同濟大學環境科學與工程學院
劉遂慶 李 強 王雪峰

　　給水管網優化設計計算、水力與水質模擬、管網優化調度、信息化和智能化運行管理及信息網絡構成了當前給水管網新理論與新技術研究和發展領域，以信息技術和智能化、自動化控制為目標，運用PLC、SCADA和GIS技術，構成了完整的節約能量、節省人工、減少漏損、保護水質等現代科技管理系統，形成了給水管網運行管理和優化調度領域高新技術產業方向。應用計算機技術提高給水系統管理和運行的水平越來越受到國內給水企業的普遍重視。開發適合我國供水企業實際需求、擁有國內獨立知識產權的專業應用軟件，是我國科技工作者的重要職責。

一、我國給水企業發展歷程

　　我國給水企業的發展已經經歷了下列幾個階段：
　　1） 解放后初期的50年代，新中國的經濟發展帶動了大中城市的給水企業發展。新建了大量給水處理和輸配水設施。但技術比較落后，運行管理自動化，信息化程度很低；
　　2）60－70年代，國內經濟發展緩慢，甚至停滯不前，人口增長激劇。給水企業處于維持和低速發展階段，供水量基本上與生活用水量增長同步，技術進步無顯著特征；
　　3）80年代，改革開放，經濟發展迅速，水源受到污染，給水設施嚴重滯后，出現愈來愈普遍的供水量不足，水質變差的問題。全國城市平均供水能力與需求水量的比例僅為80％左右，許多城市自來水異味明顯，夏季水壓低，甚至大片斷水，新建或擴建供水設施成為解決“水量”問題的“當務之急”；
　　4）90年代（1990－2000），各級政府加大城市基礎設施建設，供水量的問題得到了解決，全國平均供水能力與需求的比例達到了110－120％，采用了不少先進水處理技術，開辟新水源，水質逐步得到改善，但給水企業虧損嚴重。隨著現代化經營觀念不斷得到提高，質量管理、經濟效益和技術進步的綜合水平成為給水企業的經營和發展方向。應用計算機技術進行給水系統信息化管理和優化自動化控制成為企業技術進步的共同目標。
　　隨著全球知識經濟的飛速發展，加快技術進步和提高經濟效益才能促進企業發展，在給水企業建設、管理和運營中運用計算機技術，以高科技手段提高供水企業總體水平，已成為全球同行業的共同發展方向。計算機應用軟件成為全球最興旺的高科技產業。

二、給水系統軟件類型與功能要求

　　1．給水管理信息系統軟件
　　給水管理信息系統軟件是收集、積累、綜合分析給水系統中從水源、水處理過程、輸配水網絡到用戶的各階段的全方面信息數據，以數據庫為核心，以分類數據表格、數據表達和靈活的查詢、提示和警告等形式向決策、管理和運行操作人員提供全面數據，集檔案、圖紙和報表為一體，實現信息現代化、辦公無紙化和決策數據化。當前，給水系統信息化技術包括地理信息系統（GIS），控制檢測系統(SCADA)。GIS通常為靜態數據模式，儲存系統中各種設施（包括水源，泵站，水廠設施，管道，閥門，水表，用戶）的地理信息，以地圖方式儲存和表達，亦稱為電子地圖；而SCADA通常為隨時間變化的動態數據模式，以無線或有線通訊方式收集系統中運行數據（ 包括水量、水質、水壓、運行狀態等），以數據表格和動態曲線等方式表達，為管理和運行決策提供分析依據。
　　2．輸配水系統模擬計算－管網模型軟件
　　給水管網系統建設投資占給水系統總投資的70％以上，供水電費亦多在總供水成本費用的50－60％，所以，給水管網的設計與運行管理質量直接影響供水系統的經濟效益。管網模型軟件對給水管網建立數學模型，并進行規劃設計計算和運行狀態的動態模擬，求解管網中各管段及泵站的流量、壓力和水質分布狀態，并可計算長年供水成本費用，分析評價管網規劃設計的合理程度及運行規律，實現設計和運行管理的科學化。國內通常稱為“管網建模”。
　　“管網建模”軟件應具有以下功能：
　　（1） 網水力平差計算；
　　（2） 管網規劃設計計算和多工況狀態模擬；
　　（3） 管網動態實時模擬和供水費用計算；
　　（4） 平差計算和規劃設計計算成果圖形表達和繪圖；
　　（5） 良好的計算數據輸入、輸出、模擬計算和成果表達人機交互界面;
　　（6） 與數據庫靈活交互連接接口。
　　3．管網優化設計與優化調度軟件
　　1）優化調度模型
　　給水管網優化調度是在管網和水源現有設備的前提下，根據管網監測系統反饋的供水系統運行信息，在保證安全、可靠滿足供水需求的前提下，合理地調整調度方案，使供水系統的總運行費用最小就是優化調度的目的。考慮到供水過程中，主要費用是供水電耗和制水成本，因此優化目標函數數學表達式為：

　　
　　式中，f 系統供水費用；
　　　　　e_k 第k小時電價，單位：元/kw.h；
　　　　　Q_ki 第i個泵站第k小時的供水量，單位：m³/s；
　　　　　H_ki 第i個泵站第k小時凈揚程，單位：m；
　　　　　c_ik 第i個水廠第k小時的單位制水成本，單位：元/m^3；η_ki 第i個泵站第k小時的工作效率；
　　　　　γ 水比重，單位：9.8千牛頓/m^3；p 泵站數；
　　　　　n_i 第i個泵站的水泵數目。

　　2）約束條件：
　　（1）管網總供水量等于總用水量：

　　　　Q_T: 預測總用水量；
　　　　Q_I：第i號泵站供水量。
　　（2） 測壓點壓力約束：滿足各節點壓力要求。
　　4、給水管網水質模擬軟件
　　給水管網水質模擬是計算跟蹤管網水中溶解物質的傳輸與各時間內流經路線和分布。水質模型可分為穩態模型和準動態模型二種。
　　1）穩態模型
　　假定管網處于水力穩定狀態，在一定的運行負荷下，物質沿著流動路徑和時間運行，達到水質穩定。數學模型為：

　　

　　

　　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:分別表示節點j的上游和下游鄰接點；q_ji，q_ik：管段流量；
　　 Q_s，C_s:水源供水量及進水濃度；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>中物質反應速率常數；
　　K：管段＜j,i>中的流徑時間。
　　保守物質沿管線流動過程中，濃度不發生變化，末端濃度等于起端濃度。非保守物質在流動過程中同時發生著反應，以一級反應為例，反應動力學方程為：
　　dC/dt=-KC
　　物質沿管段流動過程中發生衰減，以不同于管段起端的濃度進入下游節點。
　　水源供水比例數學模型為：

　　

　　P_s,ji=P_s,j

　　
　　式中，j:節點I的上游鄰接點；P_s,i,P_s,ji：水源S對節點i和管段＜j,i>的供水比例；
　　　　　 q_ji:管段<j,i>流量； Q_s：水源供水量。
　　2）準動態模型
　　準動態模型的計算結果要比穩態模型的可信度高，因此，在實際工程中，大部分采用準動態模型。
　　5、供水管理與控制網絡軟件
　　應用計算機實現現代化科學管理是供水企業科技進步的發展方向，是實現企業管理現代化、高速信息通訊網絡化和運行操作優化與自動化的重要途徑。應用上述專業軟件和計算機網絡技術，通過程序邏輯控制（PLC）技術與設備，可以實現企業生產過程全自動化和優化控制。發達國家的供水企業已基本實現了這樣的全面技術。作為發展中國家的企業，需要根據企業自身的需求和技術經濟基礎制定規劃，至少利用5年左右的時間，積累經驗，避免浪費，逐步實現上述目標。

三、供水系統國產專業軟件發展和應用

　　城市供水系統軟件開發已經經歷了近30年的歷史，從給水管網平差計算到給水系統信息化、運行與管理自動化，形成了多種類型、多種版本、各具特色的軟件系列。國內外軟件市場規模不斷擴大，需求日益增長。SynerGEE(Stoner)、EPANET、8M等國外品牌軟件在國內已得到了一定的應用市場，具有管網平差、運行模擬、信息管理、運行管理等方面的較完整功能。
　　同濟大學作為給水排水領域中計算機應用研究的最早的著名大學之一，著名給水排水專家楊欽教授早在1970年代就編寫了“749”、“7512”、“767”、“784”等一系列管網平差計算和優化設計程序，開辟了國內給水排水領域中計算機應用的先河。經過二十多年的不懈努力，積累了豐富的經驗和先進的成果。在此基礎上，我們采用了當前最先進的計算機技術，開發了供水管網模擬計算軟件，在易用性、計算速度等方面均有較大突破，具有給水管網設計計算、工程規劃、設計繪圖、信息查詢和數據庫管理等功能。同時，在國內大學中成立了首家由國內專家合作興辦的給水軟件開發公司—上海同濟宏揚軟件有限公司，以高校高科技科研成果產業化為目標，以軟件國產化和本地化為優勢，最大程度地適應和服務國內給水軟件應用市場。
　　“同濟宏揚軟件”的管網系統模擬與優化調度軟件包以數據庫為數據核心，以管網地理信息、管網平差、規劃設計、實時運行模擬和優化調度為四個分離的功能軟件，實行分階段實施的計算機技術應用。四個功能軟件的構成如上列框圖所示。

圖示：“宏揚軟件”的四個獨立功能塊軟件包

參考文獻

　　1. 劉遂慶，多水源供水系統泵站供水量最優分配，中國給水排水，No.5， 1988.
　　2. 劉遂慶、陶建科，給水系統計算機控制與優化調度軟件硬件模式，98‘全國給水管網技術研討會論文集，1998.11
　　3. 王利娟、劉遂慶，給水管網水質監測點的優化布置，98‘全國給水管網技術研討會論文集，1998.11
　　4. 周 敏，關于上海市給水管網的建模工作，98‘全國給水管網技術研討會論文集，1998.11
　　5. 孫文深、黃宇陽，韓德宏，深圳市給水管網水力計算模型的建立，98‘全國給水管網技術研討會論文集，1998.11
　　6. 曾 彥，供水管網GIS模型小區試驗，98‘全國給水管網技術研討會論文集，1998.11
　　7. 查省中、王建平，廣州市自來水公司供水調度計算機系統介紹，98‘全國給水管網技術研討會論文集，1998.11
　　8. 劉遂慶、王榮和，給水管網計算機技術的應用與發展，《中國給水五十年回顧》，中國建筑工業出版社，1999
　　9. Wurbs, Ralph Allen, Water management models: a guide to software, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1995.