天津市给水管网系统建模的研究

赵洪宾，周建华，阎继民
（哈尔滨工业大学给排水系统研究室）

　　摘要：给水管网系统动态建模是自来水公司实现科学管理、提高效益、提高服务水平的重要手段。本文以天津市给水管网系统建模为实例，详细地阐述了给水管网系统建模的研究方法。实践证明该方法具有很强的实用性。
　　关键词： 给水管网系统建模；模拟；现场测试；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. 问题的背景

　　国家建设部制订的“供水行业2000年规划”中提出了两项提高（安全、效益）和三项降低（电耗、药耗、漏失）的目标，这标志着我国的供水事业已经进入了加强科学管理、提高服务质量、提高经济效益的新时期。对于城市给水管网系统这么一个结构复杂、规模庞大、用水随机性强、运行控制为多目标的网络系统，欲实现科学管理，必须建立管网模型，仿真管网的实际运行工况。
　　天津市给水管网系统由三个水厂、1300多公里的管线组成，供水面积450多平方公里，服务人口1100多万，是世界上少有的大型供水系统之一。但由于给水管网系统过于庞杂、用水随机性过强等原因，影响了天津市给水管网系统的科学管理，这严重制约着天津市给水事业的发展。为扭转这一局面、实现科学管理、提高效益，建立了天津市给水管网系统模型。
　　该课题的研究是以产、学、研相结合的方式进行的，由哈尔滨工业大学给排水系统研究室、天津市自来水集团公司、天津市公用事业设计研究所共同承担。科学研究结合生产实践，三方优势互补，使该课题能结合中国的国情在较短时间内完成，且经济实用。实现了用我们自己的技术力量成功地完成特大城市给水管网系统建模，为在我国推广这方面的技术起到了示范作用。

2. 给水管网系统建模概述

　　国外在管网建模方面起步于60年代，80年代随着计算机及相应技术的发展、遥测远传设备的应用，进入了实用化阶段，而国内目前仅在个别城市实现。管网建模包括宏观模型、微观模型、简化模型和集结模型，应根据不同使用目的，采用不同的模型。天津市给水管网模型为简化模型，主要应用于信息的查询显示、现状分析（供水路径、管道负荷、供水区域等）、事故处理分析（最优关闸方案）、实用优化改扩建，今后要用于漏失控制、水泵优化调度及水质分析等。
　　给水管网模型必须准确模拟给水管网系统的静态、动态信息，包括图形、属性、参数以及状态信息。模型建立后，应反复核对校正以保证数据的准确性。建模的技术流程如图1：

3. 给水管网系统建模的研究方法

3.1 图形的模拟
　　考虑模型的准确性，天津市给水管网模型采用DN300以上（包括DN300）的管段组成。为提高模型的准确性，以水力计算为依据，适当添加了部分DN300以下对管网水力条件影响较大的管线。模拟图形还包括地理信息、大量户信息和管网附件等。整张图形以1:2000图纸为底图，采用数字化仪录入，经过系统拼接而成（如图2），包括3615个节点（水流状态发生较大变化的点），4731条管段（两节点之间的管线）。
3.2 属性的模拟
　　模拟的图形是矢量图形，其中每条管段、每个节点、每个水源等都包含许多信息，即属性。为模拟管网属性，形成管段、节点、水泵等数据库。
3.3 参数的模拟
　　（1） 海曾-威廉C值；
　　在水力模拟计算中，一般采用新管的海曾-威廉C值，取120。但实际上，由于给水管网经过多年运行，导致内壁腐蚀、粗糙度增加，致使管道的过水断面积变小，从而C值将大大降低。用新管C值将使模型失真，为获得C的良好初始估计值，在天津市给水管网建模中，采用“四点法”或“五点法”对不同年代、不同管径典型管段进行了现场实测，获得了满意效果。

由 和 求C值。

　　（2） 定速泵流量-扬程曲线的模拟；
　　水泵投入使用后，由于长期的运行磨损以及技术改造等原因，致使实际的水泵特性曲线偏离样本曲线。为提高模型计算的准确性，优化调节水泵，实现“减耗增效”的需要，在天津市管网建模中，对水泵的特性曲线进行实测。在保证供水安全、不影响生产的前提下，读取水泵在不同工况下的流量、出口压力、吸入口真空度以及高程差，以水泵的流量为横坐标，扬程为纵坐标绘制曲线而成。
　　（3） 余氯衰减系数K值的模拟； 在管网水质分析时，引入K值，用来表征管道卫生状况。管径、水温、水流状况、管材等影响该值。

3.4 状态量的模拟方法
　　（1） 总供水量的模拟 在模型中，历史供水数据直接模拟；预测未来工况时，日总供水量采用季节性指数平滑法进行预测。通过供水变化曲线，模拟时总用水量。
　　（2） 调速泵流量-扬程曲线的模拟 监测各时段的调速水泵转速，求得该转速n与额定转速n0的百分比β，按实测定速泵的方法测定调速泵额定转速n0时的流量扬程曲线：H=A+BQ+CQ2，得到调速泵转速为n时的流量-扬程曲线：H=β2A+βBQ+CQ2
　　（3） 阀门开启度的模拟 阀门开启对管道水流的水力特性影响非常大，准确的模拟出阀门开启度，计算阻力系数，非常必要。
　　（4） 用水量变化曲线的模拟 为掌握天津市的用水规律，更好地模拟用水情况，在天津市给水管网系统建模中，进行了现场实测。按照用水规律，将天津市月用水量500吨以上的大用户分为工业24小时、工业8小时等10类，从每一类中选择有代表性的用户进行连续48小时用水量实测，将实测结果整理、分析，得到每一类用户的用水量变化曲线。再根据各类用户在城市用水量中所占的比例，综合各类大用户和小用户及管网漏失量绘出城市总的用户量变化曲线，此曲线应与城市供水量变化曲线基本一致。
　　（5） 水泵开启情况的模拟 在一个城市给水管网系统中，水泵是系统中唯一的能量补给装置，基本上决定了给水管网系统的工况，必须准确模拟各时段水泵的开启状态。
　　（6） 清水池动态水位的模拟 城市给水管网系统动态建模的核心是水力模拟计算，在计算中，清水池的动态水位变化影响到计算结果。为此，必须准确模拟出清水池在不同时段的水位。
3.5 节点流量计算方法研究
　　天津市给水管网动态水力模型是在大量现场实测数据、大量户读表现场数据和大量户每月读表抄见数据库的基础上完成。节点流量由大量户、小量户以及漏失量三部分组成。大量户是整个管网中比较确定的量，根据其位置以及实测得到的变化曲线计算而成；小量户按权值分配到整个管网；漏失部分考虑管径、铺设年代、压力等因素按不同权值计算。
3.6 水力模拟计算研究
　　通过对以上静态、动态信息的模拟，就可以开始进行水力模拟计算，即平差。联立
　　（1）连续性方程Q_i+Σq_ij=0；

　　（2）压降方程 ；

　　（3）水泵特性曲线方程H=A+BQ+CQ2求解。
　　水力模拟计算是整个管网建模的核心，各个分析模块都以平差计算为基础。为提高计算速度，采用了节点编号优化、枝状管简　　化、步长因子的动态调整等优化方法，使得计算速度优于国内外同类软件。
3.7 模型校核的研究
　　通过上述过程，可以建立一个初步的管网模型，通过水力计算，模拟实际给水管网工况。但是，至此建立的模型往往不能在允许误差范围内仿真实际的给水管网工况。为建立给水管网系统模型的可信性，建立模型基准，了解实际管网运行或运行机理，必须进行模型校核。模型校核分两步：比较已知条件下的压力和流量的监测值与计算值；调整模型中的某些参数，直到计算量与监测量在允许误差范围内。
　　（1）校核数据来源：模型校核的数据除管网的静态、动态信息外，还需要监测信息。为获得监测信息，在天津市给水管网系统建模中，对100个LOGGER监测点、34个遥测点、25个自计量点、水厂压力流量监测点以及9个流量监测点进行了连续15天的现场监测，所有监测点同时开始记录。压力点均布整个管网，数目占管网主要节点数目的10%以上；流量监测点位于主要干线。
　　（2）校核标准：压力、流量监测点24小时模拟数据在允许误差范围内，低压区、高压区、供水分界线、供水趋势与实际吻合。
　　（3）模型校核的技术流程：模型校核是一个完善模型、调整参数、反复计算的过程。天津市给水管网系统模型校核的总体思路：首先比较监测点的监测值与模型计算值之间的差异，若差异过大，查找错误，进行预校核；差异较小时，调整节点流量和海曾-威廉C值；满足允许误差精度时，模型校核结束。
　　（4）校核结果
　　 压力监测点24小时统计结果

误差 <1m <2m <4m 百分比 64.0% 88.0% 100%

　　流量监测点24小时统计结果

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

　　水厂出水量24小时计算结果统计：

计算值与测量值水厂名称的差值 <1%水出水量 <2%水厂出水量 <6%水厂出水量 芥园水厂 41.7% 79.2% 100% 新开河水厂 37.5% 75.0% 100% 凌庄水厂 45.8% 83.3% 100%

　　某流量监测点24小时计算值与监测值比较：

　

3.8 给水管网系统模型的维护和更新
　　天津市给水管网系统每年都新增大量的管线，更新一些旧管线，管网拓扑结构的变化，必须及时地反应到模型中。另外，水源的变化、大量户位置的变化，用户用水模式的变化，管网操作条件的变化等，都应在模型中做相应的修改。当模型运行一段时间，如果现场监测量与模拟量之间的差值超出允许精度范围时，应重新校核模型。

4. 天津市给水管网系统建模软件WNW4.0简介

　　WNW4.0功能十分强大，包括管网图形数据和属性数据的录入、编辑、修改及查询等功能。按GIS的概念，其管理功能就是一个专为给水管网系统定作的专业地理信息系统；另外，在图形和文字信息数据库的基础上，系统加入了一系列给水管网水力计算方法，实现了对整个给水管网系统的模拟，并进一步集成了现状分析系统、事故分析、优化改扩建等功能模块，使整个系统成为进行给水系统管理和分析的功能齐全的软件包。

5. 建立天津市给水管网模型的意义

　　(1) 将天津市给水管网系统输入计算机，建立起管网系统动态水力模型，可以进行给水管网系统的动态工况分析；
　　(2) 给水管网图文数据库的建立，方便了资料的日常管理工作以及管网的维护工作等；
　　(3) 给水管网现状分析系统，使得调度人员、管理人员可以定性、定量地了解管网在不同工况下的运行情况。对于大型给水管网系统而言，这一点尤其重要；
　　(4) 给水管网事故处理分析系统，可以迅速地给出最优关阀方案，准确地指出管网应该关闭的阀门，用以指导抢修、维护；
　　(5) 实用优化改扩建系统，给出最优管径。在解决天津市河南路、贵州路等处的改扩建方案中进行优化计算，取得满意结果。

　　致谢：本项目的研究，自始至终都得到了天津市自来水公司的领导和员工的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢！

　　参考文献：
　　[1] 周建华，“给水管网系统建模的研究”，哈尔滨建筑大学硕士论文，2000
　　[2] 赵洪宾，“城市给水管网建模现状与发展”，吉林建工学院学报，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

---

作者简介：
　　赵洪宾 教授 博导 哈尔滨工业大学市政环境工程学院
　　通 讯 处： 150090 哈尔滨工业大学（二区）624#信箱
　　电话： 0451-6282281
　　Email: zhb@mail.hrbucea.edu.cn