趙洪賓，周建華，閻繼民
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)給排水系統(tǒng)研究室）

　　摘要：給水管網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模是自來(lái)水公司實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理、提高效益、提高服務(wù)水平的重要手段。本文以天津市給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模為實(shí)例，詳細(xì)地闡述了給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模的研究方法。實(shí)踐證明該方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
　　關(guān)鍵詞： 給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模；模擬；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；校核

Study on Modeling Water Network System in Tianjin City
ZHAO Hongbin，ZHOU Jianhua，WEI Baocheng
(Workgroup of Water & Wastewater System, Harbin Institute of Technology)

　　Abstract: Dynamic model for water network system is an important approach for water companies to accomplish scientific management and increase benefit and improve the level of service. This paper detailedly describe the method of study on modeling network taking modeling water network system in Tianjin city as an example. It is proved that this approach is very strong practicability in practice.
　　Keywords: modeling water network system; simulation; field test; calibration

1. 問(wèn)題的背景

　　國(guó)家建設(shè)部制訂的“供水行業(yè)2000年規(guī)劃”中提出了兩項(xiàng)提高（安全、效益）和三項(xiàng)降低（電耗、藥耗、漏失）的目標(biāo)，這標(biāo)志著我國(guó)的供水事業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了加強(qiáng)科學(xué)管理、提高服務(wù)質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的新時(shí)期。對(duì)于城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)這么一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、用水隨機(jī)性強(qiáng)、運(yùn)行控制為多目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，欲實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理，必須建立管網(wǎng)模型，仿真管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行工況。
　　天津市給水管網(wǎng)系統(tǒng)由三個(gè)水廠、1300多公里的管線組成，供水面積450多平方公里，服務(wù)人口1100多萬(wàn)，是世界上少有的大型供水系統(tǒng)之一。但由于給水管網(wǎng)系統(tǒng)過(guò)于龐雜、用水隨機(jī)性過(guò)強(qiáng)等原因，影響了天津市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的科學(xué)管理，這嚴(yán)重制約著天津市給水事業(yè)的發(fā)展。為扭轉(zhuǎn)這一局面、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理、提高效益，建立了天津市給水管網(wǎng)系統(tǒng)模型。
　　該課題的研究是以產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的方式進(jìn)行的，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)給排水系統(tǒng)研究室、天津市自來(lái)水集團(tuán)公司、天津市公用事業(yè)設(shè)計(jì)研究所共同承擔(dān)?？茖W(xué)研究結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，三方優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使該課題能結(jié)合中國(guó)的國(guó)情在較短時(shí)間內(nèi)完成，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。實(shí)現(xiàn)了用我們自己的技術(shù)力量成功地完成特大城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模，為在我國(guó)推廣這方面的技術(shù)起到了示范作用。

2. 給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模概述

　　國(guó)外在管網(wǎng)建模方面起步于60年代，80年代隨著計(jì)算機(jī)及相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展、遙測(cè)遠(yuǎn)傳設(shè)備的應(yīng)用，進(jìn)入了實(shí)用化階段，而國(guó)內(nèi)目前僅在個(gè)別城市實(shí)現(xiàn)。管網(wǎng)建模包括宏觀模型、微觀模型、簡(jiǎn)化模型和集結(jié)模型，應(yīng)根據(jù)不同使用目的，采用不同的模型。天津市給水管網(wǎng)模型為簡(jiǎn)化模型，主要應(yīng)用于信息的查詢顯示、現(xiàn)狀分析（供水路徑、管道負(fù)荷、供水區(qū)域等）、事故處理分析（最優(yōu)關(guān)閘方案）、實(shí)用優(yōu)化改擴(kuò)建，今后要用于漏失控制、水泵優(yōu)化調(diào)度及水質(zhì)分析等。
　　給水管網(wǎng)模型必須準(zhǔn)確模擬給水管網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息，包括圖形、屬性、參數(shù)以及狀態(tài)信息。模型建立后，應(yīng)反復(fù)核對(duì)校正以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。建模的技術(shù)流程如圖1：

3. 給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模的研究方法

3.1 圖形的模擬
　　考慮模型的準(zhǔn)確性，天津市給水管網(wǎng)模型采用DN300以上（包括DN300）的管段組成。為提高模型的準(zhǔn)確性，以水力計(jì)算為依據(jù)，適當(dāng)添加了部分DN300以下對(duì)管網(wǎng)水力條件影響較大的管線。模擬圖形還包括地理信息、大量戶信息和管網(wǎng)附件等。整張圖形以1:2000圖紙為底圖，采用數(shù)字化儀錄入，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)拼接而成（如圖2），包括3615個(gè)節(jié)點(diǎn)（水流狀態(tài)發(fā)生較大變化的點(diǎn)），4731條管段（兩節(jié)點(diǎn)之間的管線）。
3.2 屬性的模擬
　　模擬的圖形是矢量圖形，其中每條管段、每個(gè)節(jié)點(diǎn)、每個(gè)水源等都包含許多信息，即屬性。為模擬管網(wǎng)屬性，形成管段、節(jié)點(diǎn)、水泵等數(shù)據(jù)庫(kù)。
3.3 參數(shù)的模擬
　　（1） 海曾-威廉C值；
　　在水力模擬計(jì)算中，一般采用新管的海曾-威廉C值，取120。但實(shí)際上，由于給水管網(wǎng)經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，導(dǎo)致內(nèi)壁腐蝕、粗糙度增加，致使管道的過(guò)水?dāng)嗝娣e變小，從而C值將大大降低。用新管C值將使模型失真，為獲得C的良好初始估計(jì)值，在天津市給水管網(wǎng)建模中，采用“四點(diǎn)法”或“五點(diǎn)法”對(duì)不同年代、不同管徑典型管段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得了滿意效果。

由 和 求C值。

　?。?） 定速泵流量-揚(yáng)程曲線的模擬；
　　水泵投入使用后，由于長(zhǎng)期的運(yùn)行磨損以及技術(shù)改造等原因，致使實(shí)際的水泵特性曲線偏離樣本曲線。為提高模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，優(yōu)化調(diào)節(jié)水泵，實(shí)現(xiàn)“減耗增效”的需要，在天津市管網(wǎng)建模中，對(duì)水泵的特性曲線進(jìn)行實(shí)測(cè)。在保證供水安全、不影響生產(chǎn)的前提下，讀取水泵在不同工況下的流量、出口壓力、吸入口真空度以及高程差，以水泵的流量為橫坐標(biāo)，揚(yáng)程為縱坐標(biāo)繪制曲線而成。
　?。?） 余氯衰減系數(shù)K值的模擬； 在管網(wǎng)水質(zhì)分析時(shí)，引入K值，用來(lái)表征管道衛(wèi)生狀況。管徑、水溫、水流狀況、管材等影響該值。

3.4 狀態(tài)量的模擬方法
　　（1） 總供水量的模擬 在模型中，歷史供水?dāng)?shù)據(jù)直接模擬；預(yù)測(cè)未來(lái)工況時(shí)，日總供水量采用季節(jié)性指數(shù)平滑法進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)供水變化曲線，模擬時(shí)總用水量。
　?。?） 調(diào)速泵流量-揚(yáng)程曲線的模擬 監(jiān)測(cè)各時(shí)段的調(diào)速水泵轉(zhuǎn)速，求得該轉(zhuǎn)速n與額定轉(zhuǎn)速n0的百分比β，按實(shí)測(cè)定速泵的方法測(cè)定調(diào)速泵額定轉(zhuǎn)速n0時(shí)的流量揚(yáng)程曲線：H=A+BQ+CQ2，得到調(diào)速泵轉(zhuǎn)速為n時(shí)的流量-揚(yáng)程曲線：H=β2A+βBQ+CQ2
　?。?） 閥門開(kāi)啟度的模擬 閥門開(kāi)啟對(duì)管道水流的水力特性影響非常大，準(zhǔn)確的模擬出閥門開(kāi)啟度，計(jì)算阻力系數(shù)，非常必要。
　?。?） 用水量變化曲線的模擬 為掌握天津市的用水規(guī)律，更好地模擬用水情況，在天津市給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模中，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。按照用水規(guī)律，將天津市月用水量500噸以上的大用戶分為工業(yè)24小時(shí)、工業(yè)8小時(shí)等10類，從每一類中選擇有代表性的用戶進(jìn)行連續(xù)48小時(shí)用水量實(shí)測(cè)，將實(shí)測(cè)結(jié)果整理、分析，得到每一類用戶的用水量變化曲線。再根據(jù)各類用戶在城市用水量中所占的比例，綜合各類大用戶和小用戶及管網(wǎng)漏失量繪出城市總的用戶量變化曲線，此曲線應(yīng)與城市供水量變化曲線基本一致。
　?。?） 水泵開(kāi)啟情況的模擬 在一個(gè)城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)中，水泵是系統(tǒng)中唯一的能量補(bǔ)給裝置，基本上決定了給水管網(wǎng)系統(tǒng)的工況，必須準(zhǔn)確模擬各時(shí)段水泵的開(kāi)啟狀態(tài)。
　　（6） 清水池動(dòng)態(tài)水位的模擬 城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模的核心是水力模擬計(jì)算，在計(jì)算中，清水池的動(dòng)態(tài)水位變化影響到計(jì)算結(jié)果。為此，必須準(zhǔn)確模擬出清水池在不同時(shí)段的水位。
3.5 節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算方法研究
　　天津市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型是在大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、大量戶讀表現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和大量戶每月讀表抄見(jiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上完成。節(jié)點(diǎn)流量由大量戶、小量戶以及漏失量三部分組成。大量戶是整個(gè)管網(wǎng)中比較確定的量，根據(jù)其位置以及實(shí)測(cè)得到的變化曲線計(jì)算而成；小量戶按權(quán)值分配到整個(gè)管網(wǎng)；漏失部分考慮管徑、鋪設(shè)年代、壓力等因素按不同權(quán)值計(jì)算。
3.6 水力模擬計(jì)算研究
　　通過(guò)對(duì)以上靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息的模擬，就可以開(kāi)始進(jìn)行水力模擬計(jì)算，即平差。聯(lián)立
　?。?）連續(xù)性方程Q_i+Σq_ij=0；

　?。?）壓降方程 ；

　?。?）水泵特性曲線方程H=A+BQ+CQ2求解。
　　水力模擬計(jì)算是整個(gè)管網(wǎng)建模的核心，各個(gè)分析模塊都以平差計(jì)算為基礎(chǔ)。為提高計(jì)算速度，采用了節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化、枝狀管簡(jiǎn)　　化、步長(zhǎng)因子的動(dòng)態(tài)調(diào)整等優(yōu)化方法，使得計(jì)算速度優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類軟件。
3.7 模型校核的研究
　　通過(guò)上述過(guò)程，可以建立一個(gè)初步的管網(wǎng)模型，通過(guò)水力計(jì)算，模擬實(shí)際給水管網(wǎng)工況。但是，至此建立的模型往往不能在允許誤差范圍內(nèi)仿真實(shí)際的給水管網(wǎng)工況。為建立給水管網(wǎng)系統(tǒng)模型的可信性，建立模型基準(zhǔn)，了解實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行或運(yùn)行機(jī)理，必須進(jìn)行模型校核。模型校核分兩步：比較已知條件下的壓力和流量的監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值；調(diào)整模型中的某些參數(shù)，直到計(jì)算量與監(jiān)測(cè)量在允許誤差范圍內(nèi)。
　?。?）校核數(shù)據(jù)來(lái)源：模型校核的數(shù)據(jù)除管網(wǎng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息外，還需要監(jiān)測(cè)信息。為獲得監(jiān)測(cè)信息，在天津市給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模中，對(duì)100個(gè)LOGGER監(jiān)測(cè)點(diǎn)、34個(gè)遙測(cè)點(diǎn)、25個(gè)自計(jì)量點(diǎn)、水廠壓力流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及9個(gè)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)15天的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始記錄。壓力點(diǎn)均布整個(gè)管網(wǎng)，數(shù)目占管網(wǎng)主要節(jié)點(diǎn)數(shù)目的10%以上；流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于主要干線。
　?。?）校核標(biāo)準(zhǔn)：壓力、流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)24小時(shí)模擬數(shù)據(jù)在允許誤差范圍內(nèi)，低壓區(qū)、高壓區(qū)、供水分界線、供水趨勢(shì)與實(shí)際吻合。
　?。?）模型校核的技術(shù)流程：模型校核是一個(gè)完善模型、調(diào)整參數(shù)、反復(fù)計(jì)算的過(guò)程。天津市給水管網(wǎng)系統(tǒng)模型校核的總體思路：首先比較監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值與模型計(jì)算值之間的差異，若差異過(guò)大，查找錯(cuò)誤，進(jìn)行預(yù)校核；差異較小時(shí)，調(diào)整節(jié)點(diǎn)流量和海曾-威廉C值；滿足允許誤差精度時(shí)，模型校核結(jié)束。
　?。?）校核結(jié)果
　　 壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)24小時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

誤差 <1m <2m <4m 百分比 64.0% 88.0% 100%

　　流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)24小時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

誤差 <5%管段流量 <10%流量 <12%流量 百分比 60% 99% 100%

　　水廠出水量24小時(shí)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)：

計(jì)算值與測(cè)量值水廠名稱的差值 <1%水出水量 <2%水廠出水量 <6%水廠出水量 芥園水廠 41.7% 79.2% 100% 新開(kāi)河水廠 37.5% 75.0% 100% 凌莊水廠 45.8% 83.3% 100%

　　某流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)24小時(shí)計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值比較：

　

3.8 給水管網(wǎng)系統(tǒng)模型的維護(hù)和更新
　　天津市給水管網(wǎng)系統(tǒng)每年都新增大量的管線，更新一些舊管線，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，必須及時(shí)地反應(yīng)到模型中。另外，水源的變化、大量戶位置的變化，用戶用水模式的變化，管網(wǎng)操作條件的變化等，都應(yīng)在模型中做相應(yīng)的修改。當(dāng)模型運(yùn)行一段時(shí)間，如果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)量與模擬量之間的差值超出允許精度范圍時(shí)，應(yīng)重新校核模型。

4. 天津市給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模軟件WNW4.0簡(jiǎn)介

　　WNW4.0功能十分強(qiáng)大，包括管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的錄入、編輯、修改及查詢等功能。按GIS的概念，其管理功能就是一個(gè)專為給水管網(wǎng)系統(tǒng)定作的專業(yè)地理信息系統(tǒng)；另外，在圖形和文字信息數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)加入了一系列給水管網(wǎng)水力計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)給水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬，并進(jìn)一步集成了現(xiàn)狀分析系統(tǒng)、事故分析、優(yōu)化改擴(kuò)建等功能模塊，使整個(gè)系統(tǒng)成為進(jìn)行給水系統(tǒng)管理和分析的功能齊全的軟件包。

5. 建立天津市給水管網(wǎng)模型的意義

　　(1) 將天津市給水管網(wǎng)系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)，建立起管網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)水力模型，可以進(jìn)行給水管網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工況分析；
　　(2) 給水管網(wǎng)圖文數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，方便了資料的日常管理工作以及管網(wǎng)的維護(hù)工作等；
　　(3) 給水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析系統(tǒng)，使得調(diào)度人員、管理人員可以定性、定量地了解管網(wǎng)在不同工況下的運(yùn)行情況。對(duì)于大型給水管網(wǎng)系統(tǒng)而言，這一點(diǎn)尤其重要；
　　(4) 給水管網(wǎng)事故處理分析系統(tǒng)，可以迅速地給出最優(yōu)關(guān)閥方案，準(zhǔn)確地指出管網(wǎng)應(yīng)該關(guān)閉的閥門，用以指導(dǎo)搶修、維護(hù)；
　　(5) 實(shí)用優(yōu)化改擴(kuò)建系統(tǒng)，給出最優(yōu)管徑。在解決天津市河南路、貴州路等處的改擴(kuò)建方案中進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，取得滿意結(jié)果。

　　致謝：本項(xiàng)目的研究，自始至終都得到了天津市自來(lái)水公司的領(lǐng)導(dǎo)和員工的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝！

　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 周建華，“給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模的研究”，哈爾濱建筑大學(xué)碩士論文，2000
　　[2] 趙洪賓，“城市給水管網(wǎng)建模現(xiàn)狀與發(fā)展”，吉林建工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000
　　[3] R.P DONACHIE “Digital Program for Water Network Analysis”ASCE, HY.3, PS 93-403, 1974
　　[4] Bragiela “Pressure and Flow Uncertainty in Water System”, J.Water Res Plan Man, VOL.115, NO.2,1989

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作者簡(jiǎn)介：
　　趙洪賓 教授 博導(dǎo) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院
　　通 訊 處： 150090 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（二區(qū)）624#信箱
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