подобно на снимка на цялата кръвоносна система.

По аналогия на доброволческите градски мрежи за измерване на качеството на въздуха днес е възможно да се изградят и „самоделни“ мрежи за измервания, които постоянно следят дадени параметри. Устройствата за събиране на измервания - сензорите - могат да бъдат съчетание от готови и стандартизирани модули „от рафта“ и такива, които са специално разработени за конкретни задачи. Богатството от технологии за пренос дава избор за всякакви ситуации, например чрез LoRaWAN (протокол за безжични мрежи, обхващащи големи разстояния), теснолентов IoT, глобалната система за мобилни комуникации с нейните най-нови възможности като 5G.

Софтуерните платформи за агрегиране на данни и техният анализ са „мозъкът“ на мониторинга. Те могат да се изградят от доставчик, специализиран в инфраструктурни решения за мониторинг, или да стъпят на софтуер с отворен код и достъпни онлайн ресурси (каквито могат да се намерят например в Github, форума Stack Overflow или Hackster). Вторият сценарий дава по-добър контрол, но прилагането на подобен предполага и наличието на ресурси: необходими са широк набор от умения за внедряване на системи за наблюдение, писане на софтуерен код, инженерни умения в сферата на електрическите и електронните системи, познания по метрология, анализ на данните.

Следователно изборът на „затворени“ технологии от частни доставчици или на „самоделни“ системи за мониторинг е до голяма степен стратегическо решение, основано на внимателен икономически анализ. В него следва да се вземат предвид не само стойността на самите технологии, но и цената на квалифицирания труд, нуждата от бъдещи обучения и сертификации, цената на „аутсорсинг“ на определени дейности.

Управление на водните ресурси при засушавания

Лесно е да мислим за сушата като за състояние, което настъпва след дълъг период на време без валежи. Но то води до спадане на нивата на водите в язовирите, може да породи недостиг на питейна вода в градовете, да нанесе поражения върху реколтата и дори до горски пожари. Сензорите за следене на нивото на водите в язовирите са „задължителни“. Оптични LED базирани, плаващи, ултразвукови - те са разнообразни като технология, но съчетани с IoT, позволяват мониторинг на водния стълб в реално време.

Следващият съществен въпрос е дали в града няма течове. Когато ги има, те са под земята и не са лесни за забелязване. Акустичните сензори са основното средство за откриване и локализиране на течове по тръбопроводите. Водата, изтичаща под високо налягане от пукнатина на тръба, издава отчетлив шум - съскащ звук. Той може да се пренесе на значително разстояние по дължината на самата тръба. В този случай тя самата служи като „струна“, която предава звука. Акустичните „подслушватели“, използвани за откриване на съскащия звук, могат да са мобилни или фиксирани.

Фиксираните се поставят неподвижно по тръбопроводната мрежа. Точността им обикновено е 2-3 метра - повече от достатъчна, за да позволи изкопни операции за разкриване и отстраняване на теча. Мобилните акустични сензори могат да бъдат допълнителен помощник. Те се управляват ръчно и се движат по сегмент от тръбата под управлението на оператор.

Друг вид сензори за откриване на течове разчитат на измерванията на налягането. Когато е налице значителна разлика в налягането на водата в двата участъка от тръбопровод, без да има консуматор по средата, има основание да се смята, че е налице пробив. Комбинирано с IoT платформа, измерването на налягането може да даде още по-ясни индикации за „необичайно поведение“ на водата в дадена тръба. Рационализирането на напояването е друг подход, който е част от арсенала за управление на водите в умния град. Напояването на тревни площи в паркове и градини е естествена част от поддръжката, но може да се прави интелигентно. Сензорите за влажността на почвите могат да ориентират кога наистина има нужда от напояване.

В критични ситуации праговете на „необходимото“ могат дори да бъдат променяни. След валежи пък не е нужно да напояваме тревните площи - пак можем да пестим водата. Последното звено в усилията за пестене на водите са хората. В умния град отделните домакинства и бизнеси имат своите „умни“ водомери. Освен, че могат да се отчитат дистанционно, съвременните модели могат и да „говорят“: те могат да подават препоръки за пестене на вода. При продължителни засушавания информацията от умните водомери може да бъде събирана и анализирана, за да се изготвят препоръки към гражданите за икономия на вода. Така градовете могат да си спестят прахосването на вода, да я използват възможно най-ефективно и да щадят запасите.

Реагиране при екстремни валежи

Друго предизвикателство на съвременния живот в града в светлината на климатичните промени са наводненията. Внезапни бури и проливни дъждове се изливат неочаквано и рязко натоварват отводнителните инфраструктури. Градската канализация не е горещата тема на изменението на климата, а би трябвало да бъде. Защо? В природата тревните площи поемат до 60% от дъждовната вода. В града обаче земята е покрита предимно с асфалт или бетон - непопиващи материали. Следователно целият обем на валежите отива в канализацията. По време на бури тази жизненоважна инфраструктура може да бъде претоварена рязко.

Оборудването на канализационната мрежа със сензори прави възможно да се „вижда“ актуална картина на нивата на отточните води в реално или почти реално време. При превишаването на критичните равнища градските власти могат да предприемат адекватни мерки - например отклоняване на автомобилното движение от зоните, където водното ниво се покачва бързо и водата е на път да залее пътните артерии. Ако големите канали бързо достигнат до дадено високо ниво, градската управа може да организира екипи за гражданска защита, преди водата да е заляла домовете на гражданите.

Сензори за вода, разположени в отводнителните шахти, могат да следят и дебита на постъпващата течност. Ако в дадена шахта е налице малък дебит в сравнение с останалите от региона, можем да заподозрем проблем. Може би шахтата е запушена?
Със съвременните технологии на машинно самообучение става по-лесно. Централизираната дигитална платформа за агрегиране и анализ на данните може да следи нивата и дебита и да алармира при регистриране на аномалии.

Мониторингът на отточните води може да обхваща и нарочно изградени водозадържащи „езера“, както и отделни малки резервоари за събиране на дъждовна вода. Целта е пороят от внезапни проливни дъждове да се забави и по-плавно да се влее в общата канализационна мрежа. Пак благодарение на сензорите за ниво на водата и IoT градската управа би могла да следи в реално време запълването на водозадържащите езера и резервоари. Това позволява значителна предвидимост при справянето с внезапни валежи. Същата информация може да послужи и за по-дългосрочни, стратегически решения. Например при редовно препълване на дадени резервоари градската управа или местният ВиК оператор може да пристъпи към разширяване на съществуващите или изграждане на нови.

Но хитрото управление не разчита само на реактивен подход. Нахлуването на извънредните водни потоци може да бъде предусетено. Голямата градска джунгла дава много начини да се следи нивото на падналия дъжд в реално време. Хитрият подход предполага част от вече съществуващата градска инфраструктура да се впрегне мониторинг на валежите. Например, част от конструкциите на сигнализационни уредби и осветителни стълбове биха могли да се оборудват с малки метеостанции с датчици за времето - температура, вятър и такива за измерване на обема на падналите валежи - на дъжд, сняг. Предимството на този модел е в експлоатирането на вече съществуващата мрежа за електрозахранване. Събирана чрез IoT, информацията е основа за навременно разпознаване на екстремните валежи. Тя може да се наслагва върху дигитална карта на града за проследяване на засегнатите зони.

Интеграция на външни източници

Освен от собствената сензорна мрежа, операторът на ВиК мрежа може да използва и външни източници на данни в помощ на интелигентното управление на водите. Ценен източник са метеорологичните прогнози. Множество доставчици на метеоданни предлагат своите прогнози, включително чрез дигитални интерфейси, така че информацията да се подава автоматично. Разполагайки с предвиждания за предстоящото време, операторът ще знае какво да очаква от времето, за да се подготви навреме. Източник на допълнителни данни в реално време могат да са собствените малки метеорологични станции на т. нар. умни сгради.

Проектирани за адаптивно управление на вътрешната климатизация, осветление и слънцезащита, съвременните смартсгради обичайно разполагат със собствена метеостанция, която следи локално параметрите на времето: температура, валежи, вятър. Градове, разположени в планински подножия, биха могли да черпят данни от високопланинските измервателни системи, следящи температурите по високите части и дебелината на снежната покривка - следователно нейното топене и повишаване на речните нива.

Прогнозни анализи

С натрупването на исторически данни в платформите за мониторинг и анализ става възможно да се правят и прогнозни анализи на очакваното поведение на градските води. А те могат да са основа на дългосрочни, стратегически решения за управление на водите. Така например ако данните от няколко поредни години показват, че през май се повишава броят на случаите на екстремни валежи, при които се наводнява даден район от града, това може да е основание в инвестиционната програма да се заложи разширяване на отводнителните съоръжения в този район или изграждане на водозадържащи резервоари.

Чрез прогнозен анализ градските власти могат да вземат важни решения като например: кои ремонтни дейности са с най-висок приоритет; кои дейности на дружеството са свързани с най-много разход на усилия и най-ниска ефективност, следователно е необходима кардинална промяна; кога да се стартира кампания, ангажираща широката общественост с действия, свързани с опазването на водите и др. Отключването на тези ключови отговори позволява на управляващите ВиК мрежи да вземат по-адекватни решения за бъдещите си програми, политики и инвестиции. Те могат дори да търсят нови законодателни решения, основавайки се на факти и необорими аргументи чрез събраните данни.

Пестене на вода в домовете

Възприемането на градски протокол за пестене на вода може да направи чудеса за озаптяване на потреблението. Не е нечувано градските власти да призоват обществеността и бизнеса да намалят потреблението на вода по време на суша. Но технологиите извеждат тези промени в поведението на друго ниво. Навлизането на технологията IoT позволява натрупване на данни от „интелигентните“ водомери и наблюдение в реално време. Това позволява на гражданите да следят отблизо собственото потребление на вода и да го ограничат.

Водният оператор пък може да използва консолидираните данни, за да адресира послания към гражданите. Например, по време на продължително засушаване той може да призове домакинствата, чиято консумация на вода надхвърля дадени нива, да преразгледат навиците си и да ограничат разхищението. Знаете ли, че „градският воден индекс“ на „Economist“ класира София на шесто място от общо 51 града в света от гледна точка на управлението на водите? С това българската столица се нарежда сред глобалните лидери редом с Лос Анджелис, Мелбърн, Далас, Лисабон и Сао Пауло, Лондон, Копенхаген, Маями и Калгари. София е четвърта по показателя надеждност, седма по достъпност, тринадесета по устойчивост