Куракина Н.И., Куракин А.М., Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», г.Санкт-Петербург, тел.: (812) 234-93-93, e-mail: NIKurakina@eltech.ru
Митько В.Б., Российский государственный гидрометеорологический университет, г.Санкт-Петербург, тел.: (812) 224-30-39, e-mail: vmitko@yandex.ru
Минина М.В., Арктическая академия наук, г.Санкт-Петербург, тел.: (812) 498-42-27, e-mail: m-minina@yandex.ru
Geoinformation system for control of quality of drinking water supply of urban communities
В большинстве населенных пунктов России питьевая вода по некоторым важным качественным показателям не соответствует установленным стандартам и санитарным нормам. Это связано не только с устаревшими технологиями водоочистки, применяющимися на централизованных водопроводных станциях, но и, главным образом, с повторным загрязнением питьевой воды в наружных и внутренних водопроводных сетях.
В федеральном масштабе это привело к формированию государственной программы «Чистая вода», включению этих вопросов в Доктрину продовольственной безопасности РФ и отражено в ряде других проектов и принятых программ, таких как проект национальной программы действий «Вода России – ХХI век», проект федеральной программы «Обеспечение населения России питьевой водой» и других.
Рис. 1. Содержание неорганических примесей в местах водозабора.
Все вышеизложенное является основанием для проведения исследований, направленных на разработку способов повышения качества питьевого водоснабжения урбанистических сообществ различного типа и масштаба.
Резервы улучшения качества систем питьевого водоснабжения определяются все более точными моделями управления с использованием объектно-ориентированных ГИС, развитием информационных технологий оптимизации распределения усилий на основе оценки рисков водопотребления, анализа состояния источников и систем транспортировки.
Геоинформационная система (ГИС) управления качеством питьевой воды основывается на базе данных характеристик качества в различных элементах пространственно-распределенной системы. Она учитывает специфику влияния различных факторов на способы формирования требуемого качества воды в различных точках цикла потребления и должна являться основой информационной поддержки управления качеством питьевого водоснабжения. Организация информационной поддержки этого процесса является одной из прикладных задач, решаемых с помощью объектно-ориентированной модели среды. Технология программного решения этой задачи позволяет наиболее ярко продемонстрировать возможности и достоинства такой модели, функционирующей в составе развитой геоинформационной системы.
Рис. 2. Содержание органолептических показателей.
Программная система, реализующая описываемую информационную поддержку, обеспечивает следующее: вся информация о динамике изменений качества воды по органолептическим, химическим, санитарным, биологическим показателям заносится в базу геоданных. При необходимости получения информации, описывающей экологический режим в различных точках водозабора, по запросу пользователя производится обращение к системе анализа, подключается база экологических норм, определяется экологический режим в точке анализа и публикуется интерактивная карта, представляющая соответствующие сведения. Разработанная система апробирована на данных о качестве водоснабжения г. Санкт-Петербург (рис. 1, 2).
Эффективность системы водоснабжения определяется интегрированной величиной «КПД воды», характеризующей качество, подачу, расход и давление. С повышением этих характеристик эта величина сначала растет, затем падает. «КПД воды» как комплексно-агрегированная величина обратно пропорциональна количеству жалоб и обращений граждан по вопросам водоснабжения. Для потребителей систем водоснабжения можно выделить три основных лимитируемых признака:
- вода должна быть безопасной для использования (нормативы качества);
- количество или подача воды должны удовлетворять спрос (нормы водопотребления, нормативы использования);
- подача воды должна осуществляться под необходимым давлением (технология подачи).
Предумышленные или непреднамеренные воздействия на одну из названных трех составляющих могут ослабить в целом всю инфраструктуру водоснабжения. Приведя атрибутивные параметры качества, подачи и давления воды к безразмерным единицам с последующим их агрегированием, можно сопоставлять эффективность водоснабжения разных территорий и регионов.
Однако абсолютная устойчивость централизованных систем водоснабжения недостижима. Системы имеют распределенную конфигурацию, и в пространственно-временном отношении в разных местах локальная стабильность постоянно нарушается. В особенно плохом состоянии находятся разводящие сети. Степень износа действующих сетей и водопроводных сооружений в большинстве субъектов Российской Федерации превышает 60%. Пример распределения этого показателя по водопроводным сетям в Санкт-Петербурге приведен на представленной карте (рис. 3). Можно заметить, что наибольшая протяженность изношенных водопроводных сетей наблюдается в так называемых периферийных районах с небольшой плотностью населения.
Рис. 3. Протяженность изношенных водопроводных сетей.
Со степенью изношенности водопроводных сетей непосредственно связано количество возникающих аварий. На рис. 4 показана зависимость количества аварий от степени изношенности водопроводных сетей в различных районах Санкт-Петербурга.
Рис. 4. Количество аварий по районам, в год.
Один из важнейших интересующих потребителя вопросов – качество потребляемого продукта, в том числе и воды. При централизованном водоснабжении законодательно определено, что поступающая к потребителю вода должна быть приятной в органолептическом отношении и безопасной для здоровья. Для поиска оптимальных вариантов управления качеством питьевого водоснабжения необходимо определить некоторую меру сравнения, т.е. меру (критерии) оценки экологической безопасности. В качестве такого критерия все чаще используется экологический риск. Ряд авторов определяет экологический риск как «количественную характеристику экологической опасности объекта, оцениваемую произведением вероятности возникновения на объекте аварии (инцидента, происшествия) на ущерб, причиненной среде этой аварией и ее непосредственными последствиями».
Современные системы питьевого водоснабжения можно отнести к классу структурно-сложных систем. Ввиду разнообразия существующих систем, выбор класса структурно-сложных систем для последующего исследования и внедрения может быть основан на анализе инфологических моделей централизованного, децентрализованного и смешанного водоснабжения, имеющих как структурные, так и географические особенности. Первый тип более адекватен крупным городам, второй – сельской местности, третий – населенным пунктам с окраинными территориями. Единственным реальным и доступным для практического применения путем проектирования и исследования структурно-сложных систем является моделирование.
Рис. 5. Оценка рисков некачественного водопотребления.
Разработанные типовые модели централизованного и децентрализованного водоснабжения в геоинформационной среде учитывают специфику влияния различных факторов на способы формирования требуемого качества воды в различных точках цикла водопотребления. На основе этих моделей реализован логико-вероятностный метод оценки рисков некачественного водопотребления. Применительно к Санкт-Петербургу в качестве примера на рис. 5 показаны результаты исследования для Кировского района с тремя пунктами водозабора и типовым кварталом застройки.
При необходимости анализа характеристик различных объектов (водозабор, логистический узел, точка водоочистки, водопотребления и пр.) или их деятельности в системе предусмотрен экспертный модуль для определения технологического состояния объектов, оценки рисков водопотребления, что позволяет выдавать пользователю итоговые заключения и рекомендации.
Описываемые технологии реализованы на базе программных продуктов ArcGIS, обеспечена возможность удаленного просмотра данных через картографические сервисы с представлением в виде Web-ресурса в сети Internet.
Созданная геоинформационная система управления качеством питьевого водоснабжения служит основой внедрения инновационных технологий в системах очистки воды коллективного пользования. Она позволяет существенно повысить эффективность рациональных способов использования систем водоснабжения при разработке схем территориального планирования и обеспечить повышение качества питьевой воды.
Литература
- Куракина Н.И., Емельянова В.Н., Коробейников С.А., Никанорова Е.С., Оценка качества и пространственное моделирование загрязнения водных объектов на ГИС основе // журнал ArcReview.-2006.-№1(36).
- Алексеев В.В., Куракина Н.И., Орлова Н.В., Геоинформационная система мониторинга водных объектов и нормирования экологической нагрузки // журнал ArcReview.-2006.-№1(36).
- Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В., ГИС комплексной оценки состояния окружающей природной среды // журнал ArcReview.-2007.-№1(40).
- Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В., Шишкин А.И., Епифанов А.В., Антонов И.В. Система расчета нормативов допустимого воздействия на водные объекты в среде ГИС // журнал ArcReview.-2009.-№4(51).
- Минина М.В. Инновационные технологии повышения качества питьевого водоснабжения урбанистических сообществ // Известия ЮФУ, Таганрог.- 2009.- №7
- Минина М.В., Митько В.Б., Можаев А.С. Применение логико-вероятностного метода при оценке качества питьевого водоснабжения урбанистических сообществ // Сборник научных трудов 2-й Всероссийской научно-практ. конф. «Безопасность в чрезвычайных ситуациях».-СПб.: Изд. Политехн. ун-та, 2010.
- Kurakina N.I.River Pollutants Monitored with GIS. Analyzing the Environmental Impact of Water Bodies in Russia // GIS and Science: GIS Best Practices series. Esri. 2008.
