趙洪賓，周建華，閻繼民
（哈爾濱工業大學給排水系統研究室）

　　摘要：給水管網系統動態建模是自來水公司實現科學管理、提高效益、提高服務水平的重要手段。本文以天津市給水管網系統建模為實例，詳細地闡述了給水管網系統建模的研究方法。實踐證明該方法具有很強的實用性。
　　關鍵詞： 給水管網系統建模；模擬；現場測試；校核

Study on Modeling Water Network System in Tianjin City
ZHAO Hongbin，ZHOU Jianhua，WEI Baocheng
(Workgroup of Water & Wastewater System, Harbin Institute of Technology)

　　Abstract: Dynamic model for water network system is an important approach for water companies to accomplish scientific management and increase benefit and improve the level of service. This paper detailedly describe the method of study on modeling network taking modeling water network system in Tianjin city as an example. It is proved that this approach is very strong practicability in practice.
　　Keywords: modeling water network system; simulation; field test; calibration

1. 問題的背景

　　國家建設部制訂的“供水行業2000年規劃”中提出了兩項提高（安全、效益）和三項降低（電耗、藥耗、漏失）的目標，這標志著我國的供水事業已經進入了加強科學管理、提高服務質量、提高經濟效益的新時期。對于城市給水管網系統這么一個結構復雜、規模龐大、用水隨機性強、運行控制為多目標的網絡系統，欲實現科學管理，必須建立管網模型，仿真管網的實際運行工況。
　　天津市給水管網系統由三個水廠、1300多公里的管線組成，供水面積450多平方公里，服務人口1100多萬，是世界上少有的大型供水系統之一。但由于給水管網系統過于龐雜、用水隨機性過強等原因，影響了天津市給水管網系統的科學管理，這嚴重制約著天津市給水事業的發展。為扭轉這一局面、實現科學管理、提高效益，建立了天津市給水管網系統模型。
　　該課題的研究是以產、學、研相結合的方式進行的，由哈爾濱工業大學給排水系統研究室、天津市自來水集團公司、天津市公用事業設計研究所共同承擔。科學研究結合生產實踐，三方優勢互補，使該課題能結合中國的國情在較短時間內完成，且經濟實用。實現了用我們自己的技術力量成功地完成特大城市給水管網系統建模，為在我國推廣這方面的技術起到了示范作用。

2. 給水管網系統建模概述

　　國外在管網建模方面起步于60年代，80年代隨著計算機及相應技術的發展、遙測遠傳設備的應用，進入了實用化階段，而國內目前僅在個別城市實現。管網建模包括宏觀模型、微觀模型、簡化模型和集結模型，應根據不同使用目的，采用不同的模型。天津市給水管網模型為簡化模型，主要應用于信息的查詢顯示、現狀分析（供水路徑、管道負荷、供水區域等）、事故處理分析（最優關閘方案）、實用優化改擴建，今后要用于漏失控制、水泵優化調度及水質分析等。
　　給水管網模型必須準確模擬給水管網系統的靜態、動態信息，包括圖形、屬性、參數以及狀態信息。模型建立后，應反復核對校正以保證數據的準確性。建模的技術流程如圖1：

3. 給水管網系統建模的研究方法

3.1 圖形的模擬
　　考慮模型的準確性，天津市給水管網模型采用DN300以上（包括DN300）的管段組成。為提高模型的準確性，以水力計算為依據，適當添加了部分DN300以下對管網水力條件影響較大的管線。模擬圖形還包括地理信息、大量戶信息和管網附件等。整張圖形以1:2000圖紙為底圖，采用數字化儀錄入，經過系統拼接而成（如圖2），包括3615個節點（水流狀態發生較大變化的點），4731條管段（兩節點之間的管線）。
3.2 屬性的模擬
　　模擬的圖形是矢量圖形，其中每條管段、每個節點、每個水源等都包含許多信息，即屬性。為模擬管網屬性，形成管段、節點、水泵等數據庫。
3.3 參數的模擬
　　（1） 海曾-威廉C值；
　　在水力模擬計算中，一般采用新管的海曾-威廉C值，取120。但實際上，由于給水管網經過多年運行，導致內壁腐蝕、粗糙度增加，致使管道的過水斷面積變小，從而C值將大大降低。用新管C值將使模型失真，為獲得C的良好初始估計值，在天津市給水管網建模中，采用“四點法”或“五點法”對不同年代、不同管徑典型管段進行了現場實測，獲得了滿意效果。

由 和 求C值。

　　（2） 定速泵流量-揚程曲線的模擬；
　　水泵投入使用后，由于長期的運行磨損以及技術改造等原因，致使實際的水泵特性曲線偏離樣本曲線。為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，在天津市管網建模中，對水泵的特性曲線進行實測。在保證供水安全、不影響生產的前提下，讀取水泵在不同工況下的流量、出口壓力、吸入口真空度以及高程差，以水泵的流量為橫坐標，揚程為縱坐標繪制曲線而成。
　　（3） 余氯衰減系數K值的模擬； 在管網水質分析時，引入K值，用來表征管道衛生狀況。管徑、水溫、水流狀況、管材等影響該值。

3.4 狀態量的模擬方法
　　（1） 總供水量的模擬 在模型中，歷史供水數據直接模擬；預測未來工況時，日總供水量采用季節性指數平滑法進行預測。通過供水變化曲線，模擬時總用水量。
　　（2） 調速泵流量-揚程曲線的模擬 監測各時段的調速水泵轉速，求得該轉速n與額定轉速n0的百分比β，按實測定速泵的方法測定調速泵額定轉速n0時的流量揚程曲線：H=A+BQ+CQ2，得到調速泵轉速為n時的流量-揚程曲線：H=β2A+βBQ+CQ2
　　（3） 閥門開啟度的模擬 閥門開啟對管道水流的水力特性影響非常大，準確的模擬出閥門開啟度，計算阻力系數，非常必要。
　　（4） 用水量變化曲線的模擬 為掌握天津市的用水規律，更好地模擬用水情況，在天津市給水管網系統建模中，進行了現場實測。按照用水規律，將天津市月用水量500噸以上的大用戶分為工業24小時、工業8小時等10類，從每一類中選擇有代表性的用戶進行連續48小時用水量實測，將實測結果整理、分析，得到每一類用戶的用水量變化曲線。再根據各類用戶在城市用水量中所占的比例，綜合各類大用戶和小用戶及管網漏失量繪出城市總的用戶量變化曲線，此曲線應與城市供水量變化曲線基本一致。
　　（5） 水泵開啟情況的模擬 在一個城市給水管網系統中，水泵是系統中唯一的能量補給裝置，基本上決定了給水管網系統的工況，必須準確模擬各時段水泵的開啟狀態。
　　（6） 清水池動態水位的模擬 城市給水管網系統動態建模的核心是水力模擬計算，在計算中，清水池的動態水位變化影響到計算結果。為此，必須準確模擬出清水池在不同時段的水位。
3.5 節點流量計算方法研究
　　天津市給水管網動態水力模型是在大量現場實測數據、大量戶讀表現場數據和大量戶每月讀表抄見數據庫的基礎上完成。節點流量由大量戶、小量戶以及漏失量三部分組成。大量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；小量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。
3.6 水力模擬計算研究
　　通過對以上靜態、動態信息的模擬，就可以開始進行水力模擬計算，即平差。聯立
　　（1）連續性方程Q_i+Σq_ij=0；

　　（2）壓降方程 ；

　　（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，使得計算速度優于國內外同類軟件。
3.7 模型校核的研究
　　通過上述過程，可以建立一個初步的管網模型，通過水力計算，模擬實際給水管網工況。但是，至此建立的模型往往不能在允許誤差范圍內仿真實際的給水管網工況。為建立給水管網系統模型的可信性，建立模型基準，了解實際管網運行或運行機理，必須進行模型校核。模型校核分兩步：比較已知條件下的壓力和流量的監測值與計算值；調整模型中的某些參數，直到計算量與監測量在允許誤差范圍內。
　　（1）校核數據來源：模型校核的數據除管網的靜態、動態信息外，還需要監測信息。為獲得監測信息，在天津市給水管網系統建模中，對100個LOGGER監測點、34個遙測點、25個自計量點、水廠壓力流量監測點以及9個流量監測點進行了連續15天的現場監測，所有監測點同時開始記錄。壓力點均布整個管網，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線。
　　（2）校核標準：壓力、流量監測點24小時模擬數據在允許誤差范圍內，低壓區、高壓區、供水分界線、供水趨勢與實際吻合。
　　（3）模型校核的技術流程：模型校核是一個完善模型、調整參數、反復計算的過程。天津市給水管網系統模型校核的總體思路：首先比較監測點的監測值與模型計算值之間的差異，若差異過大，查找錯誤，進行預校核；差異較小時，調整節點流量和海曾-威廉C值；滿足允許誤差精度時，模型校核結束。
　　（4）校核結果
　　 壓力監測點24小時統計結果

誤差 <1m <2m <4m 百分比 64.0% 88.0% 100%

　　流量監測點24小時統計結果

誤差 <5%管段流量 <10%流量 <12%流量 百分比 60% 99% 100%

　　水廠出水量24小時計算結果統計：

計算值與測量值水廠名稱的差值 <1%水出水量 <2%水廠出水量 <6%水廠出水量 芥園水廠 41.7% 79.2% 100% 新開河水廠 37.5% 75.0% 100% 凌莊水廠 45.8% 83.3% 100%

　　某流量監測點24小時計算值與監測值比較：

　

3.8 給水管網系統模型的維護和更新
　　天津市給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、大量戶位置的變化，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，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。

4. 天津市給水管網系統建模軟件WNW4.0簡介

　　WNW4.0功能十分強大，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。按GIS的概念，其管理功能就是一個專為給水管網系統定作的專業地理信息系統；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、優化改擴建等功能模塊，使整個系統成為進行給水系統管理和分析的功能齊全的軟件包。

5. 建立天津市給水管網模型的意義

　　(1) 將天津市給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，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。對于大型給水管網系統而言，這一點尤其重要；
　　(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) 實用優化改擴建系統，給出最優管徑。在解決天津市河南路、貴州路等處的改擴建方案中進行優化計算，取得滿意結果。

　　致謝：本項目的研究，自始至終都得到了天津市自來水公司的領導和員工的大力支持和幫助，在此表示衷心的感謝！

　　參考文獻：
　　[1] 周建華，“給水管網系統建模的研究”，哈爾濱建筑大學碩士論文，2000
　　[2] 趙洪賓，“城市給水管網建模現狀與發展”，吉林建工學院學報，2000
　　[3] R.P DONACHIE “Digital Program for Water Network Analysis”ASCE, HY.3, PS 93-403, 1974
　　[4] Bragiela “Pressure and Flow Uncertainty in Water System”, J.Water Res Plan Man, VOL.115, NO.2,1989

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作者簡介：
　　趙洪賓 教授 博導 哈爾濱工業大學市政環境工程學院
　　通 訊 處： 150090 哈爾濱工業大學（二區）624#信箱
　　電話： 0451-6282281
　　Email: zhb@mail.hrbucea.edu.cn