Water Resources Management and Mapping System


Water Resources Management and Mapping System

Category: EARTH
Challenge: Clean Water Mapping

Aleksandar Aleksiev

Sofia, 2015

  1. Categorization of water resources
    1. Sources of drinking water
    • The main source of drinking water - lakes
    • Underground drilling
    • Reservoirs based on springs
    • Sources of drinking water from the sea
    • Technologies for water purification with degraded biochemical indicators
    • Mineral and geothermal springs

 2. Sources of water for industrial and agricultural purposes
• Groundwater
• Revised seawater

II. Aim of the project

Recent years due to adverse weather conditions and subjectivity in making management decisions in the management of water resources of the Republic of Bulgaria occurred lasting negative consequences on the national territory, as follows: considerable material damage to buildings and arable land, thousands of lives were ruined.
This prompted us to attempt to create a "Water resources management and mapping system" project to avoid all these terrible consequences for the population.


III. Major problems of the available water sources
• Reducing of the effective volume
With the development of a water source as the main problem appears to be reducing its effective volume due to mechanical contamination resulting from the change of ecological environment as:
deforestation, rainfall and others.
• Pollution - biological and chemical as a result of human intervention
• Climate change - droughts and periods of heavy rainfall
• Forced change the ecosystem from the human factor

IV. Forecast of the amount of water that will be consumed by the respective settlement – made on the basis of statistics
V. Basic technical solutions
1. Functional description of the decision / Annex 1 /

The management system is a complex process of technical recources for control and regulation of technological processes in different modes with certain technical and economic indicators. It defines the structure of the operator interaction with the site using the available technical recources. The performance of the  management system depends mainly on two factors - the individual human qualities and the technical performance of the site.
The system for automated control creates the following options:

connecting the water supply equipment, units and
equipment  in a single and continuous process;
• centralized management with a minor number of personnel;
• Safety management of the water supply facilities and systems
at unfavorable environment;
• fast response and sufficient reliability in managing large and complex equipment and systems.
The management and control system has two main functions - Information and
Command That are implemented through the following functional and technological subsystems:

1.1. Information subsystem

Collection, processing, storage, transmission and presentation of the technical and economic information on the work of the water bodies are carried out. Controls the technological processes and equipments through numerous and comprehensive measurement performances.

Types of  control

a / passport

• direct visual inspection and attestation of the condition of the dam and waterborne gullies and channels. Specifying the coefficient k1 ... kN for functionality. Proceed in the central command center in report and subject to revision.

• Information links with local structures of the NIHM (National Institute of Hydrology and Meteorology) for  rainfall and meteorological conditions forecast.

b / electrical control
• monitoring the values of the level and quantity of the incoming and  the discharged water in the dam.
• computer analysis of the information in the database.
• automatic alert of the local authorities and population for critical condition and the risk of flooding or drought.

1.2. Command subsystem
Command subsystem triggers electrical drives of equipment - pumping stations and sluice gates that are spatially dispersed in the water system.
Types of the command facilities:
• commutation electrical appliances by witch are managed major equipments and engine units;
• regulating devices - a system of sensors to maintain the water level to normal.
Management types in the command post:
• manually - by operator
• automatic - performed by remote control of the specialized automatic devices.

1.3. Regulating  subsystem
The regulating  subsystem is designed to continuously maintain optimal conditions for the conduct of the process.
Key features of the regulaton subsystem:
• maintenance of certain technical and economic parameters of the required levels with optimal values.
• modification of the adjustable parameters in accordance with other variables and certain laws after analyzing the database.

The functions of the regulation subsystem are implemented through automatic electronic controls that are divided into 3 groups:
• mode -for achieving normal course of technological processes;
• launchers - for placing the aggregates with certain parameters;
• spare equipment - for regulation of emergency condition of the main equipment and facilities.

1.4. Signal subsystem
The signal subsystem provides information about the normal and the emergency state of technical equipment and technological processes.
It is a base for the command subsystem.
Key features of the signal subsystem:
• automatic common sound signals by electric sirens and bells to attract the attention of the local authorities, the service personnel and the population in the occurrence of flood risk;
• showing the reasons for the amendments from the normal state of the environment through individual optical signals - lights and hardware.

The individual signals are distinguished by colors witch are having a code designation:
• green - normal situation;
• yellow - sends messages to reduce the water in the reservoir below the critical value / pass required for Sleep /;
• red - acting with increasing water levels and fixed risk of flooding

1.5. Secondary schemes
The secondary schemes define the electrical connections between the technical resources of the management systems.
1.5.1. Qualification
a)/according to the functional purpose:
• for measurement;
• for command;
• for signaling;
• for automation.

b/according to the sources of supply:
• grid;
• Self-powered / generators, solar panels, wind /
• supply from GSM operator;
• permanent voltage - battery;
• for rectified voltage - power rectifier devices and power supplies
• AC voltage - transformers for own needs

c/ in general:
• principled;
• assembly;
• full;

1.5.2. Basic principles for structuring the secondary schemes

The management system plays a major role for reliable, safe and economical operation of the early warning system.
Therefore require high operating reliability, which is achieved by observing the following principles for building:

• Using reliable independent sources for power management systems;
• Selecting a reliable centralized electrical circuits with deep sectioning of the power supply while providing working and backup power supply of each section;
• Maximum autonomy of functional sub-systems in which faults in one subsystem does not disrupt the rest of the management system;
• Complete separation of secondary schemes for management of individual assembly units in which failures in the management of a mounting unit does not interfere with the normal operation of other major facilities;
• Continuous control of the condition of secondary schemes, which mainly covers the chain of command for turning the switching devices;
• The maximum clarity of construction schemes for fast orientation and detection of faults and wrong operation in normal and emergency modes;
• Possibility for remote check of secondary schemes by function within the individual assembly units;
• Provision of facilities for maximum localization of defects and submission of information by signaling system;
• Avoiding false chains that lead to the malfunction of the control system.

1.6. Control signals

The control signals are functional and technological basis for action of the management system.
Each  output goes through the following three stages:
• formation of source
• transmission through electric circuit
• intermediate devices and acceptance by receiver
1.6.1. Types of sources  forming the control signals
• hand made-  include control panels, switches, buttons and more. They 
activate as trigger  or by remote systems of automatic control of water levels in reservoirs and signaling devices switchgear.
• automated - processing database and the status of sensors in key locations of the watershed.
Intermediate devices
Serve to transmit control signals according to different functional-tehnologocheski conditions Action subsystems management.
1.6.3. Receivers
Electric drives of switching and regulating equipment, measuring and signaling apparatus and others.
  They start work from the control signals and perform actions with switchgear.

1.6.4. Classification of control signals
a) The number of sources and receivers of a signal:
• single object - each responsible for a signal source and receiver;
• multi object- one signal is formed from a single source to multiple receivers and vice versa - a signal is fed from several sources to one receiver;
b) The method of removal:
• manual removal;
• automatic capture;
c) depending on the availability of interim receivers:
• direct;
• indirect;

d) According to the time of transmission:
• without delay;
• a time-delay;
e) According to the duration of the effect on the receiver:
• short;
• lengthy;
• limited long;
• pulsing;
f) As the means of transmission of signals of the multi objects:
• concurrent;
• consistent.
2. Demonstration model - Appendix 2

a /  sensors  for input water , communicators with independent power supply with solar panel
b / mechanical contamination prevention system from lush rain (sand, gravel and boulders)
c / biological water purification system ( grasses (marsh))
a/ sensors, communicators with multivariate power
b / biological water purification system ( grasses (marsh))
c / control station for command control equipment  for water level
d / signaling system for  the local government administration and the population
• Red alert - danger of overflow
• Green signal - normal level
• Yellow alert - alert the population to go to the mode of saving water
2.3. Exit
a / sensors output leads, communicators with independent power supply with solar panel
b / mechanical contamination prevention system from lush rain (sand, gravel and boulders)
in / biological water purification system ( grasses (marsh))
d / red signaling communicator - high output lead ( more water than it can carry riverbed)

3. Database - Appendix 3.1 and 3.2

VI. Expected results
The system allows modular to implement mapping of water resources and the introduction of strict economic criteria for creating a sustainable system in a variety of adverse weather conditions: drought, flooding, pollution.



Система за картографиране и контрол на водните ресурси

Категория: EARTH

 Предизвикателство: Clean Water Mapping



инж. Румяна Славчева-ръководител

Александър Матаров

Божидар Иванов

Александър Алексиев



  1. Категоризация на водните ресурси

  1. Източници на питейна вода

  • Основен водоизточник на питейна вода – язовири

  • Подземни сондажи

  • Резервоари на база извори

  • Източници на питейна вода от морето

  • Технологии за пречистване на вода със влошени биохимически показатели

  • Минерални и геотермални извори



  1. Източници на вода за промишлени и земеделски цели

  • Язовири

  • Реки

  • Подземни кладенци

  • Преработена морска вода


  1. Цел на проекта


    Последните години в следствие на неблагоприятни климатични условия и субективизъм при вземане на управленчески решения при управление на водното богатство на Република България се получиха трайно негативни последствия на територията на държавата, както следва : човешки жертви, значителни материални щети на сградния фонд и обработваемите земеделски площи. Бяха съсипани хиляди човешки съдби.

    Това ни подтикна да направим опит да създадем „Система за картографиране и контрол на водните ресурси“ с която да бъдат избегнати  всички тези ужасни последици за населението.


  2. Основни проблеми при наличните водоизточници

  • Намаляване на ефективния обем

    С развитието на един водоизточник като основен проблем се явява намаляване на неговия ефективен обем в следствие на механическо замърсяване в резултат на промяна на екологическата обстановка като:

    обезлесяване, обилни валежи и др.

  • Замърсяване  - биологическо и химическо в следствие на човешка намеса

  • Климатични промени – периоди на засушаване и периоди на силни валежи

  • Насилствена промяна на екосистемата от човешкият фактор


  1. Прогноза за необходимото количество вода, което ще бъде консумирано от съответното населено място

    Осъществява се на база на статистика

  2. Основни технически решения

Функционално описание на решението /Приложение 1
Функционално-технологична система

Системата за управление на технологичния процес представлява комплекс от технически средства за контрол и регулиране на технологичните процеси при различни режими с определени технико-икономически показатели. Тя определя структурата на взаимодействие на оператора с обекта чрез разполагаемите технически средства. Ефективността на системата за управление зависи главно от два фактора - индивидуалните качества на човека и техническите показатели на обекта.

Системата за автоматизиран контрол и управление създава следните възможности:

  • свързване на водопреносните съоръжения, възли и уредби в единен и непрекъснат технологичен процес;

  • централизирано управление с незначителен брой  персонал;

  • безопасност на управление на водопреносните съоръжения и уредби   при неблагоприятна околна среда;

  • бързодействие и достатъчна надежност при управление на големи и сложни  съоръжения и уредби.

Системата за управление и контрол има две основни функции - информационна и командна, които се реализират чрез следните функционално-технологични подсистеми:


Информационна подсистема

Извършва събиране, обработка, съхраняване, предаване и представяне на необходимата техническа и икономическа информация за работата на водните обекти. Извършва контрол на технологичните процеси и съоръжения чрез многобройни и всеобхватни измервания.

Видове контрол

а/ паспортизация

  • пряк визуален контрол и атестация на състоянието на язовира и водопреносните дерета и канали. Уточняване на коефицент к1...кN за функционалността им. Постъпват в централен команден център в писмен вид под формата на доклад и подлежат на актуализиране.

  • информационна обвързаност с местните структури на НИХМ(Национален институт по хидрология и метеорология) за прогназните количества  валежи и метерологична обстановка.

    б/ електрически контрол

  • следене величините на нивото и количеството на постъпващитите и изпускани води в язовира.

  • компютърен анализ на постъпилата информация в база данни.

  • автоматично сигнализиране на местната власт и населението за критично състояние и опасност от наводнение.


Командна подсистема
Командната подсистема задейства електрическите задвижвания на  техническите съоръжения – помпени станции и саваци, които са териториално разпръснати във водопреносната система
Видове кoмандвани съоръжения:

  • комутационни електрически апарати, чрез които се управляват основните съоръжения  и  машинните агрегати;

  • регулиращи устройства – система от сензори  за подържане на нивото на водите в нормално състояние.

           Видове управление в командния пункт:

  • ръчно  - изваршва се от оператор,

  •  автоматичното – извършва се  от дистанционно управление на специализираните автоматични устройства.


Регулираща подсистемa
Регулиращата подсистема е предназначена за непрекъснато поддържане на оптимални условия за протичане на технологичния процес.
Основни функции на регулиращата подсистема:

  • подържане на определени технически и икономически параметри  на необходимите нива  с оптимални стойности.

  • изменение на регулируемите величини в съответсвие с други величини  и по определени закони след анализ на база данни.

Функциите на регулиращата подсистема се осъществяват чрез автоматични електронни регулатори, които се разделят на 3 групи:

  • режимни – чрез тях се постига нормално протичане на технологичните процеси;

  • пускови - служат за пускане на агрегатите с определени параметри;

  • резервни съоръжения – с тях се регулира аварийното състояние на основните уредби и съоръжения.


Сигнална подсистемa
Сигналната подсистема представя информация за нормалното и аварийно  състояние на техническите съоръжения и на технологичните процеси. Тя е изходна база за командната подсистема
Основни функции на сигналната подсистема:

  • автоматично подаване на общи звукови сигнали чрез електрически сирени и звънци, които да привличат вниманието на местните власти, обслужващият персонал и населението при поява на риск от наводнение;

  • показване на причините за настъпилите изменения от нормалното състояние на средата чрез индивидуални оптични сигнали, които биват светлинни и апаратни.

            Индивидуалните сигнали се различават по цветове, които имат кодово        предназначение:

  • зелен цвят - предизвиква успокоение и указва  нормална обстановка ;

  • жълт цвят - изпраща съобщения за намаляване на водата във водоема под критичната стойност /изисква минаване в икономичен режим/;

  • червен цвят - действа при увеличаване на нивото на водите и фиксира риск от наводнение;



Вторични схеми

Вторичните схеми определят електрическите връзки между техническите средства на системите за управление.


а) в зависимост от функционалното предназначение:

  • за измерване;

  • за командване;

  • за сигнализация;

  • за автоматизация.

б) според източниците на захранване:

  • електроразпределителна мрежа;

  • автономно захранване/генератори,соларни панели,ветрогенератори/

  • захранване от GSM оператор;

  • за постоянно напрежение – акумулаторни батерии;

  • за изправено напрежение – силови изправителни устройства и захранващи блокове

  • за променливо напрежение – трансформатори за собствени нужди.


в) по общо предназначение:

  • принципни;

  • монтажни;

  • пълни.


Основни принципи за структуриране на вторичните схеми


Системата за управление играе основна роля за надежната, безопасната и икономичната работа на системата за ранно предупреждение. Затова се изисква висока експлоатационна надежност, която се постига при спазване на следните принципи за изграждане:


  • Използване на надежни независими източници за електрозахранването на системите за управление;

  • Избиране на надежни централизирани електрически схеми с дълбоко секциониране на захранващата мрежа при осигуряване на работно и резервно електроснабдяване на всяка секция;

  • Максимална автономност на функционалните подсистеми, при което неизправностите в една подсистема не нарушават работата на останалата част от системата за управление;

  • Пълно разделяне на вторичните схеми за управление на отделните монтажни единици, при което повредите в управлението на една монтажна единица не смущават нормалната работата на другите основни съоръжения;

  • Непрекъснат контрол за изправността на вторичните схеми, който обхваща главно командните вериги за включване и изключване на комутационните апарати;

  • Максималната яснота на построяване на схемите за бързо ориентиране и лесно откриване на неизправностите и грешната работа в нормални и аварийни режими;

  • Възможност за дистанционна проверка на състоянието на вторичните схеми по функционално предназначение в рамките на отделните монтажни единици;

  • Предвиждане на  съоръжения за максимална локализация на неизправностите и подаване на информация чрез сигнална система;

  • Недопускане на фалшиви вериги, които водят до неправилна работа на системата за управление.



Управляващи сигнали


Управляващите сигнали са функционално-технологична основа за действие на системата за управление.

Всеки подаван сигнал преминава през следните три етапа:

  • формиране от източник

  •  предаване чрез електрическа верига

  • междинни устройства и приемане от приемник


Видове източници за формиране на управляващи сигнали

  • ръчни- към тях спадат командни пултове,ключове, бутони и др.

като  задействат пряко или дистанционно системите на автоматичен контрол на нивото на водата във водоемите, както и сигналните устройства на комутационните апарати.

  • автоматизирани - при обработка база данни и състоянието на сензорите във възловите места на водосбора.

 Междинните устройства

 Служат за предаване на управляващи сигнали според отделните функционално-технологочески условия за действие на подсистемите за управление.


Електрически задвижвания на комутационните и регулиращите съоръжения, измервателните и сигналните апарати и др.

 Те заработват от управляващите сигнали и извършват  действия с комутационните апарати.


Класификация на управляващите сигнали

а) според броя на източниците и приемниците на даден сигнал:

  • еднообектни – на всеки сигнал отговаря по един източник и приемник;

  • многообектни – един сигнал се формира от един източник за няколко приемника и обратното – даден сигнал се подава от няколко източника за един приемник;

б) според метода на снемане:

  • с ръчно снемане;

  • с автоматично снемане;

в) в зависимост от наличието на междинни приемници:

  • преки;

  • косвени;

г) според времето на предаване:

  • без времезакъснение;

  • с времезакъснение;

д) съгласно времетраенето на действие върху приемника:

  • кратковременни;

  • продължителни;

  • ограничено продължителни;

  •  пулсиращи;

е) според начина на подаване на многообектните сигнали:

  • едновременни;

  • последователни.


Демонстрационен модел - Приложение 2
а/ сензори за ниво на входни води, комуникатори с автономно захранване със слънчев панел
б/ система за предпазване от механическо  замърсяване при буйни валежи (пясък сипица,чакъл и каменни блокове)
в/ система за биологическо пречистване на водата ( водарасли и треви (marsh)
а/ сензори за ниво, комуникатори с многовариантно захранване
б/ система за биологично пречистване на водата
в/ управляваща станция за команда на съоръженията за контрол на нивото на водата
г/ система за сигнализация на местната власт и населението

  • червен сигнал – опастност от преливане

  • зелен сигнал – нормално ниво

  • жълт сигнал – сигнализира населението да мине на режим на икономия на вода – ниско ниво на наличните количества

а/ сензори за ниво на изходни води, комуникатори с автономно захранване със слънчев панел
б/ система за предпазване от механическо  замърсяване при буйни валежи (пясък сипица,чакъл и каменни блокове)
в/ система за биологическо пречистване на водата ( водарасли и треви (marsh)
г/ при червена сигнализация от комуникатора – високи изходни води(източва се по-голямо количество вода, отколкото може да пренесе речното корито) 
База данни – Приложение 3.1 и 3.2 
Очаквани резултати
Системата разрешава на модулен принцип да се осъществи паспортизация на водния ресурс и въвеждане на ясни икономически критерии за създаване на устойчива система при различни неблагоприятни атмосферни условия: засушаване , наводнения, замърсяване.


 Приложение 2

Приложение 3.1

Приложение 3.2