Inteligentne sieci wodociągowe i kanalizacyjne
Nowoczesne miasta coraz częściej sięgają po zaawansowane narzędzia. Koncepcja internetu rzeczy (IoT) pozwala umieszczać w infrastrukturze wodociągowej tysiące czujników monitorujących parametry sieci w czasie rzeczywistym. Instalowane w rurociągach, pompowniach, stacjach uzdatniania i przepompowniach ścieków, śledzą przepływy, ciśnienie i jakości wody. Dzięki temu operatorzy sieci rejestrują wszystkie niepokojące zjawiska.
Aby w pełni wykorzystać potencjał zgromadzonych danych wykorzystują algorytmy uczenia maszynowego. Analizują wzorce, trendy i szybko wykrywają nawet niewielkie anomalie. Gdy woda ucieka przez mikropęknięcie w rurze, system automatycznie zidentyfikuje miejsce awarii i prześle alert do ekipy serwisowej, zanim straty będą poważne. Minimalizujemy marnotrawstwo zasobów, obniżamy ryzyko lokalnych podtopień i zanieczyszczenia.
Ostatnio naukowcy wymyślili, że stworzą „samo konserwujące” rurociągi. Badają materiały o właściwościach bakteriostatycznych, ograniczające rozwój niepożądanych mikroorganizmów wewnątrz rur. Analizują również koncepcję powłoki zdolnej do automatycznego zasklepiania drobnych pęknięć. Nie jest to jeszcze powszechnie stosowana technologia, lecz intensywne prace badawcze trwają, a rosnące zapotrzebowanie na minimalizację strat wody i ograniczanie awaryjności sieci motywuje inwestorów do wdrażania nawet prototypowych rozwiązań.
Co więcej, inteligentne systemy w razie poważniejszych usterek mogą automatycznie przekierować przepływ wody innymi odcinkami, by nie doprowadzać do przerwania dostaw w całych dzielnicach. W takiej sytuacji program sterujący samoczynnie zamyka uszkodzony fragment sieci i zmienia kierunek przepływu, a użytkownicy nawet nie zauważają, że doszło do jakiejkolwiek nieprawidłowości. To czyni infrastrukturę wodociągową bardziej odporną na kryzysy i zapewnia nieprzerwane dostawy wody o stabilnej jakości.
Założenia projektu:
-
Ujęcie wody (rzeka/jezioro): Miejsce poboru wody surowej.
-
Stacja uzdatniania: Obejmuje procesy filtracji, dezynfekcji (np. chlor, UV, ozon), koagulacji itp.
-
IoT Czujniki (A, B, C…): Umieszczone w różnych punktach rurociągów. Monitorują m.in. przepływ, ciśnienie, skład chemiczny, temperaturę.
-
Główny węzeł pomiarowy (magistrala): Zbiera dane z czujników rozproszonych, przekazuje je do centralnego systemu sterowania.
-
Centralny system sterowania (IoT + big data/AI): Analizuje dane, wykrywa anomalie (wycieki, wahania ciśnienia), steruje przepływem wody i reaguje na alerty.
Sieć rozdzielcza miasta: Odbiorcy końcowi (gospodarstwa domowe, firmy, instytucje).
Zaawansowane systemy oczyszczania i odzysku wody
Najważniejsze to efektywne wykorzystanie każdej kropli. Coraz częściej zarządcy miast stawiają na „wodę ponownego użycia”. Po zaawansowanych procesach filtracji używana do nawadniania terenów zielonych, mycia ulic i niektórych procesów w przemyśle. Takie rozwiązania funkcjonują już w miejscach o szczególnie ograniczonych zasobach wody słodkiej, np. w Singapurze i południowych stanach USA.
Podstawą recyklingu ścieków jest nowoczesna oczyszczalnia wyposażona w technologie membranowe. Filtry o mikroskopijnych porach zatrzymują mikroorganizmy, cząstki organiczne i większość związków chemicznych. Do tego dochodzą procesy dezynfekcji ultrafioletem (UV) lub ozonowanie. Niszczą bakterie i wirusy, zachowują jednocześnie walory smakowe wody. Skuteczność tych układów jest na tyle wysoka, że końcowy produkt można porównać z czystą wodą.
Ciekawym rozwiązaniem są tzw. adaptacyjne stacje uzdatniania, a intensywność kolejnych etapów oczyszczania jest automatycznie dostosowywana do zmiennych parametrów wody surowej. System na bieżąco śledzi stężenie zanieczyszczeń i dobiera odpowiednie dawki chemikaliów, metodę dezynfekcji i czas kontaktu w filtrach. W okresach, gdy woda w rzece jest wyjątkowo mętna lub skażona, stacja przechodzi w tryb bardziej rygorystycznego oczyszczania. Z kolei, jeśli jakość zasobów naturalnych jest wysoka, ogranicza zużycie energii.
Dynamiczna obróbka wody umożliwia szybką reakcję na nagłe zjawiska, jak powodzie, susze i awarie w sieci, bez utraty stabilności dostaw. Współczesne oczyszczalnie są też centrami pozyskiwania cennych surowców: odzyskują biogaz do produkcji energii, fosfor do nawozów, a nawet ciepło odpadowe można przekazywać do miejskiej sieci grzewczej. W ten sposób gospodarka wodna w smart cities przypomina efektywny ekosystem, maksymalnie wykorzystujący to, co kiedyś uznawano za odpad – ścieki są zasobem, nie problemem.
Obok wodociągów i kanalizacji, równie istotna jest gospodarka wodami opadowymi. Intensywne ulewy i coraz częstsze zjawiska ekstremalne wymagają zastosowania elastycznych rozwiązań. Klasyczne systemy kanalizacji burzowej nie radzą sobie z dużymi opadami. Inteligentne miasta chcą jak najwięcej wody deszczowej zatrzymać na miejscu, zminimalizować spływ powierzchniowy i ograniczyć ryzyko podtopień.
Pomagają zbiorniki retencyjne, wyposażone w czujniki poziomu wody i sterowniki. Decydują, kiedy odprowadzić nadmiar wody do kanalizacji. Algorytmy korzystają z prognoz pogody i modeli hydrologicznych. Z wyprzedzeniem przygotują miejsce w zbiornikach na zapowiadane intensywne opady. Dzięki temu unikniemy sytuacji, gdy gwałtowna ulewa przepełnia system i powoduje powódź. Zautomatyzowany mechanizm można porównać do zarządzania rezerwuarem – kontrolujemy stan wody w czasie rzeczywistym i modyfikujemy ilość odprowadzanych ścieków, by zapewnić płynną pracę całej sieci.
Równie ważne są działania w obrębie samej urbanistyki. Wprowadza się permeabilne nawierzchnie na ulicach, chodnikach i parkingach. Umożliwiają deszczówce wsiąkanie w glebę zamiast spływania do studzienek. Tam, gdzie gleba jest trudno przepuszczalna, naturalny filtr i rezerwuar wody stanowi „bio-retencja” i ogrody deszczowe. Albo zielone dachy pokryte roślinnością zatrzymują opady i łagodzą ekstremalne zmiany temperatur.
Dzięki temu miasto lepiej chroni przed powodziami i poprawia mikroklimat – wilgoć z ogrodów deszczowych paruje i nawilża suche powietrze. Spowalnianie spływu do kanalizacji zmniejsza presję oczyszczalni ścieków i pozwala magazynować wodę na potrzeby podlewania zieleni miejskiej. W ten sposób nawet intensywne opady to korzyść, nie zagrożenie.
W inteligentnym mieście zarządzanie deszczówką i odwadnianiem to wielowymiarowa strategia. Łączy infrastrukturę z naturą. Monitorowane cyfrowo zbiorniki retencyjne, czujniki wilgotności gleby i sterowniki pomp burzowych współgrają z koncepcjami zieleni miejskiej. Woda opadowa – zamiast być przyczyną problemów współtworzy harmonijne, przyjazne środowisko dla ludzi i przyrody.
Mieszkańcy również mogą aktywnie uczestniczyć w zarządzaniu zasobami wodnymi. Coraz popularniejsze aplikacje mobilne, połączone ze smart licznikami monitorują zużycie wody w czasie rzeczywistym. Użytkownik po prostu otwiera aplikację i widzi, ile litrów wody zużył dzisiaj, w tym tygodniu i miesiącu. Jeśli system wykryje nagły, nietypowy wzrost poboru, może to oznaczać wyciek, np. spowodowany pęknięciem rury w piwnicy lub nieszczelnością toalety. Wówczas aplikacja wyświetla ostrzeżenie, a domownicy mogą szybko zareagować, by uniknąć kosztownych strat i zniszczeń.
Ciekawym rozwiązaniem może być gratyfikacja. Użytkownicy aplikacji otrzymają punkty za redukcję zużycia w danym okresie lub udział w lokalnych inicjatywach, np. sadzeniu roślin retencyjnych. Zebrane w ten sposób punkty można wymienić na zniżki w rachunku za wodę lub bilety na komunikację miejską.
Powstają domowe stacje uzdatniania. Już teraz wiele osób korzysta z filtrowania. Popularne dzbanki filtrujące oczyszczają wodę w kilka minut. Ale wyobraźmy sobie zintegrowane systemy domowe monitorujące skład wody i automatycznie dostosowujące parametry filtracji. Przykładowo, jeśli czujniki wskazują na zwiększoną twardość, system uruchamia tryb zmiękczania. Gdy zaś wykryje nietypowy zapach – może zaaplikować dodatkowy etap filtracji węglowej. Informacje o stanie wkładów filtracyjnych i konieczności ich wymiany trafiają bezpośrednio na smartfon, a sam proces jest zsynchronizowany z profilem zużycia wody w danym gospodarstwie.
W szerszej perspektywie ograniczymy liczbę plastikowych butelek. Znikają obawy o zanieczyszczenia i nadmiar chloru, a rachunki za wodę mogą spaść, bo świadoma konsumpcja zazwyczaj idzie w parze z niższym zużyciem.
Zaawansowana analiza danych: big data oraz AI w zarządzaniu gospodarką wodną
Istotą idei smart city jest wykorzystanie potężnych narzędzi analitycznych do przetwarzania ogromnych ilości informacji z różnych źródeł. W przypadku gospodarki wodnej mówimy o setkach tysięcy punktów pomiarowych, począwszy od przepływomierzy i czujników ciśnienia w rurociągach, przez detektory jakości wody w oczyszczalniach i stacjach uzdatniania, aż po dane meteorologiczne czy sygnały z satelitów. Zgromadzenie, a następnie interpretacja tych informacji w czasie zbliżonym do rzeczywistego jest możliwa dzięki rozwiązaniom określanym mianem big data.
Na tym etapie do akcji wkracza sztuczna inteligencja (AI). Algorytmy uczenia maszynowego trenowane na historycznych danych rozpoznają wzorce i anomalie w funkcjonowaniu sieci wodnej. Jeżeli system odnotuje, że określony fragment infrastruktury zwykle w określonych porach dnia ma niestabilny przepływ, może sugerować wyciek, nielegalny pobór wody albo nieszczelne zawory. Sztuczna inteligencja prognozuje przyszłe zdarzenia – np. w oparciu o dane pogodowe i dotychczasowe wzorce użytkowania przewiduje, kiedy zapotrzebowanie na wodę w danej dzielnicy wzrośnie.
Co ciekawe, AI również usprawni pracę oczyszczalni i stacji uzdatniania poprzez dynamiczną zmianę parametrów procesów technologicznych. Jeżeli analiza big data wykaże, że woda surowa ma obecnie niewielką mętność i niską zawartość związków organicznych, ograniczy intensywność filtracji w celu zaoszczędzenia energii i chemikaliów. A kiedy warunki się pogorszą (np. po intensywnych opadach), system automatycznie wejdzie w wyższy poziom czyszczenia. Adaptacyjna regulacja zarządzana w czasie rzeczywistym poprawia efektywność i stabilność dostaw.
Z perspektywy zarządzania kryzysowego big data błyskawicznie wykrywa skażenia i awarie na dużym obszarze. Informacje z sieci czujników są zestawiane z alarmami mieszkańców, danymi meteorologicznymi i mapami potencjalnych zagrożeń. Algorytmy AI rekomendują konkretne działania służbom miejskim – np. zamknięcie określonego odcinka magistrali wodociągowej, ewakuację punktu czerpalnego bądź przeprowadzenie dodatkowego chlorowania. Dzięki temu szybciej i precyzyjniej zareagujemy na kryzys.
Nowoczesne gospodarowanie wodą wcale nie wymaga rezygnowania z tradycyjnych, naturalnych metod. Wręcz przeciwnie, koncepcja „nature-based solutions” łączy technologiczne nowości z procesami zachodzącymi w przyrodzie. Miejskie mokradła i sztuczne stawy pełnią rolę bioreaktorów. Rośliny i mikroorganizmy naturalnie rozkładają zanieczyszczenia.
