建立給水管網微觀動態水力模型標準方法研究
摘要：闡述了水司建立給水管網微觀動態水力模型的必要性，提出了一套適合我國國情的給水管網建模標準 方法 。這一方法將有助于我國給水管網建模工作走上正規化和 科學 化的道路。該方法已經成功地 應用 于上海市。
關鍵詞：給水管網微觀動態水力模型 標準方法 拓撲結構
1 水司建立給水管網微觀動態水力模型的必要性
給水管網微觀動態水力模型是指將給水系統中的一些給水設施(如：水泵、管道、閥門、 水庫或水塔等)的特性數據、屬性數據及水量數據輸入管網模擬 計算 軟件，進行延時模擬計 算，并達到一定校驗標準的模型。建立大規模城市給水管網微觀水力模型是一項系統工程。
要實現配水系統的科學化管理，尤其是大規模給水系統，水司必須建立給水管網微觀動態 水力模型，原因是：給水系統的規劃、設計及改擴建需要它;能指導和幫助安排檢漏工作; 管網改造優先性評估;診斷管網中的異常情況，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，提高供水服務業務水平; 調查大規模給水系統中水打回籠現象，尋找季節性閥門 經濟 開度;用模型進行每天管網運行 工況分析，能增強調度員調度信心，有利于經濟調度，同時模型可用于培訓調度員;能幫助 選定管網中測點位置，優化測點布置;在管網微觀水力模型的基礎上可開發水質模型，管網 水力動態模型與SCADA系統相連，可實現在線實時調度，為進一步實現離線或在線優化調度 提供條件等等。
2 建立給水管網微觀動態水力模型標準方法
2.1 管網分析軟件及現場測試儀器的選擇原則
選定管網分析軟件原則：
(1)與GIS、營業水費賬單系統及SCADA系統有接口;
(2)能支持多種操作平臺，支持多種輸入輸出設備，有 網絡 版，人機界面友好;
(3)計算管網節點數應無限，計算速度快，占內存少(15000個節點管網模型要求內存不能超過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模型圖形底層，同時能對管網模型進行正常的 修改等操作。
現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;
(2)壓力數據采集儀應能連接消火栓，收集壓力數據;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， 數據容量不能少于7d(間隔15min);
(4)采集的數據應能在測試儀的隨機存儲器和個人計算機(PC)之間相互調用;
(5)各種儀器設備采集數據的量程及精度應滿足要求，安裝操作應簡便、安全。
2.2 建立管網模型拓撲結構
管網模型拓撲結構的建立有兩種方法：一種是用數字化儀將給水設施數字化輸入建模軟件 ，形成點線結構的管網圖形;另一種是從給水GIS系統中按照一定的文件格式調入經矢量化 的給水設施圖形數據和屬性數據，使之在管網模型軟件里形成計算機給水系統管網圖形。不 論是用哪種方法，實際的管網圖形都要經過"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狀 管節點上，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，且節點間間距小于2m，可合并為一個節點，局部水頭損 失轉化為管道沿程水頭損失;
(6)管道拐彎或經"微誤差簡化"產生的水頭損失，模型校驗時轉化為管道沿程水頭損失。
節點的選定應遵循以下原則：
(1)閥門和水泵的兩端設置節點;
(2)水庫或水塔設置節點;
(3)管道交叉連通處設置節點;
(4)管道變徑處設置節點;
(5)埋設年代不同的管道(一般在5年以上)連接處設置節點;
(6)管材不同的管道連接處設置節點;
(7)大用戶位置設置單獨用水量節點;
(8)現場測試點處設置節點。
節點和元素編碼方法：
節點和元素編碼沒有統一的規則，應該根據給水管網建模給水區域的具體情況而定。節點 和元素的編碼應用有限的位數盡量反映多的信息量，模型軟件里允許的節點和元素編碼一般 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、區域、圖紙號等。這樣 一來，便于管網模型的更新和校驗，便于對實際管網的操作、保養和管理，也便于工程應用。
給水GIS里的節點編碼方法一般與管網模型里節點編碼方法不同，如：給水GIS里的閥門、 水泵等，只有一個編碼，而管網模型里將任何單個給水設施兩個節點，一個元素編碼;考慮 雙方接口時，應考慮節點和元素編碼在兩個系統之間的相互轉化或生成方法;如給水設施是 利用數字化板輸入，那么節點和元素編碼是直接手工輸入管網模型軟件。節點的高程、管道的公稱直徑應從GIS系統里轉入到管網模型，或手工直接輸入，管道公 稱直徑轉化為實際直徑應在管網模型軟件里采用條件整體改變方式完成。
2.3 現場測試
現場測試的目的是為計算給水區域或系統的總用水量、節點流量及校驗管網動態水力模型 提供數據。SCADA系統或遙測系統返回的數據一般不能滿足建模精度要求。
現場對給水系統任何檢查和操作，都應該遵從給水系統有關安全操作程序，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據，選定要現場讀數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，要調查每周工作天數，每天的工作時間，工作班制， 是否有廠內蓄水池，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目一般應不少于總用水量節點數目的15%或總節點數的10%;為了滿足系 統的測試及模型校驗的要求，在某些主干管或區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，內腐蝕，口徑不規則;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目如表1;
表1 不同管徑測試點總數目
|
管道口徑(mm) |
點數 |
|
小于200 |
5 |
|
大于200小于600 |
9 |
|
大于600 |
13 |
(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)對管網中非全開或全閉閥門進行轉數校驗，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，貼上防水標簽，一個儀器對應一個測試位置;
(9)進行現場測試人員培訓;
(10)制定現場測試計劃安排。
2.3.2 現場測試
按照制定的現場測試計劃，儀器設備按操作規程進行安裝，測試期間應注意以下 問題 ：
(1)測試儀器的系統時間設置應統一，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，管網中不應該出現有較大的工程，如：沖洗消毒，管道改接等;
(5)水庫、水塔和集水井水位數據采集時間間隔為5min，其它為15min;
(6)測試期間，對關鍵的測試點一天檢查一次，發現問題，記錄下來，進行檢修或用 新的儀器替代，重新設置有關參數;
(7)大用戶調查、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。
一旦現場測試完畢，將所有儀器設備按照設備操作規程收回，并將所有數據轉輸到計算機 ，分門別類保存;分析測試數據結果，同一點如有遙測數據，可 參考 對比，對異常現象 進行調查，找原因，對個別異常的重要點需重新再測試。
。
2.4 節點流量的 計算 與阻力系數的確定
2.4.1 節點流量計算
實際供水管網系統中的用戶應是管網模型中用水量節點的雛形，用戶的用水量應該是給水 管網模型中節點的節點流量。然而實際供水系統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，即為模型中節點流量的計算 方法 。節點流量的計算是基于大量的現場實測數據，大用戶現場抄表數據及每月用戶水表抄見數 。節點流量的計算過程分為以下幾部分：(1)在地形圖上劃定節點流量區域。該過程的目的 是求解每個用水量節點每月平均節點流量值，建立用水量節點號碼與用戶抄表簿號碼的連接 關系。詳細 內容 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 規律 曲線。基本原理是：系統水量平衡方程，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]：第一種是管網當中的無計量用水按照用水量節點上連接的水表數目占 管網 研究 區域中總水表數目的百分數分配到每一個用水量節點;另一種方法是將無計量用水 按模型中兩用水量節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點。詳 細內容見文獻[6]。(3)確定節點流量值。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點每類用戶的每時段用水量。
一旦一個具體研究的給水區域確定，能將以上求解過程設計成計算機軟件，用于節點流量 的計算與調整，便于節點流量的更新和維護。
2.4.2 阻力系數的確定
管道絕對粗糙系數的確定：在供水系統維護、保養及改擴建過程中，很容易獲得各給水區 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， 將它們存入計算機數據庫;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。
閥門阻力系數的確定：不同閥門阻力系數的確定可從閥門生產廠家直接獲得;或用它們的 數據按建模軟件里閥門模擬公式的要求，經轉換獲得;如現場測試條件具備，也可在現場實 測獲得有關閥門阻力系數值。
這些管道的粗糙系數K值和閥門的阻力系數值作為模型啟動計算時輸入的初值，模型 校驗時需再調整。
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=CV·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，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;
Re--雷諾數;
A--閥門斷面面積，m2;
CV--流量系數。
由式(1)、(2)、(3)可知：D和Q的改變 影響 管網水力條件較明顯，K的改變影 響管網水力條件相對較小。校驗的參數一般為：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的因素主要是節點流量，一般情況下，調整無計 量用水模式和居民用水模式曲線。
給水系統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，碰到異常現象(模型計算值和測試值差異較大)時，應首先檢查管網連接 關系，應對測試數據進行反復 分析 ，有必要，需到現場進行多次現場測試，分析結果應該得 到多個部門和測試數據的肯定;所有的異常現象及解決過程和方法應記錄下來。
一些管網模型專家的建模經驗[2，3，5，7，8]表明：產生異常現象的主要 原因是實際的管線連接情況與計算機給水管網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
給水系統中測試的數據為7d，模型校驗時，只選其中一天的數據;首先收集給水系統測試 期間的調度報告和有關系統中事件記錄，按照測試期間的要求選定一天的數據作為校驗數據 ，該天即為模型校驗日期。校驗日不應是節假日、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改擴建同步。通過數字化板或調用新的GIS數據來更新模型的 網絡 拓 撲結構;節點流量的更新通過節點流量分配軟件和SCA DA系統或Telemetry系統返回的流量 數 據完成，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的設定按計算日 期各自實際狀態設置更新。
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
|
項 目
|
參 數
|
校驗標準(誤差范圍)
|
|
管段流量
|
流量大于總流量10%管道
|
實測值的±5%
|
|
流量小于總流量10%管道
|
實測值的±10%
|
|
|
節點壓力
|
100%校驗節點
|
實測值的±19.6kPa或區域總水頭損失的10%
|
|
95%校驗節點
|
實測值的±14.7kPa或區域總水頭損失的7.5%
|
|
|
85%校驗節點
|
實測值的±9.8kPa或區域總水頭損失的5%
|
|
|
水庫或水塔
|
水位
|
實測值的±0.98kPa
|
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，內容包括：
(1)執行 總結 ：描述研究的主要目標，執行情況，從宏觀角度得出結論(涉及配水系統本身 );
(2)介紹：包括區域名稱，研究區域的面積，報告內容總結，研究期間工作時間表等;
(3)研究區域描述：描述的內容包括研究區域圖形，面積，干管長度，區域用水性質，用 水結構，人口，日用水量情況，區域內水廠、水庫或水塔、泵站等;
(4)數據收集：記錄管網有關數據的收集，水廠、泵站及調蓄設備數據收集，包括大用戶 每月用水數據，節點和元素號碼及地址等;
(5)現場測試：包括測試前的準備工作情況，區域閥門關閉情況，流量曲線，測試日期， 再測試日期及地點，測試用的設備參數細節，水泵測試結果，大用戶測試結果記錄等;
(6)測試數據分析：包括選定區域的校驗日期，流量數據分析，壓力數據分析，漏水水平 、用水曲線及用水模式曲線的計算，異常數據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常現象及解決方法 ，對未解決的異常現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學模型及有關參數含義，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，超過預期的水頭損失，區域漏失，異常大阻力等進行觀察和分析;
(10)評語：對各給水區域模型及系統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，每個節點每種類型的用水總結，區域用水 量曲線，現場測試時間表，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(管線圖紙和節點用水量區域地形圖)，磁盤(模型軟件、模型、測試數據、節 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，但在一些技術細節方面是針對 中國 給水系統的特點展開的，系統性較強，是建 模實踐經驗的總結。
由于篇幅限制，節點流量詳細計算方法，現場數據收集表格和一些國內外建模實 例無法闡述，如需要可與作者聯系。
參考 文獻
1 陶建科，等.
建立 計算 機給水管網圖形和在地形圖上劃定節點流量區域的 方法 . 給水排水，1997，23(6)：5～8
2 Water Authorities Associates/WRC. Network Analysis-A Code of Practice,1989
3 Anglian Water Services. Standard Methodology for Network Management,Dec 1994
4 Stoner Workstation Service User's SWS Water Version for Windows,1996
5 Wesnet User's Guide. Version 50,1993
6 陶建科. 建立給水管網動態模型中的水量 分析 方法. 給水排水，1998，24(1)：26～30
7 陶建科. 建立上海市計算機給水管網動態水力模型 研究 . 中國 給水排水，1999，15(4) ：11～13
8 Bryan Coulbeck. Integrated computer application in water supply,Volumel-Methods and procedures for systems simulation and control,Volume2-Application implementations for systems operation and management,Research studies press Ltd. And Jhon Wiley & Sons Inc. WRS,1993
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
