林朝陽

LIN Chao-yang

（廈門水務(wù)集團(tuán)有限公司）

(Xiamen Water Group Co.,Ltd.)

1 供水管網(wǎng)微觀水力模型優(yōu)點(diǎn)分析

供水管網(wǎng)微觀水力模型是借助管網(wǎng)運(yùn)行壓力、水量數(shù)據(jù)和營(yíng)銷服務(wù)系統(tǒng)的水量數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)公式、邏輯準(zhǔn)則和數(shù)學(xué)算法，描述供水管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)和管段水流運(yùn)動(dòng)和水質(zhì)變化狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)的水力運(yùn)行狀態(tài)的在線仿真模擬，指導(dǎo)管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行。

供水管網(wǎng)的服務(wù)壓力是衡量服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是指導(dǎo)節(jié)能降耗工作的重要指標(biāo)。管網(wǎng)壓力偏低，滿足不了用戶的用水需求要求，導(dǎo)致投訴矛盾；管網(wǎng)壓力偏高，導(dǎo)致用戶端水龍頭、熱水器等設(shè)施設(shè)備損壞，造成水廠過度的耗能生產(chǎn)成本增加，且會(huì)引發(fā)爆管增加管網(wǎng)漏損。配置合理的供水服務(wù)壓力，既能保障舒適優(yōu)質(zhì)的供水服務(wù)，又是供水企業(yè)節(jié)能降耗的關(guān)鍵[1]。

基于微觀水力模型按一定的水壓差在管網(wǎng)平面圖上繪制出等水壓線，直觀展示用戶的用水服務(wù)壓力。等壓線最好是均勻分布，若等壓線過密，用水負(fù)荷大，管網(wǎng)存在瓶頸；若等壓線過疏，表示用水負(fù)荷小，可適當(dāng)降低區(qū)域供水壓力。

2 微觀水力模型建立的基本過程

2.1 微觀水力模型的計(jì)算基礎(chǔ)

管網(wǎng)水力計(jì)算基礎(chǔ)方程包括節(jié)點(diǎn)連續(xù)性方程和水頭損失計(jì)算方程。供水管網(wǎng)中的水流運(yùn)動(dòng)都是遵循物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒定律。

1）質(zhì)量守恒定律主要是體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)處流量的分配，具體反映為節(jié)點(diǎn)連續(xù)性方程：供水管網(wǎng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)水流量、出水流量的代數(shù)和為0，見式（1）。

式（1）中： qi為節(jié)點(diǎn)i的流量，m3/s；qij為節(jié)點(diǎn)i連接的各管段流量，m3/s；i、j分別為起、止節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

2）能量守恒定律主要是體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)處壓力的分布，具體體現(xiàn)為能量（環(huán)）方程組：在供水管網(wǎng)的每一個(gè)環(huán)中，其每個(gè)管段的水頭損失的代數(shù)和為0，見式（2）。

式（2）中：hij為節(jié)點(diǎn)i連接的各管段水頭損失，MP，j為起節(jié)點(diǎn)編號(hào)；i為止節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

3）管段水頭損失方程：沿程水頭損失加上局部水頭損失，見式（3）。

式（3）中：hm為水頭損失，MP；sm為管段摩阻；q為管段流量，m3/h。

在目前比較常用的是牛頓·拉夫森節(jié)點(diǎn)法、哈代·克羅斯法以及混合節(jié)點(diǎn)-環(huán)方法、線性理論法等來求解方程組。

2.2 供水管網(wǎng)水力模型建設(shè)基本流程

1）基礎(chǔ)資料收集

基礎(chǔ)資料收集包括供水管網(wǎng)、供水量、用水量、管網(wǎng)壓力、泵站資料等。

2）數(shù)據(jù)檢查與評(píng)估

①對(duì)供水管網(wǎng)、供水量、用水量、SCADA實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)等的完整性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性進(jìn)行評(píng)估。

②檢查管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管網(wǎng)連通性、孤立管線和節(jié)點(diǎn)等[2]。

③檢查用水量數(shù)據(jù)，通過查表營(yíng)業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)的查表數(shù)據(jù)、總表查表數(shù)據(jù)、綠化和道路澆灑水量調(diào)查、產(chǎn)銷分析等多種手段獲取。

④評(píng)估用水模式，覆蓋普通居民、醫(yī)院、學(xué)校、商場(chǎng)、工廠企業(yè)、寫字樓等各類用水戶。

⑤檢查SCADA，自控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保檢測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的異常部分應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行分析處理[3]。

數(shù)據(jù)評(píng)估是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行理解、分類、篩選、連接檢查、分析和格式化的過程。通過數(shù)據(jù)分析工作，能明確缺失的數(shù)據(jù)，從而為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試提供依據(jù)。充分理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流邏輯關(guān)系及入庫規(guī)則，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化。測(cè)試模型數(shù)據(jù)接口，以方便模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入更新。指定查表營(yíng)業(yè)收費(fèi)數(shù)據(jù)中的大用戶，分析用水構(gòu)成組份，歸納用水量在日、月、季、年的變化趨勢(shì)以及供水格局的變化規(guī)律，同時(shí)選擇用水規(guī)模測(cè)試用戶。

3）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

基礎(chǔ)資料處理和評(píng)估后，對(duì)于存在的問題需要作現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查核實(shí)，包括異常的管道、閥門、水表（流量計(jì)）等。

4）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

建模需要的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試包括供水管網(wǎng)壓力、各類用水模式、管道粗糙系統(tǒng)、水泵特性測(cè)試等。

5）初步建模

應(yīng)用建模軟件建模，主要步驟包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、管網(wǎng)拓?fù)浜?jiǎn)化、模型對(duì)象的屬性配置、節(jié)點(diǎn)水量分配、用水模式確定、水泵特性配置等。

建模過程中發(fā)現(xiàn)的問題通過步驟3）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相結(jié)合，修正各種存在的錯(cuò)誤。

初步模型的建立應(yīng)在數(shù)據(jù)收集和評(píng)估后進(jìn)行的，其所有數(shù)據(jù)均來自數(shù)據(jù)評(píng)估時(shí)收集到的原始數(shù)據(jù)。水力模型建立工作在數(shù)據(jù)收集工作完成后進(jìn)行。由于數(shù)據(jù)評(píng)估時(shí)已對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整理和格式化，模型生成過程應(yīng)為平臺(tái)軟件標(biāo)準(zhǔn)接口將這些數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入的過程，建模過程均為標(biāo)準(zhǔn)操作。

6）模型校驗(yàn)

選擇壓力檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)、流量校驗(yàn)管線、水質(zhì)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)和模型校驗(yàn)日，確定模型校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

應(yīng)用建模軟件的模型校驗(yàn)功能，做模型誤差計(jì)量，調(diào)整模型對(duì)象的相關(guān)參數(shù)，再計(jì)算，反復(fù)進(jìn)行直至模型精度達(dá)到要求。

7）模型試運(yùn)行

運(yùn)用模型模擬多種應(yīng)用方案，包括供水管網(wǎng)規(guī)劃、管網(wǎng)改建設(shè)計(jì)、供水管網(wǎng)現(xiàn)狀模擬、供水管網(wǎng)水齡分析等[4]。

8）評(píng)價(jià)指標(biāo)

建立管網(wǎng)工況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將不同預(yù)測(cè)水量條件下是否會(huì)對(duì)正常的城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)造成影響進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行影響程度分析，最終將不同影響程度進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，并制定相應(yīng)的緊急調(diào)度預(yù)案，使調(diào)度預(yù)案的啟用和解除條件更為清晰、細(xì)致、可操作性強(qiáng)。

3 工程案例

3.1 建模區(qū)域概況

某區(qū)，獨(dú)立供水區(qū)域，單一水廠水源供水，無市政加壓泵站，36個(gè)在線壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控點(diǎn)平均分布在供水區(qū)域內(nèi)，管網(wǎng)長(zhǎng)度366km（DN100及以上），平均日供水量13.5萬t，漏損率12%，用戶數(shù)量約5萬戶。

3.2 模型計(jì)算水量分配

統(tǒng)計(jì)8月～9月共2個(gè)月的水廠出廠時(shí)流量數(shù)值，取平均數(shù)尋找供水量變化規(guī)律。早上11點(diǎn)的時(shí)候?yàn)樽钣盟孔罡咧怠?/p>

選擇用水狀況正常、穩(wěn)定的各類型用戶，安裝實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳的流量設(shè)備（流量計(jì)或機(jī)械表遠(yuǎn)傳裝置）采集實(shí)時(shí)的各類型用戶的用水量變化規(guī)律。采用8月～9月的營(yíng)銷抄收的水量數(shù)據(jù)平均日，根據(jù)變化系數(shù)分配至節(jié)點(diǎn)。

例：某用水量大的醫(yī)院市政直接供水與二次供水水池聯(lián)合供水，24h的用水量變化規(guī)律見圖1。

11時(shí)的用水量為最高峰用水量，占全天的比例為7.63，該醫(yī)院的用水變化規(guī)律選作為醫(yī)院用戶的代表，即市政直接供水聯(lián)合二次供水水池供水的醫(yī)院用戶11時(shí)的系數(shù)為7.63。每個(gè)相同供水規(guī)律的醫(yī)院用戶的水量分配計(jì)算，見式（4）。

其他類型的用戶用水變化規(guī)律也采用類型的同比方法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：醫(yī)院計(jì)算系數(shù)為7.63；居民計(jì)算系數(shù)為6.98；工業(yè)計(jì)算系數(shù)為5.21；商業(yè)計(jì)算系數(shù)為8.09；基建計(jì)算系數(shù)為8.65；事業(yè)單位計(jì)算系數(shù)為5.21；特種行業(yè)計(jì)算系數(shù)為5.46；學(xué)校計(jì)算系數(shù)為9.87；酒店計(jì)算系數(shù)為8.90；公園計(jì)算系數(shù)為5.21。

圖1 某醫(yī)院時(shí)流量變化圖

3.3 管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

1）將DN200mm及以上供水管道CAD版全部導(dǎo)入模型計(jì)算，進(jìn)行管網(wǎng)合并與簡(jiǎn)化，檢查連通關(guān)系；2）節(jié)點(diǎn)配置水量及高程值、用戶信息等屬性數(shù)據(jù)；3）管道配置管徑數(shù)據(jù)及摩擦系數(shù)；4）將管網(wǎng)漏失水量平攤到每個(gè)節(jié)點(diǎn)[5]。

3.4 計(jì)算成果驗(yàn)證

模型計(jì)算成果：各節(jié)點(diǎn)高程及絕對(duì)壓力，各管段的水流方向及管道流速及流量，將成果數(shù)據(jù)自動(dòng)生成等壓線圖，并與地形圖匹配。

模型驗(yàn)收成果驗(yàn)收：

1）關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)壓力精度校核：通過比對(duì)實(shí)測(cè)管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)與模型計(jì)算的壓力數(shù)據(jù)做比較，校驗(yàn)?zāi)Ｐ途?0≤誤差絕對(duì)值≤0.02MPa，100%；0≤誤差絕對(duì)值≤0.005MPa，92%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)相吻合。

2）等水壓線繪制：將區(qū)域中的各等水壓點(diǎn)連線。連線無交點(diǎn)，且分布合理符合實(shí)際情況。

3）等水壓線與用戶分布情況結(jié)合表達(dá)：準(zhǔn)確的將等水壓線與供水管網(wǎng)分布圖、用戶分布情況整合繪制成圖。

4）建模結(jié)果可評(píng)價(jià)整個(gè)區(qū)域的管網(wǎng)運(yùn)行情況，有部分區(qū)域的等壓線過于密集，用戶負(fù)荷大，亟待改造；N48節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)與模型模擬的計(jì)算數(shù)據(jù)偏差較大，判斷該節(jié)點(diǎn)周邊存在大的漏水點(diǎn)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

4 結(jié)語

綜上所述，微觀管網(wǎng)模型是在壓力數(shù)據(jù)、用戶用水量、基礎(chǔ)地形、管網(wǎng)分布等管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成的，并繪制等壓線。以科學(xué)依據(jù)判斷管網(wǎng)瓶頸、水壓薄弱等用水緊張區(qū)域，判斷大漏水點(diǎn)位置，水質(zhì)薄弱區(qū)域等。挖掘管網(wǎng)的服務(wù)能力，避免盲目投資及改造，提升供水服務(wù)水平，降低產(chǎn)銷差率，提高水費(fèi)回收率。