Исследователи из Университета Торонто разработали новый инструмент численного моделирования, который может помочь в проектировании и эксплуатации систем прерывистого водоснабжения. Такие системы обеспечивают водой более миллиарда человек по всему миру.
Существующие модели не учитывают особенности
Хотя существует множество коммерческих моделей, разработанных для сетей водоснабжения, все они основаны на одном важном предположении: если система включена, она работает круглосуточно. Однако примерно для 20% потребителей во всём мире это не так.
«Во многих местах по всему миру из-за нехватки воды или других факторов вода подаётся только на несколько часов в день», — говорит Дэвид Мейер, доцент кафедры гражданского и горного строительства факультета прикладных наук и инженерии.
«Более миллиарда человек получают воду таким образом. И всё же эти системы почти повсеместно проектируются и обновляются с использованием гидравлических моделей, которые предполагают непрерывное водоснабжение. Это означает, что они не учитывают опорожнение и наполнение труб, а также тот факт, что потребители хранят воду в больших резервуарах у себя дома, чтобы иметь возможность использовать её позже», — добавляет он.
Новый инструмент моделирования
Новый инструмент моделирования, разработанный Мейером и аспирантом Омаром Абделаземом, объединяет лучшие практики для улучшения проектирования и эксплуатации таких систем. Их работа опубликована в журнале Water Resources Research.
«Сети водоснабжения — это критически важная инфраструктура, но они также большие, дорогие и находятся под землёй», — говорит Абделазем, который является ведущим автором исследования.
«Если вы хотите внести изменения в такую систему, вы не можете просто попробовать и посмотреть, что получится. Вам нужна компьютерная модель, которая может точно предсказать, как ваши изменения могут повлиять на систему. Таким образом, вы можете протестировать множество различных возможных улучшений, прежде чем начать сложный и дорогостоящий процесс их внедрения», — объясняет он.
Мейер и его команда провели многочисленные исследования систем прерывистого водоснабжения, включая всесторонний обзор предыдущих попыток моделирования. Эта работа принесла им медаль за воспроизводимые исследования 2025 года от журнала Journal of Water Resources Planning and Management.
Многие из моделей, которые они рассмотрели, в конечном итоге были основаны на одном источнике: модели управления сточными водами (Storm Water Management Model, SWMM), открытой модели, созданной Агентством по охране окружающей среды США более 50 лет назад.
«Эта модель была предназначена для ливневых вод, но с небольшой доработкой её можно адаптировать для прерывистой системы водоснабжения, которая регулярно наполняется и опустошается», — говорит Абделазем.
«Проблема в том, что разные люди расходились во мнениях о том, какие части модели использовать для каких целей. И эти различия имеют значение — мы обнаружили, что иногда значения, предсказанные одной моделью, были в тысячи раз больше или меньше, чем у другой. Кроме того, многие модели не были воспроизводимы, то есть даже после прочтения статьи вы не могли получить достаточно информации для создания собственной версии», — отмечает он.
Создание новой модели
Опираясь на эту предыдущую работу, Абделазем и Мейер создали новую, готовую к использованию модель с пакетом Python, который позволяет пользователям внедрять её автоматически. Модель с открытым исходным кодом, получившая название SWMMIN (SWMM для прерывистых сетей), доступна бесплатно на GitHub.
«В нашей статье подробно описано, как использовать модель для различных типов прерывистых систем и как настроить числовые параметры для повышения производительности модели», — говорит Абделазем.
«Помимо обобщения лучших практик из всех предыдущих моделей, мы также нашли идеальное соотношение пространственного и временного разрешения, которое минимизирует ошибку модели», — добавляет он.
Команда надеется, что модель будет использоваться исследователями и операторами систем водоснабжения по всему миру для тестирования потенциальных улучшений систем прерывистого водоснабжения во всём мире.
«В конечном счёте, это попытка смоделировать эти системы водоснабжения такими, какие они есть на самом деле, а не такими, какими мы хотим их видеть», — говорит Мейер.
«Мы надеемся, что люди будут использовать её для поиска новых принципов проектирования, которые, в свою очередь, улучшат обслуживание всех людей, которые ежедневно зависят от этих прерывистых систем», — заключает он.
Предоставлено Университетом Торонто.