給水管網(wǎng)建模是水司實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理必經(jīng)之路

陶建科
上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司

　　摘要：給水管網(wǎng)建模是進(jìn)行管網(wǎng)分析的新概念。文中作者結(jié)合自己11年來(lái)的給水管網(wǎng)建模實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡述了給水管網(wǎng)建模發(fā)展歷程、模型基本概念、模型的作用及建立成功給水管網(wǎng)模型關(guān)鍵問(wèn)題，最后指出了給水管網(wǎng)建模是水司實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理必經(jīng)之路，具有實(shí)踐指導(dǎo)作用。
　　關(guān)鍵詞：管網(wǎng)建模 經(jīng)驗(yàn) 概念 作用 關(guān)鍵問(wèn)題 科學(xué)化 必經(jīng)之路

Building Water Distribution Models is the Only Road for Water Companies to Realize Scientific Management

Tao Jianke
Shanghai Creative IT Ltd. Co.

『Abstract』Building water distribution models is the new concepts for analyzing water distribution systems. In the paper the development history of water distribution models and the model basic concepts and the model functions and the key questions to build successful water distribution models are described by the author with himself 11 years’ practical experiences. Finally, the author points out it is the only road for water companies to realize scientific management. This paper has guidance function of practice.

Key Words: Building water distribution models Experiences Concepts Functions Key questions Scientific The only road

1 前言

　　掌握給水管網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況，是管理者從事給水系統(tǒng)管理的必然要求。給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模是為仿真模擬管網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)運(yùn)行工況而建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程，一方面，通過(guò)給水管網(wǎng)模型，可以掌握已建管網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，分析管網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)構(gòu)成部分的運(yùn)行功能，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，預(yù)測(cè)管網(wǎng)維護(hù)和改造對(duì)總體系統(tǒng)的影響，科學(xué)合理地制定近期、遠(yuǎn)期的管網(wǎng)改造和改擴(kuò)建方案，另一方面，通過(guò)給水管網(wǎng)模型，可以分析和預(yù)測(cè)在不同的管網(wǎng)運(yùn)行邊界條件下，供水系統(tǒng)的運(yùn)行工況如何，為管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行、提高運(yùn)行效率、節(jié)能降耗及提供企業(yè)客戶服務(wù)水平提供輔助決策支持。
　　 到目前為止，給水管網(wǎng)建模是仿真給水管網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)工況的最有效的方法^[1]，它能夠提供供水系統(tǒng)最有價(jià)值的信息，有助于供水管理者實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)科學(xué)化、現(xiàn)代化管理。開(kāi)展給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模，建立高質(zhì)量的給水管網(wǎng)模型對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造、進(jìn)行漏水量控制、指導(dǎo)管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行是我國(guó)城市供水行業(yè)在今后5－10年內(nèi)的科技創(chuàng)新發(fā)展方向，也是我國(guó)供水行業(yè)在近期迫切需要解決的問(wèn)題。
　　 作者在過(guò)去11年期間，參與了我國(guó)十多家供水企業(yè)給水管網(wǎng)建模工作，其中負(fù)責(zé)或主要參與完成的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)給水管網(wǎng)建模課題有：上海市自來(lái)水公司給水管網(wǎng)建模、上海浦東威望迪自來(lái)水公司給水管網(wǎng)建模、上海市自來(lái)水市北公司寶山供水系統(tǒng)管網(wǎng)建模、南京市自來(lái)水總公司給水管網(wǎng)建模、南寧市自來(lái)水公司給水管網(wǎng)建模、上海市跨大海大橋長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)管網(wǎng)建模、佛山供水總公司給水管網(wǎng)建模、寧波市自來(lái)水總公司給水管網(wǎng)建模、濰坊市自來(lái)水總公司給水管網(wǎng)建模、龍江自來(lái)水公司給水管網(wǎng)建模，等等，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，希望能與大家一起分享，共同推動(dòng)我國(guó)城市供水系統(tǒng)自動(dòng)化和信息化管理應(yīng)用水平。

2 給水管網(wǎng)建模發(fā)展歷程^{[ 2 ]}

　　計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化分析、運(yùn)行最優(yōu)化和管理方面，已經(jīng)經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷程，國(guó)外同行專家稱這40多年的給水管網(wǎng)建模研究和應(yīng)用的歷史為“計(jì)算的歷史”。在我國(guó)，同濟(jì)大學(xué)楊欽教授在70年代開(kāi)創(chuàng)了計(jì)算機(jī)在我國(guó)給水管網(wǎng)計(jì)算和應(yīng)用方面的先河，并親自設(shè)計(jì)出了“7512程序”，在當(dāng)時(shí)使得我國(guó)給水管網(wǎng)建模理論水平與世界同步，為今天我國(guó)給水管網(wǎng)建模理論和實(shí)踐的發(fā)展作出了歷史性的突出貢獻(xiàn)。
　　 給水管網(wǎng)建模從60年代以后開(kāi)始，一向被認(rèn)為十分困難的管網(wǎng)平差計(jì)算工作，由于電子計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算和準(zhǔn)確存儲(chǔ)記憶功能而變得方便可行，使給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)和管理走向了科學(xué)化和數(shù)量化。為了不斷提高給水技術(shù)的科技水平，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的科學(xué)研究不斷地深入，出現(xiàn)了不斷更新?lián)Q代的應(yīng)用成果。40多年來(lái)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了多代更新，給水工程中的專業(yè)應(yīng)用軟件和技術(shù)也在不斷地同步擴(kuò)展和提高，從目前看來(lái)十分簡(jiǎn)單的管網(wǎng)平差計(jì)算程序開(kāi)始，繼而涌現(xiàn)出了管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)度、自動(dòng)化管理與運(yùn)行等，最終實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)化優(yōu)化運(yùn)行過(guò)程，使得計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為給水系統(tǒng)現(xiàn)代化運(yùn)行調(diào)度和管理水平的重要標(biāo)志和前所未有的科技進(jìn)步。
　　 在工業(yè)和科技發(fā)達(dá)國(guó)家，城市給水系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了全部計(jì)算機(jī)化的設(shè)計(jì)和管理，甚至實(shí)現(xiàn)了整個(gè)供水系統(tǒng)閉環(huán)優(yōu)化運(yùn)行，無(wú)人化操作。由計(jì)算機(jī)總控系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和程序控制，實(shí)現(xiàn)源水水質(zhì)、水位監(jiān)視、水泵運(yùn)行調(diào)度、自動(dòng)加藥控制、濾池過(guò)程控制、管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、系統(tǒng)運(yùn)行核算等給水系統(tǒng)全過(guò)程運(yùn)行控制和管理。通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化、無(wú)紙化的過(guò)程控制和檔案管理，甚至包括了財(cái)務(wù)、人事等工作。上述過(guò)程大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：
　　· 第一階段：管網(wǎng)平差計(jì)算技術(shù)（1960-1980）。將供水管網(wǎng)基礎(chǔ)資料進(jìn)行簡(jiǎn)化，結(jié)合供水系統(tǒng)規(guī)劃水量及壓力要求，進(jìn)行管網(wǎng)水力平查計(jì)算，進(jìn)行多工況校核，如：高日高時(shí)、事故時(shí)、消防時(shí)及最大轉(zhuǎn)輸時(shí)，保證管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的壓力和流量滿足要求。這一階段就是利用管網(wǎng)水力平查計(jì)算技術(shù)進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行工況計(jì)算和校核，提高供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理水平。
　　· 第二階段：管網(wǎng)資料管理、運(yùn)行分析及管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度（1980-1990）。開(kāi)展供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)建設(shè)，矢量化供水管網(wǎng)基礎(chǔ)資料、將管網(wǎng)系統(tǒng)屬性資料和空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，提出供水管網(wǎng)建模標(biāo)準(zhǔn)方法，給水管網(wǎng)水力模型和水質(zhì)模型進(jìn)入成熟應(yīng)用階段。開(kāi)展供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度及專家系統(tǒng)的建設(shè)工作，將實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、管網(wǎng)水質(zhì)分析與診斷、減少供水系統(tǒng)自來(lái)水漏失及供水成本作為研究的重點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)。這一階段就是利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、管網(wǎng)模型工具及優(yōu)化算法，提高供水系統(tǒng)運(yùn)行效率和資料管理水平，稱之為信息化的初級(jí)階段。
　　· 第三階段：自動(dòng)化優(yōu)化運(yùn)行與管網(wǎng)信息化管理（1990-）。建立供水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和調(diào)度管理統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息化和自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)給水管網(wǎng)運(yùn)行仿真模擬和科學(xué)調(diào)度，通過(guò)建立管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)和管網(wǎng)壓力、流量及水質(zhì)監(jiān)測(cè)SCADA系統(tǒng)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行管網(wǎng)水力及水質(zhì)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬和管網(wǎng)運(yùn)行科學(xué)調(diào)度，通過(guò)制定經(jīng)濟(jì)的離線和在線運(yùn)行調(diào)度方案，統(tǒng)一調(diào)度各泵站的水泵運(yùn)行，保障管網(wǎng)系統(tǒng)水量和水壓的優(yōu)化分布，優(yōu)化供水能耗和供水成本，降低管網(wǎng)中爆管事故的發(fā)生概率，提高供水安全性和企業(yè)服務(wù)水平，實(shí)現(xiàn)城市供水科技現(xiàn)代化。這一階段的重要特征：自控設(shè)備安裝調(diào)試、給水專業(yè)軟件開(kāi)發(fā)及接口設(shè)計(jì)（管網(wǎng)建模、GIS、監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、PLC）。這一階段的目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)整個(gè)供水系統(tǒng)在保證滿足供水需求的前提條件之下，系統(tǒng)運(yùn)行成本最低，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無(wú)人化優(yōu)化操作，稱之為高度的信息化與自動(dòng)化階段。
　　 目前，在國(guó)外的一些工業(yè)和科技發(fā)達(dá)的國(guó)家，供水系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度和管理實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)閉環(huán)、優(yōu)化自動(dòng)化控制過(guò)程，如：泰晤士水司、悉尼水司等。我國(guó)和世界供水先進(jìn)國(guó)家還有較大的差距，處于供水系統(tǒng)自動(dòng)化和信息化初級(jí)階段。

3 明晰幾個(gè)概念^{[ 2 ] [3 ]}

　　管網(wǎng)模型總體上分為兩大類，它們是：宏觀模型和微觀模型，傳統(tǒng)意義上講的管網(wǎng)建模是指建立供水系統(tǒng)微觀模型，是一個(gè)建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程，通過(guò)數(shù)據(jù)收集和整理、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、節(jié)點(diǎn)水量分配、模型校驗(yàn)等步驟最終建立起的供水系統(tǒng)微觀模型。宏觀模型是在1975年由Robert Demoyer等學(xué)者首先提出的，理論的建立基于“比例負(fù)荷”的假設(shè)，應(yīng)用“黑箱理論”的基本思想，直接在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助統(tǒng)計(jì)回歸的分析方法建立回歸曲線方程，即為宏觀模型，缺點(diǎn)是忽略了管網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，不能計(jì)算管道和節(jié)點(diǎn)的工況參數(shù)，不能用于供水系統(tǒng)的新建、改擴(kuò)建建模，多用于供水系統(tǒng)調(diào)度建模。供水系統(tǒng)微觀模型是按供水系統(tǒng)的實(shí)際情況，考慮了管網(wǎng)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，其優(yōu)點(diǎn)在于貼切地反映了供水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的真實(shí)性，能夠用于供水系統(tǒng)中以任一元素為決策變量的研究，優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，缺點(diǎn)在于建模工作量較大，要求系統(tǒng)資料比較完備，模型越細(xì)化，維護(hù)越困難，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)水平的高速發(fā)展，象上海這樣特大型供水系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)微觀模型計(jì)算，可以滿足在線實(shí)時(shí)模擬要求。
　　 供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型發(fā)展過(guò)程中，除了出現(xiàn)上面兩個(gè)根本的概念外，還出現(xiàn)了其它的一些概念，如“集結(jié)模型”、“等價(jià)模型”、“簡(jiǎn)化模型”等，它們是歷史發(fā)展過(guò)程中的產(chǎn)物，屬于宏觀模型和微觀模型的范疇。“集結(jié)模型”和“等價(jià)模型”屬于宏觀模型，都沒(méi)有考慮實(shí)際的管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，“簡(jiǎn)化模型”輸入微觀模型。給水管網(wǎng)微觀模型建立時(shí)，一般都是建立“簡(jiǎn)化模型”，沒(méi)有必要將所有的信息（包括水表等）都建立在模型當(dāng)中。如果管網(wǎng)微觀模型能夠滿足供水系統(tǒng)日常維護(hù)、維修、檢漏、用戶用水困難調(diào)查等業(yè)務(wù)，稱之為“詳細(xì)模型”，如果管網(wǎng)微觀模型只是為了滿足供水系統(tǒng)宏觀規(guī)劃、主干管優(yōu)化調(diào)度的研究，稱之為“戰(zhàn)略模型”，這兩種模型是沒(méi)有絕對(duì)的界線。
　　 管網(wǎng)建模分為兩大類型：建立供水系統(tǒng)水力模型和水質(zhì)模型。如果模擬仿真計(jì)算是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的工況，如：高日高時(shí)、消防時(shí)、事故時(shí)等工況，傳統(tǒng)上稱之為“水力或水質(zhì)平查計(jì)算”或“靜態(tài)模型”，如果模擬仿真計(jì)算是一天24小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間，并連續(xù)模擬計(jì)算，我們稱之為“動(dòng)態(tài)模型”或“延時(shí)模擬計(jì)算”。根據(jù)建立起來(lái)的管網(wǎng)模型與SCADA系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)接口，是否進(jìn)行同步運(yùn)算和模型校核，又分為“在線實(shí)時(shí)模擬”和“離線模擬”。

4 給水管網(wǎng)建模的作用

　　給水管網(wǎng)建模能夠?qū)⒐┧到y(tǒng)運(yùn)行工況再現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上，它能夠回答供水系統(tǒng)中任何水力邊界條件如果發(fā)生變化的情況下，預(yù)測(cè)供水工況的變化，能夠回答水壓、流量、水質(zhì)參數(shù)是否滿足要求，水泵用電是否經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題，然而，在供水系統(tǒng)管理的過(guò)程中我們是不能做試驗(yàn)，或許是代價(jià)太高，正式因?yàn)檫@一點(diǎn)，給水管網(wǎng)模型能夠幫助管理者制定科學(xué)的合理的決策，提供技術(shù)依據(jù)。
　　 本節(jié)中談到給水管網(wǎng)建模的作用主要是指管網(wǎng)水力模型，因?yàn)樵谖覈?guó)建立供水系統(tǒng)水質(zhì)模型剛剛開(kāi)始，處于探索階段。給水管網(wǎng)建模成果具有如下功能^{[1 ]}：
　　 · 供水系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及改擴(kuò)建；
　　 · 能指導(dǎo)和幫助安排檢漏工作；
　　 · 管網(wǎng)改造優(yōu)先性評(píng)估；
　　 · 診斷管網(wǎng)中的異常情況，如：錯(cuò)關(guān)閥門(mén)，摩阻突變等，并提出解決方案；
　　 · 分析事故或工程對(duì)用戶用水的影響程度，分析居民用水困難原因；
　　 · 調(diào)查大規(guī)模供水系統(tǒng)中水打回籠現(xiàn)象，尋找季節(jié)性閥門(mén)經(jīng)濟(jì)開(kāi)度；
　　 · 進(jìn)行每天管網(wǎng)運(yùn)行工況分析，增強(qiáng)調(diào)度員調(diào)度信心，做到心中有數(shù)，培訓(xùn)調(diào)度員；
　　 · 幫助選定管網(wǎng)中測(cè)點(diǎn)位置，優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置；
　　 · 在水力模型基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)水質(zhì)模型；
　　 · 管網(wǎng)水力動(dòng)態(tài)模型與SCADA系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)調(diào)度，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)離線或在線優(yōu)化調(diào)度提供基礎(chǔ)，是它的前期工作；
　　 等等。

　　作者完成的我國(guó)十多個(gè)大型的城市給水管網(wǎng)建模項(xiàng)目中，每個(gè)項(xiàng)目都產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，不但提高了公司管網(wǎng)系統(tǒng)科技管理水平，培養(yǎng)了人才，而且每個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)生的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)項(xiàng)目的實(shí)際總投資。
　　 案例一：上海市自來(lái)水公司于1998年3月份完成了供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型^{[4 ]}，（1）管網(wǎng)模型建立過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些中途泵站打回籠水^{[5 ]}，它們是新閘泵站、膠州泵站、仙霞泵站、場(chǎng)中泵站、和田泵站、金沙江泵站、普雄泵站、泗塘泵站、汶水泵站、宜川泵站和寶安泵站，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)1996年平均合計(jì)打回籠水為2.1m³/s，假定最低供水服務(wù)壓力為14米，電費(fèi)0.60元/kw.h計(jì)，通過(guò)模型診斷，關(guān)閉一些閥門(mén)，每年可節(jié)約電費(fèi)270萬(wàn)元。（2）1998年6月16日至17日上海市五角場(chǎng)環(huán)島內(nèi)DN1000和DN700管道改接^{[6 ]}，施工過(guò)程中將嚴(yán)重影響附近用戶用水，通過(guò)模型模擬分析施工過(guò)程，預(yù)測(cè)降壓范圍和每個(gè)時(shí)間段的降壓幅度，為制定緩解用水困難的措施提供決策支持。（3）技術(shù)人員通過(guò)管網(wǎng)模型發(fā)現(xiàn)從楊樹(shù)浦水廠一根DN1000口徑的出廠管道輸水到外灘附近^{[5 ]}，壓力降低不正常，通過(guò)管網(wǎng)模型分析，判斷是DN1000管道漏水、或者是DN1000管道上有一段小口徑管道、也可能是管道上閥門(mén)掉了下去等等，在管網(wǎng)模型分析支持下，展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)是DN1000管道上閥門(mén)芯掉了下去，拿掉壞損的閥門(mén)芯后，該管道壓力平均上升了7米，附近的吳淞路泵站可以全年停開(kāi)，不影響正常供水壓力，每年節(jié)省的費(fèi)用為一座泵站的運(yùn)行、維護(hù)和管理費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。（4）以上列出的是比較容易量化的，上海市供水管網(wǎng)模型所發(fā)揮的作用遠(yuǎn)不止以上這些，比如說(shuō)，應(yīng)用在供水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、日常調(diào)度、培訓(xùn)調(diào)度員，為開(kāi)展供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度工作提供基礎(chǔ)等等。
　　 案例二：南京市自來(lái)水總公司管網(wǎng)建模項(xiàng)目于2002年完成^[7]，（1）在上元門(mén)水廠改造工程中，二泵房水泵原額定揚(yáng)程為59m，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)該揚(yáng)程偏高，水泵將運(yùn)行于低效區(qū)，通過(guò)管網(wǎng)模擬分析，確定改造后二泵房水泵的揚(yáng)程為50m，該泵房供水規(guī)模20萬(wàn)m3/d，電費(fèi)0.54元/kw.h計(jì)，每年可節(jié)約電費(fèi)106萬(wàn)元。（2）在福建路管道改造工程中，原計(jì)劃埋設(shè)直徑為DN800mm長(zhǎng)為2707m的管道，模擬分析計(jì)算，認(rèn)為管徑DN500能夠滿足需求，最終采用DN500mm，結(jié)果運(yùn)行狀況良好，節(jié)約工程投資223萬(wàn)元。（3）在2002年底，優(yōu)化調(diào)度試運(yùn)行期間，節(jié)省電耗2.37%^{[8 ]}，一年節(jié)省二泵房電費(fèi)75.92萬(wàn)元，另外通過(guò)管網(wǎng)科學(xué)調(diào)度，降低了供水系統(tǒng)中平均服務(wù)壓力，減少供水管網(wǎng)漏失，有利于管網(wǎng)運(yùn)行安全，供水調(diào)度技術(shù)水平上了一個(gè)臺(tái)階。
　　 案例三：寧波市自來(lái)水總公司管網(wǎng)建模項(xiàng)目于2005年完成^[9]，建立了寧波市給水管網(wǎng)詳細(xì)模型（DN≥300mm）和戰(zhàn)略模型（DN≥500mm），（1）通過(guò)高精度的管網(wǎng)戰(zhàn)略模型分析，提出了寧波市供水主干管環(huán)網(wǎng)的高速公路規(guī)劃思想，確定了環(huán)網(wǎng)口徑，中國(guó)供水系統(tǒng)“第一環(huán)網(wǎng)”得到了中國(guó)專家和世界銀行專家高度的認(rèn)可，獲得了世界銀行貸款1.1億美金。（2）給水管網(wǎng)詳細(xì)模型已經(jīng)成功的應(yīng)用在供水系統(tǒng)日常運(yùn)行管理過(guò)程中。
　　 案例四：濰坊市供水管網(wǎng)建模于2004年底完成^[10]，管網(wǎng)模型的應(yīng)用取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（1）供水系統(tǒng)改擴(kuò)建：利用供水管網(wǎng)模型，提出了供水系統(tǒng)改擴(kuò)建方案，通過(guò)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模擬和工況分析發(fā)現(xiàn)原現(xiàn)狀供水系統(tǒng)中水流流速處于經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)的管道數(shù)從676根提升到762根，新規(guī)劃主干管道水流流速均處于經(jīng)濟(jì)流速范圍之內(nèi)，同時(shí)計(jì)算出新建白浪河水廠出廠所需壓力，為二泵房選泵提供參數(shù)。（2）在線實(shí)時(shí)工況模擬：在線實(shí)時(shí)水力模擬系統(tǒng)在調(diào)度中心24小時(shí)運(yùn)行，調(diào)度員通過(guò)該系統(tǒng)可隨時(shí)了解整個(gè)管網(wǎng)當(dāng)前的工作狀況，大大地增強(qiáng)了調(diào)度員作出調(diào)度決策的自信心。（3）開(kāi)展經(jīng)濟(jì)調(diào)度工作：濰坊市供水管網(wǎng)在線實(shí)時(shí)水力模擬軟件系統(tǒng)提供多方案費(fèi)用比較功能，為調(diào)度員開(kāi)展供水系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行管理提供了很好的工具。調(diào)度技術(shù)人員先預(yù)測(cè)明天的需水量，制定滿足需水量的多個(gè)經(jīng)驗(yàn)調(diào)度方案，設(shè)置控制點(diǎn)壓力，通過(guò)模型動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，找到運(yùn)行費(fèi)用最低的調(diào)度方案。
　　 案例五：南寧市給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用項(xiàng)目于2005年5月驗(yàn)收^[11]，項(xiàng)目成果已經(jīng)用于南寧市供水管網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及改擴(kuò)建工作，發(fā)揮了巨大作用，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（1）進(jìn)行了南寧市供水管網(wǎng)系統(tǒng)2010年、2020年供水規(guī)劃，指導(dǎo)了南寧市供水管網(wǎng)改擴(kuò)建工作。（2）隨著南寧市的發(fā)展，邕寧自來(lái)水供水系統(tǒng)并入南寧市自來(lái)水管網(wǎng)，利用該項(xiàng)目成果成功的輔助完成了這一工作。（3）在南寧市“136市政建設(shè)”工程過(guò)程中，項(xiàng)目成果應(yīng)用在供水主干管規(guī)劃，保證了決策的正確性。
　　 案例六：佛山市供水總公司管網(wǎng)模型于2003年11月17日完成初步驗(yàn)收^[12]，進(jìn)入試用階段，（1）在魁奇西路DN1000mm管道安裝工程中，因沙崗舊路DN800和D N400管阻礙施工，將其臨時(shí)截?cái)?。事先利用了管網(wǎng)模型進(jìn)行截管狀態(tài)和壓力影響模擬計(jì)算，得出結(jié)論：截管造成瀾石區(qū)域供水壓力不同程度的降低，導(dǎo)致部分用戶在周末用水高峰時(shí)段可能出現(xiàn)斷水問(wèn)題，據(jù)此進(jìn)一步提出解決方案，并最終確保了市民用水。（2）為了配合道路的施工，公司規(guī)劃新裝一條長(zhǎng)約2200m的給水管來(lái)取代現(xiàn)有三條舊給水管。通過(guò)模擬軟件分析表明，安裝DN800管對(duì)于沿線的各用戶水壓基本維持現(xiàn)狀，且略有提高，決定選用DN800管道，節(jié)約投資近700余萬(wàn)元。（3）對(duì)2004年、2005年春節(jié)等重大節(jié)假日及管網(wǎng)重大工程施工期間的供水調(diào)度方案進(jìn)行模擬校核，通過(guò)多方案優(yōu)選，修正調(diào)度決策，保證了管網(wǎng)供水安全性，提高了供水服務(wù)質(zhì)量和管理水平。
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　　 總之，供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型在開(kāi)展供水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、管網(wǎng)改擴(kuò)建、運(yùn)行調(diào)度和管理過(guò)程中作用巨大，供水系統(tǒng)運(yùn)行管理離不開(kāi)供水管網(wǎng)模型。

5 建立成功給水管網(wǎng)模型關(guān)鍵問(wèn)題

　　管網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)資料的完備程度和準(zhǔn)確性直接影響到模型的精度，它們是建立成功給水管網(wǎng)模型關(guān)鍵問(wèn)題之一^[1]。這些基礎(chǔ)資料包括靜態(tài)資料和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)資料主要來(lái)自管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，包括管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系^[13]、管網(wǎng)元素的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)、水泵特性曲線等。動(dòng)態(tài)資料數(shù)據(jù)來(lái)自SCADA系統(tǒng)，是管網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)^[14]，如：水泵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、閥門(mén)的開(kāi)度、水庫(kù)的動(dòng)態(tài)水位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的壓力點(diǎn)和流量點(diǎn)數(shù)據(jù)等。
　　 管網(wǎng)中不確定參數(shù)的估值是影響到建立成功管網(wǎng)模型關(guān)鍵問(wèn)題之二^{[1] [15] [16]}。管網(wǎng)中不確定的參數(shù)主要有：管道實(shí)際口徑、摩阻值及節(jié)點(diǎn)流量的計(jì)算。由于管道內(nèi)部結(jié)垢或變形使得管道實(shí)際內(nèi)徑和計(jì)算內(nèi)徑存在較大的差異，它們都會(huì)極大的影響水力條件。管網(wǎng)建模過(guò)程中，管道數(shù)量巨大，不可能每根管道都進(jìn)行摩阻值測(cè)定，常采用抽樣的方法，由點(diǎn)推廣到面，由于不同水廠出水的水質(zhì)不同，水在管道中停留時(shí)間也不一樣，流速相差較大，導(dǎo)致就算是從一個(gè)廠家購(gòu)買(mǎi)的同樣型號(hào)管道，由于管道使用時(shí)間較長(zhǎng)，摩阻值也可能相差巨大。模型中節(jié)點(diǎn)流量是實(shí)際供水系統(tǒng)中用戶用水的簡(jiǎn)化，管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越詳細(xì)，節(jié)點(diǎn)流量誤差就越明顯，由于不是所有用戶用水都被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用戶用水模式曲線在計(jì)算節(jié)點(diǎn)流量時(shí)總是要使用的，因此誤差一定存在。如何進(jìn)行管網(wǎng)中不確定參數(shù)的估值，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研究，被稱之為狀態(tài)參數(shù)評(píng)估。
　　 給水管網(wǎng)建模經(jīng)驗(yàn)是直接影響到建立成功管網(wǎng)模型關(guān)鍵因素之三^[3] 。從來(lái)沒(méi)有在實(shí)踐過(guò)程中建立管網(wǎng)模型的專家，是不可能建立起一個(gè)接近真實(shí)供水系統(tǒng)運(yùn)行的仿真模型，因?yàn)閷?shí)踐過(guò)程中影響的因素太多，是哪個(gè)因素導(dǎo)致該誤差的產(chǎn)生是沒(méi)有辦法判斷的，如：一個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算壓力比實(shí)測(cè)高很多，是測(cè)試儀器或測(cè)試條件出了問(wèn)題，還是管道阻力偏小，還是其它原因？都有可能，無(wú)法確定。在建立任何一個(gè)復(fù)雜的供水管網(wǎng)模型時(shí)，總是會(huì)存在諸多的不確定參數(shù)，模型校驗(yàn)階段不可能不存在大量的異常，如何解決這些問(wèn)題？回答：憑借管網(wǎng)建模工程師扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)到實(shí)踐中尋找。一個(gè)大型的給水管網(wǎng)模型的校驗(yàn)，對(duì)于任何管網(wǎng)建模工程師來(lái)說(shuō)都是巨大的挑戰(zhàn)。

6 給水管網(wǎng)建模是水司實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理必經(jīng)之路

　　給水管網(wǎng)模型是現(xiàn)實(shí)管網(wǎng)供水狀態(tài)的仿真，是認(rèn)識(shí)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)（水力和水質(zhì)）的最有力工具，只有掌握了現(xiàn)實(shí)供水系統(tǒng)的供水狀態(tài)，才能對(duì)癥下藥，收到預(yù)期的效果。
　　 為什么供水系統(tǒng)中漏失率一直偏高？為什么用戶在高峰用水時(shí)，水泵全開(kāi)，用戶用水量還是偏小，甚至斷流？為什么管網(wǎng)“自然爆管”頻率高，是材質(zhì)問(wèn)題，還是水力條件不好？為什么千噸供水能耗距高不下，原因如何？等等問(wèn)題，回答這些問(wèn)題是需要借助給水管網(wǎng)水力模型的，尋找解決問(wèn)題的根本。為什么水廠出水水質(zhì)遠(yuǎn)超過(guò)歐盟標(biāo)準(zhǔn)，而管網(wǎng)水不能生飲，管網(wǎng)水水質(zhì)變化的原因是什么？如何進(jìn)行管網(wǎng)水水質(zhì)控制？等等問(wèn)題，都需要借助給水管網(wǎng)水質(zhì)模型作為輔助工具，尋找問(wèn)題的根本。
　　 毋庸置疑，給水管網(wǎng)建模是進(jìn)行管網(wǎng)分析的新概念，是解決目前供水系統(tǒng)中突出問(wèn)題的根本，是水司實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理必經(jīng)之路。我們堅(jiān)信給水管網(wǎng)模型的應(yīng)用必將從“靜態(tài)”走向“動(dòng)態(tài)”、從“延時(shí)”走向“實(shí)時(shí)”、從“離線”走向“在線”，最終實(shí)現(xiàn)全供水系統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)化優(yōu)化控制過(guò)程，朋友，讓我們一起努力吧。

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