（环境工程专业论文）给水管网动态微观水力模型的研究.pdf

摘要 给水管网是给水系统中的重要组成部分，掌握给水管网系统的动态运行工 况，是管理者从事给水系统管理的必然要求。建立管网动态微观水力模型是实现 市政给水管网的优化控制与科学管理的重要手段。本文以华北某开发区给水管网 为研究对象，旨在建立给水管网的动态微观水力模型。 首先，阐明了给水管网动态微观水力模型的概念，分析国内外管网建模领域 的研究现状及建立管网动态微观水力模型的必要性和相关技术。 其次，深入细致调研了开发区给水管网的基础资料，分别从管网水源、拓扑 关系、基础信息、用户信息、s c a d a 系统几个方面详细阐述。在此基础上，分 析建立开发区微观动态水力模型的相关参数，相应地确定以模型中的节点流量和 摩阻系数为本课题主要的研究内容。 再次，在开发区地形图上划定节点流量区域，确定节点与水表号的对应关系， 并利用m i c r o s o f ta c c e s s 数据库建立了开发区管网的用水节点信息查询系统；然 后通过对开发区用户用水结构和用水性质分类情况的分析，确定大用户、一般用 户的测试水表，并组织一天2 4 小时的现场抄表测试，绘制各类用户用水模式曲 线图，根据节点和水表的对应关系进而动态模拟用水节点流量2 4 小时的变化情 况，从而建立起给水管网动态微观水力模型的用水量分析方法。 最后，根据开发区管网管材、敷设时间、地理位置和管网初步水力计算的结 果对粗糙度系数进行分区，减少优化计算的自变量；再在管网水力平差计算的基 础上，以压力监测点处节点服务水头的计算值和管网s c a d a 系统实测压力值之 差的绝对值之和最小为目标函数，以加压泵站实际运行参数为约束条件，通过随 机数逐步优化法对目标函数进行求解，得到管网中各管段的粗糙度系数的模拟 值，并在另外两个工况下对确定的粗糙度系数进行校核，其结果比较令人满意， 证明这组粗糙度系数基本符合开发区管网实际情况，具有实用价值。 关键词：给水管网动态微观水力模型节点流量用水模式曲线粗糙度系数 s c a d a 系统 a b s t r a c t w a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ki sa l li m p o r t a n tp a r to fw a t e rs u p p l ys y s t e m t om a s t e r t h ed y n a m i cw o r k i n gs t a t u so fw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ki sn e c e s s a r yt om a n a g e r s w h o e n g a g ei nw a t e rs u p p l yc a r e e r e s t a b l i s h i n gt h em i c r o c o s m i cd y n a m i ch y d r a u l i c m o d e l so fw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ki sas i g n i f i c a n tw a yt or e a l i z es c i e n t i f i c c o n t r o l l i n ga n dm a n a g e m e n ti nm u n i c i p a lw a t e rs u p p l yn e t w o r k t h ew a t e rs u p p l y n e t w o r ko fad e v e l o p m e n tz o n ei nn o r t hc h i n ai st h eo b j e c to ft h ep a p e r e s t a b l i s h i n g t h em i c r o c o s m i cd y n a m i ch y d r a u l i cm o d e l so fw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ki st h ef i n a l t a r g e to ft h i sp a p e r f i r s t l y , t h ec o n c e p to ft h em i c r o c o s m i cd y n a m i ch y d r a u l i cm o d e l so fw a t e r s u p p l yp i p en e t w o r ki se x p l a i n e d a n dt h e n , t h es t a t u s - q u oo fp i p en e t w o r km o d e l i n g a th o m ea n da b r o a d , t h en e c e s s i t ya n dt h er e l a t i v em a n a g e m e n tt e c h n i q u eo fp i p e n e t w o r kd y n a m i cm i c r o c o s m i ch y d r a u l i cm o d e l sa r er a i s e d s e c o n d l y , t h eb a s i ci n f o r m a t i o no ft h ep i p en e t w o r ki n c l u d i n gw a t e rs o u r c e ， t o p o l o g i cc o n f i g u r a t i o n ，b a s i cd a t ao ft h ep i p en e t w o 血t h ei n f o r m a t i o no f w a t e ru s e r s a n ds c a d as y s t e mi se x p o u n d e d o nt h i sb a s e ，t h ee l e m e n t a r yp a r a m e t e r so ft h e p i p en e t w o r km o d e l sa r ea n a l y z e d c o r r e s p o n d i n g l yt h en o d ef l o wa n d t h er o u g h n e s s c o e f f i c i e n to f p i p e sa r et h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r t h i r d l y , t h er a n g eo fn o d a lf l o wi sp a r t i t i o n e do nt h em a po ft h ed e v e l o p m e n t z o n et oe n s u r et h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o d e sa n dw a t e rm e t e r s o n t h i sb a s i s ，a ni n q u i r ys y s t e mo fn o d a li n f o r m a t i o no ft h ep i p en e t w o r ko fd e v e l o p m e n t z o n eb a s e do nm i c r o s o f ta c c e s si se s t a b l i s h e d t h e nv i a t h ea n a l y s i so f 咖c t t l r ea n d p r o p e r t yo fw a t e ru s e r st h et e s t i n gw a t e rm e t e r so fl a r g ea n dc o m m o nu s e r sa r e c o n f n m e d t h e nw eo r g a n i z e dac o n t i n u o u ss p o tt e s to f2 4h o u r si no n ed a y , a n d f i g u r e so fw a t e ru s ep a t t e r na r ep l o t t e d i nt h i sw a yf i g u r e so fn o d a lf l o wo f2 4h o u r s i no n ed a yc a nb ep l o t t e db yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o d e sa n dw a t e rm e t e r s a b o v e a l l ，t h ep r o b l e mo fc a l c u l a t i n gn o d a lf l o wi nt h em i c r o c o s m i cd y n a m i ch y d r a u l i c m o d e l so fw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ki ss o l v e d f i n a l l y , f o rp r e d i g e s t i n gt h ei n d e p e n d e n tv a r i a b l e si nt h eo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o n d i f f e r e n tv a l u e sa r ee v a l u a t e dt oe v e r yp a r to fp i p en e t w o r kw h i c hi sp a r t i t i o n e d a c c o r d i n gt om a t e r i a l ，a g e sa n dl o c a t i o no fp i p e sa n dt h er e s u l to fe l e m e n t a r y a d j u s t m e n tc a l c u l a t i o n b a s e do nh y d r a u l i ca n a l y s i so fw a t e rn e t w o r k , t h es h i l lo ft h e a b s o l u t ev a l u eo ft h ed i f f e r e n c eb e t v e e nt h ew a t e rp r e s s u r ec a l c u l a t e da n dt h ew a t e r p r e s s u r em e a s u r e di ss u p p o s e da so b j e c t i v ef u n c t i o n , t h ea c t u a lp r e s s u r e so fp u m p s a r ec o n s t r i c t s t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni ss o l v e db a s e do i lt h er a n d o mo p t i m i z e a l g o r i t h m ( r o a ) a n dag r o u po fs i m u l a t e dr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t so fp i p e si s c a l c u l a t e d ，t h e ni ti sc h e c k e du n d e ra n o t h e rt w ow o r k i n gs t a t u s ，s a t i s f y i n gr e s u l t sa r e s h o w e d i tp r o v e st h a tt h eg r o u po fs i m u l a t e dr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t so fp i p e sa c c o r d s a c t u a ls i t u a t i o no fp i p en e t w o r ko fd e v e l o p m e n tz 0 n e s ot h er e s u l t sc a nb eu s e di n p r a c t i c e k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yp i p en e t w o r k , m i c r o c o s m i cd y n a m i ch y d r a u l i c m o d e l s ，n o d a lf l o w , f i g u r e so fw a t e ru s ep a t t e r n , r o u g h n e s sc o e f f i c i e n t ，s c a d a s y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 签字同期：加呻年莎月歹日 签字日期：夕年6 月“日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 水是生命之源，是制约人类社会、经济进步的重要因素。给水事业是关系到 国家经济发展和人民生活质量的重要工程，其功能效用的好坏影响到社会生产和 人民生活的方方面面，关系重大。随着社会经济的不断发展和人民生活水平的日 益提高，人们对给水服务质量的要求越来越高。目前，提高给水服务水平已成为 世界各国普遍关注的问题。 我国城市给水行业已有1 0 0 多年的历史了，特别是改革开放以后的2 0 多年 中，城市给水行业得到了快速发展。据统计 1 】，到2 0 0 5 年时，我国城市年给水 总量4 9 0 3 亿吨，用水普及率已经达到了8 8 9 ，人均生活用水量达2 1 0 1 d 。 给水管网是给水系统中的重要组成部分，其作用主要体现在保证管网内各个 用户水量、水压和水质在有关规范和标准的许可范围之内，为用户提供安全可靠 的给水来源。给水管网的建设费用( 包括管道以及阀门、泵站、水池等附属设备) 约占给水工程总投资的6 0 v 8 0 ，给水电费亦多在总给水成本费用的5 0 - , 6 0 ， 所以，给水管网的设计与运行管理质量直接影响给水系统的经济效益。 目前我国大多数城市管网建设滞后于水厂建设，并且管网是给水行业中的薄 弱环节，在给水现代化建设中要加以重点解决。因此对管网开展普查，摸清管网 现状，建立计算机管理系统，实现管网的科学管理已成为必要。随着我国经济的 发展、城市规模的扩大和现代化程度的不断提高，城市的给水管网系统也越来越 庞大，许多城市给水管线的敷设情况复杂、资料不清，有些管线甚至存在运行安 全性问题和管网的薄弱环节，这是造成给水事故的重要原因。如果对事故不能及 时发现，或发现后难以迅速制定和实施应急方案，这样一方面会使自来水管道漏 损大大增加，有时会高达其输送量的四分之一，增加了企业的生产成本；另一方 面会降低输配水系统的可靠性，一旦引发重大事故，将会对国家、人民的生命财 产造成巨大损失。 。掌握给水管网系统的动态运行工况，是管理者从事给水系统管理的必然要 求。建立管网数学模型，并进行规划设计计算和运行状态的动态模拟，求解管网 中各管段及泵站的流量、压力和水质分布状态；并可计算长年给水成本费用，分 析评价管网规划设计的合理程度及运行规律，实现设计和运行管理的科学化，国 内通常称为“管网建模”。建模是为仿真模拟管网系统动态实时运行工况而建立数 第一章绪论 学模型的过程，一方面，通过模型，可以掌握已建管网的实时运行状况，分析管 网系统中各个构成部分的运行功能，发现管网现状存在的问题，预测管网维护和 改造对总体系统的影响，科学合理地制定近期、远期的管网改造和改扩建方案， 另一方面，通过模型，可以分析和预测在不同的管网运行边界条件下，给水系统 的运行工况如何，为管网系统的安全运行、提高运行效率、节能降耗及提高水司 供水服务水平提供辅助决策支持。建模的成果具有如下功能【2 】： ( 1 ) 给水系统的规划、设计及改扩建； ( 2 ) 管网改造优先性评估； ( 3 ) 指导和帮助安排管网检漏工作； ( 4 ) 诊断管网的异常情况，如：错关阀门，摩阻突变等，并提出解决方案； ( 5 ) 分析事故或工程对用户用水的影响程度，分析居民用水困难原因； ( 6 ) 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； ( 7 ) 进行每天管网运行工况分析，增强调度员调度的科学性； ( 8 ) 帮助选定管网中测点位置，优化测点布置； ( 9 ) 在水力模型基础上开发水质模型；， ( 1 0 ) 管网动态微观水力模型与s c a d a 系统相连，可实现在线实时调度，一 为进一步实现离线或在线优化调度提供基础，是它的前期工作。 管网建模根据模拟仿真计算时间是否连续分为静态模型和动态模型：如果模 拟仿真计算是一个时间点上的工况，如：高日高时、消防时、事故时等工况，传 统上称之为“静态模型”或“瞬时模拟计算”，如果模拟仿真计算是一天2 4 d 时 或更长的时间，并连续模拟计算，我们称之为“动态模型或“延时模拟计算”。 静态水力模拟作为给水管网计算中的一项基本工作，在理论和实际应用中都 比较成熟了。自来水公司在管网微观模型建模及管网优化调度中，需要把某一时 刻的管网平差计算扩展n 2 4 d , 时或更长时间的连续计算，这就是动态模拟。静态 模拟像是用照相机把管网某一时刻的状态抓拍下来，而动态模拟则是把这些抓拍 的图像拼成连续的影片。 。 动态模拟的主要过程是，根据用户节点2 4 d 时的用水量变化以及泵站内水泵 2 4 d 时的给水量变化连续地进行水力计算，不仅得到节点压力、管段流量、流速 等在2 4 d 时内的变化情况，还得到了2 4 d , 时内水塔、蓄水池中的水位变化曲线i 根据城市特点，一般以2 4 d , 时作为动态模拟的周期，并假定在每小时内用户用水 量没有变化。 1 动态模拟以静态模拟为基础，但是高于静态模拟，有了静态模拟，可以很方 便地扩展到动态模拟。动态模拟与静态模拟的不同点在于每次平差后要调整管网 状态( 水塔，节点流量，阀门状态，水泵工况等) 。 2 第一章绪论 建立动态微观水力模型是实现市政给水管网的优化控制与科学管理的重要 手段。模型中水流的流动应该反映管网中水流的真实流动状态，相应的，动态模 型也应该反映实际管网中的动态参数。准确的动态模型可以辅助预测管网的漏损 情况；也可以较为准确地模拟事故时的运行情况，为排除事故提供参考对策；它 还是在线调度系统的数据基础，其准确性直接影响了在线调度决策的准确性；还 能够对爆管等异常情况有一定的预见功能，帮助调度人员及时进行分析。此外， 利用已建好的模型，可以用于给水系统运行的优化及规划设计、改扩建等。在现 有水力模型的基础上，还可以进一步建立水质模型，作为分析管网水质的辅助工 具。 到目前为止，给水管网建模是仿真系统动态工况的最有效的方法，它能够提 供给水系统最有价值的信息，有助于给水管理者实现管网科学化、现代化管理。 开展系统建模，z 高质量的模型对管网系统进行优化改造、进行漏水量控制、 指导管网系统仂蚕行是我国城市给水行业在今后5 1 0 年内的科技创新发展 方向，也是我匡k 行业在近期迫切需要解决的问题。 1 2 国内夕|网建模研究现状 1 2 1 国内：究现状 计算机技术，日在设计、优化分析运行最优化和管理方面，已经经历了 4 0 多年的发展历程，国外同行专家称这4 0 多年的建模研究和应用的历史为“计 算的历史”。管网模型发展历程详见表1 - 1 。 建模从6 0 年代以后开始，一向被认为十分困难的管网平差计算工作，由于 电子计算机的快速运算和准确存储记忆功能而变得方便可行，使得设计和管理走 向了科学化和数量化。为了不断提高给水技术的科技水平，计算机应用技术的科 学研究不断地深入，出现了不断更新换代的应用成果。4 0 多年来，计算机已经 经历了多代更新，给水工程中的专业应用软件和技术也在不断地同步扩展和提 高，从目前看来，从十分简单的管网平差计算程序开始，继而涌现出了管网运行 实时动态模拟、计算机监测监控、优化设计、优化调度、自动化管理与运行等， 最终实现给水系统闭环自动化优化运行过程，使得计算机技术已成为给水系统现 代化运行调度和管理水平的重要标志和前所未有的科技进步。 在工业和科技发达国家，城市给水系统基本上实现了全部计算机化的设计和 管理，甚至实现了整个给水系统闭环优化运行，无人化操作。由计算机总控系统 通过远程监控、远程数据传输和程序控制，实现原水水质、水位监视、水泵运行 第一章绪论 调度、自动加药控制、滤池过程控制、管网优化调度、系统运行核算等给水系统 全过程运行控制和管理。通过计算机实现了无人化、无纸化的过程控制和档案管 理，甚至包括了财务、人事等工作。上述过程大致经历了以下三个阶段： 第一阶段：管网平差计算技术( 1 9 6 0 1 9 8 0 ) 。将给水管网基础资料进行简化， 结合给水系统规划水量及压力要求，进行管网水力平差计算，进行多工况校核， 如：高日高时、事故时、消防时及最大转输时，保证管网运行时的压力和流量满 足要求。这一阶段就是利用管网水力平差计算技术进行管网设计、运行工况的计 算和校核，提高给水系统设计和管理水平。 第二阶段：管网资料管理、运行分析及管网优化调度( 1 9 8 0 1 9 9 0 ) 。开展给 水管网地理信息系统建设，矢量化给水管网基础资料、将管网系统属性资料和空 间数据库进行统一设计，提出给水管网建模标准方法，水力模型和水质模型进入 成熟应用阶段。开展给水系统优化调度及专家系统的建设工作，将实现给水系统 优化调度、管网水质分析与诊断、减少给水系统自来水漏失及给水成本作为研究 的重点和实现的最终目标。这一阶段就是利用计算机数据库技术、管网模型工具 及优化算法，提高给水系统运行效率和资料管理水平：称之为信息化的初级阶段。 第三阶段：自动化优化运行与管网信息化管理( 1 9 9 0 ) 。建立给水系统优化 运行和调度管理统一的数据平台，应用计算机信息化和自动控制技术实现运行仿 真模拟和科学调度，通过建立管网地理信息系统和管网压力、流量及水质监测 s c a d a 系统，应用计算机软件进行管网水力及水质动态实时模拟和管网运行科 学调度，通过制定经济的离线和在线运行调度方案，统一调度各泵站的水泵运行， 保障管网系统水量和水压的优化分布，优化给水能耗和给水成本，降低管网中爆 管事故的发生概率，提高给水安全性和企业服务水平，实现城市给水科技现代化。 这一阶段的重要特征：自控设备安装调试、给水专业软件开发及接口设计( 管网 建模、g i s 、监测监控系统、决策支持系统、p l c ) 。这一阶段的目标就是要实现 整个给水系统在保证满足给水需求的前提条件之下，系统运行成本最低，实现自 动化、无人化操作，称之为高度的信息化与自动化阶段。 目前，在国外的一些工业和科技发达的国家，给水系统的运行调度和管理实 现了给水系统闭环、优化自动化控制过程，如：泰晤士水司、悉尼水司等。 在我国，杨钦 3 1 教授在上世纪7 0 年代开创了计算机在我国计算和应用方面 的先河，设计了7 4 7 、7 4 9 、7 5 1 2 、7 6 7 程序，在当时使得我国建模理论水平与世 界同步，为我国给水行业计算机应用奠定了十分重要的基础。上世纪9 0 年代， 应用计算机进行运行管理和优化调度科学技术在得到了快速发展，以信息技术和 智能化、自动化控制为目标，运用p l c 、s c a d a 和g i s 技术，形成了完整的节 约能量、节省人工、减少漏损、保护水质等的以计算机为中心的现代高科技管理 4 第一章绪论 系统，逐步形成了运行管理和自动优化调度高科技产业。如上海【4 】、南京i s 、潍 坊【6 1 等城市，已成功建立了微观模型，并成功应用于管网的日常维护和管理，但 我国和世界给水先进国家还有较大的差距，处于给水系统自动化初级阶段和信息 化的高速阶段。 表1 - 1 管网模型发展历史 上世纪3 0 年代 h a r d y c r o s s 手1 = 求解法 上世纪4 0 年代m c e l r o y 电子分析器 上1 l = 纪5 0 年代室内模型，电子管计算机 上世纪6 0 年代院校开发程序系统，晶体管计算机 上t t c 纪7 0 年代数学模犁和计算方法发展，计算程序开发和应用阶段，小型计算机 上世纪8 0 年代用户界面、软件包及拟稳定状态模拟系统，大规模集成电路微机 软件接口、图形化软件集成设计、信息管理、智能化及自动化运行及 上世纪9 0 年代 水质模拟系统，大规模集成电路微机，p l c ，s c a d a ，g i s 1 2 2 基于管网动态微观水力模型的优化管理技术 1 2 2 1 给水系统优化调度 要对城市给水系统的运行进行优化调度决策，必须建立与给水系统的外部特 征相吻合的数学模型，科学、准确、定量地描述系统中各变量之间的关系。因此， 由优化调度的步骤可以看出，建立实际给水系统的网络分析模型是实现优化运行 的先决条件。国内外学者在这方面进行了大量研究，归纳起来可以将网络分析模 型分为两类：1 ) 微观模型，2 ) 宏观模型。 传统意义上讲的管网建模是指建立给水系统微观模型，是一个建立数学模型 的过程，通过数据收集和整理、现场测试、节点水量分配、模型校验等步骤最终 建立起的给水系统微观模型。宏观模型是在1 9 7 5 年由r o b e r td e m o y e r 等学者首 先提出的【7 】，理论的建立基于“比例负荷”的假设，应用“黑箱理论”的基本思想， 直接在历史数据的基础上，借助统计回归的分析方法建立回归曲线方程，即为宏 观模型，缺点是忽略了管网系统网络拓扑结构关系，不能计算管道和节点的工况 参数，不能用于给水系统的新建、改扩建建模，多用于给水系统调度建模。给水 系统微观模型是按给水系统的实际情况，考虑了管网实际的网络拓扑结构关系， 其优点在于贴切地反映了给水系统拓扑结构的真实性，能够用于给水系统中以任 一元素为决策变量的研究，优点是显而易见的，缺点在于建模工作量较大，要求 第一章绪论 系统资料比较完备i 模型越细化，维护越困难，计算时间越长。随着计算机水平 的高速发展，对于特大型给水系统，利用计算机微观模型计算，可以满足在线实 时模拟要求。 管网正常工况时，在保证满足用户水量、水质、水压要求的基础上，调度系 统以管网水力模型和s c a d a 系统实时监测数据为基础，通过用水量预测及管网动 态微观水力模型的延时模拟结果，确定用水量及水压分布情况，运用最优化技术， 从所有可能的调度方案中，确定一个使系统总运行费用省、可靠性高、操作简便、 满足用户给水要求的优化调度方案，从而使给水系统中各类设备始终处在较优的 运行工况下，降低给水成本，获得满意的经济效益和社会效益；事故时，通过管 网动态微观水力模型，了解管网压力分布情况，从而确定启停水泵或启闭阀门， 保证特殊用户需要的水量、水质、水压，以保障其给水安全，减少经济损失。 1 2 2 2 减少漏损 非计量用水占当天给水系统总的给水量一定比例，有必要利用现有的管网模 型作为工具，进一步探讨给水系统中非计量用水的组成，并分析原因，采取合理 措施有效降低非计量用水，降低产销差，从而提高经济效益。 可以以管网微观模型为基础，对管网进行压力监控和管理。压力是漏损的重 要影响因素，有关资料显示，漏损量与管内压力的平方根成正比。通过对压力的 控制，可以降低漏损量。从而节约水资源，并且可以在一定程度上有效的预防爆 管。 、 将管网微观模型作为调查非计量用水的工具，结合小区网格化管理手段，对 漏损情况进行分析；而通过对模型中的水量分配情况进行分析，可以评价漏水状 况。模型应用在规划设计中也得到了应用：例如一些小区管道敷设年代久，漏损 较严重，通过模型进行水力分析，经济地对这些管道进行改造，降低了管网建设 费用，同时优化了配水效率。分析水量分配情况，对漏水状况进行评价，根据漏 水严重程度采取合理的漏损控制手段，比如：对某些地段暗漏情况比较严重，且 通过模型水压分析有降低控制点( 最不利点) 压力的可能，这时可以采取减压阀控 制手段。 1 2 2 3 系统安全可靠性 系统的可靠性是指管网系统能连续可靠地工作，经济合理地保证完成其预定 的功能，即在正常工作时能保证用户所需的水量、水压和水质，即不能低于规定 的限度，包括允许降低水压和减少水量的延续时间。相对的，系统的故障状态指 的是水量、水压和水质不能满足用户的需求的情况。系统的可靠性是一个很有意 6 第一章绪论 义的课题，它能够指导技术改进、指导操作方式更换，从而保证整个给水服务水 平。 给水系统运行可靠性显然是非常重要的，但是由于管网的拓扑结构是影响管 网可靠性的主要影响因素，以至于多数情况下都认为环状管网可以保证足够的给 水可靠性。因此在以往设计中对管网系统的可靠性很少重视。在国外城市给水行 业中，管网可靠性技术的应用还处于理论探索阶段。其发展趋势是利用概率论和 数理统计的方法，分析和评估给水系统和设备的安全可靠程度，而在国内的给水 工程的设计、运行和管理方面，对管网可靠性的专门研究也很少。由于现存管网 系统的复杂性决定了计算的复杂程度，因此进一步开发相应的软件将日渐受到关 注。而将可靠性的概念应用于管网的优化设计中也是一个研究发展的趋势1 8 , 9 , 1 0 1 。 而建立与实际相符的管网动态微观水力模型是研究给水系统运行可靠性的前提 和基础。 1 2 2 4 爆管等突发事件分析 在管网检修、施工以及特殊要求给水情况时提前生成调度方案，包括关阀方 案和开泵方案，停水时间及影响用户并报表打印。对爆管事故、局部临时停水、 水源故障、管网水质故障、给水设备严重故障以及火灾等突发事件，及时生成应 急调度方案，包括关阀方案和开泵方案，影响用户列表并预估停水时间。 管网运行安全分析：分析管网运行状态、压力分布和压力变化，特别是对爆 管时的管网进行水力模拟，快速分析管网中事故原因，查找管网安全薄弱环节， 7 对管网中易发事故管道进行实时重点监测，预测事故发生前兆，当事故预兆出现 时，及时发出事故预警，并快速制定关阀策略，定位要关闭的阀门，有效预防管 网运行事故、特别是爆管事故的发生，降低爆管事故率，提高管网事故处理能力， 提高管网服务质量，减少经济损失。 1 2 2 5 管网运行状态评估 根据给水管网动态微观水力模型系统计算出来的结果，对现有管网的运行状 态进行动态评估，提出一些可能存在的问题和及其采取的对策。生成压力评估报 表、流量评估报表、管网性能报表、管网附属设施性能报表等。 1 2 2 6 水质模拟分析 在给水管网水力模型的基础上可以扩展功能，实现管网的水质动态模拟，并 进一步建立水质监控和模拟系统，以及水质预警和报警系统。 另外，可以利用水质模型对污染物进行追踪和控制，尤其是遇到大面积污染 第一章绪论 或者环境突发事件的情况下，能够充分利用该模型高效地给出应急方案。 1 2 3 建立动态微观水力模型的相关技术 1 2 3 1 地理信息系统 g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统) 作为一门新兴的学科， 能够将管网的各种信息( 属性数据) 与空间位置、空间分布及其空问关系通过数 字化( 图形数据库) 而有机的结合在一起。g i s 的数据输入、管理、查询、输出 及空问分析操作，特别是它所建立的二维矢量拓扑关系及网络分析功能，与普通 管理信息系统相比其有不可比拟的优势【l 。 g i s 系统主要是把城市的地理位置与系统设施结合在一起，用于设施的图形 管理、给水业务管理、漏水监测和辅助调度作用。通过设定一定条件，g i s 系统 可以自动形成简化了的管网图形；利用g i s 系统强大的基础信息数据库和数据导 出功能，直接提取节点、管段等管网基础数据信息，形成平差计算的输入数据文 件1 2 1 。 。 g i s 系统需要定期及时维护，保持与现状管网信息的一致性。这样，建立在 g i s 系统基础上的管网模型的基础数据的准确性才能得到保证。 1 2 3 2 s c a d a 系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，即监控与数据采集) 是用于现场监测和自动化管理技术【1 3 】。以该技术建立的系统能够收集现场数据并 通过有线或者无线信道传输到监控中心，由控制中心根据预先设定的程序控制远 程的设备。在需要监控的地点或者控制范围很大的给水管网中使用该系统是非常 经济有效的。国内从2 0 世纪8 0 年代开始，s c a d a 系统在给水行业得到了广泛的 应用。它可以实时采集现场数据，对现场进行本地或远程的自动控制，对给水过 程进行全面、实时监视，并为生产、调度和管理提供必要的参考数据，从而真正 达到国家给水行业提出的“优质、高效、低耗、安全 目标。 。 s c a d a 系统采集的管网实时数据不仅可以用来监控了解给水管网的运行情 况，及时发现问题，同时还可以用来对管网模型中的参数进行校正，如可以用 s c a d a 系统的实时压力数据校正给水管网微观模型中管段的摩阻系数，还可以用 s c a d a 系统的实时流量、压力数据建立给水系统优化调度的管网宏观模型。 1 2 3 3 用户营业收费管理系统 随着计算机应用的普及和数据库技术的发展，目前，许多城市的水司都建立 8 第一章绪论 了完善的用户营业收费管理系统，该系统基于数据库技术，将水厂或泵站的供水 量和用户的相关信息、月抄表水量、水费等内容输入数据库系统，并做到实时更 新，这些用水量历史数据为建立区域给水管网动态微观水力模型提供了有力的数 据支持。 1 2 4 小结 由此可见，完善和提高g i s 、s c a d a 系统和用户营业收费管理系统的功能， 使之能对管网进行实时监测，并在此基础上进行管网动态微观水力模型和优化调 度研究，具有重要的意义。实施这一项目不仅可对管网的实时工况进行模拟，发 现管网的薄弱环节，从而为提高管网的安全性进行适时的调整与改造，而且可以 通过加强管网的管理和进行优化调度，使管网压力分布均匀，并使泵站系统节约 能耗。所以国内自来水企业对本项目的需求是相当迫切的。业内众多有识之士已 达成共识：使用计算机，借助g i s 、s c a d a 系统、用户营业收费管理系统来进 行给水管网的管理、优化调度及事故处理，已是势在必行。图1 - 1 为建立动态微 观水力模型的系统图。 图1 - 1 建立动态微观水力模型系统图 1 3 主要研究目标、内容、方法概述 本文旨在建立给水管网的动态微观水力模型，具体分析建立模型的各项基本 参数，重点研究节点流量和管网粗糙度系数。主要分为以下几方面的内容： ( 1 ) 确定以华北某开发区给水管网为研究对象，调研开发区给水管网的基 础资料，分别从管网水源、拓扑关系、基础信息、用户信息、s c a d a 系统五个 9 第一章绪论 方面详细阐述，分析建立开发区微观动态水力模型的相关参数，确定以模型中的 节点流量和摩阻系数为本课题的主要研究内容。 ( 2 ) 节点流量的确定：在开发区地形图上划定节点流量区域，确定节点与 水表号的对应关系，并利用m i c r o s o ra c c e s s 数据库建立了开发区计算管网的用 水节点信息查询系统；然后通过对开发区用户用水结构和用水性质分类情况的分 析，确定大用户、一般用户的测试水表，并组织一天2 4 小时的现场抄表测试， 绘制各类用户用水模式曲线图，根据节点和水表的对应关系进而动态模拟用水节 点流量2 4 小时的变化规律。 ( 3 ) 粗糙度系数的确定：根据开发区管网管材、敷设时间、地理位置和管 网初步水力计算的结果对粗糙度系数进行分区；再在管网水力平差计算的基础 上，以压力监测点处节点服务水头的计算值和管网s c a d a 系统实测压力值之差 的绝对值之和最小为目标函数，以加压泵站实际运行参数为约束条件，通过随机 数逐步优化法对目标函数进行求解，得到管网中各管段的粗糙度系数的模拟值， 并在另外两个工况下对确定的粗糙度系数进行校核。 ，综上，本课题研究遵循以下技术路线，见图1 2 。 建立给水管网动态微观水力模型 确定研究区域 资料调研 确定模型相关参数 节点流量 确定节点一水表对应关系 用水性质分类 用水结构分析 现场抄表测试 绘制各类用水模式曲线 粗糙度系数 管网平差程序设计 确定拟台、校核时刻 压力监测值 租糙度系数分区简化 随机数逐步优化法拟合 计算节点流量变化曲线li校核租糙度系数 图1 - 2 课题研究技术路线图 l o 第二章管网基础资料 2 1 概述 第二章管网基础资料 本文确定以华北某开发区( 以下简称开发区) 的给水管网为研究对象。开发 区总面积5 k i n 2 ，人口约1 8 万人，其给水结构为工业和民用混合用水，给水管网 中大多为灰口铸铁管，2 0 0 5 年平均日给水量约1 万m 3 d ，d n 2 0 0 及以上的给水 管道总长度约为5 9 k m ，管网上设置了1 2 个测压点、1 2 个自动调节阀。 2 2 管网基础资料 2 2 1 水源 开发区给水管网中设有两个水源，管网中无蓄水池和水塔，水源具体分布情 况如下，参见附图1 ： 水源1 加压泵站l ：给水能力为1 5 万m 3 d ，如附图1 所示节点7 7 ； 水源卜加压泵站2 ：给水能力为1 0 万m 3 d ，如附图1 所示节点3 9 。 2 2 2 管网计算简化图的确定 开发区给水管线错综复杂，是环状与枝状混合管网，要建立管网的计算机微 观模型，首先必须先对其进行一定的简化，以便于计算应用。依据“微误差简化。 原则【2 】对实际管网予以简化，具体如下： ( 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2 4 小时用水模式曲线调查； ( 2 ) 输水管道如不是枝状管，不论直径大小，不能简化掉； ( 3 ) 因为城市供水管网建模软件要从g i s 里面调用地理信息系统数据，为了 使计算机供水管网图形与g i s 里面的供水管网图最大限度地一致，平行管线不能 进行合并； ( 4 ) 多根管道连接于同一根管道，且节点间间距小于l o m ，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； 第二章管网基础资料 ( 5 ) 如果在两根大管道之间有小管道与之相连，或者在一根大管道上有另 外的小管道与之相连，并且小管道传输水量到大管道，在这种情况下，不论小管道 的直径多小，小管道不能被简化，而必须被包含在模型当中，如图2 - i 中所示的情 形。 广一 厂 图2 - i 管网拓扑关系图 依据上述原则，开发区模型简化为8 4 个节点，1 4 3 条管段，6 0 个环的拓扑 结构，开发区给水管网简化图详见附图1 。 2 2 3 管网基础信息 开发区干管网总长度约5 9 1 m ，管径分布在d n 2 0 0 - - - d n 6 0 0 之间，具体信息见 附表1 。除少部分管道在2 0 0 5 年更换为球墨铸铁管外，绝大部分管道管材为灰 口铸铁管，且管道内部未做防腐涂层。 2 3 给水用户信息 根据开发区售水量用水性质分类标准，将区内给水用户性质分为工业、 行政事业单位、经营服务单位、特种行业和居民生活用水五大类。目前，开发区 给水管网上共安装了4 0 0 余块水表，每月按照水表读数收取用水费用，并建立了 基于s q ls e r v e r 数据库技术的营业收费管理系统，历史用水量数据记录翔实且 可信度较高。 2 4 s c a d a 系统 该区域的给水管网上安装有s c a d a 系统，整个系统由s c a d a 控制中心、 m d l 0 0 0r t u 站控系统及m d 3 3 11r t u 管网监控点等站点组成，并通过各自的 通信装置传送数据或指令，系统对各测控对象的监控由测控单元实现。系统的结 构示意图见图2 2 。 1 2 第二章管网基础资料 2 4 1 硬件系统 两台互为热备份的s c a d a 监控主机服务器，存储实时数据和历史数据，可 同时在线工作并均衡分担系统计算的负荷，保证系统的高可靠性，这比传统的主 从备份式结构更有优点。两台终端服务器作为网络远程通讯用机，通过集线器 ( h u b ) 完成与服务器的数据传输。监视器通过图形用户界面( g u i ) ，可访问 s c a d a 数据库中所有的数据库，并可通过报表方式显示时间信息和报警信息， 通过使用历史数据库，显示历史和趋势数据。大屏幕投影仪用于系统应用图形的 高清晰度实时显示与监视。所有发生的报警事件均能通过a 3 网络激光打印机在 线自动打印出来，并带有时间标签和报警原因。一个u p s 可作为s c a d a 主站 内设备的电源。 2 4 2 软件系统 ( 1 ) 系统平台 操作系统平台：w i n d o w sn t 数据库平台：m o s a i cr o b m