劉遂慶 王榮和
同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

　　摘要：本文簡(jiǎn)要闡述給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用現(xiàn)狀, 對(duì)我國(guó)的發(fā)展方向提出了作者的見(jiàn)解和設(shè)想。管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算、管網(wǎng)水力與水質(zhì)模擬、管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、信息化和智能化運(yùn)行管理及科技交流信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了當(dāng)前給水管網(wǎng)新理論和新技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展的基本方向，對(duì)于城市供水企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益和企業(yè)科技水平將起到根本保證的作用。在給水行業(yè)內(nèi)組織高科技研究和產(chǎn)業(yè)化，是給水行業(yè)科技進(jìn)步的可行道路。
　　關(guān)鍵詞：給水管網(wǎng)、科技發(fā)展、優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)度、智能管理、科技信息網(wǎng)、行業(yè)高科技產(chǎn)業(yè)化

　　1　概述

　　給水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)由各種管道、泵站、水塔、調(diào)節(jié)閥(閥門(mén)、減壓閥、檢查閥等)等多種設(shè)施構(gòu)成的水輸送系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理，可以節(jié)約大量工程投資，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)水平。管網(wǎng)系統(tǒng)的投資很大，同時(shí)涉及到的影響因素也很多，如何最優(yōu)地確定這些設(shè)計(jì)參數(shù)，使系統(tǒng)在滿足用戶要求的前提下，達(dá)到投資及運(yùn)行費(fèi)用最省；如何在已知某些系統(tǒng)參數(shù)的情況下，分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，以便進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度自動(dòng)化控制等，這些都是給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)及管理人員迫切需要解決的實(shí)際問(wèn)題。
　　隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及其應(yīng)用軟件的發(fā)展，給水管網(wǎng)水力計(jì)算有了很大的發(fā)展，在理論及算法上日趨完善。對(duì)于給水管網(wǎng)優(yōu)化問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外給水管網(wǎng)研究工作者已做了大量的研究和探索工作，并取得了豐碩的成果。計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，為管網(wǎng)設(shè)計(jì)與管理提供強(qiáng)有力的支持和推動(dòng)。按照Lee Cesario如表1所示的分析，可以看出管網(wǎng)模型發(fā)展的顯著變化。

表1 管網(wǎng)模型發(fā)展歷史 30年代 Hardy-Cross 手工求解法 40年代 McElroy 電子分析器 50年代 室內(nèi)模型，電子管計(jì)算機(jī) 60年代 院校開(kāi)發(fā)程序系統(tǒng)，晶體管計(jì)算機(jī) 70年代 數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法發(fā)展，計(jì)算程序開(kāi)發(fā)和應(yīng)用階段，小型計(jì)算機(jī) 80年代 用戶界面、軟件包及擬穩(wěn)定狀態(tài)模擬系統(tǒng)，大規(guī)模集成電路微機(jī) 90年代 軟件接口、圖形化軟件集成設(shè)計(jì)、信息管理、智能化及自動(dòng)化運(yùn)行及水質(zhì)模擬系統(tǒng)，大規(guī)模集成電路微機(jī)，PLC，SCADA，GIS

　　1970年代中，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行給水管網(wǎng)水力計(jì)算的理論和方法在大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)得到了廣泛而深入的研究，成功地開(kāi)發(fā)了許多專業(yè)應(yīng)用軟件，如美國(guó)Kentucky大學(xué)Wood-Charles程序(1972)，美國(guó)Utah州立大學(xué)Jeppson程序(1976)，并由軟件開(kāi)發(fā)公司推出一些程序，如FAAST、WATSIM(1974)等。我國(guó)也隨之開(kāi)始從事這方面的研究，并推出一些實(shí)用程序，如給水管網(wǎng)水力計(jì)算程序747、749、7512、767等程序(同濟(jì)大學(xué)楊欽教授等)，為我國(guó)給水行業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用奠定了十分重要的基礎(chǔ)。這一時(shí)期研究的重點(diǎn)在于水力分析和標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，形成擬穩(wěn)定狀態(tài)水力模擬的完成數(shù)據(jù)模型。80年代，軟件開(kāi)發(fā)走向商品化，并開(kāi)始重視擬穩(wěn)定狀態(tài)水力模擬系統(tǒng)和GIS、CAD技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。這一時(shí)期典型的程序系統(tǒng)如AQUA(Akron大學(xué)，1985)、WADISO(Gessler-Walski,1985)。90年代是軟件系統(tǒng)蓬博發(fā)展的時(shí)期，出現(xiàn)了大量的商品化軟件，如PIPE-FLO、WaterMap、FAAST-3、KYPIPE2、EPANET、WATNET、H2ONET、8M、STONER、SynerGEE等，在國(guó)內(nèi)，同濟(jì)大學(xué)開(kāi)發(fā)完成的軟件有HYPNW（1992）、WPNCAD（1994）、WDOC（1998）、WPNCAD（1998）等。各類應(yīng)用軟件向著智能化、圖形化方向發(fā)展，并為用戶提供方便的界面和強(qiáng)大的功能。以管徑優(yōu)選法(Loubser和Gessler,1990)和遺傳算法(Murphy、Simpson和Dandy,1993)為代表的優(yōu)化算法可能會(huì)是管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)真正走向市場(chǎng)的途徑，以擬穩(wěn)定狀態(tài)模擬技術(shù)(Gessler和Walski,1989)進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，也已開(kāi)始了工程應(yīng)用和軟件商業(yè)化階段。
　　應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行給水管網(wǎng)運(yùn)行管理和優(yōu)化調(diào)度科學(xué)技術(shù)在1990年代得到了快速發(fā)展，以信息技術(shù)和智能化、自動(dòng)化控制為目標(biāo)，運(yùn)用PLC、SCADA和GIS技術(shù)，形成了完整的節(jié)約能量、節(jié)省人工、減少漏損、保護(hù)水質(zhì)等的以計(jì)算機(jī)為中心的現(xiàn)代高科技管理系統(tǒng)，逐步形成了給水管網(wǎng)運(yùn)行管理和自動(dòng)優(yōu)化調(diào)度高科技產(chǎn)業(yè)。

　　2　給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)管徑

　　給水管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平差設(shè)計(jì)計(jì)算，在算法上已十分成熟，在計(jì)算規(guī)模、計(jì)算速度和計(jì)算機(jī)精度上，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已不再是平差計(jì)算的約束問(wèn)題。如WDOC、WatNET、STONER、SynerGEE等軟件系統(tǒng)，都可方便地解決成千上萬(wàn)根管段的平差計(jì)算問(wèn)題。
　　然而，目前經(jīng)常遇到的問(wèn)題是管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ偷暮?jiǎn)化、不同種類管道摩阻系數(shù)的確定需要與工程實(shí)際保持一致，才能使計(jì)算結(jié)果具有工程實(shí)用價(jià)值。當(dāng)軟件使用者缺乏工程認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)時(shí)，往往得出片面結(jié)果，甚至造成直接經(jīng)濟(jì)損失。在進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，必須引起足夠重視。具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)和工程經(jīng)驗(yàn)的軟件使用者，可以通過(guò)比較計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)中存在的設(shè)計(jì)或運(yùn)行問(wèn)題，諸如管道銹蝕、漏水、閘閥盲目關(guān)閉或水泵運(yùn)行失常等，為管網(wǎng)合理運(yùn)行和調(diào)度提出改造方案，滿足合理管理和運(yùn)行的要求。
　　管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，主要是為了進(jìn)行新建或擴(kuò)建管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)，使其達(dá)到在投資(管徑)及常年運(yùn)行費(fèi)用(水泵揚(yáng)程)最小的情況下，滿足用戶對(duì)水量和水壓的要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法是在建立經(jīng)濟(jì)模型和優(yōu)化計(jì)算數(shù)學(xué)模型，并提出多個(gè)約束條件后，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)算法，得出最經(jīng)濟(jì)的管徑及水泵揚(yáng)程。在經(jīng)濟(jì)管徑條件下運(yùn)行的流速稱為經(jīng)濟(jì)流速。
　　經(jīng)濟(jì)管徑或經(jīng)濟(jì)流速是管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果，也是用于檢驗(yàn)一個(gè)管網(wǎng)設(shè)計(jì)或運(yùn)行優(yōu)劣的一個(gè)手段。如果管網(wǎng)水力平差計(jì)算結(jié)果表明管段流速均遠(yuǎn)離經(jīng)濟(jì)流速的范圍，即應(yīng)該對(duì)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)或運(yùn)行管理方法提出質(zhì)疑，并尋求解決問(wèn)題的辦法。
　　根據(jù)歷史紀(jì)錄和經(jīng)驗(yàn)，在一般情況下，給水管網(wǎng)中管段直徑小于1m時(shí)，經(jīng)濟(jì)流速在0.5 -1.0m/s之間，對(duì)于大于1.0m的管徑，經(jīng)濟(jì)流速在1.0 – 2.0m/s之間。近年來(lái)，作者對(duì)某些城市供水管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)管段流速普遍較低。這是近年來(lái)我國(guó)城市給水設(shè)施快步發(fā)展的結(jié)果，同時(shí)也出現(xiàn)了設(shè)施建設(shè)富余量過(guò)大的問(wèn)題。我們需要針對(duì)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)規(guī)律和狀況，開(kāi)展經(jīng)濟(jì)流速和經(jīng)濟(jì)管徑的研究，確定各城市和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)流速和經(jīng)濟(jì)管徑，提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和科學(xué)管理水平。

　　3　管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度和水質(zhì)模擬控制

　　給水管網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度及管理，需要管網(wǎng)模型的建立、用水量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)以及自動(dòng)控制及實(shí)施。管網(wǎng)模型的建立，在計(jì)算機(jī)硬件水平較低的年代，經(jīng)歷了自微觀模型、宏觀模型、集結(jié)模型、等價(jià)網(wǎng)絡(luò)模型，隨著計(jì)算機(jī)大容量、大內(nèi)存、高運(yùn)行速度的發(fā)展，最后又回到微觀模型的過(guò)程。Robert Demoyer等首先提出基于“比例負(fù)荷”假定的“宏觀模型”，只需要過(guò)去的運(yùn)行數(shù)據(jù)就可以借助統(tǒng)計(jì)回歸分析離線建模，采用漸消記憶算法也可以實(shí)現(xiàn)在線建模。同濟(jì)大學(xué)于1988年在國(guó)內(nèi)進(jìn)一步提出基于“時(shí)段比例負(fù)荷”的“時(shí)段宏觀模型”。配水控制問(wèn)題，提的較多的是如何確定最佳的泵站調(diào)度方案，使供水能耗耗最省，也有以實(shí)現(xiàn)等壓配水控制為目標(biāo)的。
　　管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度是供水企業(yè)科學(xué)管理和科技進(jìn)步的重要內(nèi)容，是管網(wǎng)運(yùn)行信息化、智能化和自動(dòng)化運(yùn)行和結(jié)合，需要建立以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為中心的梯級(jí)PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用SCADA和GIS等提供管理信息，形成完整的節(jié)約能量、節(jié)省人工、減少漏損、保護(hù)水質(zhì)等的的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)給水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度。
　　給水管網(wǎng)水質(zhì)模擬是計(jì)算跟蹤管網(wǎng)水中溶解物質(zhì)的傳輸與各時(shí)間內(nèi)流經(jīng)路線和分布。水質(zhì)模型可分為穩(wěn)態(tài)模型和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型二種。
　　（1）穩(wěn)態(tài)模型
　　假定管網(wǎng)處于水力穩(wěn)定狀態(tài)，在一定的運(yùn)行負(fù)荷下，物質(zhì)沿著流動(dòng)路徑和時(shí)間運(yùn)行，達(dá)到水質(zhì)穩(wěn)定。數(shù)學(xué)模型為：

　　 　　　　　 　　　　　(1)

　　 　　　　　(2)

　　管段濃度方程：C_u,ji＝C_j
　　　　　　　　　C_l,ji=C_u,ji
　　　　　　　　　C_l,ji=C_u,jie^-KT

　　式中，j,k:分別表示節(jié)點(diǎn)j的上游和下游鄰接點(diǎn)；q_ji，q_ik：管段流量；
　　　　　Q_s，C_s:水源供水量及進(jìn)水濃度；C_u,ji:管段＜j, i>起端濃度；
　　　　　C_l,ji:管段＜j, i>末端濃度；K：管段＜j,i>中物質(zhì)反應(yīng)速率常數(shù)；
　　　　　K：管段＜j,i>中的流徑時(shí)間。

　　保守物質(zhì)沿管線流動(dòng)過(guò)程中，濃度不發(fā)生變化，末端濃度等于起端濃度。非保守物質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中同時(shí)發(fā)生著反應(yīng)，以一級(jí)反應(yīng)為例，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：

　　 　　　　　　　　(3)

　　物質(zhì)沿管段流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生衰減，以不同于管段起端的濃度進(jìn)入下游節(jié)點(diǎn)。
　　水源供水比例數(shù)學(xué)模型為：

　　 (4)

　　 (5)

　　 (6)

　　式中，j:節(jié)點(diǎn)I的上游鄰接點(diǎn)；P_s,i,P_s,ji：水源S對(duì)節(jié)點(diǎn)i和管段＜j,i>的供水比例；

　　q_ji:管段流量； Q_s：水源供水量。
　　水在管網(wǎng)中流經(jīng)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型為：
　　式中，A_i,A_j:節(jié)點(diǎn)i和i的上游鄰接點(diǎn)j的流經(jīng)時(shí)間；t_ji：節(jié)點(diǎn)i的入流管段＜j，i＞中的流經(jīng)時(shí)間；Q_s,A_s:水源供水量和時(shí)間。
　　（2）準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型
　　準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型的計(jì)算結(jié)果要比穩(wěn)態(tài)模型的可信度高，因此，在實(shí)際工程中，大部分采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型。
　　1）對(duì)流擴(kuò)散方程：
　　假設(shè)水中溶解物質(zhì)在管段橫截面上均勻分布，其運(yùn)行規(guī)律和傳輸可用一維對(duì)流擴(kuò)散方程來(lái)表示。
　　 (7)
　　式中，C_i(x,t):管段i中，t時(shí)刻x位置的濃度；D:擴(kuò)散系數(shù)；S：源（或匯）在單位時(shí)間單位體積增加（或減少）的物質(zhì)質(zhì)量；K₀:零級(jí)肥應(yīng)速率常數(shù)；K₁：一級(jí)肥應(yīng)速率常數(shù)；C_E：反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的濃度。
　　2）節(jié)點(diǎn)混合方程
　　假設(shè)水流在節(jié)點(diǎn)處瞬時(shí)完全混合，所有以該節(jié)點(diǎn)為起端的管段起點(diǎn)處的濃度都相等。
　　 　　　　　　　　　　　　　(8)

　　式中，C_i(0,t):時(shí)刻t,以節(jié)點(diǎn)K為起端的管段i的起端濃度;C_i(L_j,t):時(shí)刻t,以節(jié)點(diǎn)K為終端的管段j的末端濃度;S：源（或匯）在單位體積內(nèi)增加（或減少）的物質(zhì)量；K：流入節(jié)點(diǎn)K的管段的集合。

　　4　給水管網(wǎng)系統(tǒng)科技進(jìn)步方向和任務(wù)

　　隨著計(jì)算機(jī)及控制管理科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理科技水平有了很大的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外給水管網(wǎng)研究工作者已做了大量的研究和開(kāi)發(fā)工作，并取得了豐碩的成果，為管網(wǎng)設(shè)計(jì)與管理提供強(qiáng)有力的支持和推動(dòng)。經(jīng)過(guò)我國(guó)的改革開(kāi)放和技術(shù)引進(jìn)，已經(jīng)應(yīng)用了大量先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，提高了科技水平和效率。然而，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)還存在著較大差距。中國(guó)是一個(gè)大國(guó)，是一個(gè)十分廣闊的科技市場(chǎng)，而且面臨著加入WTO的形勢(shì)和機(jī)遇，我們迫切需要加快步伐和力度，深入開(kāi)展下列科學(xué)研究，形成適合中國(guó)國(guó)情和特點(diǎn)的高科技產(chǎn)品和市場(chǎng)。
　　1）管道材料：管材的品種和質(zhì)量是決定給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效率的重要保證，我們需要開(kāi)發(fā)研制耐壓、防漏、光潔度高和價(jià)格便宜的管道材料，以適應(yīng)我國(guó)給水工程發(fā)展需求。
　　2）管道檢漏及防漏技術(shù)：管道漏水供水系統(tǒng)中普遍存在的問(wèn)題，是供水企業(yè)長(zhǎng)期重視和需要解決的問(wèn)題。檢測(cè)漏水和防漏已經(jīng)成為一項(xiàng)高科技應(yīng)用技術(shù)，在我國(guó)具有顯著社會(huì)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值，具有重要開(kāi)發(fā)價(jià)值和科技進(jìn)步意義。
　　3）給水系統(tǒng)自動(dòng)化控制和調(diào)度成套技術(shù)設(shè)備：給水系統(tǒng)自動(dòng)化控制和調(diào)度具有明顯的行業(yè)特點(diǎn)和市場(chǎng)廣泛性，我國(guó)給水行業(yè)應(yīng)具有自己的專業(yè)技術(shù)研究和成套設(shè)備開(kāi)發(fā)及經(jīng)營(yíng)管理隊(duì)伍，可以形成行業(yè)專門(mén)化成套產(chǎn)品和市場(chǎng)。
　　4）給水系統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)：根據(jù)我國(guó)市場(chǎng)需求，利用我國(guó)已有科技成果和科技力量，吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和成果，開(kāi)發(fā)我國(guó)自己的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和成套軟件，將對(duì)我國(guó)給水行業(yè)科技進(jìn)步和提高經(jīng)濟(jì)效益起到重要推動(dòng)作用。

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