（环境工程专业论文）天津市给水管网水力模型的建立与应用.pdf

中文摘要 给水管网系统是城市的重要基础设施。给水管网系统非常复杂，信息量大， 过去完全靠经验进行维护、运行和管理，无法满足管理科学化和现代化要求。只 有通过对给水管网系统建立水力模型，才能正确分析和全面掌握系统运行情况， 实现科学管理。随着管网信息技术的发展，建立供水管网水力模型，已经成为供 水管网设计、施工和运行管理的现代化技术方法，是城市供水系统现代化管理技 术进步的重要发展方向。 本文阐述了给水系统建模的目的、意义和工作内容，系统地研究了大型城市 给水管网系统动态模拟的理论与方法，并将研究应用于天津市给水管网系统的动 态模拟过程。首先，较全面地分析研究了日用水量变化规律的模拟方法、现场实 测方法以及管网漏水量和管网节点流量的动态模拟计算方法，解决了用水量模拟 理论与方法问题；其次，在给水管网阻力系数现场测试及其分析阻力系数对管网 水力模型影响的基础上，提出并完成了通过实测值推求不同管径管道c 值，并分 析了给水管网水力模型的校核方法和影响模型精度的各种因素；最后，以天津市 给水管网的1 7 0 个实测点的实测数据对模型进行了校核，使模型达到了预期的精 度要求，同时也证实了模型校核方法的适用性。 天津市给水管网水力模型已经应用于天津市供水管网的日常运行管理，效果 良好，具有重大的实践意义。 关键词：给水管网动态模拟阻力系数模型校核 a b s t r a c t w a t e rs u p p l yn e t w o r k ss y s t e mi si m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r eo fc i t y i ti sc o m p l i c a t e d s y s t e ma n dh a sal a r g ea m o u n to fi n f o r m a t i o n b e f o r em a n m a i n t a i na n dm a n a g e st h e s y s t e mc o m p l e t e l yb ye x p e r i e n c e i nt h a tc a s e ，s c i e n t i f i cm o d e mm a n a g e m e n tc a n tb e r e a l i z e d b ym e a n so fw a t e rs u p p l yn e t w o r k sd y n a m i cs i m u l a t i o n ，i tc a nb er e a l i z e d t h a te n t i r ea n a l y s i so ft h es y s t e mo p e r a t i o ns t a t es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to ft h es y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yo fw a t e rs u p p l y , w a t e r s u p p l yn e t w o r k ss y s t e mm o d e l i n gh a sb e c o m em o d e mt e c h n o l o g yi nd e s i g n ， c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n a lg u i d a n c ef o rw a t e rs u p p l yn e t w o r k ss y s t e m t h ep a p e re x p o u n d si n t e n t i o na n ds i g n i f i c a t i o na n dc o n t e n t so fw a t e rs u p p l y n e t w o r km o d e l i n g ，s t u d i e so nt h e o r ya n dm e t h o do fw a t e rs u p p l yn e t w o r k sd y n a m i c s i m u l a t i o ni n b i gc i t y , a n da p p l i e st h e m t o t i a n j i nc i t y , a n a l y s e st h ew a t e r c o n s u m p t i o nd y n a m i cs i m u l a t i o n ，p u t sf o r w a r dt h ef o r e c a s tm e t h o do fs e q u e n c ew i t h c o r eo fs e a s o n a le x p o n e n ts m o o t h n e s sm e t h o d b ys p o ts u r v e yw a t e rc o n s u m p t i o n c h a n g ed a i l ya n da n a l y s i so f s i m u l a t i o nm e t h o d ，t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o d so f l e a k a g ea n dn o d e - f l o wa r ea d v a n c e d o nt h eb a s i sa n a l y z i n gs p o ts u r v e ym e t h o do f r e s i s t a n c e - c o e f f i c i e n ta n di t si n f l u e n c et ow a t e rs u p p l yn e t w o r k sd y n a m i cs i m u l a t i o n ， m a t h e m a t i c sm o d e lo fv a l u eca b o u td i f f e r e n tp i p e - a g ea n dp i p e - d i a m e t e ri s a s c e r t a i n e dt h r o u g ha c t u a ls u r v e yd a t a v a l u ea s c e r t a i n m e n tf o rt i a n j i nw a t e rs u p p l y n e t w o r k ss y s t e mi sf i n i s h e d m o d e lo fw a t e rs u p p l yn e t w o r k sd y n a m i cs i m u l a t i o ni s f i n i s h e dt h r o u g ha n a l y s i so fp a r a m e t e rs i m u l a t i o n t h ep a p e rg o e sd e e pa n a l y s i si n t o i n f l u e n tf a c t o r st om o d e lc a l i b r a t i o na n dm o d e le x a c t n e s s ，c a l i b r a t e sa n dp e r f e c t st h e w a t e rs u p p l yn e t w o r k sd y n a m i cm o d e li nt i a n j i nt i m ea f t e rt i m eb y17 0t e s td a t a , a c h i e v e se x p e c t a n te x a c t n e s s t h em o d e l i n gh a sb eu s e dt ot h ed a i l ym a n a g e m e n ti nt i a n j i n ，i t sr e s p o n dw e l l t h em o d e lh a s t h es i g n i f i c a n tp r a c t i c a b l ev a l u e k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k s ，d y n a m i cs i m u l a t i o n ，r e s i s t a n c e c o e f f i c i e n t ， m o d e lc a l i b r a t i o n 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鲎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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：移寺k签字日期：另卯罗年歹月切日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞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) 学位论文作者签名：敦 导师签名：叼 签字日期：肋了年月五口日签字日期：妒夕年工月工日 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 随着国民经济的发展，我国给水行业也进入了一个新的发展时期。给水工 程是城市的重要基础设施，是社会生产和人民生活的命脉，在保障经济建设和人 民生活中发挥重要作用，给水行业在社会发展中的基础设施作用越来越明显。为 了满足生产和人民生活的需要，给水行业由单纯的增加水量向着提高效益、提高 给水安全性、加强管理的方向发展。国家建设部制订的“城市供水行业2 0 1 0 年 技术进步发展规划及2 0 2 0 年远景目标”中提出了两项提高( 安全、效益) 和三项 降低( 电耗、药耗、漏失) 的发展目标。为达到这一目标，必须提高给水行业管 理水平，实现管理的科学化和现代化。 给水系统是一个复杂的系统，尤其作为管网系统，不仅在铺设、运行上复 杂，而且信息量、现状参数等方面呈现动态性。因此，建立给水管网水力模型对 于科学的管理这样一个复杂的系统是十分必要的。 目前，天津市给水管网的管理方式、管理水平、管理效益是天津水司急需 研究解决的问题。在这方面，由于给水管网的管理水平不高，手段落后、陈旧， 已经严重制约了天津市给水事业的发展。 国外在给水领域的计算机应用研究方面，起步于二十世纪六十年代，随着 计算机技术的发展，七十年代至八十年代以后进入了实用化阶段，其中主要重视 节能技术的研究工作。而且这方面的研究成果都基于本国给水系统的实际情况， 并不能完全适应中国的管理方式。需要指出的是，一方面我国给水企业的基础薄 弱，硬件条件很不完善；另一方面，管理水平急待提高。这就决定我们不能照搬 别人的东西，必须尽快研究适合我们自己的技术和管理方法。事实证明，在我国 纵然有些城市花了高价引进国外的软件，但是很难、甚至无法应用，只能作为理 论研究的参考内容。因此，我们认为，既然开发这方面的研究，就要结合我国的 国情去开发，在实践中体现出研究成果的价值。 我国城市给水管网系统优化调度问题的研究起步于二十世纪七十年代，主 要研究内容包括：泵站内变速泵变速调节的优化调度问题n 3 ；优化调度的解析宏 观模型口1 ；建立给水管网系统等效网络模型瞌1 ，对配水管网进行了动态模拟等。 目前，我国给水行业管理总的来说还是“粗放型 ，给水电耗较大、管网 的漏失也非常严重。能源紧张是世界性问题。随着经济建设的发展，能源矛盾在 第一章绪论 我国尤为突出。节约能源成为我国基本国策。由于给水规模不断扩大，给水电耗 也与日俱增，给水电耗在制水成本中约占3 0 5 0 比例，因此降低给水电耗不仅 可以缓解国家能源紧张的形势，而且提高了给水企业的经济效益。我国水资源的 问题也是很严重的，城市普遍缺水，同时我国城市给水管网的漏失量和供销差很 大，大约2 0 左右，如此大的漏失量，不但给给水企业带来巨大的经济损失，同时 也是对水资源的巨大浪费。 计算机技术的飞速发展，为给水系统的现代化管理提供了有力的支持。由 于计算机有着巨大存储能力和强大的计算能力，应用计算机进行给水系统的管理 已经是大势所趋。 天津自来水集团有限公司是集自来水生产、销售、服务和多元化经营为一 体的国有大型企业，至今已有上百年的历史了。目前，日设计给水能力为2 0 3 万 立方米，给水管网总长为3 6 8 8 公里，给水范围涉及市内六区及部分新四区，给水 面积4 8 0 平方公里，担负着市区4 2 7 万人口的给水工作。 因此，开展这项研究工作对于提高自来水公司的管理水平，实现两项提高 ( 安全、效益) 、三项降低( 电耗、药耗、漏失) 是十分有意义的。使管理人员 能够全面深入的了解天津管网的实际工作状况，将世界上最先进的技术引入到我 国给水企业中，为提高给水的服务水平和管理水平提供有力的帮助。 1 2 本课题的研究内容和技术路线 建立天津市给水管网的水力模型，主要包括以下研究内容： ( 1 ) 首先要对天津市给水管网进行核查，搞清天津给水管网的基本情况，管道 基础数据必须准确。 ( 2 ) 为了合理分配节点流量，要对全市月用水5 0 0m 3 以上的用户情况进行调查。 对用水量变化曲线进行测量。 ( 3 ) 要进行管道阻力系数的推求，天津给水管网敷设年代的跨度较大，拟用实 测和理论分析的方法求得管道的阻力系数。 ( 4 ) 要进行水泵特征曲线测试，因为水泵长期工作后，其工作曲线将发生变化， 而水泵特征曲线对管网模型影响较大。 ( 5 ) 为了实现数据计算机管理和进一步进行研究，必须建立一个包括管网图形 属性的数据库。因此要研制给水管网图文数据库。 ( 6 ) 给水管网水力模型的建立与检验。 ( 7 ) 软件系统的部分研制与集成。 ( 8 ) 给水管网水力模型的应用，如：事故分析、优化改扩建分析、给水系统分 第一章绪论 区计量等。 技术路线如图1 - 1 所示： 茸数 模模模 给 篙藿 用水量变化曲线测试 水据水模 型 型型 营库营拟 的的的 _ 校 呻 应 水 蓁蓁 给水管道阻力系数测试 _ 网的 一 网计 呻 立核用 管 网 - - - i i , 核 图建水算 查 水泵特征曲线测试 文立力 图1 - 1 建立给水管网水力模型的技术路线 - 3 第二章水量的模拟 第二章水量的模拟 城市给水管网的水量包括由二泵站经管网输送到用户的用水量和在管网输 送过程中漏失的水量。在给水管网系统建模过程中，正确的模拟节点流量、管段 流量及其变化规律，是模拟和预测给水管网真实运行的关键因素之一。 2 1 用水量预测 2 1 1 城市用水量预测方法 一般来说可把预测方法分成两大类：一类是定性预测，一类是定量预测。 定性预测也称为直观性预测，主要用于那些无法量化的预测中。其优点是在 根本没有历史资料和足够统计数据的情况下，经过专家努力做出较正确的判断和 推测。由于定性预测受主观因素的影响较大，具有难以克服的弱点，所以在生产 实际中应用较少。 定量预测也称为统计预测。它用数学、概率论和数理统计的方法对历史数据 进行处理。根据不同的假设条件，常用的定量预测分为两类：一类是回归分析方 法，另一类是时间序列分析方法。 回归分析方法也称为解释性预测，它假设对一个系统的输入和输出之间存在 着某种因果关系，输入变量的变化会引起系统输出变量的变化，并且两者的关系 是一个常数。用回归分析方法建立的模型不仅能够用于预测，而且还能够用来解 释系统内部运行的原因和各个因素之间的关系。但是，建立回归模型的难度很大， 因为建立此种模型需要全面考虑影响预测对象的各种因素及其影响程度的大小， 所以实施起来存在较大的局限性。 时间序列分析方法属于统计学科的分支，它是一种分析各种相依有序的离散 数据集合( 即离散数据序列) 的方法。时间序列分析与回归分析有明显的不同， 它把系统看成是一个“黑箱”并不考虑影响这个系统的运行因素，这种分析方法 基于两个现实原因：其一，对一个系统，人们往往不知道其运行机理，有些情况 下即便了解系统运行状况，也往往难以加以准确的度量；其二，有时人们只关心 观测和预测将会产生什么结果，而并不想知道其过程。州 第二章水量的模拟 2 1 2 时间序列分析方法 时间序列分析方法属于统计学科的分支，它是一种分析各种相依有序的离 散数据集合( 即离散数据序列) 的方法。例如对管网系统的每小时( 或每日、每 月、每年等) 的用水量进行观察测量、记录，便得到时( 日、月或年) 用水量的 离散有序数列： q ( t 1 ) 、q ( t 2 ) 、q ( t i ) 、q ( t n ) 时间序列方法认为时间序列中的每一个数据都反映了当时众多影响因素综 合作用的结果，整个时间序列则反映了众多影响因素综合作用下预测对象的变化 过程。假设预测对象的变化仅与时间有关，则预测过程只依赖于历史观测数据及 其预测模式，从而使预测研究更为直接便捷。 时间序列分析方法着重研究对象的历史观测数据和它的数据模式口1 ，其步骤 如下： ( 1 ) ，把所有观测数据按时间先后的顺序排列，形成一个数据序列x ( 1 ) 、 x ( 2 ) 、x ( i ) 、x ( n ) t ( 2 ) 对这些数据加以整理描述，例如用图的形式表达出来； ( 3 )用适当的数理统计方法对这个时间序列加以解释，确定它的数据模式， 这个过程称为模式识别： ( 4 ) 根据此数列的数据模式建立相应的数学模型，并进计预测； ( 5 ) 进行预测残差序列分析，必要时修正预测模型，直至残差序列为白噪声 序列即随机误差序列为止； ( 6 )根据预测结果制订相应的决策。 时间序列分析方法主要包括指数平滑法、自回归移动平均模型 ( a r ，m a ，a r m a ) 等，在此主要对指数平滑法加以应用。 2 1 2 1 指数平滑法概述 指数平滑法预测法，是在加权平均法基础上发展起来的，也是移动平均法 的改进，指数平滑，又称指数修匀，它实际上是非统计性的数学模型，基本上以 简单的直观方法为依据。指数平滑法认为，在预测过程中越近期的数据反映的信 息越新，数据的重要程度按时间上的远近呈非线性递增，历史时间越近，对未来 的影响越大；而历史时间越远，对未来的影响就越小。指数平滑法所依据的另一 条原则是不断用预测误差来纠正新的预测值，即运用“误差反馈”原理进行修正。 因此，它的基本概念是：假设时间序列具有某种特征，即存在某种基本数据模式， 而这些序列观测值既体现着其基本数据模式，又反映着随机变动。指数平滑法的 目标就是通过“修匀”历史数据来区别基本数据模式和随机变动，从而获得时间 第二章水量的模拟 序列的“平滑值”，并以它作为对未来时期的预测值。指数平滑法包括：移动算 术平均法、单指数平滑法、自动调整平滑参数的单指数平滑法、线性指数平滑法、 季节性指数平滑法。嘲嗍 2 1 2 2 单指数平滑法 设当前时期为t ，已知时间序列观测值为x l 、x 2 、x t ；假设按连续n 个 时期的观测值计算一个平均数，作为对下一个时期的预测值，用f 。+ 。表示： f 。+ 1 = 三( x 。+ x t - 1 + + x 。+ 1 ) ( 2 - 1 ) i l 式中：x 。t 时刻序列观测值； f 。+ ，t + 1 时刻预测值。 由移动算术平均值法计算公式可知 f 。+ ，= 三( x 。+ x t i + 4 x t n + 1 ) = 土( x 。- - x t 1 + + x 。+ 。+ x 。一x 。) i li l 因为f 。= 二( x “+ x t 2 + + x 。) ，所以 n f 。+ 。：上( x 。+ x 。+ + x ，。+ 。+ x 。) 一上x 。一。 nn ( 2 2 ) ：上x 。+ ，。一上x nn 假设是平稳时间序列，那么可以用f 。代替x 将它代入( 2 2 ) 当n ：l 时，则有三：l ；当n 非常大时，则三接近于零。又因为n 是正数， 如果用q 来代替二，那么q 必定在0 和1 之间，( 2 - 2 ) 式变为 n f 。+ i = g l c x 。+ ( 1 一口k ( 2 3 ) 式中：a 平滑常数 这就是单指数平滑法的一般表达式。显然它不再需要保留许多历史数据， 只需要保留本期观测值x 。和上期的预测值f 。就可以对下一期进行预测，另外还 要保留的数据就是平滑常数口的数值。 2 1 2 3 自动调整平滑参数的单指数平滑法 由于单指数平滑方法对时间序列的变化反应缓慢，为了解决这一问题，可 以引进所谓“追踪信号 来反映时间序列的变化。一旦追踪信号大于某一特定的 数值，就可以在一定的置信程度下，来推断预测过程中存在的系统偏差。当追踪 信号反映出预测过程中有系统偏差以后，意味着时间序列发生了变化。如果预测 模型能够自动响应这种变化，对预测重新加以调整，问题就能得到合理解决。调 第二章水量的模拟 整的办法就是重新修正平滑常数口的取值，这就是所谓自动调整平滑参数的单指 数平滑法。其中，口不再是固定不变的常数了：而是随着每一时期的实际观测值 的变化而被修正。 自动调整平滑参数的单指数平滑法的计算要分为五个步骤进行。 ( 1 ) 计算t 时期预测的平滑误差e 。 e 。= 庳。+ ( 1 - 3 ) 巨- l ( 2 - 4 ) 式中：e 广一t 时期预测的平滑误差； 卜用于计算平滑误差的平滑常数，称为“第二平滑常数”； r 实际观测值x 。与预测值f 。之间的预测误差。 ( 2 ) 计算t 时期预测的绝对平滑误差m t m 。= 卢l e t i + ( 1 一p m 。- 1 ( 2 5 ) 式中：m 一时期预测的绝对平滑误差。 ( 3 ) 计算追踪信号t 。 f z = 二l( 2 6 ) 朋t 式中：t 一时期的追踪信号。 ( 4 ) 计算t 时期的平滑参数瓯 口。= 刚 ( 2 7 ) 式中：a t 时期的平滑参数。 ( 5 ) 对t + 1 时期进行预测 ( + l = a 。x 。+ ( 1 一口。皿 ( 2 - 8 ) 在应用这个模型之前，首先要计算初始值，必须已知两个时期的观测值，即 已知x l 和x 2 。 2 1 2 4 线性指数平滑法 当时间序列随着时间的发展有不断增加或减少的趋势时，用单指数平滑法预 测就不准确了。因为这种时间序列不属于平稳过程，而是非平稳过程。线性指数 平滑法是这种时间序列的一种有效的预测方法，用这种方法预测时，它把平均每 一期的增量考虑进去，不断地作趋势性的调整。其计算过程分为五个步骤。 ( 1 ) 计算t 时期的单指数平滑值爰 = 1 7 - x t + ( 1 一a 一一l ( 2 9 ) 第二章水量的模拟 ( 2 ) 计算t 时期的双指数平滑值 = 优g + ( 1 一口够”， ( 3 ) 计算口时期的水平值a t 4 = + ，一s ”，) ( 4 ) 计算t 时期的增量b 。 e = 啬+ ，) ( 5 ) 预测m 个时期以后，即t + m 时期的数值f 。+ m f + m = 4 + n a b , 式中：m 是正整数，m l ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 2 1 2 5 季节性指数平滑法 许多时间序列的变化情况和季节因素有关，或者说呈现周期性的变化规律。 有的不仅含有周期性的变化因素而且还有线性增长或减少的趋势。对于这种时间 序列，前几种指数平滑法基本上是无效的，而要采取更为高级的指数平滑方法。 它的基本原理是要把这种时间序列分解成三个部分，第一部分是水平因素；第二 部分是趋势因素；第三部分是周期因素。先把这三部分从时间序列中分离出来， 然后再合起来进行预测。这就存在一个周期长度的问题。周期长度要通过自相关 分析来确定。 在应用季节性指数平滑法进行预测时，必须事先获得前两个周期内每一个时 期的观测值。设时间序列的周期长度为，其计算过程分为九个步骤。 ( 1 ) 计算前两个周期每期的平均数。 第一个周期的平均数v 1 k = ( x l + 墨2 + x i ) ( 2 1 4 ) f 第一个周期的平均数v 2 砭= ( x l + l + x l + 2 + x 2 1 ) ( 2 1 5 ) l ( 2 ) 计算两个周期内平均每个时期的增量b b i 。、v 2 一k ) ( 2 1 6 ) f ( 3 ) 计算初始指数平滑值s 第二章水量的模拟 s ：以+ 盟b( 2 1 7 ) ( 4 ) 分别计算前两个周期内每一时期的季节因子 第一个周期内每一个时期的季节因子c t - l 一。1 。弭x t ( 2 - l8 ) 其中当t = l 时，m = 1 ；当t = 2 时，m = 2 ：当t = ，时，m = ，。 第二个周期内每一个时期的季节因子c 。 c 一高 q - 1 ” 其中当t - - ，+ 1 时，m = 1 ；当t = ，+ 2 时，m = 2 ；当t = 2 1 时， m = ，。 ( 5 ) 计算前两个周期中平均每个时期的季节因子c t ” c ”一昙( c ：- ，+ c 1 ) ( 2 2 0 ) ( 6 ) 季节因子正态化 按( 5 ) 计算出来的，个平均季节因子之和可能不等于周期，因此需要按比 例缩小或扩大，使它们之和等于，。 先计算这个平均季节因子之和z ，= 仅。+ ：+ + q ，) ( 2 2 1 ) 再计算正态化以后的季节因子c 。 共计算出，个正态化以后的季节因子c 。 c f = j lc ，, ( 2 2 2 ) ( 7 ) 对第三个周期内每一个时期做初步预测 c + 。= ( s + m b ) c , 小。 ( 2 2 3 ) ( 8 ) 当第三个周期的第一个时期的观测值x t 得到( x 。- - x 2l + 1 ) ，就可以用一组 确定的平滑常数q ，b ，y 的数值来修正指数平滑值、趋势和季节因子，修正公 式如下： 第二章水量的模拟 墨= o r 了鲁一+ ( 1 一a ) ( s + b ) i n 、，、， l f 一， e = r ( s ，一s ) + ( 1 一r ) 8 c t = p 量+ 0 一口k ( 2 2 4 ) 这样可以重新预测第三个周期内其余，- - 1 个时期的数值 f 栅= g ，+ 聊e ) c t - + ， ( 2 - 2 5 ) 修正以后的指数平滑预测值比修正前的预测值要准确。 ( 9 ) 以后，每次当获得前t 时期的观测值x 。时，就可以用( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 分 别计算单指数平滑值、趋势和季节因子以及预测值。 每当计算完一个周期，得到，个季节因子以后，就要按第六步的方法，把它 们重新加以正态化。 2 1 3 天津市日用水量预测 通过对单指数平滑法、自动调整平滑参数的单指数平滑法、线性指数平滑法 和季节性平滑指数法的对比，最终选定季节性平滑指数法对天津市日用水量进行 预测。 采用天津市的日用水量观测数据作为原始数据。 l 一心 一 太夭 v - v 7 矿弋 一 y a 一低 】fyv p 16l l1 62 l2 63 13 64 14 65 15 66 16 6 天 图2 - 1 日用水量变化曲线 根据季节性平滑指数法算法编制计算机程序进行计算，搜索得到一组最佳平 滑常数为，a = 0 7 1 ；p = o 5 3 ；7 = 0 0 3 。预测模型为： o o o o 0 o o 0 0 o 5 o 5 0 5 o 5 o 5 o 4 4 3 3 2 2 1 l o o 1 l 1 l 1 1 1 1 l l 兴椒纠十v哪*旺皿 第二章水量的模拟 s 。- 0 7 1 + o 2 9 ( s t 1 + e 1 ) b t = 0 0 3 ( s t 。s t - 1 ) + o 9 7 e 1 ( 2 2 6 ) c = 0 5 3 t + 0 4 7 c 。 i r 1i i f 蜘- - ( s , + 柚t ) c 。一栅 式中：m = l ，2 ， 原始用水量变化曲线与预测用水量曲线对比见图2 2 ，预测残差序列分布曲 线如图2 3 所示。 由图2 3 可以看出，残差序列中最大残差值为1 2 1 5 4 千立方米，最大百分比 误差为9 4 ，对于工程精度来说，可以接受。对残差序列进行自相关检验，对 应的残差自相关系数分布曲线如图2 4 所示。自相关系数全部落在9 5 置信区间 一朵，+ 焉 ，即【- o 2 3 4 ，o 2 3 4 】内，也就是说有9 5 的置信度认为所有的自相 关系数与零没有显著差异。由此可以断定这个残差序列是一个随机时间序列。 、 * 椒 科 巾 v 删 饕 旺 皿 啬瑟篇磊_ 7 用i - 4 ，j7u j “ - 辅, l i h i l 主百1 1 一 对 ： ! ：! 必伙q j 了竺生一一 i 一 j - l ：爻墨一一一一，乙一a 巳 矿飞函醐强 ，! ) f 。 扩r 二灯 r 16 1 1 1 62 12 6 3 1 3 64 14 65 l5 6 6 1 6 6 天 图2 - 2 原始用水量变化曲线与预测用水量曲线对比见图 o 0 0 0 0 o o o o o o的蛎如孙筋趵坞m 第二章水量的模拟 6 0 4 0 粲2 0 椒0 掣一2 0 、一4 0 寞一6 0 暖一8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 天 图2 _ 3 预测残差序列变化曲线 图2 - 4 预测残差序列自相关系数变化曲线 2 2 用水量变化规律模拟 由于用户用水量是计算节点流量的主要依据，对管网模型的准确性影响极 大。各类型大用户的用水量及变化规律直接影响到模型的计算精度。研究用水量 变化规律可保证城市给水管网系统给水安全可靠，保证用水户有足够的水量是城 市给水管网系统必须完成的一个主要任务；要彻底地掌握城市给水管网系统运行 变化规律，研究用水量变化规律是必不可少的工作，而对大用户用水量变化规律 笛卫屿一oo卫筋 m o m o m m 加仉加m 加 第二章水量的模拟 的实际考察是进行这项研究的主要手段。n 0 1n 1 1 天津市没有现成的各类型大用户的 用水量及其变化规律等方面的资料，为了使模型的模拟更接近实际情况，必须对 天津市大用户进行了用水量变化曲线的实际测试工作。 2 2 1 大用户信息的收集 用户的基础资料来自天津市自来水公司营业所的用户收费系统。由于不同 的城市用户数量和用户用水量在总用水量中占的比例是不同的，所以，不同城市 “大用户”的定义和划分标准是不同的。根据天津市的具体情况，选择月用水量 在5 0 0 m 3 以上的用户作为大用户，作为一个用水量节点。根据这个划分标准，天 津市共有大用户近7 0 0 0 个。大用户总用水量约占管网总用水量的6 0 左右。自来 水公司有各类用户每月用水量的详细资料，分析整理这些资料可以得到准确可靠 的信息。但无法从中得到每天每时段的用水量信息，因而必须现场实测，以得到 用水量时变化曲线。 2 2 2 按照用户用水性质分类 不同类型用户的用水量变化规律不同。一般将用户分为工业( 一班、二班、 三班) 、居民、机关等各种类型，分别实测它们的用水量变化规律，以确定其用 水量变化曲线。当地营业收费系统都把用户分类管理，原则上用户类别划分的越 细，对用水量变化规律的模拟就越准确。但考虑到实际工作量，应该对这些分类 进行详细的研究，尽量把用水性质相近的用户合到一个类别，这样可以减小测试 的工作量。将用户分为几类，应该根据城市用水特点来决定。天津市将用户分为 居民、机关行政、工业交通、建筑金融、特种行业等，其中工业又分为机械、化 工建材、食品等数十类，居民、文教卫生等也都划分为许多类。 2 2 3 现场实测 为了实现用水量变化规律模拟，选取具有代表性的大用户，兼顾所选取的 用户接水位置在管网中具有一定的分散程度，进行现场测试。根据大用户的用水 特点，将其分成九种类型：居民、学校、机关、商服、药厂、洗浴业、工业8 小 时、工业2 4 小时、医院。共选取1 0 8 个大用户作为采样点。 对选取的大用户进行用水量连续两班制4 8 小时连续采样，一个工作日、一 个休息日，采样时间间隔为1 5 分钟。从早8 ：0 0 开始，连续测试4 8 小时结束。 2 2 4 数据处理 此次实测共进行了1 0 8 个大用户的用水量记录。但是，由于测试过程中出现 第二章水量的模拟 的突发性问题，导致有些测点数据不全或者失真。所以，最后共选取了真实完整 的9 8 个测试记录绘制了曲线。 由于实测存在城市大、采样点多、读数间隔时间短( 1 5 分钟) 、持续时间长 等特点，因此，不可避免地存在错误和误差。这样的数据不经处理不能直接使用， 数据处理共分为六个阶段。 ( 1 )绘制用水量变化曲线 由于数据量很大，该剔除的数据很难分辨。可以采用将这些数据绘制成曲线的办 法，使粗大误差变得鲜明、突出，易于识别。 共绘制二种类型用水量变化曲线 以时间为横坐标，1 5 分钟为单位，以用水量为纵坐标，绘制曲线； 以时间为横坐标，1 小时为单位，以用水量占全天用水量百分比为纵坐标， 绘制曲线； ( 2 ) 初步剔除不可靠采样点 以1 5 分钟为单位的用水量变化曲线全部绘出后，凭经验可以先将明显不合理的采 样点剔除。 ( 3 )将同类型采样点的用水量变化曲线合成为一条曲线 步骤： 将选出的同种类型的采样点同一时刻的用水量对应相加，得到该类型采样点 时段的用水总量； 将选出的同类型的采样点的全天用水量相加，得到该类型采样点全天用水总 量； 求出该类型采样点的各时间段的用水量占全天用水量的百分比； 以时间为横坐标( 单位仍为1 5 分钟和1 小时) ，以该类型采样点各时间段用 水量占全天用水量百分比为纵坐标，绘制该类型采样点的用水量变化曲线。 依照上述步骤，将各类型采样点的用水量变化曲线分别合成为一条曲线。 ( 4 ) 进一步剔除可疑采样点 求出各采样点用水量变化曲线( 百分比为纵坐标) 各时段值与本类型用水量变化 曲线对应时段值距离平方和孑，当0 2 大于我们所限定的值时，剔除该采样点。 ( 5 )得到不同类型用水量变化曲线图。 重复步骤4 ，得到各类型的每天2 4 t , 时用水量变化曲线。图2 5 至图2 1 4 分别为工 业、居民、学校等工作日和休息日的2 4 d x 时用水量变化图。 第二章水量的模拟 长 羞 求 妞 嘲 长 旺 h 剞 衄 0 暖砀 历砺翻嘲 彩 飞 廖一 罗 ， ，- 砀 ， 瘸 。匍露翻 嘲 驴” 雾一 i 歹 ”鼍 l 级。；。耘。 ，# “_ ：。? 0 g8888g8g8gg 占二式舀辱菡占0 裔占g h 88gg8g 8g88gg8 hn 吲o 卜oo_n hhhhhhhhh门nnn 时间 图2 _ 5 工业户工作日用水量变化 ooooooooooo ooooooooooo ohn 甘u ，d 卜西o _ 8g88gggg8gg88 二式舀寻占占0 品占占二式晶 hh_hhhhht - 4nnnn 时间 图2 - 6 工业户休息日用水量变化 7 6 5 4 3 2 1 o 醇丑求陋嘲*elf帐剞衄 7 6 0 第二章水量的模拟 oo ooooooooo ooooooooooo ohn 可u o 卜a ，o h o o h h o o n h 时间 图2 - 7 居民工作日用水量变化 ”该 e 簪 霎 髦。 一 暖历 露一 r 曩，叼 飞e ，一厕 铆 喇 磋 吻 1 瘌 。 委 l 荔 (，黛毋 一 i 0誓 时间 图2 - 8 居民休息日用水量变化 - 1 6 - 7 6 5 4 3 2 1 o 96丑求忸嘲*旺联删衄 o o ：no o z no o t no o o no o ：6 ho o _ 【0 0 0 【o o 9 ho o 兮【o o 每 【o o 【 5 4 3 2 出靛求妞嘲*匠帐剞衄 o o no o 舀no o 二no o o n o o 6 【 o o 8 【0 0 0 【o o 9 【o o ：兮ho o ；_o o ho o z 【 o o 1 i o o o 【 o o 6o o 0 0 0o o ：9o o 9 o o 呻 o o o o o o 1o o ：0 第二章水量的模拟 8 7 萎6 盏5 寞4 旺 帐3 剞 衄2 1 0 时闻 图2 9 洗浴业工作日用水量变化 o o n c 、d o o n 髟嘲 膨锈 镌 缓 l 物 叨1刀场 i i 臻 臻 j 髟“ l # i 彩 g嘞 芗一 叮m，；饥；膨”瀚* i ，r 瓤。螂+一，谚。靠。鬟 g8gg8g888g 占二式高寻占占0 裔磊 时间 图2 - 1 0 洗浴业休息日用水量变化 - 1 7 - o o ：i no o 0 铺o o 6 【o o 8 _ 【 o o 0 h o o ：9 h o o 9 _ 【o o 毒ho o 【o o 晶【 o o ：i 【 o o 0 i o o - 6o o 8 o o 0o o 9o o 9o o ；o o o o 蠢 o o i o o o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 6筮求陋嘲*暖怅甜衄 o o no o 封no o i no o ：0 n o o 6 【o o 8 _ 【o o 一io o ：9 ho o 9 _ 【o o 毒ho o - 【o o 裔ho o i 【o o ：0 h 第二章水量的模拟 f 塌 眵卵历 钳 ，鼍 乞露 饧 蹋 歹 ”褒 箩 r 一、”飞8 锈 糍 l 静 乎、 爹 统幺。，：捌彳。g 批* 越m &s f 渤，蒯。：溢 g 暑gg 暑gg 昌昌 o hn 吲ot - 时间 图2 - 1 1 学校工作日用水量 网 ； ，”铌，_防研 ? 1 丽弼 r 7 弱 刀一 弼 砀 g r1 f 9 。 “。口亥 麓 l 蠹 l 蓥 g 貔。，j 时间 图2 - 1 2 学校休息日用水量 1 8 6 5 4 3 2 l 0 委求阻咖*暖联删姬 o o ：no o ：n no o i no o _ ：o n o o 6 h o o ：8 【 o o 一卜【o o 9 ho o ：9 _ 【o o 一寸 【o o ：ho o 式【o o i _ 【o o o h o o 西 6 5 4 3 2 1 o ，6羞求恤嘲*暖怅剞姬 o o no o z no o i no o o n o o 6 【o o ：8 _ i0 0 0 ho o 9 【o o 茴【o o 寻ho o e 【o o 晶【o o i 【o o o - 【 o o o o ：80 0 0o o 口o o 9o o ；o o o o ：z o o 二o o 0 6 妥5 求 器4 苌 旺3 h 4 0 3 0 f 4 0 2 0 t 3 0 ( 3 1 3 ) 1 0 t 2 0 t 1 0 式中：c 5 0 、c 6 0 、c 7 0 、c s o 、c 9 0 分别为不同敷设年代的给水管道海曾一威廉 系数； a 5 0 、a 6 0 、a 7 0 、a 舯、不同敷设年代的增长率； b 5 。、b 6 0 、b ，o 、6 8 0 、不同敷设年代的常数项； t 给水管道的使用年限。 根据实测数据，利用最小二乘法拟合程序，可以得到各敷设年代管道内部 粗糙系数函数关系式中的系数a 、b 。不同年代管道c 值函数关系式中的参数a 、 b 。 第三章管道阻力系数测试和计算 本章总结了阻力系数的理论计算公式及其适用范围。旧管道阻力系数发生很 大变化，对给水系统有很大影响。介绍了管道海曾一威廉系数对管道输水能力和 管道经济流速的影响。结合天津市给水管道，介绍了给水管道c 值的现场测试方 法，提出了通过现场实测c 值来推求不同管径c 值的方法，并具体应用。根据 现场实测的数据，介绍了给水管网系统管道海曾一威廉系数的模拟和预测方法。 第四章水泵特性曲线的测试研究 4 1 测试的目的 第四章水泵特性曲线的测试研究 ( 1 ) 天津是个无水塔及蓄水池等调节设备的大城市，需调度三个水厂的现有 的水泵，使其组合后的各时段的供水量与相应时段的需水量一致。为了能更好地 组合水泵，使泵组既能保障供水量，满足水压要求，又尽可能使泵组中各个水泵 均在高效段工作，使泵组可靠、节能地工作，从而提高经济效益，这样就必须了 解每台水泵的实际工作特性。 ( 2 ) 建立管网水力模型，水力计算中的平差部分须准确获知水泵的扬程、流 量的动态相互关系，为能提高计算的准确性，就必须知道水泵的实际的工作特性。 ( 3 )水泵在投入使用后，很多情况下，水厂会根据实际的使用要求进行技术 改造、维护，例如，进行叶轮切削等。另外，水泵在使用后，都会有正常的磨损， 也或许有其他的维护管理不当等原因造成的磨损，都会改变水泵的工作特性。所 以，水泵的实际工作特性曲线与样本曲线会有所不同。想了解它的实际工作状况， 需对水泵的工作特性进行实际测试。 4 2 测试的理论基础 采用拟合法