劉遂慶 王榮和
同濟大學環(huán)境科學與工程學院

　　摘要：本文簡要闡述給水管網(wǎng)設計和運行管理現(xiàn)代科學技術的進步和應用現(xiàn)狀, 對我國的發(fā)展方向提出了作者的見解和設想。管網(wǎng)優(yōu)化設計計算、管網(wǎng)水力與水質模擬、管網(wǎng)優(yōu)化調度、信息化和智能化運行管理及科技交流信息網(wǎng)絡構成了當前給水管網(wǎng)新理論和新技術研究和應用發(fā)展的基本方向，對于城市供水企業(yè)提高經(jīng)濟效益和企業(yè)科技水平將起到根本保證的作用。在給水行業(yè)內組織高科技研究和產(chǎn)業(yè)化，是給水行業(yè)科技進步的可行道路。
　　關鍵詞：給水管網(wǎng)、科技發(fā)展、優(yōu)化設計、優(yōu)化調度、智能管理、科技信息網(wǎng)、行業(yè)高科技產(chǎn)業(yè)化

　　1　概述

　　給水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個由各種管道、泵站、水塔、調節(jié)閥(閥門、減壓閥、檢查閥等)等多種設施構成的水輸送系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的合理設計及運行管理，可以節(jié)約大量工程投資，提高企業(yè)經(jīng)濟效益和現(xiàn)代化科學技術水平。管網(wǎng)系統(tǒng)的投資很大，同時涉及到的影響因素也很多，如何最優(yōu)地確定這些設計參數(shù)，使系統(tǒng)在滿足用戶要求的前提下，達到投資及運行費用最??；如何在已知某些系統(tǒng)參數(shù)的情況下，分析系統(tǒng)的運行狀況，以便進行優(yōu)化調度自動化控制等，這些都是給水管網(wǎng)設計及管理人員迫切需要解決的實際問題。
　　隨著計算機的出現(xiàn)及其應用軟件的發(fā)展，給水管網(wǎng)水力計算有了很大的發(fā)展，在理論及算法上日趨完善。對于給水管網(wǎng)優(yōu)化問題，國內外給水管網(wǎng)研究工作者已做了大量的研究和探索工作，并取得了豐碩的成果。計算機和計算技術的飛速發(fā)展，為管網(wǎng)設計與管理提供強有力的支持和推動。按照Lee Cesario如表1所示的分析，可以看出管網(wǎng)模型發(fā)展的顯著變化。

表1 管網(wǎng)模型發(fā)展歷史 30年代 Hardy-Cross 手工求解法 40年代 McElroy 電子分析器 50年代 室內模型，電子管計算機 60年代 院校開發(fā)程序系統(tǒng)，晶體管計算機 70年代 數(shù)學模型和計算方法發(fā)展，計算程序開發(fā)和應用階段，小型計算機 80年代 用戶界面、軟件包及擬穩(wěn)定狀態(tài)模擬系統(tǒng)，大規(guī)模集成電路微機 90年代 軟件接口、圖形化軟件集成設計、信息管理、智能化及自動化運行及水質模擬系統(tǒng)，大規(guī)模集成電路微機，PLC，SCADA，GIS

　　1970年代中，利用計算機進行給水管網(wǎng)水力計算的理論和方法在大學和研究機構得到了廣泛而深入的研究，成功地開發(fā)了許多專業(yè)應用軟件，如美國Kentucky大學Wood-Charles程序(1972)，美國Utah州立大學Jeppson程序(1976)，并由軟件開發(fā)公司推出一些程序，如FAAST、WATSIM(1974)等。我國也隨之開始從事這方面的研究，并推出一些實用程序，如給水管網(wǎng)水力計算程序747、749、7512、767等程序(同濟大學楊欽教授等)，為我國給水行業(yè)計算機應用奠定了十分重要的基礎。這一時期研究的重點在于水力分析和標準優(yōu)化設計計算，形成擬穩(wěn)定狀態(tài)水力模擬的完成數(shù)據(jù)模型。80年代，軟件開發(fā)走向商品化，并開始重視擬穩(wěn)定狀態(tài)水力模擬系統(tǒng)和GIS、CAD技術開發(fā)和應用。這一時期典型的程序系統(tǒng)如AQUA(Akron大學，1985)、WADISO(Gessler-Walski,1985)。90年代是軟件系統(tǒng)蓬博發(fā)展的時期，出現(xiàn)了大量的商品化軟件，如PIPE-FLO、WaterMap、FAAST-3、KYPIPE2、EPANET、WATNET、H2ONET、8M、STONER、SynerGEE等，在國內，同濟大學開發(fā)完成的軟件有HYPNW（1992）、WPNCAD（1994）、WDOC（1998）、WPNCAD（1998）等。各類應用軟件向著智能化、圖形化方向發(fā)展，并為用戶提供方便的界面和強大的功能。以管徑優(yōu)選法(Loubser和Gessler,1990)和遺傳算法(Murphy、Simpson和Dandy,1993)為代表的優(yōu)化算法可能會是管網(wǎng)優(yōu)化技術真正走向市場的途徑，以擬穩(wěn)定狀態(tài)模擬技術(Gessler和Walski,1989)進行管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調度，也已開始了工程應用和軟件商業(yè)化階段。
　　應用計算機進行給水管網(wǎng)運行管理和優(yōu)化調度科學技術在1990年代得到了快速發(fā)展，以信息技術和智能化、自動化控制為目標，運用PLC、SCADA和GIS技術，形成了完整的節(jié)約能量、節(jié)省人工、減少漏損、保護水質等的以計算機為中心的現(xiàn)代高科技管理系統(tǒng)，逐步形成了給水管網(wǎng)運行管理和自動優(yōu)化調度高科技產(chǎn)業(yè)。

　　2　給水管網(wǎng)優(yōu)化設計和經(jīng)濟管徑

　　給水管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平差設計計算，在算法上已十分成熟，在計算規(guī)模、計算速度和計算機精度上，隨著計算機技術的發(fā)展，已不再是平差計算的約束問題。如WDOC、WatNET、STONER、SynerGEE等軟件系統(tǒng)，都可方便地解決成千上萬根管段的平差計算問題。
　　然而，目前經(jīng)常遇到的問題是管網(wǎng)拓撲模型的簡化、不同種類管道摩阻系數(shù)的確定需要與工程實際保持一致，才能使計算結果具有工程實用價值。當軟件使用者缺乏工程認識和經(jīng)驗時，往往得出片面結果，甚至造成直接經(jīng)濟損失。在進行管網(wǎng)設計計算時，必須引起足夠重視。具有扎實理論基礎和工程經(jīng)驗的軟件使用者，可以通過比較計算結果和實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)中存在的設計或運行問題，諸如管道銹蝕、漏水、閘閥盲目關閉或水泵運行失常等，為管網(wǎng)合理運行和調度提出改造方案，滿足合理管理和運行的要求。
　　管網(wǎng)優(yōu)化設計計算，主要是為了進行新建或擴建管網(wǎng)的規(guī)劃設計和初步設計，使其達到在投資(管徑)及常年運行費用(水泵揚程)最小的情況下，滿足用戶對水量和水壓的要求。優(yōu)化設計計算方法是在建立經(jīng)濟模型和優(yōu)化計算數(shù)學模型，并提出多個約束條件后，通過一定的數(shù)學算法，得出最經(jīng)濟的管徑及水泵揚程。在經(jīng)濟管徑條件下運行的流速稱為經(jīng)濟流速。
　　經(jīng)濟管徑或經(jīng)濟流速是管網(wǎng)優(yōu)化設計的計算結果，也是用于檢驗一個管網(wǎng)設計或運行優(yōu)劣的一個手段。如果管網(wǎng)水力平差計算結果表明管段流速均遠離經(jīng)濟流速的范圍，即應該對管網(wǎng)的設計或運行管理方法提出質疑，并尋求解決問題的辦法。
　　根據(jù)歷史紀錄和經(jīng)驗，在一般情況下，給水管網(wǎng)中管段直徑小于1m時，經(jīng)濟流速在0.5 -1.0m/s之間，對于大于1.0m的管徑，經(jīng)濟流速在1.0 – 2.0m/s之間。近年來，作者對某些城市供水管網(wǎng)進行計算，發(fā)現(xiàn)管段流速普遍較低。這是近年來我國城市給水設施快步發(fā)展的結果，同時也出現(xiàn)了設施建設富余量過大的問題。我們需要針對當前的經(jīng)濟規(guī)律和狀況，開展經(jīng)濟流速和經(jīng)濟管徑的研究，確定各城市和地區(qū)的經(jīng)濟流速和經(jīng)濟管徑，提高供水企業(yè)的經(jīng)濟效益和科學管理水平。

　　3　管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調度和水質模擬控制

　　給水管網(wǎng)系統(tǒng)的調度及管理，需要管網(wǎng)模型的建立、用水量預測預報以及自動控制及實施。管網(wǎng)模型的建立，在計算機硬件水平較低的年代，經(jīng)歷了自微觀模型、宏觀模型、集結模型、等價網(wǎng)絡模型，隨著計算機大容量、大內存、高運行速度的發(fā)展，最后又回到微觀模型的過程。Robert Demoyer等首先提出基于“比例負荷”假定的“宏觀模型”，只需要過去的運行數(shù)據(jù)就可以借助統(tǒng)計回歸分析離線建模，采用漸消記憶算法也可以實現(xiàn)在線建模。同濟大學于1988年在國內進一步提出基于“時段比例負荷”的“時段宏觀模型”。配水控制問題，提的較多的是如何確定最佳的泵站調度方案，使供水能耗耗最省，也有以實現(xiàn)等壓配水控制為目標的。
　　管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化調度是供水企業(yè)科學管理和科技進步的重要內容，是管網(wǎng)運行信息化、智能化和自動化運行和結合，需要建立以計算機網(wǎng)絡為中心的梯級PLC網(wǎng)絡系統(tǒng)，利用SCADA和GIS等提供管理信息，形成完整的節(jié)約能量、節(jié)省人工、減少漏損、保護水質等的的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)給水管網(wǎng)優(yōu)化調度。
　　給水管網(wǎng)水質模擬是計算跟蹤管網(wǎng)水中溶解物質的傳輸與各時間內流經(jīng)路線和分布。水質模型可分為穩(wěn)態(tài)模型和準動態(tài)模型二種。
　　（1）穩(wěn)態(tài)模型
　　假定管網(wǎng)處于水力穩(wěn)定狀態(tài)，在一定的運行負荷下，物質沿著流動路徑和時間運行，達到水質穩(wěn)定。數(shù)學模型為：

　　 　　　　　 　　　　　(1)

　　 　　　　　(2)

　　管段濃度方程：C_u,ji＝C_j
　　　　　　　　　C_l,ji=C_u,ji
　　　　　　　　　C_l,ji=C_u,jie^-KT

　　式中，j,k:分別表示節(jié)點j的上游和下游鄰接點；q_ji，q_ik：管段流量；
　　　　　Q_s，C_s:水源供水量及進水濃度；C_u,ji:管段＜j, i>起端濃度；
　　　　　C_l,ji:管段＜j, i>末端濃度；K：管段＜j,i>中物質反應速率常數(shù)；
　　　　　K：管段＜j,i>中的流徑時間。

　　保守物質沿管線流動過程中，濃度不發(fā)生變化，末端濃度等于起端濃度。非保守物質在流動過程中同時發(fā)生著反應，以一級反應為例，反應動力學方程為：

　　 　　　　　　　　(3)

　　物質沿管段流動過程中發(fā)生衰減，以不同于管段起端的濃度進入下游節(jié)點。
　　水源供水比例數(shù)學模型為：

　　 (4)

　　 (5)

　　 (6)

　　式中，j:節(jié)點I的上游鄰接點；P_s,i,P_s,ji：水源S對節(jié)點i和管段＜j,i>的供水比例；

　　q_ji:管段流量； Q_s：水源供水量。
　　水在管網(wǎng)中流經(jīng)時間的數(shù)學模型為：
　　式中，A_i,A_j:節(jié)點i和i的上游鄰接點j的流經(jīng)時間；t_ji：節(jié)點i的入流管段＜j，i＞中的流經(jīng)時間；Q_s,A_s:水源供水量和時間。
　?。?）準動態(tài)模型
　　準動態(tài)模型的計算結果要比穩(wěn)態(tài)模型的可信度高，因此，在實際工程中，大部分采用準動態(tài)模型。
　　1）對流擴散方程：
　　假設水中溶解物質在管段橫截面上均勻分布，其運行規(guī)律和傳輸可用一維對流擴散方程來表示。
　　 (7)
　　式中，C_i(x,t):管段i中，t時刻x位置的濃度；D:擴散系數(shù)；S：源（或匯）在單位時間單位體積增加（或減少）的物質質量；K₀:零級肥應速率常數(shù)；K₁：一級肥應速率常數(shù)；C_E：反應達到平衡時的濃度。
　　2）節(jié)點混合方程
　　假設水流在節(jié)點處瞬時完全混合，所有以該節(jié)點為起端的管段起點處的濃度都相等。
　　 　　　　　　　　　　　　　(8)

　　式中，C_i(0,t):時刻t,以節(jié)點K為起端的管段i的起端濃度;C_i(L_j,t):時刻t,以節(jié)點K為終端的管段j的末端濃度;S：源（或匯）在單位體積內增加（或減少）的物質量；K：流入節(jié)點K的管段的集合。

　　4　給水管網(wǎng)系統(tǒng)科技進步方向和任務

　　隨著計算機及控制管理科學技術的進步，給水管網(wǎng)設計、運行與管理科技水平有了很大的發(fā)展，國內外給水管網(wǎng)研究工作者已做了大量的研究和開發(fā)工作，并取得了豐碩的成果，為管網(wǎng)設計與管理提供強有力的支持和推動。經(jīng)過我國的改革開放和技術引進，已經(jīng)應用了大量先進的科學技術，提高了科技水平和效率。然而，與發(fā)達國家相比，我國還存在著較大差距。中國是一個大國，是一個十分廣闊的科技市場，而且面臨著加入WTO的形勢和機遇，我們迫切需要加快步伐和力度，深入開展下列科學研究，形成適合中國國情和特點的高科技產(chǎn)品和市場。
　　1）管道材料：管材的品種和質量是決定給水管網(wǎng)設計和運行經(jīng)濟效率的重要保證，我們需要開發(fā)研制耐壓、防漏、光潔度高和價格便宜的管道材料，以適應我國給水工程發(fā)展需求。
　　2）管道檢漏及防漏技術：管道漏水供水系統(tǒng)中普遍存在的問題，是供水企業(yè)長期重視和需要解決的問題。檢測漏水和防漏已經(jīng)成為一項高科技應用技術，在我國具有顯著社會及經(jīng)濟價值，具有重要開發(fā)價值和科技進步意義。
　　3）給水系統(tǒng)自動化控制和調度成套技術設備：給水系統(tǒng)自動化控制和調度具有明顯的行業(yè)特點和市場廣泛性，我國給水行業(yè)應具有自己的專業(yè)技術研究和成套設備開發(fā)及經(jīng)營管理隊伍，可以形成行業(yè)專門化成套產(chǎn)品和市場。
　　4）給水系統(tǒng)計算機技術和軟件開發(fā)：根據(jù)我國市場需求，利用我國已有科技成果和科技力量，吸收國外先進經(jīng)驗和成果，開發(fā)我國自己的計算機應用技術和成套軟件，將對我國給水行業(yè)科技進步和提高經(jīng)濟效益起到重要推動作用。

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