給水管網建模是水司實現科學化管理必經之路

陶建科
上海敢創信息技術有限公司

　　摘要：給水管網建模是進行管網分析的新概念。文中作者結合自己11年來的給水管網建模實踐經驗，闡述了給水管網建模發展歷程、模型基本概念、模型的作用及建立成功給水管網模型關鍵問題，最后指出了給水管網建模是水司實現科學化管理必經之路，具有實踐指導作用。
　　關鍵詞：管網建模 經驗 概念 作用 關鍵問題 科學化 必經之路

Building Water Distribution Models is the Only Road for Water Companies to Realize Scientific Management

Tao Jianke
Shanghai Creative IT Ltd. Co.

『Abstract』Building water distribution models is the new concepts for analyzing water distribution systems. In the paper the development history of water distribution models and the model basic concepts and the model functions and the key questions to build successful water distribution models are described by the author with himself 11 years’ practical experiences. Finally, the author points out it is the only road for water companies to realize scientific management. This paper has guidance function of practice.

Key Words: Building water distribution models Experiences Concepts Functions Key questions Scientific The only road

1 前言

　　掌握給水管網系統的動態運行工況，是管理者從事給水系統管理的必然要求。給水管網系統建模是為仿真模擬管網系統動態實時運行工況而建立數學模型的過程，一方面，通過給水管網模型，可以掌握已建管網的實時運行狀況，分析管網系統中各個構成部分的運行功能，發現管網現狀存在的問題，預測管網維護和改造對總體系統的影響，科學合理地制定近期、遠期的管網改造和改擴建方案，另一方面，通過給水管網模型，可以分析和預測在不同的管網運行邊界條件下，供水系統的運行工況如何，為管網系統的安全運行、提高運行效率、節能降耗及提供企業客戶服務水平提供輔助決策支持。
　　 到目前為止，給水管網建模是仿真給水管網系統動態工況的最有效的方法^[1]，它能夠提供供水系統最有價值的信息，有助于供水管理者實現管網科學化、現代化管理。開展給水管網系統建模，建立高質量的給水管網模型對管網系統進行優化改造、進行漏水量控制、指導管網系統優化運行是我國城市供水行業在今后5－10年內的科技創新發展方向，也是我國供水行業在近期迫切需要解決的問題。
　　 作者在過去11年期間，參與了我國十多家供水企業給水管網建模工作，其中負責或主要參與完成的靜態或動態給水管網建模課題有：上海市自來水公司給水管網建模、上海浦東威望迪自來水公司給水管網建模、上海市自來水市北公司寶山供水系統管網建模、南京市自來水總公司給水管網建模、南寧市自來水公司給水管網建模、上海市跨大海大橋長距離供水系統管網建模、佛山供水總公司給水管網建模、寧波市自來水總公司給水管網建模、濰坊市自來水總公司給水管網建模、龍江自來水公司給水管網建模，等等，取得了一定的經驗，希望能與大家一起分享，共同推動我國城市供水系統自動化和信息化管理應用水平。

2 給水管網建模發展歷程^{[ 2 ]}

　　計算機技術應用在給水管網設計、優化分析、運行最優化和管理方面，已經經歷了40多年的發展歷程，國外同行專家稱這40多年的給水管網建模研究和應用的歷史為“計算的歷史”。在我國，同濟大學楊欽教授在70年代開創了計算機在我國給水管網計算和應用方面的先河，并親自設計出了“7512程序”，在當時使得我國給水管網建模理論水平與世界同步，為今天我國給水管網建模理論和實踐的發展作出了歷史性的突出貢獻。
　　 給水管網建模從60年代以后開始，一向被認為十分困難的管網平差計算工作，由于電子計算機的快速運算和準確存儲記憶功能而變得方便可行，使給水管網的設計和管理走向了科學化和數量化。為了不斷提高給水技術的科技水平，計算機應用技術的科學研究不斷地深入，出現了不斷更新換代的應用成果。40多年來，計算機已經經歷了多代更新，給水工程中的專業應用軟件和技術也在不斷地同步擴展和提高，從目前看來十分簡單的管網平差計算程序開始，繼而涌現出了管網運行實時動態模擬、計算機監測監控、優化設計、優化調度、自動化管理與運行等，最終實現供水系統閉環自動化優化運行過程，使得計算機技術已成為給水系統現代化運行調度和管理水平的重要標志和前所未有的科技進步。
　　 在工業和科技發達國家，城市給水系統基本上實現了全部計算機化的設計和管理，甚至實現了整個供水系統閉環優化運行，無人化操作。由計算機總控系統通過遠程監控、遠程數據傳輸和程序控制，實現源水水質、水位監視、水泵運行調度、自動加藥控制、濾池過程控制、管網優化調度、系統運行核算等給水系統全過程運行控制和管理。通過計算機實現了無人化、無紙化的過程控制和檔案管理，甚至包括了財務、人事等工作。上述過程大致經歷了以下三個階段：
　　· 第一階段：管網平差計算技術（1960-1980）。將供水管網基礎資料進行簡化，結合供水系統規劃水量及壓力要求，進行管網水力平查計算，進行多工況校核，如：高日高時、事故時、消防時及最大轉輸時，保證管網運行時的壓力和流量滿足要求。這一階段就是利用管網水力平查計算技術進行管網設計、運行工況計算和校核，提高供水系統設計和管理水平。
　　· 第二階段：管網資料管理、運行分析及管網優化調度（1980-1990）。開展供水管網地理信息系統建設，矢量化供水管網基礎資料、將管網系統屬性資料和空間數據庫進行統一設計，提出供水管網建模標準方法，給水管網水力模型和水質模型進入成熟應用階段。開展供水系統優化調度及專家系統的建設工作，將實現供水系統優化調度、管網水質分析與診斷、減少供水系統自來水漏失及供水成本作為研究的重點和實現的最終目標。這一階段就是利用計算機數據庫技術、管網模型工具及優化算法，提高供水系統運行效率和資料管理水平，稱之為信息化的初級階段。
　　· 第三階段：自動化優化運行與管網信息化管理（1990-）。建立供水系統優化運行和調度管理統一的數據平臺，應用計算機信息化和自動控制技術實現給水管網運行仿真模擬和科學調度，通過建立管網地理信息系統和管網壓力、流量及水質監測SCADA系統，應用計算機軟件進行管網水力及水質動態實時模擬和管網運行科學調度，通過制定經濟的離線和在線運行調度方案，統一調度各泵站的水泵運行，保障管網系統水量和水壓的優化分布，優化供水能耗和供水成本，降低管網中爆管事故的發生概率，提高供水安全性和企業服務水平，實現城市供水科技現代化。這一階段的重要特征：自控設備安裝調試、給水專業軟件開發及接口設計（管網建模、GIS、監測監控系統、決策支持系統、PLC）。這一階段的目標就是要實現整個供水系統在保證滿足供水需求的前提條件之下，系統運行成本最低，實現自動化無人化優化操作，稱之為高度的信息化與自動化階段。
　　 目前，在國外的一些工業和科技發達的國家，供水系統的運行調度和管理實現了供水系統閉環、優化自動化控制過程，如：泰晤士水司、悉尼水司等。我國和世界供水先進國家還有較大的差距，處于供水系統自動化和信息化初級階段。

3 明晰幾個概念^{[ 2 ] [3 ]}

　　管網模型總體上分為兩大類，它們是：宏觀模型和微觀模型，傳統意義上講的管網建模是指建立供水系統微觀模型，是一個建立數學模型的過程，通過數據收集和整理、現場測試、節點水量分配、模型校驗等步驟最終建立起的供水系統微觀模型。宏觀模型是在1975年由Robert Demoyer等學者首先提出的，理論的建立基于“比例負荷”的假設，應用“黑箱理論”的基本思想，直接在歷史數據的基礎上，借助統計回歸的分析方法建立回歸曲線方程，即為宏觀模型，缺點是忽略了管網系統網絡拓撲結構關系，不能計算管道和節點的工況參數，不能用于供水系統的新建、改擴建建模，多用于供水系統調度建模。供水系統微觀模型是按供水系統的實際情況，考慮了管網實際的網絡拓撲結構關系，其優點在于貼切地反映了供水系統拓撲結構的真實性，能夠用于供水系統中以任一元素為決策變量的研究，優點是顯而易見的，缺點在于建模工作量較大，要求系統資料比較完備，模型越細化，維護越困難，計算時間越長。隨著計算機水平的高速發展，象上海這樣特大型供水系統，利用計算機微觀模型計算，可以滿足在線實時模擬要求。
　　 供水系統管網模型發展過程中，除了出現上面兩個根本的概念外，還出現了其它的一些概念，如“集結模型”、“等價模型”、“簡化模型”等，它們是歷史發展過程中的產物，屬于宏觀模型和微觀模型的范疇。“集結模型”和“等價模型”屬于宏觀模型，都沒有考慮實際的管網拓撲結構關系，“簡化模型”輸入微觀模型。給水管網微觀模型建立時，一般都是建立“簡化模型”，沒有必要將所有的信息（包括水表等）都建立在模型當中。如果管網微觀模型能夠滿足供水系統日常維護、維修、檢漏、用戶用水困難調查等業務，稱之為“詳細模型”，如果管網微觀模型只是為了滿足供水系統宏觀規劃、主干管優化調度的研究，稱之為“戰略模型”，這兩種模型是沒有絕對的界線。
　　 管網建模分為兩大類型：建立供水系統水力模型和水質模型。如果模擬仿真計算是一個時間點上的工況，如：高日高時、消防時、事故時等工況，傳統上稱之為“水力或水質平查計算”或“靜態模型”，如果模擬仿真計算是一天24小時或更長的時間，并連續模擬計算，我們稱之為“動態模型”或“延時模擬計算”。根據建立起來的管網模型與SCADA系統是否實現接口，是否進行同步運算和模型校核，又分為“在線實時模擬”和“離線模擬”。

4 給水管網建模的作用

　　給水管網建模能夠將供水系統運行工況再現在計算機屏幕上，它能夠回答供水系統中任何水力邊界條件如果發生變化的情況下，預測供水工況的變化，能夠回答水壓、流量、水質參數是否滿足要求，水泵用電是否經濟等問題，然而，在供水系統管理的過程中我們是不能做試驗，或許是代價太高，正式因為這一點，給水管網模型能夠幫助管理者制定科學的合理的決策，提供技術依據。
　　 本節中談到給水管網建模的作用主要是指管網水力模型，因為在我國建立供水系統水質模型剛剛開始，處于探索階段。給水管網建模成果具有如下功能^{[1 ]}：
　　 · 供水系統的規劃、設計及改擴建；
　　 · 能指導和幫助安排檢漏工作；
　　 · 管網改造優先性評估；
　　 · 診斷管網中的異常情況，如：錯關閥門，摩阻突變等，并提出解決方案；
　　 · 分析事故或工程對用戶用水的影響程度，分析居民用水困難原因；
　　 · 調查大規模供水系統中水打回籠現象，尋找季節性閥門經濟開度；
　　 · 進行每天管網運行工況分析，增強調度員調度信心，做到心中有數，培訓調度員；
　　 · 幫助選定管網中測點位置，優化測點布置；
　　 · 在水力模型基礎上開發水質模型；
　　 · 管網水力動態模型與SCADA系統相連，可實現在線實時調度，為進一步實現離線或在線優化調度提供基礎，是它的前期工作；
　　 等等。

　　作者完成的我國十多個大型的城市給水管網建模項目中，每個項目都產生了可觀的經濟效益，不但提高了公司管網系統科技管理水平，培養了人才，而且每個項目產生的實際經濟效益都遠遠超過項目的實際總投資。
　　 案例一：上海市自來水公司于1998年3月份完成了供水管網動態水力模型^{[4 ]}，（1）管網模型建立過程中發現一些中途泵站打回籠水^{[5 ]}，它們是新閘泵站、膠州泵站、仙霞泵站、場中泵站、和田泵站、金沙江泵站、普雄泵站、泗塘泵站、汶水泵站、宜川泵站和寶安泵站，通過計算發現1996年平均合計打回籠水為2.1m³/s，假定最低供水服務壓力為14米，電費0.60元/kw.h計，通過模型診斷，關閉一些閥門，每年可節約電費270萬元。（2）1998年6月16日至17日上海市五角場環島內DN1000和DN700管道改接^{[6 ]}，施工過程中將嚴重影響附近用戶用水，通過模型模擬分析施工過程，預測降壓范圍和每個時間段的降壓幅度，為制定緩解用水困難的措施提供決策支持。（3）技術人員通過管網模型發現從楊樹浦水廠一根DN1000口徑的出廠管道輸水到外灘附近^{[5 ]}，壓力降低不正常，通過管網模型分析，判斷是DN1000管道漏水、或者是DN1000管道上有一段小口徑管道、也可能是管道上閥門掉了下去等等，在管網模型分析支持下，展開現場調查，發現是DN1000管道上閥門芯掉了下去，拿掉壞損的閥門芯后，該管道壓力平均上升了7米，附近的吳淞路泵站可以全年停開，不影響正常供水壓力，每年節省的費用為一座泵站的運行、維護和管理費用，經濟效益明顯。（4）以上列出的是比較容易量化的，上海市供水管網模型所發揮的作用遠不止以上這些，比如說，應用在供水系統的規劃設計、日常調度、培訓調度員，為開展供水系統優化調度工作提供基礎等等。
　　 案例二：南京市自來水總公司管網建模項目于2002年完成^[7]，（1）在上元門水廠改造工程中，二泵房水泵原額定揚程為59m，經計算發現該揚程偏高，水泵將運行于低效區，通過管網模擬分析，確定改造后二泵房水泵的揚程為50m，該泵房供水規模20萬m3/d，電費0.54元/kw.h計，每年可節約電費106萬元。（2）在福建路管道改造工程中，原計劃埋設直徑為DN800mm長為2707m的管道，模擬分析計算，認為管徑DN500能夠滿足需求，最終采用DN500mm，結果運行狀況良好，節約工程投資223萬元。（3）在2002年底，優化調度試運行期間，節省電耗2.37%^{[8 ]}，一年節省二泵房電費75.92萬元，另外通過管網科學調度，降低了供水系統中平均服務壓力，減少供水管網漏失，有利于管網運行安全，供水調度技術水平上了一個臺階。
　　 案例三：寧波市自來水總公司管網建模項目于2005年完成^[9]，建立了寧波市給水管網詳細模型（DN≥300mm）和戰略模型（DN≥500mm），（1）通過高精度的管網戰略模型分析，提出了寧波市供水主干管環網的高速公路規劃思想，確定了環網口徑，中國供水系統“第一環網”得到了中國專家和世界銀行專家高度的認可，獲得了世界銀行貸款1.1億美金。（2）給水管網詳細模型已經成功的應用在供水系統日常運行管理過程中。
　　 案例四：濰坊市供水管網建模于2004年底完成^[10]，管網模型的應用取得了明顯的經濟效益和社會效益。（1）供水系統改擴建：利用供水管網模型，提出了供水系統改擴建方案，通過管網動態水力模擬和工況分析發現原現狀供水系統中水流流速處于經濟流速范圍內的管道數從676根提升到762根，新規劃主干管道水流流速均處于經濟流速范圍之內，同時計算出新建白浪河水廠出廠所需壓力，為二泵房選泵提供參數。（2）在線實時工況模擬：在線實時水力模擬系統在調度中心24小時運行，調度員通過該系統可隨時了解整個管網當前的工作狀況，大大地增強了調度員作出調度決策的自信心。（3）開展經濟調度工作：濰坊市供水管網在線實時水力模擬軟件系統提供多方案費用比較功能，為調度員開展供水系統的優化運行管理提供了很好的工具。調度技術人員先預測明天的需水量，制定滿足需水量的多個經驗調度方案，設置控制點壓力，通過模型動態模擬計算，找到運行費用最低的調度方案。
　　 案例五：南寧市給水管網規劃設計與運行管理計算機軟件開發應用項目于2005年5月驗收^[11]，項目成果已經用于南寧市供水管網的規劃、設計及改擴建工作，發揮了巨大作用，產生了明顯的經濟效益和社會效益。（1）進行了南寧市供水管網系統2010年、2020年供水規劃，指導了南寧市供水管網改擴建工作。（2）隨著南寧市的發展，邕寧自來水供水系統并入南寧市自來水管網，利用該項目成果成功的輔助完成了這一工作。（3）在南寧市“136市政建設”工程過程中，項目成果應用在供水主干管規劃，保證了決策的正確性。
　　 案例六：佛山市供水總公司管網模型于2003年11月17日完成初步驗收^[12]，進入試用階段，（1）在魁奇西路DN1000mm管道安裝工程中，因沙崗舊路DN800和D N400管阻礙施工，將其臨時截斷。事先利用了管網模型進行截管狀態和壓力影響模擬計算，得出結論：截管造成瀾石區域供水壓力不同程度的降低，導致部分用戶在周末用水高峰時段可能出現斷水問題，據此進一步提出解決方案，并最終確保了市民用水。（2）為了配合道路的施工，公司規劃新裝一條長約2200m的給水管來取代現有三條舊給水管。通過模擬軟件分析表明，安裝DN800管對于沿線的各用戶水壓基本維持現狀，且略有提高，決定選用DN800管道，節約投資近700余萬元。（3）對2004年、2005年春節等重大節假日及管網重大工程施工期間的供水調度方案進行模擬校核，通過多方案優選，修正調度決策，保證了管網供水安全性，提高了供水服務質量和管理水平。
　　 ．．．．．．
　　 總之，供水系統管網模型在開展供水系統規劃設計、管網改擴建、運行調度和管理過程中作用巨大，供水系統運行管理離不開供水管網模型。

5 建立成功給水管網模型關鍵問題

　　管網系統基礎資料的完備程度和準確性直接影響到模型的精度，它們是建立成功給水管網模型關鍵問題之一^[1]。這些基礎資料包括靜態資料和動態數據。靜態資料主要來自管網地理信息系統，包括管網拓撲結構關系^[13]、管網元素的空間數據和屬性數據、水泵特性曲線等。動態資料數據來自SCADA系統，是管網實時運行的數據^[14]，如：水泵的開關狀態、閥門的開度、水庫的動態水位、實時監測的壓力點和流量點數據等。
　　 管網中不確定參數的估值是影響到建立成功管網模型關鍵問題之二^{[1] [15] [16]}。管網中不確定的參數主要有：管道實際口徑、摩阻值及節點流量的計算。由于管道內部結垢或變形使得管道實際內徑和計算內徑存在較大的差異，它們都會極大的影響水力條件。管網建模過程中，管道數量巨大，不可能每根管道都進行摩阻值測定，常采用抽樣的方法，由點推廣到面，由于不同水廠出水的水質不同，水在管道中停留時間也不一樣，流速相差較大，導致就算是從一個廠家購買的同樣型號管道，由于管道使用時間較長，摩阻值也可能相差巨大。模型中節點流量是實際供水系統中用戶用水的簡化，管網模型拓撲結構越詳細，節點流量誤差就越明顯，由于不是所有用戶用水都被實時監測，用戶用水模式曲線在計算節點流量時總是要使用的，因此誤差一定存在。如何進行管網中不確定參數的估值，國內外許多學者進行了研究，被稱之為狀態參數評估。
　　 給水管網建模經驗是直接影響到建立成功管網模型關鍵因素之三^[3] 。從來沒有在實踐過程中建立管網模型的專家，是不可能建立起一個接近真實供水系統運行的仿真模型，因為實踐過程中影響的因素太多，是哪個因素導致該誤差的產生是沒有辦法判斷的，如：一個節點的計算壓力比實測高很多，是測試儀器或測試條件出了問題，還是管道阻力偏小，還是其它原因？都有可能，無法確定。在建立任何一個復雜的供水管網模型時，總是會存在諸多的不確定參數，模型校驗階段不可能不存在大量的異常，如何解決這些問題？回答：憑借管網建模工程師扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗到實踐中尋找。一個大型的給水管網模型的校驗，對于任何管網建模工程師來說都是巨大的挑戰。

6 給水管網建模是水司實現科學化管理必經之路

　　給水管網模型是現實管網供水狀態的仿真，是認識供水系統運行狀態（水力和水質）的最有力工具，只有掌握了現實供水系統的供水狀態，才能對癥下藥，收到預期的效果。
　　 為什么供水系統中漏失率一直偏高？為什么用戶在高峰用水時，水泵全開，用戶用水量還是偏小，甚至斷流？為什么管網“自然爆管”頻率高，是材質問題，還是水力條件不好？為什么千噸供水能耗距高不下，原因如何？等等問題，回答這些問題是需要借助給水管網水力模型的，尋找解決問題的根本。為什么水廠出水水質遠超過歐盟標準，而管網水不能生飲，管網水水質變化的原因是什么？如何進行管網水水質控制？等等問題，都需要借助給水管網水質模型作為輔助工具，尋找問題的根本。
　　 毋庸置疑，給水管網建模是進行管網分析的新概念，是解決目前供水系統中突出問題的根本，是水司實現科學化管理必經之路。我們堅信給水管網模型的應用必將從“靜態”走向“動態”、從“延時”走向“實時”、從“離線”走向“在線”，最終實現全供水系統閉環自動化優化控制過程，朋友，讓我們一起努力吧。

參考文獻

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【12】 佛山市供水總公司，佛山市供水總公司給水管網建模項目執行總結報告，2003年11月。
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【14】 陶建科，建立大規模給水系統分級控制和優化調度軟硬件模式研究，《給水排水》，Vol.26 No.9 2000 ,p88-90。
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陶建科 1970年8月 上海敢創信息技術有限公司 總經理 高級工程師
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