維持清潔水源供應

Companhia Águas de Joinville（CAJ）是一家自來水公司，為巴西南部圣卡塔琳娜州最大城市若因維利市約 60 萬居民提供用水和衛(wèi)生服務。供水分成兩個生產系統(tǒng)。北部地區(qū)的 Cubatão 系統(tǒng)占供水量的 75％，為 45 萬居民提供服務，南部地區(qū)的Piraí 系統(tǒng)占供水量的 25％，為 15 萬居民提供服務。為了不斷優(yōu)化公司資源、維持優(yōu)質服務和向居民供應清潔水源，CAJ 于 2020 年啟動了戰(zhàn)略性水力建模項目。了解供水系統(tǒng)的運營方式，以及如何前瞻性解決供水管網(wǎng)問題，能夠幫助該項目優(yōu)化投資和運營。

2020 年，若因維利市經(jīng)歷了 30 年來最嚴重的水資源危機。若因維利多年來每年會經(jīng)歷為期三個月的干旱期，2020 年情況更加惡化，Piraí 河的水源連續(xù)六個月減少，這直接影響了 Piraí 水處理廠的生產，影響了該地居民的供水。CAJ 工程師 Lucas Emanuel Martins 表示：“我們在生產過程中遇到的任何問題都會對人們的生活質量產生巨大影響。”CAJ 始終致力于為消費者供應清潔水源，保證消費者的福祉，并利用最初的數(shù)字化管網(wǎng)分析計劃，在干旱時期制定應急供水計劃，以減少稀少水源的生產量，同時不會對該地區(qū)的居民造成影響。

應對旱情

為了應對旱情，CAJ 進行了一項初步研究，評估了應急計劃的三個潛在備選方案。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，分析并測試了總價值 450 萬巴西雷亞爾的解決方案，即在干旱時期，在兩個系統(tǒng)之間鋪設一條長達 1.7 公里的互相連通的管道。然而，CAJ 很快意識到，他們最初的解決方案傳輸流量不足，需要安裝一臺 140 馬力的增壓器，造成每月 25,000 巴西雷亞爾的額外運營支出。該計劃還將導致 Cubatão 供應系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)出現(xiàn)一系列用水短缺問題，會降低運水效率，受影響人數(shù)將達 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需要對整個市政供水管網(wǎng)進行更全面的分析。他們需要先進的建模和仿真應用程序，以確保數(shù)字分析能夠準確反映實際管網(wǎng)運行情況。通過制定成功的應急計劃，他們將減輕干旱的影響，并最大限度地降低對若因維利居民和企業(yè)的影響風險。

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 285 公里的管網(wǎng)進行建模。

數(shù)字孿生技術和水力建模仿真支持現(xiàn)場觀測到的流量和壓力數(shù)據(jù)，驗證了模型的準確性和可靠性。該團隊使用精確的數(shù)字化模型，對其最初提出的解決方案進行了可靠的評估。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，用于評估該系統(tǒng)在變更后的運行情況。”根據(jù)評估結果，他們確定原來的應急計劃是無效的。Martins 表示：“利用 Bentley 軟件，我們就能夠提前發(fā)現(xiàn)這些問題，并就應急計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，用于制定新的應急方案。他們對該市的主要供水和宏觀給水系統(tǒng)進行了全面研究，評估了 Cubatão 和 Piraí 管網(wǎng)之間新的連接點。CAJ 使用 OpenFlows WaterGEMS 來校準模型，評估多種運營管網(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)運營改進的機會。他們通過數(shù)字化工程創(chuàng)新和概念創(chuàng)新，設計了新的應急計劃，即利用現(xiàn)有網(wǎng)絡在 Cubatão 和 Piraí 之間重新分配水源，保證嚴重干旱期間的供水，并改善整個城市的整體給水管網(wǎng)。Martins 表示：“該研究優(yōu)化了各區(qū)之間的水流動態(tài)，利用了現(xiàn)有結構，免去使用最初計劃的新水管和增壓器，因此，新的擬議解決方案除了滿足運營需求外，需要的投資更少。”

數(shù)字孿生助力供水行業(yè)實現(xiàn)變革

利用 Bentley 的水力建模技術，CAJ 在實施原來的擬議計劃之前就發(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法達到預期效果的項目提供了解決方案，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)，實施成本幾乎為零，節(jié)省了 450 萬巴西雷亞爾。既定的應急方案使稀少的 Piraí 水源供水量減少 30％，相當于每秒 170 升，從而緩解了旱情影響，15 萬當?shù)鼐用駨闹惺芤?。該解決方案還同時解決了 Cubatão 系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，關鍵地區(qū)的每月水流失減少 40,000 立方米，關鍵部門的缺水投訴量降低 90％。得益于數(shù)字孿生技術，CAJ 每年節(jié)省 36 萬巴西雷亞爾的水泵運行成本和 574 兆瓦的電力，每年減少 169 噸的碳排放量。

Martins 表示：“該項目很好地表明了技術能夠幫助我們優(yōu)化資源。”使用 Bentley 開放式建模應用程序，可以在運營和工程團隊之間提供反饋環(huán)路。運營團隊可以提出關于實景和現(xiàn)場的問題，以便工程團隊能夠通過數(shù)字模型動態(tài)地評估這些問題。兩個團隊可以協(xié)作決定適用的解決方案，從而在對客戶影響最小的情況下做出快速響應。數(shù)字孿生技術為 CAJ 運營水

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

數(shù)字孿生已經(jīng)成為現(xiàn)實，為供水行業(yè)帶來了巨大的變革。通過利用 Bentley先進的水力建模技術，對若因維利的供水基礎設施進行精確建模，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?shù)丨h(huán)境以及城市居民的生活質量。Martins 表示：“作為工程師，我們有道德上的義務來使用技術優(yōu)化資源，有效改善財政資源和環(huán)境資源，提高人們的生活質量。”