（水力学及河流动力学专业论文）对城市供水管网水力水质分析方法的研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 城市供水是城市命脉，它为城市的生产、生活提供必需的条件。供水管网是一个十 分复杂的系统工程，随着用户对水量、水质要求的提高，供水规模的不断扩大，如果能 够运用计算机实现供水的动态分析、模拟，了解城市管网的现状，及时获取其运行数据 信息，在对城市管网设计和进行科学管理是十分必要的。 本文在总结前人研究成果的基础上，对城市供水管网水力、水质状况进行了分析与 研究，建立了水力、水质计算模型。然后运用美国环保署研究开发的软件e p a n e t 对某 城市供水管网水力、水质进行动态模拟，使其具有管网设计计算、管网平差、水力模拟、 水质模拟、参数修改、信息查询和数据库管理等较完备功能，对城市管网的现状时时监 测。 本文对水力的分析，主要是研究管网计算的方法，采用节点水压法进行管网非线性 水力分析模型的计算。计算结果与啥代克罗斯法在最高时的管网平差值符合较好，并 对城市管网的可靠性，管道属性等作了分析与总结。 本文对水质的分析，主要是研究氯的变化机理，在此基础上利用余氯衰减模型，采 用一阶反应动力学方程，应用e p a n e t 软件对某城市供水管网的余氯衰减变化规律进行 模拟，与实测值校验结果较理想。并对水龄、管道海曾系数、管径等对管网水质的影响 作了阐述和规律性的总结，时时监测管网氯的浓度，保证管网中各点余氯均符合水质标 准。 关键词：供水管网；动态模拟；水力计算；水质；余氯 对城市供水管网水力水质分析方法的研究 t h er e s e a r c ho nh y d r a u l i cc a l c u l a t i o na n dw a t e rq 砌i t y a n a l y s e so fu r b a i lw a t e rs u p p l yn e t 、) l ，o r k a b s t r a c t w a t e rs u p p l y ，w h i c hp r 0 v i d e sn c c e s s a r yc o n 删o i l st 0 廿l ep r o d u c d o n 蛆d l i v i n go f ac i t y ， i s 吐地r m c l e u 5o fac i t y t h ew a t e rs u p p l yp i p en 撕r ki sav e r yc o m p l e xs y s t e r 删c e n g i i l e e r i l l g w i 也t l l ec i v i l i 肌si n c r e 鹪i n gr e q l l i r e m e n to ft l l ew a t e rq u a l i t y 瓯dq 啪t 毋，吼d w i t h 也ec o n d t m o u s l ye i l l a r g e dw a t e rs u p p l ys c a l e ，u s i n gc o m p u t e rt o c o m p l i s ht l l ed y n 锄i c 锄a l y s i s 髓ds i n l u l a t i o no fw a t 盯s u p p l y ，t h 岫u n d e r s t a 幽gt l l ep r e s e n ts i t l l a t i o no fc 时p i p e r l e t w o r k ，a n da c q u i r i n gi t so p e r a t i n gd a t ai n f 0 姗a d o ni nd m ei si n d i s p 朋sa _ b l ef o rac i t y i sp i p e n e t 、r kd e s i g na r l ds c i 锄f | cm a 珊喀e m e n t i nt h i s 也e s i s ，i ti s 卸丑1 y z e d 龃d 托s e a r c h e dh ) 删i cc a l c l l l a t i o na n dw a t e rq u a l i 够抽 w a l i e rd i s 伍b l n i o n 咖r k ，趾de s t a b l i s h e dt h o s ec a l c u l a _ 七i o nm o d e l so nt h cb 硒i so ff o m l e r r e s e 8 r c ha c h i e v e m e n t s t h em o d e l sa r es i l n u l a t e dd y l l a i l l i c a l l yb yu s 吨e p 心肌1s o 脚眦o f n i eu s e n v i r o n l i l e n t a lp r o t e c d o na 孽m c y ，sr e s e 盯c hp r o 掣铷n t h ed y n a n l i cs i m i l l a ：c i o r lc 眦 踮c o m p l i s ht l l e s e c t i o n sa b o u td e s i g no fw a t e rs u p p l yn e t w o r k ，n e t w o r kc a l c u l a t i 0 1 l ， 曲删cs i m u l a t i o 玛c h 蚰g ep a r a m e t e r ，小l e r ym f o m l a t i o n ，d a 衄b a s em a n a g e 髓dc o n t 抽u a l m o n i t o r i n g h lt h i s 也e s i s ，i ti sa n a l y z e da 1 1 dr e s e a r c h e dm e m e m o do fh y d r 叭l i cc a l c m a t i o na n dl l s e d 也em e 幽o do fn o d ep r e s s i i r et oc a l c i l l a t em en o n l i n e a rh y d r a l l l i cm o d e lo fw a t e rd i s 试b u t i o n n 咖o r k t h e 咒吕u hs h o 粥g o o dc o r r e s p o n d e n c e 、j l ，i m 也cm c 血o do fh 删yc r o s sd a t a a s e r i e so f 如旧| y s e sa r ep 柏m 坞dt 0e x 髓1 i 1 1 et h ce f f b c t so ft h ec k m g eo fp i p er o u g h e s s c o e m c i e m sa i l ds y s t e mr e l i a b i l 试e s m e g e “eo f w a t e rq u a l 毋i nd i s 蛐u t i o nn e 咖r ki ss h l d i e d 1 1 1 em e s i si n 廿o d u c e s m ec o n v e n t i o n a lf i r s t o r d e f 埘日d e lt od e s c r i b ec m o 曲ed e c a yi i lw 栅s u p p l y 斜砒e mb 嬲e do n w a t e rq u a l i 可眦a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ed e c a ym o d e l ，w es i m u l a t et l l ec h a n g em i eo f c m o r i n e d e c a yi i lt h e b 姐w 栅s u p p i yc o r 逋t i o nb yu s 血ge 队n e ts o f h v a r e t km o d e l i n g o u t c o m es h o 懈9 0 0 dc o r r e s p o n d e n c c 谢t l lo b s e r v e df i e l dd a t a nc 蛆g e t 也ei i l n u e n c eo f w a t e rq l l a l i qo nt h eb 嬲i so f m en o d ea g eo f w a t e r ，t h ec h a i 培eo f n o d a ld 锄a n d sa n dp i p e r o u 9 1 l e s sc o e f n c i e m so f 也e 玳舡怖r k b yc o n t 缸u a lw a t e rq u a l i t ym o i l i t o r m g ，t i 璩s em o d e l s c a ne n s u m 也a tr e s i 捌c h l o r i 芏l es a t i s f i e st 1 1 ew a t e rq u a l 姆s t a l l d 稍 k 彤w o l d s ： w a t e rs u p p l yn e t w o r k ；d y n a m i cs i m u h t i o ；i i y d r a u 壮cc a l c u l a t i o n ； w a t e rq u a i n y ；r e s i d u a ic h i o 血e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 弧仝日期：碰： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 稠、公 碰年月二日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 论文研究背景和意义 城市供水是保障城市人民生活、发展生产建设不可缺少的重要物质基础，已成为我 国城市开发建设的中心问题和社会经济可持续发展的制约因素，而且关系到整个社会的 安全与稳定。由于水的不可替代性，城市供水系统是一个城市重要的基础设施之一。其 主要任务就是保证为用户提供安全可靠的自来水。这包括两个部分的内容，即：水量和水 质。保证水量就是在用户水龙头处保持足够的压力，使用户能够得到所需要的水量；保 证水质就是保证用户能够饮用到合格的自来水，也就是用户饮用的水质是符合国家生活 饮用水卫生标准的。 8 0 年代，改革开放，经济发展迅速，水源受到污染，给水设施严重滞后，出现愈 来愈普遍的供水量不足，水质变差的问题。9 0 年代，采用了不少先进水处理技术，开辟 新水源，水量、水质得到一定的改善，但供水企业亏损严重。我国于九十年代开始研究 城市供水管网的水量、水质问题，虽然取得了一些成果，但这些成果的水平离国际先进 水平还有相当的距离。目前供水系统的水平提高仍跟不上我国国民经济的巨大发展和人 民生活水平的迅速提高。一些经济发达城市如深圳、上海“1 等在完成了管网水力微观模 型的开发之后便迅速着手研究管网中水质变化的模拟模型的建立o ，。其他许多大中城市 的供水企业也有研究管网水质变化的近期规划，亦急需理论和应用方面的正确指导。 供水管网作为一个结构复杂、规模庞大、用水随机性强、运行控制为多目标的网络 系统。3 ，为满足城市居民生活、生产的用水量，其扩建和改建工作较频繁，并且费用很高。 其中，由于长年的供水系统管理中，在平时不注意对管网系统进行鞍4 试以及数据的收集 和整理工作，所以，城市管网信息资料比较零乱，管网的改建、扩建和维护工作也就比 较盲目，造成了大量的人力、物力和财力的浪费。水厂运行管理不够科学、科学运行的 手段也不足。据调查，目前我国不少水厂特别是小型水厂还在采用靠人“勤跑、勤看、 勤调节”等凭经验进行控制的管理模式，因而发现问题和解决问题不够及时，工作效率 很低。 在美国，各供水企业早已明确了这样的认识，几乎所有的供水企业都己建立起一套 各自的管网水质模拟模型。在西欧如法国、英国、荷兰和亚洲的日本瑚等另一些发达国 家的重要城市，也建立起了各自的管网水质模型，经过较长时间的使用，积累了丰富的 经验，在模型的精度和实用性两方面都达到了很高的水平。 对城市供水管网水力水质分析方法的研究 经济建设的迅速发展，城市规模的日益扩大，对城市供水工程的建设、管理提出了 越来越高的要求，能够运用计算机实现供水的动态分析、模拟等问题在设计和管理过程 中就变得十分重要。动态分析、模拟不但能够完成静态的数据分析和系统设计，还可以 实现对供水管网的动态分析和仿真，时时地获取管网系统在不同供水需求以及极端用水 ( 消防、故障等用水) 条件下的状况，以及水量、水质等信息，从而得到科学、精确的 数据。这样既为改建、扩建管网设计提供准确的数据资料，避免工程的盲目性嘲，同时， 也为城市管网的科学管理提供可靠的数据信息，以便供水部门对管网突发事件作出快速 反应。 随着全球知识经济的飞速发展，加快技术进步和提高经济效益才能促进企业发展， 在供水企业建设、管理和运营中运用计算机技术，以高科技手段提高供水企业总体水平， 已成为全球同行业的共同发展方向。 1 2 供水管网理论计算的发展状况 1 2 1 管网水力分析计算的发展状况 管网的水力分析是城市管网科学管理的基础，了解管网各管段的实际流量分配，各 节点的水压，以及供水源的工作情况( 水量和水压) ，即了解整个管网的实际运行工况。 管网水力分析计算，始于1 9 3 6 年，h a r d yc r o s s 在环状网的水力计算中提出了至今 仍在普遍应用的方法一h a r d yc r o s s 法，它以能量方程的水头损失平衡为准则，并引 进校正流量的概念而导出非线性方程组，然后将其线性化来求解” 。7 0 年代初，我国供 水管网水力计算大多基于哈代法。此方程采用的是迭代方法，方程的欲求变量是环的校 正流量，方程的个数是管网的基环数。在无计算机的年代里，其迭代公式简单，便于手 工计算的优点，使其一度在管网水力计算方法中占据统治地位。但该方法计算前需要 初分管段流量，忽略了环与环之间的相互影响，对于大型复杂管网，初分流量相当繁琐， 人工工作量较大，其收敛速度慢，若初分值不合理会导致迭代算法不收敛。因此，不少 学者对原公式进行了修正，以便加快收敛速度。在此期间，我国同济大学的杨钦教授提 出了校正流量分配法，考虑了邻环之间相互影响的传播系数，减少了迭代次数，提高了 收敛速度。 8 0 年代以后，随着网络技术的应用发展，应用图论。删来构造供水管网的节点方程 和环方程，这些方程都是以矩阵来描述的，方程形式简洁明了，使人们对系统、方程本 身的性质及其应用有了更直观、更深刻的认识。而且，随着计算机技术及其相关科学的 发展，计算机对复杂的数学问题可以作到快速、可靠、精确的求解，从而促进了供水管 网水力分析技术的发展。应用较多的是牛顿迭代法来求解节点方程和环方程，由于应用 大连理工大学硕士研究生学位论文 牛顿法求解时所形成的雅可比矩阵是一对称正定、带状的稀疏矩阵，即可利用效率极高 的平方根法来求解相应的线性方程组，又可采用带宽压缩存储技术，节约大量内存。这 种方法收敛速度快、精度高、存储量小，目前，即使在微机上也可对任何现实的大型供 水管网进行水力分析计算m ，。 节点水压是反映供水管网运行质量的重要指标之一，迅速全面地获得管网的水压信 息，以便于对管网进行适时的监测、控制和管理，以保证供水质量，运行安全，节水节 能和运行效率“”。为此，本文基于解节点水压方程的算法原理及管网数据结构的特征， 用梯度迭代法来求解节点方程和环方程，并结合实例进行了应用和验算。 1 2 2 管网水力模型发展概况 供水管网系统水力模型的发展经历了一个从手工计算到计算机模拟计算的过程。在 3 0 年代，h a r d yc r o s s 提出的管网水力分析方法，开创了管网水力分析的先河，它可以 对简单的管网系统进行节点水压和管网流量的求解。4 0 年代，m c e l r o y 分析器用电子物 理模拟的方法进行管网系统的水流运动模拟。5 0 年代，专用模型系统出现，可以对单水 源管网系统进行节点水压和管网流量的计算。6 0 年代，计算机技术逐渐开始应用，这一 时期提出了大量的分析方法，并推出了一系列的实用程序，这一时期研究的重点在于水 力分析和标准优化设计计算，并开始考虑水泵、阀门等水量调节设旆，形成延时水力模 型的雏形。进入8 0 年代，计算机技术已走向成熟，管网模型也向智能化、图形化方向 发展，其方便的界面和强大的功能，使供水管网进入科学管理的新纪元嘲。 在供水管网的工程设计和维护过程中，一般通过计算管网平差来获取在用水量最高 日最高时、平均日平均时、最高日最高时加消防用水量和供水干管发生事故时四种静态 情况下的数据。但是在实际工作中，供水系统日常的运行是随时间变化的动态过程，用水 量改变时水位、水压和水头损失等都会发生变化。即使在管网调度管理设计中采用了 s c a d a ( 监控与数据采集) 系统，由于无法和水力分析联系起来，不能为运行管理及时提 供依据，因此指导管网调度仍然主要凭借经验。如果能及时掌握这一动态系统的变化， 在供水系统中设置各种水池、水塔及阀门等调节构筑物或者利用先进的变频调节水泵机 组，就可以提高设计精度，并方便供水管网的日常维护工作，最终实现提高工作效率和 节约各项资源的工程目标。在建立和使用供水管网的动态模型“”过程中最主要的问题 有：分析系统在动态过程中能否满足用水要求，优化设计与运行方案，通过建立计算机 供水管网动态水力模型可以有效解决这些问题。 对城市供水管网水力水质分析方法的研究 1 2 3 管网水质模型的发展状况 供水手段与技术条件始终伴随着人类文明的进步、城市的建设发展而发展。然而， 人们在开发利用水资源的同时也在改变着水环境。其中，水质污染是一个比较严重的问 题。国外学者专家对供水管网水质变化规律及其水质模型的研究起步较早，开始于上个 世纪七、八十年代。国内对水质模型的研究起步较晚，投入不足，研究力度较弱，因而 只在理论方面获得了初步的认识，并没有将理论和实践有机地结合起来，达到指导生产 的目的。 水质模型是建立在管网水力模型基础上的，按照模拟系统的水力状态，供水系统水 质模型可分为稳态水质模型和动态水质模型“”。稳态模型将管网的水力条件视为不变， 最终管网中的各种物质均能达到平衡分布而不再变化，输出的即是平衡状态下的水质分 布“”。典型的稳态水质模型是w o o d 于1 9 8 0 年提出的，模型求解了一系列节点质量平衡 模拟方程，其分析了稳态下，管网中的水质分配问题。类似于w 0 0 d 的模型，m a l e s 等“o 提出了在稳态系统下混合问题的一个算法，m u r p h y 为管网中的稳定流提出了一个模型， 可用来决定氯浓度的空间分布。1 9 8 6 年c l a r k 等提出了一个能够在时变条件下模拟水质 变化的模型，g r a y n l a n 等“”在1 9 8 8 年提出了个类似的水质模型，大部分模型都使用了 “扩展时段模拟”方法，因为它们没有模拟由于流速变化造成的惯性影响，故实际应称 作准动态模型。管网稳态水质模型为管网的一般性研究和敏感性分析提供了有效的工 具，普遍用在管网系统水质分析阶段。由于即使在管网运行状态接近恒定时，管网中的 物质也没有足够的时间传播和达到某种均衡分布，因此稳态水质模型仅能够提供周期性 的评估能力，对管网水质预测缺乏灵活性。这些模型的提出提高了对供水系统发生的动 态水质变化和复杂过程的认识，考虑到了管段分割、计算时间步长的自动选择以及内存 需要的降低，可对管网中物质空间和时间分配进行有效模拟。八十年代至九十年代初， 其它的研究者对稳态下的水质模型进行了扩充，直至动态水质模型开始使用。 动态模型是在供水系统变化如需水量和其它因素时变条件下跟踪组分的移动和转 变。g r a y m a n 等“”曾提出过管网中水质模拟的动态方法，这个模型计算不同水源流量的 混合，跟踪瞬时高浓度并且研究了一个监测系统。r o s s a n 等n 7 ，提出了利用离散体积元 素法( d v e m ) 进行管网水质模拟，这种算法利用时间驱动水质模型来跟踪管网中物质的瞬 间浓度，其基本原理是基于物质与管道之间的质量守恒关系，这种关系考虑到了平流转 输和反应动力学。我国直到九十年代末才建立了几种供水系统水质模型。但是目前国内 研究的供水系统水质模型中可以应用于实际的为数很少。 由于我国现阶段的经济发展水平决定了水源水质还不可能在短时间内有根本的好 转，水质标准的提高和水源水质的恶化对供水行业所产生的压力在一定的时期内必将进 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 一步增加，从而导致供水水质安全性等问题的凸现。因此，针对水源水质的状况和我国 国情，积极研究和开发适应性工程技术，对城市供水质量作出准确的评价和判断，是关 系国计民生的一项重要任务。这就要随时了解管网各点的水质情况，建立动态水质模型， 选择合理加氯点，寻找最佳加氯量，建立管网中余氯衰减模型。以使管网中各点余氯达 标，以保证细菌、总大肠菌群等细菌学指标符合要求。卫生部2 0 0 1 年颁布的生活饮 用水水质卫生规范“”明确规定：加氯消毒时，游离余氯在与水接触3 0 分钟后，应不低 于o 3 m g l ，管网末梢水不应低于0 0 5 m g 几。 目前美国新增的饮用水管网使用了供水系统水质模型。这些模型可用于帮助净水和 供水管网规划与运行，改善运行状况以使送达用户的水质达到最佳状态，选定监测点的 最佳位置，和确保符合规范要求。本文运用美国环保局饮用水研究部开发的水质模型软 件e p 删，对某城市管网的流速、流量、水压、溶解物浓度( 主要是氯的浓度) 等进 行多次周期性模拟，并模拟水的停留时间和对水源跟踪。 综上所述，建立供水管网动态模型( 包括：管网水力模型和管网水质模型) 是实现 市政供水管网的优化控制与科学管理的重要手段，是保证城市供水管网的安全可靠，成 为供水企业提高服务质量的关键环节，并且它对于降低整个供水系统的运行成本也有着 十分重要的意义。必将促进供水行业技术进步、进一步提高供水水质，为广大居民的饮 水安全和身体健康提供新的保障。 1 3 供水管网计算的任务及内容 1 3 。1 管网计算的任务 管网水力计算的主要任务是用数学模型计算出各管段的流量、流速和水头损失，各 节点的水压以及各水源的供水压力和流量等。从而对管网信息进行查询、统计和分析对 整个城市供水系统进行全面监测，合理调配水资源；全面了解管网的工作状况，并为管 网的优化运行调度、改建扩建、制定发展规划等提供科学依据，并可以利用管网水力计 算结果为后续的水质计算提供数据。 1 3 2 管网计算的内容 ( 1 ) 供水管网的定线与布置 考虑城市规划、水源和地形条件的影响，确定布置形式( 环状网或树状网) ，调节池 和水塔的位置，管线走向和位置。考虑分期建设的可能性，保证用户有足够的水量和水 压，保证供水安全可靠。 ( 2 ) 设计用水量的计算 对城市供水管网水力水质分析方法的研究 确定该系统在设计年限内达到的用水量情况，计算居住区生活用水和由城市供水系 统供给的工业生产用水和职工生活用水，还应考虑公共建筑用水、浇洒道路用水、绿化 用水和消防用水。 ( 3 ) 水塔和清水池的容积和水泵高程计算 一般根据城市2 4 h 的用水量变化规律，推求水塔和清水池的调节容积。 ( 4 ) 管鼹水力计算 根据实际管网的布置进行简化，利用水力计算的基础方程( 节点方程、压降方程和 能量方程) 进行计算，最后进行管网棱核。 ( 5 ) 水质本身在管网中变化机理的复杂性。 衡量水质的指标有许多种，各水质指标物质或项目有着各皂不同的变化机理本文 主要考虑氯的衰减模型，在不同的管网运行工况下，与管网中不同的组分之间相互作用 的情况下，其变化的规律又呈现不同的特点。 1 4 论文课题的提出、研究内容及其组织结构 1 4 1 课题的提出 任何水量、水压不足或水质不好都会越来越严重地给城市工农业生产、人民生活与 社会安定带来不利的影响，据2 0 0 0 年统计嗍，全国因缺水问题而直接造成的工业经济损 失高达2 3 0 0 亿元。所以对于城市供水管网，作为供水系统构筑物“链”中的最后环节， 显然其安全可靠地运行对于保证和提高整个城市的供水服务质量起到了举足轻重的作 用。 处理过的水，在流经供水系统时，在管道中可能会发生复杂的物理、化学、生物作 用而导致水质变化；在储水设备中停留时间太长，剩余氯消耗殆尽，细菌的繁殖增生等 等，导致水质恶化。如果利用先迸的计算机技术，在符合对流传输和反应动力学的质量 平衡的基础上，建立监测水质的数学模型，使该模型不仅可以观察监测点处的水质情况， 而且还可以根据这些点的有效数据，推测出管网其它各处韵水质状况，跟踪供水管网的 水质变化，从而评估出供水管网系统的水质状况。因此，为了改善现有城市供水管网的 供水现状，正确指导管网的优化设计与改扩建工程，全面掌握管网时时变化情况，建立 供水管网动态水力、水质模型则有着十分重要的理论意义和现实意义。 1 4 2 论文研究的主要内容 本论文研究目的是通过对供水管网水力、水质变化机理的研究，建立供水管网动态 模型呻1 ，并运用美国环境保护署开发的供水管网动态模型软件e p a n e t ，模j 茧l 供水管网系 大连理工大学硕士研究生学位论文 统中水流的真实流动。采用示意图方式使供水管网动态水力模型的分析更直观，为任何 随时间而改变的数据( 如水池水位、管段的管径和水管的流量等) 生成不同的示意图， 或在同张图上比较多种方案的模拟结果。而且利用动态水力模型可迅速找到系统中的 水力“瓶颈”，直观地“看”到管道的铺设效果。根据对两个城市供水管网的动态模拟， 得到管网一些参数的变化规律。具体内容如下： ( 1 ) 对供水管网的水力、水质变化机理及动态模拟的研究，建立动态模型； ( 2 ) 运用e p a n e t 软件对某城市供水管网进行数值模拟： ( 3 ) 通过数值模拟的结果，与实测值进行分析、比较，并对管网状态进行分析； ( 4 ) 研究整个管网系统中的水力问题，得到一些参数的变化规律； ( 5 ) 研究水龄、氯残余物的消失等问题。 对上述内容论文中各章的具体安排如下： 第一章绪论，介绍了国内外供水管网的发展概况，对水力、水质计算方法进行了分 析和研究，阐述了建立供水管网动态模型的重要意义。 第二章对供水管网组件水力特性及管网系统水力计算方法进行深入的分析。 第三章选择了适当的计算方法，运用系统理论，建立供水管网动态水力模型，并运 用e p a n e t 软件对某一城市进行水力计算的数值模拟，与经典的哈代法进行比较，同时 改变水力参数，得到相应的变化规律，确定该城市的管网系统能够满足近期和远期的供 水要求。 第四章以某地区的地理信息为背景，模拟了城市供水管网系统，并应用e p a n e t 软 件进行管网水质分析计算，同时与实测值进行复核，运行计算效果良好。使其获取工况 运行数据直观、准确、快捷。改变水质的一些参数，寻求相应的规律。 第五章总结全文，并对今后进一步的工作进行展望。 对城市供水管网水力水质分析方法的研究 2 供水管网水力计算理论基础及计算方法 2 1 节点流量的计算 在利用计算机对管网的各管段进行初始流量分配时，首先需要确定各个节点的流 量。供水管网节点流量是供水系统运行的重要基础数据，它反映了用水户的性质和用水 量的分布状态。由于各类用水户的性质不同，其用水规律也不同。各种时段的用水量， 在多种因素影响下出现复杂的变化，这种变化具有一定的客观性。需要进行各类用水户 用水情况的调查与分析，但一些中小城镇无法提供这类资料，只提供一些大用水户的用 水量及其位置。如果按照实际用水情况来计算管网，非但很少可能，并且用户用水量经 常变化也没有必要。因此，计算时往往加以简化。 假定用水量均匀分布在全部干管上，由此算出干管线单位长度的流量，叫做比流量： 铲窨 ( 2 _ 1 ) 上一。 式中：吼比流量，工( j m ) ； q 管网总用水量，上s ； g 大用户集中用水量总和，三j ； 卜一千管总长度，聊，不包括穿越广场、公园等无建筑物地区的管线； 只有一侧配水的管线，长度按一半计算。 从比流量求出各管段沿线流量的公式如下： 吼= 吼， ( 2 2 ) 式中：吼沿线流量，s ； 卜一该管段的长度，州。 将沿线流量折半作为管段两端的节点流量，即： q f = o 5 吼 ( 2 3 ) 式中：q 任一节点f 的节点流量，三，j ； g ，沿线流量，上s 。 大连理工大学硕士研究生学位论文 式( 2 3 ) 表示在不计大用水户的用水量的情况下，任一节点f 的节点流量q 等于与该 节点相连各管段的沿线流量毋总和的一半。大用水户的用水量直接加到最近节点的节点 流量上，据此计算出各类用水户的节点流量。 2 2 管网初始流量分配 2 2 1 均匀法 均匀法首先也要确定各管段水流流向( 流入为上游管段，流出为下游管段) ，分配 流量时从终端节点开始( 吼= o ) ，向上游一直分配到水源为止。设节点f 的上侧连接甜 条管段，均匀分担节点i 的流量及其下游管段的流囊，因此管段舡的流量为： 铲掣 ( 2 4 ) 式中：上了节点门；游侧管段的集合； 万连接在节点f 上游倒的管段数； 吼管段扩的流量，工，s ； f ，管段起、止节点编号： q ，第f 节点流量，三j 。 2 2 2 节点累计法 首先要确定各管段水流方向，从管网的终端点起进行流量分配。即：水源节点，2 0 。= l ， 其他节点= ，尉+ 表示节点f 的上游连接管段集合a 然后按此比例从管网终端节 点到配水源节点分配与各节点连接的上游管段的流量，即： ( q l + g f ) 口。：芒掣 ( 2 5 ) 铲萨 心副 式中：d 叮第i 节点下游连接管段集合； j u 第i 节点上游连接管段集合； 第i 节点连接管段数； 吼管段盯的流量，工s ； 对城市供水管网水力水质分析方法的研究 - ，管段起、止节点编号； q 第i 节点流量，工j 环数不多的管网可以应用这种流量分配方法，环数较多的复杂管网应用该方法运算 极为繁琐，不建议使用。 2 2 3 最短树法或最短路线法 此法首先耍确定各管段流向，然后把初分流量分为两步进行：第一，考虑各管段长 度，求最短树或最短路线：第二，对最短树或最短路线以及连支管段分配流量，分配时 要满足连续性方程。求最短树或最短路线可以看作从管网整体上考虑各节点间长度的联 系，这比起节点累计法、均匀法要改进不少，但是它仍要以首先确定管段的流向为前提， 因而如果流向选择不合理时，则最短树或最短路线也会随之出现问题。 2 2 4 最小平方和法 该法是把各管段流量平方和连同管段流量满足连续性方程的约束条件，写成拉格朗 日条件极值函数的形式，通过求最小值得到初分流量。构成待定系数的系数矩阵，在求 解线性代数方程组中直接得到各管段的流量和方向。由于事先无需规定管段的水流方 向，因此可用于复杂的管网。其特点是使管网起点附近流量较大的管段中，流量分配比 较均匀。它的一个突出优点是无需预先确定管段水流方向，从求解线性代数方程组中自 然得到各管段的流量和方向。 假设管网的管段数为尸，管段流量为g 。使目标函数q 为最小： ， q = g ；斗最小 ( 2 6 ) l 约束条件为各节点满足节点流量平衡条件，即流向任一节点f 的流量须等于流离该 节点的流量，以保持水流的连续性。 因目标函数为非线性，约束条件为线性，可用拉格朗日未定乘数法求解。引入未定 乘数见，得下式： q = 艺爵+ 丑 劬+ q ( 2 7 ) l 式中：q 节点f 的的流量，上，j ； 未定乘数： 吼管段扩的流量，上j ； 一1 0 大连理工大学硕士研究生学位论文 f ，_ ，管段起、止节点编号。 式( 2 7 ) 对和丑偏微分，并令其等于零，解线性方程组，因式( 2 7 ) 对嘞为凸函 数，可求得q 的最小值。对于环状管网得到的结果是初分流量结果，对于树状管网得到 的就是最终结果，具有一定的通用性。本文第三章中的哈代克罗斯法中应用该方法进 行初分流量。 表2 1 四种初分流量方法比较 t a b 2 1 c o m p a 凼o n 也e f o u r m e m o d s o f f l o w d i s 仃m u t i o n 2 3 管网的计算方程 管网水力计算的任务是，在流量已分配和管径己定的基础上，求出各管段的实际流 量，再确定配水源的流量q 和水压日，以及各节点的水压高程。管网计算的原理是基于 质量守恒和能量守恒，由此得出连续性方程和能量方程。连续性方程就是对于管网的任 一个节点来说，流向该节点的流量必须等于从该节点流出的流量。能量方程表示管网每 一环中各管段的水头损失总和等于零的关系。 设p 为管网中的管段总数，s 为配水源数，为节点数( 包括水源节点) ，三为环 数，则未知量的为p + 工+ s 个。 对于任一管网，其节点数j 、管段数p 和环数l 间的关系为： p = l ，+ 工一s( 2 8 ) 管网的基础方程有节点连续性方程、水头损失方程、能量方程以及虚环方程。 2 3 1 节点连续性方程 ( + 蜴) = q 式中：q 节点f 的流量 ( 2 9 ) 吼与节点f 相连接的各管段流量，离开节点的流量为正，流入节点的流 量为负； f ，_ ，管段起、止节点编号。 上式表示流向任一节点的流量必须等于从该节点流出的量，以满足节点流量平衡的 条件，节点数，和配水源s 的管网，可写出l ，一s 个节点方程。 2 3 2 压降方程 管段水头损失与其两端节点水压的关系式，称为压降方程即水头损失方程。 管网计算时，一般不计局部阻力损失，必要时可适当增大摩阻系数或当量长度而将 局部损失估计在内。如只计沿程水头损失时，流量“和水头损失的关系，可用指数型 公式表示： = q q = j 西 ( 2 1 0 ) 式中：e 、灯，从某一基准面算起的管段起端f 和终端_ ，的水压，m ； 管段f ，_ ，的水头损失，埘： s 水管摩阻，0 z ) 2 - m ； 力指数。 该方程数等于管段数尸。 如考虑水流方向，并假定各管段的和g 。的符号相同，可以写成： = jj 矿k ( 2 1 1 ) 式中，水管摩阻j 和指数n 值由水头损失确定节点数，和配水源数s ( 水压已知的节 点) 的管网，可写出，一s 个节点连续性方程，p 一上个压降方程。单水源时，方程数为 ，一1 个，因为管网总用水量己知，并等于供水量，所以连续性方程中有一个方程为恒定。 管段流量甄及节点流量q f 的符号与流向无关，一般规定流向节点时为负，流离节点时 为正。 2 3 3 能量方程 能量方程是闭合环的能量平衡方程，可写成： 一蛾= o ( 2 1 2 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 式中：属于基环七的管段的水头损失，m ； a 以基环七的闭合差或增压和减压装置产生的水压差，埘。 每一环有一个能量方程。管段水头损失的正负号规定如下：当管段流向与环的方向 一致时为正，反之为负；亦即顺时针流向的管段水头损失为正，逆时针方向为负。日 是环七内增压( 如泵站) 或减压装置( 如减压阀) 产生的水压差。在多水源管网中，。为 两个配水源的水压差。单水源时，鲥 = 0 。如刖t 不等于零，则在环的方向上，水压 增加时取正值，水压降低时取负值。 2 3 4 虚环方程 用有关管线的水头损失表示配水源之间的关系式称为虚环方程，如下式： f ( q ) 一f ( q ) t = ( j 1 ) ，一 ( 2 1 3 ) 式中：f ( q ) 表示配水源的流量和水压特性。 上述方程中，压降方程数为p l 个，节点方程数为，个，能量方程有三个，虚环方 程有s 一1 个，方程总数为，+ p 一三+ 三+ s 一1 = p + ，+ s l ，即比未知置少一个。这时， 全部管段流量和水头损失可由这些方程组求出，而控制点的水压高程等于自由水压加该 点地形高程，因此即可推求其余所有节点的水压高程。 2 4 管网水头损失的计算 管网计算，需要确定管线的水头损失，其中包括沿程水头损失和局部水头损失。前 者是克服管线摩擦阻力而损失的水头，它随管线的长度增加而增加，又被称为长度损失。 后者是水流通过弯管、渐缩管、分流管、合流管、阀门或其它附件时产生的水头损失。 实际管道系统，由于局部水头损失与沿程水头损失相比很小，在管网计算中一般略去不 计。 以流量和管径表示的指数公式，通式如下： ：等：嘶n ：科 ( 2 1 4 ) 式中：七系数o g 管道的流量，上，j 。 d 管道直径，肌； 以，m 指数； 对城市供水管网水力水质分析方法的研究 j = 口卜一水管摩阻，0 ，矿小； ，管道的长度，研； 各公式的水管摩阻s 和珂值不同，常用的水头损失计算公式有： 2 4 1 海曾一威廉斯( h a z e n 堋| 1 a m 8 ) 公式 b 一1 0 6 7 扩2 0 2 群 式中：c 海曾一威廉系数； d f ，管道扩直径，川； 吼管道 ，的流量，工j ； 屯管道 ，的长度，朋； 管道扩的水头损失，掰。 不同管道材质的海曾系数c 值，如表2 2 所示： 表2 2 管材海曾系数c 值 t a b 2 2h a 西w i l l i a 鹏r 0 u g l l r i e s sc 茄c i e n to f t i 豫p i p e 2 。4 2 巴甫洛夫斯基公式 矿：c 面 式中：v 流速，m j ： ，水力坡度； r 水力半径，胁； c 谢才系数，埘“5 s 。 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 c = 三r ( 2 1 7 ) 拧 式中：n 管渠壁粗糙系数，一般为0 0 1 3 0 0 1 4 ； y 指数，y = 2 5 i o 1 3 一o 7 5 ( i o 1 0 ) i ，当丹 一 删( 骂一q ) = 一l ，珥 o ，令后= o ( 这里的j 】 表示迭代次数) ； ( 2 ) 计算可y ( 尉) 即为( 3 ，5 ) j a c 。b i 矩阵( 注：w ( 叫) 为函数，( 叫) 的梯度) ； ( 3 ) 若0 v ，( 矿) l 占，则迭代结束，取研= 叫们，否则转到( 4 ) ； ( 4 ) 这时| | w ( 耐q ) 忙占，用精确一维搜索求，妒( a ) = ，( 耐”一倔厂( 叫”) ) 的一个极小 点五，使，( 耐”一五w ( 叫”) ) ，( 耐) ； ( 5 ) 令矿q = 叫“一以v ( 叫”1 ，女= 七+ 1 返回( 2 ) 。 该方法的每一步迭代，通过解决基本方程式( 3 3 ) 发现新的节点水头。 3 3 相关的几个问题 3 3 1 节点水压标高及节点服务水压标高 在供水管网系统中，管道上节点压力水头与该点地面高程之和称为节点水压标高。 供水管网系统应具有一定水压，以保证用户用水，将这一水压称为最小服务水压，管道 上节点最小服务水压与该点地面高程之和称为服务水压标高。 3 3 2 用水量变化系数 工业和生活用水随一年内各月气温升降而变化，可以用日变化系数= 警，即最 场 高日用水量与平均日用水量之比来表示包= 平均日用水量；岛= 最高日用水量) 。 盟吼堕幔；盟 对城市供水管网水力水质分析方法的研究 一日内各小时用水量的变化随人们的作息变化，可以用时变化系数蚝：兰墼，即 蜴 最高小时用水量与最高日平均小时用水量之比来表示( q = 最高时用水量；幺= 最高 日用水量) 。 ，墨应根据城市性质、城市规模、国民经济与社会发展和城市供水系统并结合 现状供水曲线和日用水变化分析确定；在缺乏实际用水资料情况下，按一定范围取定， 推荐咒取值范围为1 2 0 1 5 0 ，大城市或工业用水比例高时取低限，小城市或工业用水 比例低时取高限。日变化系数的取值范围宜为1 1 5 1 3 5 。这些数值是根据多方面长 时间的调查研究统计分析而得到的。 3 4e p a n e t 软件应用简介 3 4 1e p a n e t 软件功能简介 e p a n e t 是一种模拟一段时间水力在有压管网中变化的计算机程序，是一种帮助我们 理解饮用水在分布系统中的运动和变化的研究工具。该软件能跟踪每条管道中水的流 动；计算管网中任意位置的水的停留时间，水在管网中的停留时间决定着管网中的水质 交化，用来研究和预测全面地水质特性；每个节点的水压力，每个水塔的水位和管网中 的化学物质时间梯度组成的在模拟时期中的浓度。 其模型实际是一种管网非线性水力分析模型，它的工作原理是：预先输入管网节点 位置、管道直径、管道粗糙系数和高位水池水位等值，并代入下一步水力模拟模块进行 水力计算，求解管网各用水节点相应于所生成的随机变量值的节点水压，随着生成的随 机变景值的变化，水力计算重复不断地进行，直到预先设定的计算次数为止。其界面友 好、直观、内附工具箱功能完善。 其最大特点就是具有动态模拟能力，可以了解管网系统在不同条件下的响应。根据 压力和流量约束条件，水力学模型可以迅速确