陶建科
上海市自來水公司

　　摘 要 計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型能為給水管網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制和科學(xué)管理提供可靠的信息來源；本文闡述了建立上海市計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型的研究方法，實(shí)踐證明是成功的，具有重大的實(shí)踐意義。
　　關(guān)鍵詞 給水管網(wǎng) 動(dòng)態(tài)分析 水力模型 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 校驗(yàn)

　　上海市自來水公司供水系統(tǒng)是世界上最大的供水系統(tǒng)之一，由16座水廠、42座泵站和6300km的供水管線組成，供水區(qū)域?yàn)?90km²，裝有220萬只水表。1998年日最高供水量為650.1×10⁴t。近年來，隨著上海市的高速發(fā)展，給水管網(wǎng)的改擴(kuò)建及給水管網(wǎng)的日常操作管理引起人們的關(guān)注。
　　上海市給水管網(wǎng)的改擴(kuò)建主要指由于上海市區(qū)向郊區(qū)延伸，原有的某些給水設(shè)施(泵站、水庫等)不合理性日益明顯，引起了宏觀規(guī)劃問題；由于大量的低層房屋被高層代替，局部用水量增加，引起了局部用水量的規(guī)劃問題。長(zhǎng)期以來，上海市供水管網(wǎng)的日常操作(主要指水源調(diào)度、管網(wǎng)的維護(hù)和更新)主要是憑借經(jīng)驗(yàn)，而不是建立在科學(xué)的理論體系之上。
　　建立計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型(包括計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)宏觀動(dòng)態(tài)水力模型和詳細(xì)動(dòng)態(tài)水力模型)，是解決這個(gè)問題的最有效手段。宏觀動(dòng)態(tài)水力模型主要用于上海市給水總體規(guī)劃活動(dòng)的分析，包括優(yōu)化現(xiàn)有的給水設(shè)施，規(guī)劃新給水設(shè)施，為上海市供水系統(tǒng)的改擴(kuò)建提供宏觀的、總體的分析策略。詳細(xì)動(dòng)態(tài)水力模型主要用于上海市供水系統(tǒng)的日常操作、維護(hù)和更新的活動(dòng)分析，包括為管網(wǎng)的更新和維護(hù)提供科學(xué)的操作管理方法，為區(qū)域性的給水管網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和更新的優(yōu)先性評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 建立計(jì)算機(jī)供水管網(wǎng)圖形^［1、2］
　　計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形應(yīng)該包括供水系統(tǒng)中的所有供水設(shè)施及其圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)(如管道直徑、節(jié)點(diǎn)標(biāo)高、位置坐標(biāo)等)。一般有兩種方法建立計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形，一種是用數(shù)字化板將供水設(shè)施數(shù)字化輸入管網(wǎng)建模軟件，形成點(diǎn)線結(jié)構(gòu)的管網(wǎng)圖形；另一種是從供水地理信息系統(tǒng)(GIS)中按照一定的文件格式調(diào)用供水設(shè)施的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，使之在管網(wǎng)建模軟件里形成計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形。
　　上海市供水設(shè)施的數(shù)目大，計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形中節(jié)點(diǎn)數(shù)目過多，根據(jù)建立供水管網(wǎng)模型的用途不同，制定了取舍管線的原則：宏觀動(dòng)態(tài)水力模型中應(yīng)該包括直徑≥500mm的管道和部分水力條件重要的小管道；詳細(xì)動(dòng)態(tài)水力模型中應(yīng)該包括直徑≥300 mm的管道和部分水力條件重要的小管道。形成計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形后，經(jīng)“微誤差簡(jiǎn)化”，建立起浦西地區(qū)計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)詳細(xì)模型管網(wǎng)圖形。
1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的目的是為計(jì)算供水系統(tǒng)的用水量、節(jié)點(diǎn)流量及校驗(yàn)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型提供數(shù)據(jù)。
　　建立上海市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型過程中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試由三部分組成：測(cè)試供水系統(tǒng)壓力和流量值；大用戶用水調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)24h讀表實(shí)測(cè)；測(cè)試水泵的特性參數(shù)。要求前兩個(gè)部分的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試同時(shí)進(jìn)行。總共進(jìn)行了十次大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，第一次測(cè)試的目的是為了解給水管網(wǎng)當(dāng)中水流的大致流動(dòng)方向及壓力分布情況，為選擇模型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)提供參考；后九次是為給水管網(wǎng)模型的校驗(yàn)提供原始數(shù)據(jù)。由于受儀器數(shù)量的限制，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，將浦西地區(qū)給水管網(wǎng)宏觀動(dòng)態(tài)水力模型的測(cè)試分為南區(qū)、北區(qū)和中區(qū)分別進(jìn)行，同時(shí)又將南區(qū)和中區(qū)各分為三個(gè)子區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，北區(qū)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只進(jìn)行宏觀動(dòng)態(tài)水力模型的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
　　以上海市1996年10月用戶用水量數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，對(duì)用水量>15000t/月、占總用水量32.5%的972家大用戶進(jìn)行同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)24 h抄表，對(duì)用水量為5000～15000 t/月、占用水量15.9%的1826家工業(yè)用戶進(jìn)行工作班制和用水特點(diǎn)調(diào)查，為計(jì)算不同工作班制工業(yè)用戶的用水模式曲線提供數(shù)據(jù)^［３］。
　　水泵使用的時(shí)間過長(zhǎng)，原有水泵的水力特性參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，建立管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型時(shí)需要重新測(cè)試。建立上海市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型的過程中，共測(cè)試了209臺(tái)水泵。
1.3 節(jié)點(diǎn)流量的計(jì)算方法^［3、4］
　　上海市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型中節(jié)點(diǎn)流量的計(jì)算是基于大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、大用戶現(xiàn)場(chǎng)讀表數(shù)據(jù)和用戶每月讀表抄見數(shù)數(shù)據(jù)庫。節(jié)點(diǎn)流量的計(jì)算方法見圖1。

1.4 管道阻力計(jì)算公式
　　管道阻力計(jì)算公式一般采用海曾-威廉(Hazen Williams)公式或柯爾勃洛克-魏特(Colebrook White)公式。流速范圍在0～0.9m/s時(shí)，兩公式的計(jì)算結(jié)果很接近^［5］；對(duì)于高雷諾數(shù)的高速水流，海曾-威廉公式的誤差增大，流速為1.5m/s時(shí)，水力坡降誤差有時(shí)超過20%^［６］。在用水高峰時(shí)，很多管道的流速超過1.5m/s，因此選用柯爾勃洛克-魏特公式計(jì)算管道的阻力。
1.5 管道絕對(duì)粗糙度
　　經(jīng)整理分析，上海市大量的供水系統(tǒng)管道壁切片的絕對(duì)粗糙度數(shù)據(jù)見表1。

表1 上海市供水系統(tǒng)管道絕對(duì)粗糙度 管材 管道絕對(duì)粗糙度
（mm） 取樣年 每年增長(zhǎng)比例 1980年前 1980年后 鋼筋混凝土管 2.55 1930 0.025 0.075 鑄鐵管 有內(nèi)涂層 1.63 1930 0.025 0.075 無內(nèi)涂層 16.40 1930 0.25 　 鋼管 有內(nèi)涂層 1.54 1967 0.025 0.075 無內(nèi)涂層 16.31 1930 0.25 　

1.6 模型校驗(yàn)點(diǎn)的選擇和校驗(yàn)結(jié)果
1.6.1 模型校驗(yàn)點(diǎn)的選擇
　　對(duì)于大型供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型而言，模型校驗(yàn)點(diǎn)的選擇應(yīng)遵循以下原則：?
　　① 模型校驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)占模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目10%以上。上海市供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型校驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)目占模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目15%左右。?
　　② 模型校驗(yàn)點(diǎn)要均勻地分布在管網(wǎng)模型中。?
　　③ 模型校驗(yàn)點(diǎn)的水力參數(shù)值要有代表性，能夠控制管網(wǎng)模型在該校驗(yàn)點(diǎn)局部的水流流動(dòng)情況。?
1.6.2 校驗(yàn)結(jié)果
　　上海市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型的計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值吻合很好，
　　表明該模型模擬了管網(wǎng)中水流在測(cè)試天的真實(shí)流動(dòng)，見表2。

表2 上海市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型的校驗(yàn)結(jié)果 項(xiàng)目 參數(shù) 參數(shù)的校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 校驗(yàn)結(jié)果 管段流量 流量大于用水量10%的管段 實(shí)測(cè)值的±5% 0.6% 流量小于用水量10%的管段 實(shí)測(cè)值的±10% 1.3% 節(jié)點(diǎn)壓力 100%的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn) 實(shí)測(cè)值的±39.21 kPa 100% 80%的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn) 實(shí)測(cè)值的±19.6kPa 97% 50%的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn) 實(shí)測(cè)值的±9.8kPa 82% 水庫 水庫水位 實(shí)測(cè)值的±5% 0.1%

1.7 水力模型的維護(hù)和更新
　　給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型的維護(hù)和更新工作主要包括：在管網(wǎng)模型中增加新的或刪除廢棄的給水設(shè)施、更新節(jié)點(diǎn)流量和調(diào)度操作方案等。

2 實(shí)踐意義

　　上海市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型已投入應(yīng)用，效益良好，具有重大的實(shí)踐意義：?
　　① 第一次將大型供水系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)，并建立起管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型。?
　　② 能夠指導(dǎo)管網(wǎng)系統(tǒng)的日常管理工作，如：避免出現(xiàn)管網(wǎng)中水打回籠，協(xié)助檢漏工作，尋找較優(yōu)的季節(jié)性閥門開關(guān)狀態(tài)，指導(dǎo)管網(wǎng)改擴(kuò)建工作等。?
　　③ 能夠有效地分析用戶用水中存在的主要問題，有針對(duì)性地提出解決方案。?
　　④ 通過模型掌握水流的真實(shí)流動(dòng)狀況，以利于對(duì)大型供水系統(tǒng)進(jìn)行管理和調(diào)度。?
　　⑤ 為上海市自來水公司供水系統(tǒng)開發(fā)實(shí)時(shí)在線調(diào)度模型提供了基礎(chǔ)。管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型與SCADA系統(tǒng)相接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線優(yōu)化調(diào)度，還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

　　1 Anglian Water Services.Standard Methodology for Network Management.1994
　　2 陶建科等.建立計(jì)算機(jī)供水管網(wǎng)圖形和在地形圖上劃定節(jié)點(diǎn)流量區(qū)域的方法.給水排水，1997；23(6)：5～8
　　3 陶建科.建立給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型中的水量分析方法.給水排水，1998；24(1)：26～30
　　4 Water Authorities Associates/WRC.Network Analysis?A Code of Practice.1989
　　5 Lamont P A.Common pipe flow formulas compared with the theory of roughness.Journal of AWWA,1981
　　6 Walski T M.How constant is the Hazen?Williams constant.In:Proceedings of the 1983 AWWA Distribution System Symposium

---

　　作者簡(jiǎn)介：陶建科 博士研究生 從事給水工程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制的研究
　　通訊處：200002 上海市江西中路484號(hào) 上海市自來水公司
　　(收稿日期 1998-09-09)