天津市供水管網信息管理及分析系統
摘要：介紹了已建立的天津市供水管網信息管理及 分析 系統，實踐證明該系統是成功的，具有很強的實用性，能為供水管網的現狀分析、事故分析、優化改擴建工程和 科學 管理提供可靠的信息來源。
關鍵詞：供水管網 動態分析 信息管理
天津市自來水集團有限公司是集自來水生產、銷售、服務和多元化經營為一體的國有大型 企業 ，至今已有上百年的 歷史 。 目前 ，設計供水能力為203×104m3/d，DN300以上的供水管網總長為3 439km，擔負著市區419萬人口、323×104km2面積的供水工作。長期以來，天津市供水管網的日常操作(主要指水源調度、管網維護和更新)主要憑經驗，而不是建立在科學的管理體系之上。建立天津市供水管網信息管理及分析系統是解決這個 問題 的最有效手段，主要用于天津市供水系統的日常操作、維護和更新的活動分析，包括為水源調度、管網的運行維護提供科學的操作管理 方法 ，為區域性的供水管網規劃、優化改擴建工程提供科學的依據。
1 實施方法
1.1建立 計算 機供水管網圖文數據庫
計算機供水管網圖文數據庫包括供水系統中的所有供水設施及其圖形數據和屬性數據。天津市供水管網圖形采用數字化儀錄入，以600多張1∶2 000的管線竣工圖為基礎，選擇DN300以上(包括DN300)的管線和部分DN300以下對管網水力條件 影響 較大的管線，經過系統拼接而成。它包括3615個節點(水流狀態發生較大變化的點)、4731條管段(兩節點間的管線)，還包括地理信息、大用戶信息和管網附件等。
1.2現場測試
現場測試的目的是為建立供水管網模型、計算供水系統的用水量、節點流量及校驗管網動態水力模型提供數據。現場測試由四部分組成：大用戶用水量調查及用水量變化曲線的測試;管道阻力系統的測試;水泵特性曲線的測試;供水系統的壓力和流量值的測試。
按照用水 規律 ，將用水量為500m3/d以上的大用戶分為10種用水類型，從每一種類型中選擇有代表性的用戶進行連續48h的讀表實測，實測結果經過整理分析得到每一種類型大用戶的用水量變化曲線。
管道阻力計算公式采用海曾——威廉(Hazen-Williams)公式[1]，用“四點法”或“五點法”對不同年代、不同管徑的典型管段進行了現場實測，取得了滿意效果。由k=[(Δh1/l1)0.5-(Δh2/l2)/q]2和k=10.667/C1.852D4.87求C值。
為了提高模型計算的準確性，優化調節水泵，實現“減耗增效”的需要，對三個水廠的水泵特性曲線進行實測。在保證不影響生產和安全供水的前提下，讀取水泵在不同工況下的流量、出口壓力、吸入真空度以及高程差，以水泵的流量為橫坐標，揚程為縱坐標繪制曲線而成。
管網測壓對209處集中測壓點、21處自計量測壓點、34處遙測測壓點，100處LOGGER臨時測壓點進行連續監測。管網測流對60處測流井、8處大用戶、13處水廠出水干管進行連續監測。壓力監測點均布整個管網，數目占管網主要節點數目的10%以上，流量監測點位于主要干管。
1.3供水管網模型的建立[2]
天津市管網模型為簡化模型，主要 應用 于信息管理、現狀分析(供水路徑、管道負荷、供水區域)、事故處理分析(最優關閘方案)、優化改擴建工程。模型準確模擬供水管網系統的靜態、動態信息，包括圖形、屬性、參數以及狀態信息，建立供水管網模型的技術流程如圖1。
1.4節點流量計算方法和水力模擬計算[3]
天津市供水管網動態水力模型是在大量現場實測數據、大用戶讀表現場實測數據和大用戶每月讀表抄見數據庫的基礎上完成。節點流量由大用戶、小用戶以及漏失量三部分組成。大用戶是整個管網中比較確定的量，根據其位置以及實測得到的變化曲線計算而成;小用戶按權值分配到整個管網;漏失部分考慮管徑、鋪設年代、壓力等因素按不同權值計算。
通過對靜態、動態信息的模擬，就可以進行水力模擬計算，即平差。
聯立(1)連續性方程Qi+∑qij=0、(2)壓降方程qij=(hij/sij)1/n=(Hi-Hj/Sij)1/n、(3)水泵特性曲線方程H=A+BQ+CQ2求解。
水力模擬計算是整個管網建模的核心，各個分析模塊都以平差計算為基礎。為提高計算速度，采用了節點編號優化、枝狀管簡化、步長因子的動態調整等優化方法。
1.5模型校核結果
天津市供水管網動態模型的計算值和現場測試值吻合很好，表明該模型模擬了管網中水流的真實流動(見表1、2、3)。
| 誤差 | ＜1 m | ＜2 m | ＜4 m |
| 百分比(%) | 64.0 | 88.0 | 100 |
| 誤差 | ＜5%管段流量 | ＜10%管段流量 | ＜12%管段流量 |
| 百分比(%) | 60.0 | 99.0 | 100 |
| 計算值與測量值的差值 | ＜1%水廠出水量 | ＜2%水廠出水量 | ＜6%水廠出水量 |
| 一水廠 | 41.7% | 79.2% | 100% |
| 二水廠 | 37.5% | 75.0% | 100% |
| 三水廠 | 45.8% | 83.3% | 100% |
1.6模型的維護和更新
天津市供水管網系統每年都新增大量的管線，更新一些舊管線，管網拓撲結構的變化必須及時地反應到模型中。另外，水源的變化、大用戶位置的變化、用戶用水模式的變化、管網操作條件的變化等都應在模型中做相應的修改。當模型運行一段時間后，如果現場監測量與模擬量之間的差值超出允許精度范圍時，應重新校核模型。
1.7供水管網信息管理及分析系統的功能
包括管網圖形數據和屬性數據的錄入、編輯、修改及查詢等功能。另外，在圖形和文字信息數據庫的基礎上，系統加入了一系列給水管網水力計算方法，實現了對整個給水管網系統的模擬，并進一步集成了現狀分析系統、事故分析、優化改擴建工程等功能模塊，使整個系統成為進行供水系統管理和分析的功能齊全的軟件包。
2 實踐意義
天津市供水管網信息管理及 分析 系統已投入 應用 ，效果良好，具有重大的實踐意義：
①將天津市供水管網系統輸入 計算 機，建立起管網系統動態水力模型，可以進行給水管網系統的動態工況分析;
②給水管網圖文數據庫的建立，方便了資料的日常管理工作以及管網的維護工作等;
③給水管網現狀分析系統的建立，使得調度人員、管理人員可以定性、定量地了解管網在不同工況下的運行情況;
④給水管網事故處理分析系統可以迅速地給出最優關閥方案，準確地指出管網應該關閉的閥門，用以指導搶修、維護;
⑤實用優化改擴建工程系統能夠有效地幫助和指導管網改擴建工作。
參考 文獻 ：
[1]Lamont P A.Commom pipe flow formulas compared with the theory of roughness[J].AWWA,1989.
[2]趙洪賓.城市給水管網建模現狀及 發展 [J].吉林建工學院學報，2000.
[3]Bragiela.Pressure and Flow Uncertainty in Water System[J].J Water Res Plan Man,1989，115(2).
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