建立给水管网微观动态水力模型标准方法研究
摘要：阐述了水司建立给水管网微观动态水力模型的必要性，提出了一套适合我国国情的给水管网建模标准 方法 。这一方法将有助于我国给水管网建模工作走上正规化和 科学 化的道路。该方法已经成功地 应用 于上海市。
关键词：给水管网微观动态水力模型 标准方法 拓扑结构
1 水司建立给水管网微观动态水力模型的必要性
给水管网微观动态水力模型是指将给水系统中的一些给水设施(如：水泵、管道、阀门、 水库或水塔等)的特性数据、属性数据及水量数据输入管网模拟 计算 软件，进行延时模拟计 算，并达到一定校验标准的模型。建立大规模城市给水管网微观水力模型是一项系统工程。
要实现配水系统的科学化管理，尤其是大规模给水系统，水司必须建立给水管网微观动态 水力模型，原因是：给水系统的规划、设计及改扩建需要它;能指导和帮助安排检漏工作; 管网改造优先性评估;诊断管网中的异常情况，如：错关阀门，摩阻突变等，并提出解决方 案; 分析 事故或工程对用户用水的 影响 程度，分析用水困难原因，提高供水服务业务水平; 调查大规模给水系统中水打回笼现象，寻找季节性阀门 经济 开度;用模型进行每天管网运行 工况分析，能增强调度员调度信心，有利于经济调度，同时模型可用于培训调度员;能帮助 选定管网中测点位置，优化测点布置;在管网微观水力模型的基础上可开发水质模型，管网 水力动态模型与SCADA系统相连，可实现在线实时调度，为进一步实现离线或在线优化调度 提供条件等等。
2 建立给水管网微观动态水力模型标准方法
2.1 管网分析软件及现场测试仪器的选择原则
选定管网分析软件原则：
(1)与GIS、营业水费账单系统及SCADA系统有接口;
(2)能支持多种操作平台，支持多种输入输出设备，有 网络 版，人机界面友好;
(3)计算管网节点数应无限，计算速度快，占内存少(15000个节点管网模型要求内存不能超过35M);
(4)能对多种给水设施进行模拟，同一种给水设施有多种水力计算公式(尤其是管道);
(5)具备条件选定功能，具备对某些给水设施参数整体改变或修改的功能，能进行延时模拟计算(至少24h)，时间间隔可任意设置;
(6)具备模型组合、拆分及简化功能;
(7)建立的GIS图形能作为一个图层放在管网模型图形底层，同时能对管网模型进行正常的 修改等操作。
现场测试仪器的选择原则：
(1)水泵测试仪应具备测定电动机功率及效率，水泵的H～Q曲线，H～η曲线，水泵温度等参数;
(2)压力数据采集仪应能连接消火栓，收集压力数据;流量仪能安装在流量井里，进行双 向瞬时流量测定，杆的振动应该小，同时具备多种规格;水位仪投入水底，应能采集水位或 深度变化;
(3)各种仪器设备及电池能防水，有时钟、日历及随机存储器，采集时间间隔应能设置， 数据容量不能少于7d(间隔15min);
(4)采集的数据应能在测试仪的随机存储器和个人计算机(PC)之间相互调用;
(5)各种仪器设备采集数据的量程及精度应满足要求，安装操作应简便、安全。
2.2 建立管网模型拓扑结构
管网模型拓扑结构的建立有两种方法：一种是用数字化仪将给水设施数字化输入建模软件 ，形成点线结构的管网图形;另一种是从给水GIS系统中按照一定的文件格式调入经矢量化 的给水设施图形数据和属性数据，使之在管网模型软件里形成计算机给水系统管网图形。不 论是用哪种方法，实际的管网图形都要经过"微误差简化"[1]，前一种方法是在 管线图纸上完成，第二种方法是在管网建模软件里完成的。
"微误差简化"原则：
(1)简化枝状管。一般情况下，将枝状管简化掉，把它的用户用水量划到与之相连的环状 管节点上，如果枝状管上有大用户，将保留该枝状管，便于大用户24h实时用水曲线调查;
(2)简化"T"(梯)型连通管。当连通两管道"T"的直径与其中一根管道的直径相同时， 将"T"简化掉;如连通两管道"T"的直径与两根管道的直径都不同时，将保留"T";如 "T"上有常规操作阀，将保留"T";
(3)输水管道如不是枝状管，不论直径大小，不能简化掉;
(4)管网结构不能进行人工分解，平行管线不能合并;
(5)多根管道连接于同一根管道，且节点间间距小于2m，可合并为一个节点，局部水头损 失转化为管道沿程水头损失;
(6)管道拐弯或经"微误差简化"产生的水头损失，模型校验时转化为管道沿程水头损失。
节点的选定应遵循以下原则：
(1)阀门和水泵的两端设置节点;
(2)水库或水塔设置节点;
(3)管道交叉连通处设置节点;
(4)管道变径处设置节点;
(5)埋设年代不同的管道(一般在5年以上)连接处设置节点;
(6)管材不同的管道连接处设置节点;
(7)大用户位置设置单独用水量节点;
(8)现场测试点处设置节点。
节点和元素编码方法：
节点和元素编码没有统一的规则，应该根据给水管网建模给水区域的具体情况而定。节点 和元素的编码应用有限的位数尽量反映多的信息量，模型软件里允许的节点和元素编码一般 各为8位字符，信息量一般包括：给水设施类别、使用年代、材质、区域、图纸号等。这样 一来，便于管网模型的更新和校验，便于对实际管网的操作、保养和管理，也便于工程应用。
给水GIS里的节点编码方法一般与管网模型里节点编码方法不同，如：给水GIS里的阀门、 水泵等，只有一个编码，而管网模型里将任何单个给水设施两个节点，一个元素编码;考虑 双方接口时，应考虑节点和元素编码在两个系统之间的相互转化或生成方法;如给水设施是 利用数字化板输入，那么节点和元素编码是直接手工输入管网模型软件。节点的高程、管道的公称直径应从GIS系统里转入到管网模型，或手工直接输入，管道公 称直径转化为实际直径应在管网模型软件里采用条件整体改变方式完成。
2.3 现场测试
现场测试的目的是为计算给水区域或系统的总用水量、节点流量及校验管网动态水力模型 提供数据。SCADA系统或遥测系统返回的数据一般不能满足建模精度要求。
现场对给水系统任何检查和操作，都应该遵从给水系统有关安全操作程序，绝对不能影响 正常的日常供水秩序;对阀门或水泵的操作，必须得到有关责任部门的批准，并协作完成。
2.3.1 测试前的准备工作
(1)整理分析用户用水量账单数据，选定要现场读数的水表为大用户水表;对选定的大用 户水表进行强检、校正，对于大用户，要调查每周工作天数，每天的工作时间，工作班制， 是否有厂内蓄水池，蓄水池体积，进水方式，进水时间及使用周期等;
(2)在图纸上选定测压消火栓及测流流量井。在现场检查它们是否符合要求，考虑因素有 ： 交通 、安全、消火栓是否漏水、流量井是否积水、空间大小、井的深度及管道口径等;选 定测压测流点的总数目一般应不少于总用水量节点数目的15%或总节点数的10%;为了满足系 统的测试及模型校验的要求，在某些主干管或区域边界管上需要新增流量井;
(3)校验管道平均流速断面深度。在测流点要校验管道口径，在管道不同的深度测定流速 曲线，求出管道水流的平均流速，校对是否相等;其目的是确定管道真实平均流速断面深度 ，因为真实管道可能变形，内腐蚀，口径不规则;还帮助选定流量仪量程和杆长。按 文献 [2]推荐，选定不同管径测试点总数目如表1;
表1 不同管径测试点总数目
|
管道口径(mm) |
点数 |
|
小于200 |
5 |
|
大于200小于600 |
9 |
|
大于600 |
13 |
(4)检查水库、集水井或水塔是否满足水位仪器安装条件，对水库或水塔进行漏水试验;
(5)检查水厂二泵房水泵，泵站水泵是否满足测试条件，一般要在水泵进出口处按 仪器测试要求开孔;
(6)对管网中非全开或全闭阀门进行转数校验，对主干管或大口径管道上全开或全 闭的阀门进行校验;
(7)测量消火栓地面标高与仪器安装高程;
(8)设置仪器测试参数，贴上防水标签，一个仪器对应一个测试位置;
(9)进行现场测试人员培训;
(10)制定现场测试计划安排。
2.3.2 现场测试
按照制定的现场测试计划，仪器设备按操作规程进行安装，测试期间应注意以下 问题 ：
(1)测试仪器的系统时间设置应统一，北京时间或格林威治时间(GMT);
(2)水位或流量的测试必须同时进行;
(3)测试压力、水位和流量时间段最少为7d;
(4)测试期间，管网中不应该出现有较大的工程，如：冲洗消毒，管道改接等;
(5)水库、水塔和集水井水位数据采集时间间隔为5min，其它为15min;
(6)测试期间，对关键的测试点一天检查一次，发现问题，记录下来，进行检修或用 新的仪器替代，重新设置有关参数;
(7)大用户调查、抄表，最好在7d当中完成，抄表当天必须是大用户工作日，每间隔30min 抄表一次，连续抄表24h;
(8)水泵测试可在不同时间完成;
(9)测试水厂和泵站水泵的进出口压力及流量值。
一旦现场测试完毕，将所有仪器设备按照设备操作规程收回，并将所有数据转输到计算机 ，分门别类保存;分析测试数据结果，同一点如有遥测数据，可 参考 对比，对异常现象 进行调查，找原因，对个别异常的重要点需重新再测试。
。
2.4 节点流量的 计算 与阻力系数的确定
2.4.1 节点流量计算
实际供水管网系统中的用户应是管网模型中用水量节点的雏形，用户的用水量应该是给水 管网模型中节点的节点流量。然而实际供水系统中用户的用水具有随机性、周期性和不确 定性，怎样模拟用户用水的过程，即为模型中节点流量的计算 方法 。节点流量的计算是基于大量的现场实测数据，大用户现场抄表数据及每月用户水表抄见数 。节点流量的计算过程分为以下几部分：(1)在地形图上划定节点流量区域。该过程的目的 是求解每个用水量节点每月平均节点流量值，建立用水量节点号码与用户抄表簿号码的连接 关系。详细 内容 见 文献 [1]。(2)制作用户用水模式曲线[2]。该过程的 目的是寻求大用户和其它几类用户的用水 规律 曲线。基本原理是：系统水量平衡方程，其中 无计量用水模式计算方法有两种[3]："晚上净流量法"(Net Night Flow Method )和"平均流量法"(Average Flow Method);每个时间点上无计量用水的分配也有两种方法 [4～5]：第一种是管网当中的无计量用水按照用水量节点上连接的水表数目占 管网 研究 区域中总水表数目的百分数分配到每一个用水量节点;另一种方法是将无计量用水 按模型中两用水量节点间输水管长度占模型中总管长度的比例分配到下游的用水量节点。详 细内容见文献[6]。(3)确定节点流量值。知道了每类用户的用水模式曲线和 用户的平均流量值，可求解每个用水量节点每类用户的每时段用水量。
一旦一个具体研究的给水区域确定，能将以上求解过程设计成计算机软件，用于节点流量 的计算与调整，便于节点流量的更新和维护。
2.4.2 阻力系数的确定
管道绝对粗糙系数的确定：在供水系统维护、保养及改扩建过程中，很容易获得各给水区 域各种不同年代不同管材的管壁切片，用游标卡尺或其它测量方法求出管壁绝对粗糙系数， 将它们存入计算机数据库;对各种不同管材、不同年代K值进行曲线拟合，求出其它未 测量管道的K值。
阀门阻力系数的确定：不同阀门阻力系数的确定可从阀门生产厂家直接获得;或用它们的 数据按建模软件里阀门模拟公式的要求，经转换获得;如现场测试条件具备，也可在现场实 测获得有关阀门阻力系数值。
这些管道的粗糙系数K值和阀门的阻力系数值作为模型启动计算时输入的初值，模型 校验时需再调整。
2.5 模型的校验
2.5.1 模型校验的基本方法
对于管道：
对于一般阀门：
Q=CV·A(2g·ΔH)1/2(3)
式中ΔH--管段或阀门水头损失，m;
Q--管段或阀门流量，m3/s;
D--管段直径，m;
K--管道的粗糙系数，mm;
L--管段的长度，m;
g--重力加速度，m/s2;
λ--科尔布洛克(Colebrooks)系数;
Re--雷诺数;
A--阀门断面面积，m2;
CV--流量系数。
由式(1)、(2)、(3)可知：D和Q的改变 影响 管网水力条件较明显，K的改变影 响管网水力条件相对较小。校验的参数一般为：Q、D、K、阀门的开度、L、水泵特 性曲线、地面标高等，其中影响流量Q的因素主要是节点流量，一般情况下，调整无计 量用水模式和居民用水模式曲线。
给水系统中每个给水设施的校验都是通过多次"试再试"，逐步逼近的方法完成。
模型校验过程中，碰到异常现象(模型计算值和测试值差异较大)时，应首先检查管网连接 关系，应对测试数据进行反复 分析 ，有必要，需到现场进行多次现场测试，分析结果应该得 到多个部门和测试数据的肯定;所有的异常现象及解决过程和方法应记录下来。
一些管网模型专家的建模经验[2，3，5，7，8]表明：产生异常现象的主要 原因是实际的管线连接情况与计算机给水管网模型里的管线连接关系不一致，或者是阀门的 实际开度或控制参数值的设定与收集到的信息不一致。
2.5.2 选定校验日期
给水系统中测试的数据为7d，模型校验时，只选其中一天的数据;首先收集给水系统测试 期间的调度报告和有关系统中事件记录，按照测试期间的要求选定一天的数据作为校验数据 ，该天即为模型校验日期。校验日不应是节假日、周六和星期日。
2.5.3 校验标准
文献[2]提供的校验标准如表2。
2.6 模型的维护和更新
模型的更新应与管网改扩建同步。通过数字化板或调用新的GIS数据来更新模型的 网络 拓 扑结构;节点流量的更新通过节点流量分配软件和SCA DA系统或Telemetry系统返回的流量 数 据完成，K值每年需按一定的增长比例进行更新;水泵开停及阀门参数的设定按计算日 期各自实际状态设置更新。
对于一个校验好的模型， 应用 了几年(2～5年)后，需重新校验，校验过程和方法同建模过 程。
表2 校 验 标 准
|
项 目
|
参 数
|
校验标准(误差范围)
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管段流量
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流量大于总流量10%管道
|
实测值的±5%
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|
流量小于总流量10%管道
|
实测值的±10%
|
|
|
节点压力
|
100%校验节点
|
实测值的±19.6kPa或区域总水头损失的10%
|
|
95%校验节点
|
实测值的±14.7kPa或区域总水头损失的7.5%
|
|
|
85%校验节点
|
实测值的±9.8kPa或区域总水头损失的5%
|
|
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水库或水塔
|
水位
|
实测值的±0.98kPa
|
2.7 模型报告及文档
模型报告及文档的整理是建模工作的一项重要内容，它将建模的整个过程及收集的资料以 文字、图纸和磁盘的形式保存下来，内容包括：
(1)执行 总结 ：描述研究的主要目标，执行情况，从宏观角度得出结论(涉及配水系统本身 );
(2)介绍：包括区域名称，研究区域的面积，报告内容总结，研究期间工作时间表等;
(3)研究区域描述：描述的内容包括研究区域图形，面积，干管长度，区域用水性质，用 水结构，人口，日用水量情况，区域内水厂、水库或水塔、泵站等;
(4)数据收集：记录管网有关数据的收集，水厂、泵站及调蓄设备数据收集，包括大用户 每月用水数据，节点和元素号码及地址等;
(5)现场测试：包括测试前的准备工作情况，区域阀门关闭情况，流量曲线，测试日期， 再测试日期及地点，测试用的设备参数细节，水泵测试结果，大用户测试结果记录等;
(6)测试数据分析：包括选定区域的校验日期，流量数据分析，压力数据分析，漏水水平 、用水曲线及用水模式曲线的计算，异常数据结果及造成的原因分析等;
(7)模型校验：记录校验的整个过程，校验结果，校验过程中遇到的异常现象及解决方法 ，对未解决的异常现象要记录已做了哪些工作;
(8)模型操作手册：简单解释给水设施模拟数学模型及有关参数含义，模型操作方法等;
(9)模型观察：将模型用来预测其它工况时，记录下模型有关流量、压力及漏失水平等情 况，对低压区，超过预期的水头损失，区域漏失，异常大阻力等进行观察和分析;
(10)评语：对各给水区域模型及系统模型水力特征进行评述，对模型的灵敏性进行评述， 对模型的可信度及校验结果进行评述;
(11)附录：包括模型校验日的用水量总结报告，每个节点每种类型的用水总结，区域用水 量曲线，现场测试时间表，测试点的位置详图，大用户、测压消火栓及测流流量井资料，校 验曲线，图纸(管线图纸和节点用水量区域地形图)，磁盘(模型软件、模型、测试数据、节 点用水量软件)，仪器与仪器清单等。
3 结语
本文提出的标准建模方法已在上海[6]和其它一些国家水司[2，3，8]广泛应用，但在一些技术细节方面是针对 中国 给水系统的特点展开的，系统性较强，是建 模实践经验的总结。
由于篇幅限制，节点流量详细计算方法，现场数据收集表格和一些国内外建模实 例无法阐述，如需要可与作者联系。
参考 文献
1 陶建科，等.
建立 计算 机给水管网图形和在地形图上划定节点流量区域的 方法 . 给水排水，1997，23(6)：5～8
2 Water Authorities Associates/WRC. Network Analysis-A Code of Practice,1989
3 Anglian Water Services. Standard Methodology for Network Management,Dec 1994
4 Stoner Workstation Service User's SWS Water Version for Windows,1996
5 Wesnet User's Guide. Version 50,1993
6 陶建科. 建立给水管网动态模型中的水量 分析 方法. 给水排水，1998，24(1)：26～30
7 陶建科. 建立上海市计算机给水管网动态水力模型 研究 . 中国 给水排水，1999，15(4) ：11～13
8 Bryan Coulbeck. Integrated computer application in water supply,Volumel-Methods and procedures for systems simulation and control,Volume2-Application implementations for systems operation and management,Research studies press Ltd. And Jhon Wiley & Sons Inc. WRS,1993
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