維持清潔水源供應(yīng)

Companhia Águas de Joinville（CAJ）是一家自來(lái)水公司，為巴西南部圣卡塔琳娜州最大城市若因維利市約 60 萬(wàn)居民提供用水和衛(wèi)生服務(wù)。供水分成兩個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)。北部地區(qū)的 Cubatão 系統(tǒng)占供水量的 75％，為 45 萬(wàn)居民提供服務(wù)，南部地區(qū)的Piraí 系統(tǒng)占供水量的 25％，為 15 萬(wàn)居民提供服務(wù)。為了不斷優(yōu)化公司資源、維持優(yōu)質(zhì)服務(wù)和向居民供應(yīng)清潔水源，CAJ 于 2020 年啟動(dòng)了戰(zhàn)略性水力建模項(xiàng)目。了解供水系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)方式，以及如何前瞻性解決供水管網(wǎng)問題，能夠幫助該項(xiàng)目?jī)?yōu)化投資和運(yùn)營(yíng)。

2020 年，若因維利市經(jīng)歷了 30 年來(lái)最嚴(yán)重的水資源危機(jī)。若因維利多年來(lái)每年會(huì)經(jīng)歷為期三個(gè)月的干旱期，2020 年情況更加惡化，Piraí 河的水源連續(xù)六個(gè)月減少，這直接影響了 Piraí 水處理廠的生產(chǎn)，影響了該地居民的供水。CAJ 工程師 Lucas Emanuel Martins 表示：“我們?cè)谏a(chǎn)過程中遇到的任何問題都會(huì)對(duì)人們的生活質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響。”CAJ 始終致力于為消費(fèi)者供應(yīng)清潔水源，保證消費(fèi)者的福祉，并利用最初的數(shù)字化管網(wǎng)分析計(jì)劃，在干旱時(shí)期制定應(yīng)急供水計(jì)劃，以減少稀少水源的生產(chǎn)量，同時(shí)不會(huì)對(duì)該地區(qū)的居民造成影響。

應(yīng)對(duì)旱情

為了應(yīng)對(duì)旱情，CAJ 進(jìn)行了一項(xiàng)初步研究，評(píng)估了應(yīng)急計(jì)劃的三個(gè)潛在備選方案。他們首先確定，將水從 Cubatão 系統(tǒng)改道到 Piraí 是最具成本效益的解決方案。他們使用水力模型，分析并測(cè)試了總價(jià)值 450 萬(wàn)巴西雷亞爾的解決方案，即在干旱時(shí)期，在兩個(gè)系統(tǒng)之間鋪設(shè)一條長(zhǎng)達(dá) 1.7 公里的互相連通的管道。然而，CAJ 很快意識(shí)到，他們最初的解決方案?jìng)鬏斄髁坎蛔?，需要安裝一臺(tái) 140 馬力的增壓器，造成每月 25,000 巴西雷亞爾的額外運(yùn)營(yíng)支出。該計(jì)劃還將導(dǎo)致 Cubatão 供應(yīng)系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)出現(xiàn)一系列用水短缺問題，會(huì)降低運(yùn)水效率，受影響人數(shù)將達(dá) 45,000 人。Martins 表示：“出乎意料的是，在這些研究中，我們發(fā)現(xiàn)這些解決方案并不像想象的那樣有效。顯而易見，我們需要新的解決方案。”

為了解決 Cubatão 北部供水系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并最終在干旱期間為南部地區(qū)提供更多的水資源，CAJ需要對(duì)整個(gè)市政供水管網(wǎng)進(jìn)行更全面的分析。他們需要先進(jìn)的建模和仿真應(yīng)用程序，以確保數(shù)字分析能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行情況。通過制定成功的應(yīng)急計(jì)劃，他們將減輕干旱的影響，并最大限度地降低對(duì)若因維利居民和企業(yè)的影響風(fēng)險(xiǎn)。

水力建模確保水流暢通

鑒于 Bentley 軟件用戶友好的界面以及可以支持多種數(shù)據(jù)源互用，CAJ 選擇 OpenFlows WaterGEMS為市政給水管網(wǎng)和供水系統(tǒng)（直徑大于 100 毫米的主管道）創(chuàng)建數(shù)字孿生模型，對(duì) 285 公里的管網(wǎng)進(jìn)行建模。

數(shù)字孿生技術(shù)和水力建模仿真支持現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的流量和壓力數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。該團(tuán)隊(duì)使用精確的數(shù)字化模型，對(duì)其最初提出的解決方案進(jìn)行了可靠的評(píng)估。Martins 表示：“我們使用 OpenFlows WaterGEMS 開發(fā)了市政給水系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，用于評(píng)估該系統(tǒng)在變更后的運(yùn)行情況。”根據(jù)評(píng)估結(jié)果，他們確定原來(lái)的應(yīng)急計(jì)劃是無(wú)效的。Martins 表示：“利用 Bentley 軟件，我們就能夠提前發(fā)現(xiàn)這些問題，并就應(yīng)急計(jì)劃制定新的備用方案。”

建立了可靠的數(shù)字孿生模型后，CAJ 進(jìn)行了額外分析，在不影響居民的情況下模擬旱情，用于制定新的應(yīng)急方案。他們對(duì)該市的主要供水和宏觀給水系統(tǒng)進(jìn)行了全面研究，評(píng)估了 Cubatão 和 Piraí 管網(wǎng)之間新的連接點(diǎn)。CAJ 使用 OpenFlows WaterGEMS 來(lái)校準(zhǔn)模型，評(píng)估多種運(yùn)營(yíng)管網(wǎng)壓力，從而更好地了解系統(tǒng)的性能和相互作用，并確定北部和南部地區(qū)運(yùn)營(yíng)改進(jìn)的機(jī)會(huì)。他們通過數(shù)字化工程創(chuàng)新和概念創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了新的應(yīng)急計(jì)劃，即利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)在 Cubatão 和 Piraí 之間重新分配水源，保證嚴(yán)重干旱期間的供水，并改善整個(gè)城市的整體給水管網(wǎng)。Martins 表示：“該研究?jī)?yōu)化了各區(qū)之間的水流動(dòng)態(tài)，利用了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，免去使用最初計(jì)劃的新水管和增壓器，因此，新的擬議解決方案除了滿足運(yùn)營(yíng)需求外，需要的投資更少。”

數(shù)字孿生助力供水行業(yè)實(shí)現(xiàn)變革

利用 Bentley 的水力建模技術(shù)，CAJ 在實(shí)施原來(lái)的擬議計(jì)劃之前就發(fā)現(xiàn)了問題，從而避免了不必要且成本高昂的施工工作。他們?yōu)槠鸪鯚o(wú)法達(dá)到預(yù)期效果的項(xiàng)目提供了解決方案，不僅確保了在干旱季節(jié)有充足的供水，還優(yōu)化了若因維利的供水管網(wǎng)，實(shí)施成本幾乎為零，節(jié)省了 450 萬(wàn)巴西雷亞爾。既定的應(yīng)急方案使稀少的 Piraí 水源供水量減少 30％，相當(dāng)于每秒 170 升，從而緩解了旱情影響，15 萬(wàn)當(dāng)?shù)鼐用駨闹惺芤妗Ｔ摻鉀Q方案還同時(shí)解決了 Cubatão 系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，關(guān)鍵地區(qū)的每月水流失減少 40,000 立方米，關(guān)鍵部門的缺水投訴量降低 90％。得益于數(shù)字孿生技術(shù)，CAJ 每年節(jié)省 36 萬(wàn)巴西雷亞爾的水泵運(yùn)行成本和 574 兆瓦的電力，每年減少 169 噸的碳排放量。

Martins 表示：“該項(xiàng)目很好地表明了技術(shù)能夠幫助我們優(yōu)化資源。”使用 Bentley 開放式建模應(yīng)用程序，可以在運(yùn)營(yíng)和工程團(tuán)隊(duì)之間提供反饋環(huán)路。運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)可以提出關(guān)于實(shí)景和現(xiàn)場(chǎng)的問題，以便工程團(tuán)隊(duì)能夠通過數(shù)字模型動(dòng)態(tài)地評(píng)估這些問題。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)可以協(xié)作決定適用的解決方案，從而在對(duì)客戶影響最小的情況下做出快速響應(yīng)。數(shù)字孿生技術(shù)為 CAJ 運(yùn)營(yíng)水

務(wù)提供了廣闊的視角，他們能夠做出更明智的決策，并在必要時(shí)采取干預(yù)措施，從而以具有成本效益的方式改進(jìn)系統(tǒng)。

數(shù)字孿生已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，為供水行業(yè)帶來(lái)了巨大的變革。通過利用 Bentley先進(jìn)的水力建模技術(shù)，對(duì)若因維利的供水基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行精確建模，CAJ 現(xiàn)在可以確保為若因維利提供可持續(xù)的水資源，從而改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境以及城市居民的生活質(zhì)量。Martins 表示：“作為工程師，我們有道德上的義務(wù)來(lái)使用技術(shù)優(yōu)化資源，有效改善財(cái)政資源和環(huán)境資源，提高人們的生活質(zhì)量。”