陶建科

　　提要:闡述了水司建立給水管網(wǎng)微觀動態(tài)水力模型的必要性，提出了一套適合我國國情的給水管網(wǎng)建模標準方法。這一方法將有助于我國給水管網(wǎng)建模工作走上正規(guī)化和科學化的道路。該方法已經(jīng)成功地應用于上海市。
　　關鍵詞:　給水管網(wǎng)微觀動態(tài)水力模型　標準方法　拓撲結構　現(xiàn)場測試　　節(jié)點流量　阻力系數(shù)　校驗　報告和文檔

1　水司建立給水管網(wǎng)微觀動態(tài)水力模型的必要性

??給水管網(wǎng)微觀動態(tài)水力模型是指將給水系統(tǒng)中的一些給水設施(如：水泵、管道、閥門、 水庫或水塔等)的特性數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及水量數(shù)據(jù)輸入管網(wǎng)模擬計算軟件，進行延時模擬計 算，并達到一定校驗標準的模型。建立大規(guī)模城市給水管網(wǎng)微觀水力模型是一項系統(tǒng)工程。
??要實現(xiàn)配水系統(tǒng)的科學化管理，尤其是大規(guī)模給水系統(tǒng)，水司必須建立給水管網(wǎng)微觀動態(tài) 水力模型，原因是：給水系統(tǒng)的規(guī)劃、設計及改擴建需要它；能指導和幫助安排檢漏工作； 管網(wǎng)改造優(yōu)先性評估；診斷管網(wǎng)中的異常情況，如：錯關閥門，摩阻突變等，并提出解決方 案；分析事故或工程對用戶用水的影響程度，分析用水困難原因，提高供水服務業(yè)務水平； 調(diào)查大規(guī)模給水系統(tǒng)中水打回籠現(xiàn)象，尋找季節(jié)性閥門經(jīng)濟開度；用模型進行每天管網(wǎng)運行 工況分析，能增強調(diào)度員調(diào)度信心，有利于經(jīng)濟調(diào)度，同時模型可用于培訓調(diào)度員；能幫助 選定管網(wǎng)中測點位置，優(yōu)化測點布置；在管網(wǎng)微觀水力模型的基礎上可開發(fā)水質(zhì)模型，管網(wǎng) 水力動態(tài)模型與SCADA系統(tǒng)相連，可實現(xiàn)在線實時調(diào)度，為進一步實現(xiàn)離線或在線優(yōu)化調(diào)度 提供條件等等。?

2　建立給水管網(wǎng)微觀動態(tài)水力模型標準方法?

2.1　管網(wǎng)分析軟件及現(xiàn)場測試儀器的選擇原則
??選定管網(wǎng)分析軟件原則：
??(1)與GIS、營業(yè)水費賬單系統(tǒng)及SCADA系統(tǒng)有接口；
??(2)能支持多種操作平臺，支持多種輸入輸出設備，有網(wǎng)絡版，人機界面友好； (3)計算管網(wǎng)節(jié)點數(shù)應無限，計算速度快，占內(nèi)存少(15000個節(jié)點管網(wǎng)模型要求內(nèi)存不能超過35M)；
　　(4)能對多種給水設施進行模擬，同一種給水設施有多種水力計算公式(尤其是管道)；
??(5)具備條件選定功能，具備對某些給水設施參數(shù)整體改變或修改的功能，能進行延時模擬計算(至少24h)，時間間隔可任意設置；
??(6)具備模型組合、拆分及簡化功能；
??(7)建立的GIS圖形能作為一個圖層放在管網(wǎng)模型圖形底層，同時能對管網(wǎng)模型進行正常的 修改等操作。
??現(xiàn)場測試儀器的選擇原則：
??(1)水泵測試儀應具備測定電動機功率及效率，水泵的H～Q曲線，H～η曲線，水泵溫度等參數(shù)；
??(2)壓力數(shù)據(jù)采集儀應能連接消火栓，收集壓力數(shù)據(jù)；流量儀能安裝在流量井里，進行雙 向瞬時流量測定，桿的振動應該小，同時具備多種規(guī)格；水位儀投入水底，應能采集水位或 深度變化；
??(3)各種儀器設備及電池能防水，有時鐘、日歷及隨機存儲器，采集時間間隔應能設置， 數(shù)據(jù)容量不能少于7d(間隔15min)；
??(4)采集的數(shù)據(jù)應能在測試儀的隨機存儲器和個人計算機(PC)之間相互調(diào)用；
??(5)各種儀器設備采集數(shù)據(jù)的量程及精度應滿足要求，安裝操作應簡便、安全。
2.2　建立管網(wǎng)模型拓撲結構
??管網(wǎng)模型拓撲結構的建立有兩種方法：一種是用數(shù)字化儀將給水設施數(shù)字化輸入建模軟件 ，形成點線結構的管網(wǎng)圖形；另一種是從給水GIS系統(tǒng)中按照一定的文件格式調(diào)入經(jīng)矢量化 的給水設施圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，使之在管網(wǎng)模型軟件里形成計算機給水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形。不 論是用哪種方法，實際的管網(wǎng)圖形都要經(jīng)過"微誤差簡化"［１］，前一種方法是在 管線圖紙上完成，第二種方法是在管網(wǎng)建模軟件里完成的。
??"微誤差簡化"原則：
??(1)簡化枝狀管。一般情況下，將枝狀管簡化掉，把它的用戶用水量劃到與之相連的環(huán)狀 管節(jié)點上，如果枝狀管上有大用戶，將保留該枝狀管，便于大用戶24h實時用水曲線調(diào)查；
　　(2)簡化"T"(梯)型連通管。當連通兩管道"T"的直徑與其中一根管道的直徑相同時， 將"T"簡化掉；如連通兩管道"T"的直徑與兩根管道的直徑都不同時，將保留"T"；如 "T"上有常規(guī)操作閥，將保留"T"；
??(3)輸水管道如不是枝狀管，不論直徑大小，不能簡化掉；
??(4)管網(wǎng)結構不能進行人工分解，平行管線不能合并；
??(5)多根管道連接于同一根管道，且節(jié)點間間距小于2m，可合并為一個節(jié)點，局部水頭損 失轉化為管道沿程水頭損失；
??(6)管道拐彎或經(jīng)"微誤差簡化"產(chǎn)生的水頭損失，模型校驗時轉化為管道沿程水頭損失。
??節(jié)點的選定應遵循以下原則：
　　(1)閥門和水泵的兩端設置節(jié)點；
??(2)水庫或水塔設置節(jié)點；
??(3)管道交叉連通處設置節(jié)點；
??(4)管道變徑處設置節(jié)點；
??(5)埋設年代不同的管道(一般在5年以上)連接處設置節(jié)點；
??(6)管材不同的管道連接處設置節(jié)點；
??(7)大用戶位置設置單獨用水量節(jié)點；
??(8)現(xiàn)場測試點處設置節(jié)點。
??節(jié)點和元素編碼方法：
??節(jié)點和元素編碼沒有統(tǒng)一的規(guī)則，應該根據(jù)給水管網(wǎng)建模給水區(qū)域的具體情況而定。節(jié)點 和元素的編碼應用有限的位數(shù)盡量反映多的信息量，模型軟件里允許的節(jié)點和元素編碼一般 各為8位字符，信息量一般包括：給水設施類別、使用年代、材質(zhì)、區(qū)域、圖紙?zhí)柕?。這樣 一來，便于管網(wǎng)模型的更新和校驗，便于對實際管網(wǎng)的操作、保養(yǎng)和管理，也便于工程應用。
　　給水GIS里的節(jié)點編碼方法一般與管網(wǎng)模型里節(jié)點編碼方法不同，如：給水GIS里的閥門、 水泵等，只有一個編碼，而管網(wǎng)模型里將任何單個給水設施兩個節(jié)點，一個元素編碼；考慮 雙方接口時，應考慮節(jié)點和元素編碼在兩個系統(tǒng)之間的相互轉化或生成方法；如給水設施是 利用數(shù)字化板輸入，那么節(jié)點和元素編碼是直接手工輸入管網(wǎng)模型軟件。?節(jié)點的高程、管道的公稱直徑應從GIS系統(tǒng)里轉入到管網(wǎng)模型，或手工直接輸入，管道公 稱直徑轉化為實際直徑應在管網(wǎng)模型軟件里采用條件整體改變方式完成。
2.3　現(xiàn)場測試
??現(xiàn)場測試的目的是為計算給水區(qū)域或系統(tǒng)的總用水量、節(jié)點流量及校驗管網(wǎng)動態(tài)水力模型 提供數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)或遙測系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)一般不能滿足建模精度要求。
　　現(xiàn)場對給水系統(tǒng)任何檢查和操作，都應該遵從給水系統(tǒng)有關安全操作程序，絕對不能影響 正常的日常供水秩序；對閥門或水泵的操作，必須得到有關責任部門的批準，并協(xié)作完成。
2.3.1　測試前的準備工作
??(1)整理分析用戶用水量賬單數(shù)據(jù)，選定要現(xiàn)場讀數(shù)的水表為大用戶水表；對選定的大用 戶水表進行強檢、校正，對于大用戶，要調(diào)查每周工作天數(shù)，每天的工作時間，工作班制， 是否有廠內(nèi)蓄水池，蓄水池體積，進水方式，進水時間及使用周期等；
　　(2)在圖紙上選定測壓消火栓及測流流量井。在現(xiàn)場檢查它們是否符合要求，考慮因素有 ：交通、安全、消火栓是否漏水、流量井是否積水、空間大小、井的深度及管道口徑等；選 定測壓測流點的總數(shù)目一般應不少于總用水量節(jié)點數(shù)目的15%或總節(jié)點數(shù)的10%；為了滿足系 統(tǒng)的測試及模型校驗的要求，在某些主干管或區(qū)域邊界管上需要新增流量井；
　　(3)校驗管道平均流速斷面深度。在測流點要校驗管道口徑，在管道不同的深度測定流速 曲線，求出管道水流的平均流速，校對是否相等；其目的是確定管道真實平均流速斷面深度 ，因為真實管道可能變形，內(nèi)腐蝕，口徑不規(guī)則；還幫助選定流量儀量程和桿長。按文獻［ ２］推薦，選定不同管徑測試點總數(shù)目如表1；

表1　不同管徑測試點總數(shù)目

?　(4)檢查水庫、集水井或水塔是否滿足水位儀器安裝條件，對水庫或水塔進行漏水試驗；
??(5)檢查水廠二泵房水泵，泵站水泵是否滿足測試條件，一般要在水泵進出口處按 儀器測試要求開孔；
??(6)對管網(wǎng)中非全開或全閉閥門進行轉數(shù)校驗，對主干管或大口徑管道上全開或全 閉的閥門進行校驗；
??(7)測量消火栓地面標高與儀器安裝高程；
??(8)設置儀器測試參數(shù)，貼上防水標簽，一個儀器對應一個測試位置；
??(9)進行現(xiàn)場測試人員培訓；
??(10)制定現(xiàn)場測試計劃安排。
2.3.2　現(xiàn)場測試
??按照制定的現(xiàn)場測試計劃，儀器設備按操作規(guī)程進行安裝，測試期間應注意以下問題：
??(1)測試儀器的系統(tǒng)時間設置應統(tǒng)一，北京時間或格林威治時間(GMT)；
??(2)水位或流量的測試必須同時進行；
??(3)測試壓力、水位和流量時間段最少為7d；
??(4)測試期間，管網(wǎng)中不應該出現(xiàn)有較大的工程，如：沖洗消毒，管道改接等；
??(5)水庫、水塔和集水井水位數(shù)據(jù)采集時間間隔為5min，其它為15min；
??(6)測試期間，對關鍵的測試點一天檢查一次，發(fā)現(xiàn)問題，記錄下來，進行檢修或用 新的儀器替代，重新設置有關參數(shù)；
??(7)大用戶調(diào)查、抄表，最好在7d當中完成，抄表當天必須是大用戶工作日，每間隔30min 抄表一次，連續(xù)抄表24h；
??(8)水泵測試可在不同時間完成；
??(9)測試水廠和泵站水泵的進出口壓力及流量值。
??一旦現(xiàn)場測試完畢，將所有儀器設備按照設備操作規(guī)程收回，并將所有數(shù)據(jù)轉輸?shù)接嬎銠C ，分門別類保存；分析測試數(shù)據(jù)結果，同一點如有遙測數(shù)據(jù)，可參考對比，對異?，F(xiàn)象 進行調(diào)查，找原因，對個別異常的重要點需重新再測試。
2.4　節(jié)點流量的計算與阻力系數(shù)的確定
2.4.1　節(jié)點流量計算
??實際供水管網(wǎng)系統(tǒng)中的用戶應是管網(wǎng)模型中用水量節(jié)點的雛形，用戶的用水量應該是給水 管網(wǎng)模型中節(jié)點的節(jié)點流量。然而實際供水系統(tǒng)中用戶的用水具有隨機性、周期性和不確 定性，怎樣模擬用戶用水的過程，即為模型中節(jié)點流量的計算方法。?節(jié)點流量的計算是基于大量的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，大用戶現(xiàn)場抄表數(shù)據(jù)及每月用戶水表抄見數(shù) 。節(jié)點流量的計算過程分為以下幾部分：(1)在地形圖上劃定節(jié)點流量區(qū)域。該過程的目的 是求解每個用水量節(jié)點每月平均節(jié)點流量值，建立用水量節(jié)點號碼與用戶抄表簿號碼的連接 關系。詳細內(nèi)容見文獻［１］。(2)制作用戶用水模式曲線［２］。該過程的 目的是尋求大用戶和其它幾類用戶的用水規(guī)律曲線?；驹硎牵合到y(tǒng)水量平衡方程，其中 無計量用水模式計算方法有兩種［３］："晚上凈流量法"(Net Night Flow Method )和"平均流量法"(Average Flow Method)；每個時間點上無計量用水的分配也有兩種方法［４～５］?：第一種是管網(wǎng)當中的無計量用水按照用水量節(jié)點上連接的水表數(shù)目占 管網(wǎng)研究區(qū)域中總水表數(shù)目的百分數(shù)分配到每一個用水量節(jié)點；另一種方法是將無計量用水 按模型中兩用水量節(jié)點間輸水管長度占模型中總管長度的比例分配到下游的用水量節(jié)點。詳細內(nèi)容見文獻［６］。(3)確定節(jié)點流量值。知道了每類用戶的用水模式曲線和 用戶的平均流量值，可求解每個用水量節(jié)點每類用戶的每時段用水量。
??一旦一個具體研究的給水區(qū)域確定，能將以上求解過程設計成計算機軟件，用于節(jié)點流量 的計算與調(diào)整，便于節(jié)點流量的更新和維護。
2.4.2　阻力系數(shù)的確定
??管道絕對粗糙系數(shù)的確定：在供水系統(tǒng)維護、保養(yǎng)及改擴建過程中，很容易獲得各給水區(qū) 域各種不同年代不同管材的管壁切片，用游標卡尺或其它測量方法求出管壁絕對粗糙系數(shù)， 將它們存入計算機數(shù)據(jù)庫；對各種不同管材、不同年代K值進行曲線擬合，求出其它未 測量管道的K值。
??閥門阻力系數(shù)的確定：不同閥門阻力系數(shù)的確定可從閥門生產(chǎn)廠家直接獲得；或用它們的 數(shù)據(jù)按建模軟件里閥門模擬公式的要求，經(jīng)轉換獲得；如現(xiàn)場測試條件具備，也可在現(xiàn)場實 測獲得有關閥門阻力系數(shù)值。
??這些管道的粗糙系數(shù)K值和閥門的阻力系數(shù)值作為模型啟動計算時輸入的初值，模型校驗時需再調(diào)整。
2.5　模型的校驗?
2.5.1　模型校驗的基本方法
??對于管道：

　　??

??　　對于一般閥門：

????Q＝C_V·A(2g·ΔH)^1/2???(3) ??

式中?ΔH?--管段或閥門水頭損失，m；
??Q?--管段或閥門流量，m³/s；
??D?--管段直徑，m；
??K?--管道的粗糙系數(shù)，mm；
??L?--管段的長度，m；
??g?--重力加速度，m/s²；
??λ?--科爾布洛克(Colebrooks)系數(shù)；
??Re?--雷諾數(shù)；
??A?--閥門斷面面積，m²；
??C??V--流量系數(shù)。

??由式(1)、(2)、(3)可知：D和Q的改變影響管網(wǎng)水力條件較明顯，K的改變影響管網(wǎng)水力條件相對較小。校驗的參數(shù)一般為：Q、D、K、閥門的開度、L、水泵特 性曲線、地面標高等，其中影響流量Q的因素主要是節(jié)點流量，一般情況下，調(diào)整無計量用水模式和居民用水模式曲線。
??給水系統(tǒng)中每個給水設施的校驗都是通過多次"試?再試"，逐步逼近的方法完成。
??模型校驗過程中，碰到異?，F(xiàn)象(模型計算值和測試值差異較大)時，應首先檢查管網(wǎng)連接 關系，應對測試數(shù)據(jù)進行反復分析，有必要，需到現(xiàn)場進行多次現(xiàn)場測試，分析結果應該得 到多個部門和測試數(shù)據(jù)的肯定；所有的異?，F(xiàn)象及解決過程和方法應記錄下來。
??一些管網(wǎng)模型專家的建模經(jīng)驗［２，４，５，７，８］表明：產(chǎn)生異?，F(xiàn)象的主要 原因是實際的管線連接情況與計算機給水管網(wǎng)模型里的管線連接關系不一致，或者是閥門的 實際開度或控制參數(shù)值的設定與收集到的信息不一致。
2.5.2　選定校驗日期
??給水系統(tǒng)中測試的數(shù)據(jù)為7d，模型校驗時，只選其中一天的數(shù)據(jù)；首先收集給水系統(tǒng)測試 期間的調(diào)度報告和有關系統(tǒng)中事件記錄，按照測試期間的要求選定一天的數(shù)據(jù)作為校驗數(shù)據(jù) ，該天即為模型校驗日期。校驗日不應是節(jié)假日、周六和星期日。
2.5.3　校驗標準
??文獻［２］提供的校驗標準如表2。
2.6　模型的維護和更新
??模型的更新應與管網(wǎng)改擴建同步。通過數(shù)字化板或調(diào)用新的GIS數(shù)據(jù)來更新模型的網(wǎng)絡拓撲結構；節(jié)點流量的更新通過節(jié)點流量分配軟件和SCA DA系統(tǒng)或Telemetry系統(tǒng)返回的流量數(shù)據(jù)完成，K值每年需按一定的增長比例進行更新；水泵開停及閥門參數(shù)的設定按計算日期各自實際狀態(tài)設置更新。
??對于一個校驗好的模型，應用了幾年(2～5年)后，需重新校驗，校驗過程和方法同建模過程。

???表2　　校　驗　標　準

2.7　模型報告及文檔
??模型報告及文檔的整理是建模工作的一項重要內(nèi)容，它將建模的整個過程及收集的資料以 文字、圖紙和磁盤的形式保存下來，內(nèi)容包括：
??(1)執(zhí)行總結：描述研究的主要目標，執(zhí)行情況，從宏觀角度得出結論(涉及配水系統(tǒng)本身 )；
??(2)介紹：包括區(qū)域名稱，研究區(qū)域的面積，報告內(nèi)容總結，研究期間工作時間表等；
??(3)研究區(qū)域描述：描述的內(nèi)容包括研究區(qū)域圖形，面積，干管長度，區(qū)域用水性質(zhì)，用 水結構，人口，日用水量情況，區(qū)域內(nèi)水廠、水庫或水塔、泵站等；
　　(4)數(shù)據(jù)收集：記錄管網(wǎng)有關數(shù)據(jù)的收集，水廠、泵站及調(diào)蓄設備數(shù)據(jù)收集，包括大用戶 每月用水數(shù)據(jù)，節(jié)點和元素號碼及地址等；
??(5)現(xiàn)場測試：包括測試前的準備工作情況，區(qū)域閥門關閉情況，流量曲線，測試日期， 再測試日期及地點，測試用的設備參數(shù)細節(jié)，水泵測試結果，大用戶測試結果記錄等；
　　(6)測試數(shù)據(jù)分析：包括選定區(qū)域的校驗日期，流量數(shù)據(jù)分析，壓力數(shù)據(jù)分析，漏水水平 、用水曲線及用水模式曲線的計算，異常數(shù)據(jù)結果及造成的原因分析等；
　　(7)模型校驗：記錄校驗的整個過程，校驗結果，校驗過程中遇到的異?，F(xiàn)象及解決方法 ，對未解決的異常現(xiàn)象要記錄已做了哪些工作；
　　(8)模型操作手冊：簡單解釋給水設施模擬數(shù)學模型及有關參數(shù)含義，模型操作方法等；
??(9)模型觀察：將模型用來預測其它工況時，記錄下模型有關流量、壓力及漏失水平等情 況，對低壓區(qū)，超過預期的水頭損失，區(qū)域漏失，異常大阻力等進行觀察和分析；
　　(10)評語：對各給水區(qū)域模型及系統(tǒng)模型水力特征進行評述，對模型的靈敏性進行評述， 對模型的可信度及校驗結果進行評述；
　　(11)附錄：包括模型校驗日的用水量總結報告，每個節(jié)點每種類型的用水總結，區(qū)域用水 量曲線，現(xiàn)場測試時間表，測試點的位置詳圖，大用戶、測壓消火栓及測流流量井資料，校 驗曲線，圖紙(管線圖紙和節(jié)點用水量區(qū)域地形圖)，磁盤(模型軟件、模型、測試數(shù)據(jù)、節(jié) 點用水量軟件)，儀器與儀器清單等。

3　結語

??本文提出的標準建模方法已在上海［６］和其它一些國家水司［２，３，８］廣泛應用，但在一些技術細節(jié)方面是針對中國給水系統(tǒng)的特點展開的，系統(tǒng)性較強，是建模實踐經(jīng)驗的總結。
　　由于篇幅限制，節(jié)點流量詳細計算方法，現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集表格和一些國內(nèi)外建模實 例無法闡述，如需要可與作者聯(lián)系。

參考文獻

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