（环境工程专业论文）城市供水管网漏损定位计算方法的研究.pdf

摘要 本文以供水管网漏损定位的计算方法为核心研究内容，提出了基于压力分析 的管网模型参数校核优化模型和漏损定位优化模型，采用了粒子群算法进行模型 的求解，为今后实际管网的精确定位提供了理论基础。 首先，介绍了供水管网计算机模拟软件e p a n e t 的使用方法与特点，详细说 明了该软件的计算引擎t o o l k i t 的外接用途与编程实现步骤，给出了其中函数用 法的c 语言编程实例。 其次，提出了管网水力模型参数校核的优化模型及约束条件，详细介绍并对 比了当今使用广泛的几种优化算法，并根据自身情况选择粒子群算法( p a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o n ) 作为模型求解方法。给出了针对该模型的算法流程，并使 用计算引擎t o o l k i t 进行管网正向水力计算。采用了m i c r o s o rv i s u a lc + + 6 0 进行 编程，对该软件的编程及外接使用进行了介绍，详细介绍了编程的思路及方法。 再次，建立了管网漏损节点定位优化模型进行管网漏损定位，同时考虑到 供水管网不同位置、不同强度的漏损势必会对模型参数产生不同的影响，因此将 管网的摩阻系数校核与漏损的节点定位放入同一模型中进行联合优化计算。给出 了两种漏损节点定位方法的主要程序设计思路。 最后进行了管网水力实验，对漏损定位的计算方法进行验证。通过对实验管 网摩阻系数的试验测定，验证编程计算的准确性。同时，实验模拟管网漏损，通 过程序运算得出管网模拟漏损的节点定位计算结果，为管网漏损定位计算方法的 准确性提供数据支持。 关键词：供水管网；漏损定位；粒子群算法；模型；编程 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ec a l c u l a t i o no fl e a k a g ep o s i t i o n i n go fw a t e rs u p p l yn e t w o r k w e r es y s t e m a t i cs t u d i e d t w oo p t i m i z a t i o nm o d e l sr e s p e c t i v e l yu s e df o rn e t w o r k m o d e lc a l i b r a t i o na n dl e a k a g el o c a l i z a t i o nw e r es e tu nb a s e do np r e s s u r ea n a l y s i s t h em o d e l sw e r es o l v e db yu s i n gt h ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，w h i c h p r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h ep r e c i s ep o s i t i o n i n gf o rt h ea c t u a ln e t w o r k f i r s t l y , t h es o f t w a r ee p a n e tu s e df o rc o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ew a t e rs u p p l y n e t w o r kw a si n t r o d u c e d t h ec a l c u l a t i o ne n g i n eo fe p a n e t ( t o o l k i t ) w a sd e t a i l e d d e s c r i b e d , i n c l u d i n gi t se x t e r n a lu s e sa n dp r o g r a m m i n gs t e p s a st h es a m et i m e ， f u n c t i o n so fc l a n g u a g ep r o g r a m m i n ge x a m p l e sw e r eg i v e n s e c o n d l y , a no p t i m i z a t i o nm o d e lu s e df o rc a l i b r a t i n gt h ep a r a m e t e r so fn e t w o r k h y d r a u l i cm o d e la n dc o n s t r a i n t sw e r ep u tf o r w a r d s e v e r a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s w e r ed e t a i l e dc o m p a r e da n dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mw a sc h o s e n 镐 t h em e t h o dt os o l v e t h em o d e l t h ep r o c e s s e so ft h ea l g o r i t h mw e r eg i v e n ，a n dt o o l k i t w a su s e df o rt h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o no ft h en e t w o r k m i c r o s o f tv i s u a lc 抖6 0w a s u s e df o rp r o g r a m m i n g t h ep r o g r a m m i n gi d e a sa n dm e t h o d sw e r ed e t a i l e d i n t r o d u c e d t h i r d l y , a no p t i m i z a t i o nm o d e lu s e df o rt h en o d el o c a l i z a t i o no fw a t e rs u p p l y n e t w o r kl e a k a g ew a se s t a b l i s h e d t h ed i f f e r e n tp o s i t i o n sa n ds t r e n g t ho ft h el e a k a g e o ft h ew a t e rs u p p l yn e t w o r kw i l lh a v ed i f f e r e n te f f e c t so nt h em o d e lp a r a m e t e r s ， t a k i n gt h i s i n t oa c c o u n t ，t h ec a l i b r a t i o no fm o d e lp a r a m e t e r sa n dl e a k a g en o d e l o c a l i z a t i o nw e r eu s i n gt h es a m em o d e lt oo p t i m i z e t w om e t h o d so fl e a k a g en o d e l o c a l i z a t i o np r o c e s sd e s i g nw e r eg i v e n f i n a l l y , ap i p en e t w o r kh y d r a u l i ce x p e r i m e n tw a su s e df o rv e r i f y i n gt h e c a l c u l a t i o nm e t h o d s t h ec o e f f i c i e n t so ff r i c t i o nt e s tw a sf u l f i l l e d , w h i c hv e r i f i e dt h e a c c u r a c yo ft h e c a l c u l a t i o np r o g r a m a tt h es a m et i m e ，n e t w o r kl e a k a g ew a s s i m u l a t e db ye x p e r i m e n ts oa st op r o v i d ed a t as u p p o r tt ot h ec a l c u l a t i o n t h er e s u l t s w e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ep r o c e d u r e sb yc o m p u t e r k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k ；l e a k a g el o c a l i z a t i o n ；p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ；m o d e l ；p r o g r a m m i n g 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，也不包含为获得苤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：狭族乙 签字日期： 川 年 多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅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：旅恕 签字日期：沏7 年月f 日 导师签名：了乜之f 卡 答字醐：沙严幻h | 第章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着全球经济地不断发展和人口的日益增长，对于水资源的需求也持续增 大，水作为人们生活和工农业生产的必需品，其经济价值和社会价值日益提高。 而作为供水保障的城市供水系统更是占有不可替代的重要地位。然而，伴随供水 管网部分设备出现老化，技术和管理水平的提高完善相对滞后，管网的漏损问题 日益突出，已成为影响供水安全和质量的关键因素之一，给整个城市的正常运行 带来了隐患。 以北京市2 0 0 3 年为例【1 】，据北京市政协委员调研的结果显示，北京城市供 水管网漏损率在1 7 左右，年漏水量超过1 亿立方米。如果按北京2 0 0 3 年1 1 月的居民生活用水价格2 9 0 元计算，那么每年因供水管网渗漏造成的自来水流 失损失就近3 亿元。由于自来水是经过给水设施加工处理和输配的水资源，在工 程建设和运行管理等方面，需要投入大量的人力、物力和财力，尤其是远距离输 水工程，其建设周期长、投资大、运行维护费用高，一般建设这类供水设施需投 资约为1 0 0 0 - 3 0 0 0 元m 3 d ，因此实际经济损失将远远超过这个数字。预计未来 1 0 年每年递增供水量7 1 0 万m 3 d ，如果不采取相应措施减少损失量，每年的供 水量还要增加【2 】。因此，如何降低管网的漏损率就成为了节水的首要任务，而针 对供水管网漏损的定位研究就显得尤为重要。 目前，国内漏损控制成绩比较突出的城市要属深圳。深圳市供水漏损率控制 在1 2 左右。按照政府公报最新发布实施的关于进一步加强城市供水管网改造 工作的意见，深圳将在2 0 1 0 年时将全市各供水企业的漏损率统一降到8 以下， 这在全国已经是很好的水平。但相比于其他国家，我国的供水管网漏损控制水平 仍有待提高。据统计，英国的管网漏损率为1 8 6 9 ，美国为8 以下，日本1 0 以下，法国9 5 ，德国4 9 。尤其是日本的东京，供水管网漏损率由1 9 9 8 年的 8 ，降低到2 0 0 5 的4 2 ，截至2 0 0 7 年漏损率为3 3 。 综上，为保证城市供水系统的正常运行，顺应节能改造的时代潮流，针对供 水管网漏损定位计算方法的研究势必成为降低漏损率的最直接的手段。而通过建 立供水管网参数校核及漏损节点定位优化模型，为供水管网漏损提供水力分析平 台，不但有助于掌握供水管网漏损情况，而且为诊断管网异常、控制漏损奠定理 论基础。同时通过运算优化模型使得模拟结果更接近于实际情况，为实际管网的 第一章绪论 漏损状况分析打下了基础，从而为实际管网漏损的精确定位和瞬时定位做好了铺 垫。 1 2 城市供水管网漏损的概念和主要形式 供水管网漏损一般是指由于管段、管段接口、阀门和消火栓等管网部件破裂 或溢水池溢流等原因引起的从净水厂输出的水流经给水管网时，有一部分水未经 使用而流失到管外。未经使用就从给水管网中流失掉的部分称为漏损水【”。 评价管网漏损程度通常用漏损率、漏损密度和产销差率来表示。漏损率为总 漏损水量与供应总水量的百分比： ，1 漏损率( ) = 兰遨1 0 0 ( 1 1 ) q 总供应 漏损密度，又称比漏损量或单位管- i f 漏损量，为单位管道长度单位时间内平 均漏损水量： 漏损密度c m 3 b - 1 h - 1 ) = 西去慧鬻是翥躲 c - 一2 ， 由于管网真正的漏损水量难以准确计量，国外供水行业常采用“未计量水率” ( 国内称为产销差率) 代替漏损率进行漏损方面的统计分析： 未计量水率( ) =望堡查墨二皇笪查兰1 0 q 供水量 ( 1 3 ) 由于各城市人口密度和工业用水所占比例不同，往往同样管道长度，单位时 间单位长度的漏损量不同，所以多数管理者认为，单位管道长度单位时间的漏损 量的表达式相对比较合适【4 】。在实际工作中，未计量水包括主要下面4 部分：管 网漏损( 管网漏损是指在供水管网中漏掉的水量) 、水表误差、非法用水和管网 自用水( 冲刷管网用水) 。严格地说，未计量水还应该包括市政绿化和消防用水( 目 前尚未计量) 。其中，供水管网的漏损是主要的，约占4 0 5 0 【5 1 。 供水管网漏损的形式主要有以下三种： ( 1 ) 暗漏：约占总漏失量5 5 的左右，管网中管道的漏水大多是暗漏形式， 占维修数量的9 0 以上，是城市无效供水量中水量最大、最难控制和最不易发现 的，也是发生爆管的潜在因素； ( 2 ) 明漏及阀门漏水：城市市政建设施工遭到破坏，长期腐蚀或外力( 人为、 2 第一章绪论 不可抗拒自然力如地震等) 作用下的发生管爆管和漏损： ( 3 ) 其它：由于水表误差、不合法用水( 盗用消防栓、非法开口接管用水) 等因素引起。 1 3 供水管网漏损原因分析 导致给水管道漏水的因素很多，一处漏水或爆管可能是多方面因素共同作用 的结果。归纳起来主要为外界、运行和管道自身三方面因素 6 - 7 。 外界因素主要包括： ( 1 ) 地质条件：管道在硬实的地质中比在松软的地质更容易发生漏损； ( 2 ) 气候条件：环境温度的变化引起管道自身发生伸缩变化，管壁上产生相 应的轴应力。由虎克定律知，管道冬季受拉应力而夏季受压应力，管道的抗压强 度均大于抗拉强度，所以冬季发生渗漏甚至爆管事故较多； ( 3 ) 交通负荷、施工质量等因素引起的管道长期受压、荷载变化、原土层 扰动造成管道受力不均等，均可能引起管网漏水和管道断裂。 管理运行因素主要包括： ( 1 ) 水质：软水或p h 值偏低的水可能引起管道腐蚀； ( 2 ) 水压：管网压力分布不均、局部水压过高，水管受力相应增加，爆管漏 损机率也相应增大。 管网自身因素主要包括： ( 1 ) 管径：漏损点数随管径的增大而减少，大管道的漏损点少但漏量大，因 而造成的危害更大； ( 2 ) 管道材质：铸铁管和钢筋混凝土管的水密性较差，漏损的可能性和漏水 量较大，钢管和塑料管的水密性好，漏水的可能性和漏水量较小。钢管的耐腐蚀 性能差，如所采取的防腐措施不当，其潜在的漏损可能性就会很大；塑料管的强 度易受生产过程和环境的影响，一旦强度不符合要求，则会造成管道破裂而漏损。 金属管道内、外壁易受到输送水质腐蚀、土壤溶液的电腐蚀等作用，使管壁减薄、 强度降低，引起渗漏或爆管隐患。由此可见，管材特别是管材质量是影响管网漏 损的决定性因素： ( 3 ) 铺设年限：一般情况下，铺设年限越长越容易出现漏损。 1 4 国内外研究现状 目前，管网漏损主要有以下几个方面的研究内容：优化控制管网系统运行、 加强管网维护、对漏损点检测与修复以及漏损相关模型研究掣7 9 】。而其中最为 第一章绪论 关键的即为管网的漏损定位研究，也是近年来广大学者研究的热点问题。 1 4 1 检漏方法及检漏仪器 现行的检漏方法分为被动检漏法和主动检漏法。被动检漏法是待地下管道漏 水冒出地面后，发现漏损而后进行检修的方法。主动检漏法是在地下管道漏水冒 出地面之前，通过使用各种方法和仪器将之检查出的方法，主要包括【陆1 3 】： ( 1 ) 听音检漏法：是采用音听仪器在沿管线或在管道的阀门、水表处寻找漏 水声，并确定漏水地点的方法。漏水声的大小与水管的特性、周边环境、漏水孔 的大小及水压等有关，此法受环境干扰程度大，须在夜间进行，且适用于埋深较 浅管道，所以应用此法前要掌握管道的详细资料； ( 2 ) 互相关法：该法主要利用流体通过漏隙时会产生流动噪声沿管道传播， 通过两个传感器放在管道的不同位置接受信号，相关检漏仪主机能测出由漏口产 生的水波传到传感器的时间差，再利用传感器之间的距离和声波在该管道的传播 速度测出漏水位置；该法测定快速准确，但对传播声音特性较差管道( 如塑料管) 或管道间接口处传声特性较差( 如非金属刚性连接) 时，相关检漏仪的检漏效果 明显下降【1 4 】： ： ( 3 ) 区域检漏法：又称最小夜流量法，是借助流量监测记录器，连续自动测 量并记录某一管段在某一时区内的流量值，在数据处理方法上有两种，一是将夜 间测得的最小流量值与日平均用水量比较，如果最小时用水量与日平均时用水量 的比值超过某一百分点( 各国有不同的规定，如英国取4 0 ，美国取5 0 ) 即 认为可能出现漏损：二是按照经验选定数据绘制标准图表，将实际用水量与其比 较，即可得出是否存在漏水【1 5 。6 】。第二种方法适合于管网结构简单的中小供水企 业。该方法适合于生活小区或深夜用水少的地区，管道一般长2 - 3 k i n 。区域检漏 法又可分为直接区域测漏与间接区域测漏，这一方法在实际中较常用，准确性较 高，但操作起来较复杂而繁琐； ( 4 ) 压力波检漏法：当管道上某处突然泄漏时在泄漏处将引起瞬态压突降， 会产生一个负压波，从漏点开始，该波以一定速度分别向上、下游传播，管壁就 象一个波导管。上下游压力传感器捕捉到特定的瞬态压力波形就可以进行泄漏判 断，如果能够准确确定上、下游端压力及接收到信号的时间差，那么根据负压波 的传播速度就可以检测出泄漏点的位置，利用相关分析法和小波变换法进行泄漏 的检测和定位【7 。1 8 j ； ( 5 ) 示踪剂检漏法：是在待测管道的上游加入一定浓度的无毒易检测的示踪 剂( 六氟化硫、氩气、一氧化氮或放射性同位素) ，沿管道探测示踪剂的浓度， 浓度最高处即为漏点；这一新技术在新敷设管道施压不及格时，在大口径管道上 4 第章绪论 有较小而难于寻找的漏水点时，在郊区管道的路线很长时都得到应用，且准确率 高： ( 6 ) 神经网络技术：该法是一种新型的人工智能技术，从其原理框架及模型 构建上看，应用到供水管道的检漏是完全可行的，建立适合供水管道特点的人工 神经网络模型，进行漏水分析，根据分析结果寻求最优检漏方法及仪器有助提高 检漏的准确性【1 蚰0 1 。 主要采用的检漏仪器主要有以下几种： ( i ) 听漏仪：包括薄膜听漏仪、电子听漏仪，原理是利用机械的( 前者) 或 电子的( 后者) 方法将漏点发出的声音信号放大，从而确定泄漏点的位置。 ( 2 ) 管线定位仪：作用是准确定位地下管线的走向和掩埋深度，主要利用电 磁感应原理，探测对象需具有一定的导电性。管线定位方法有两种，一种是极大 值法，另一种是极小值法，一般先用极大值法找到管线的大致位置，然后用极小 值法精确定位。 ( 3 ) 相关检漏仪：是当前最先进且有效的一种智能仪器，业内人士对其给予 了很高的评价，称其为t h ea r ti nt h ew a t e ri n d u s t r y 。它利用两个传感器拾取漏水 声波做互相关分析，求出声波时差乃能准确地确定漏点位置。但是，当测点附 近不止一个漏点时会产生误差【2 l 】。 在我国，主要采用定期抄表流量平衡法和阀门操作流量分析法。前者根据小 区流量异常来估计是否有大的泄漏，但无法定位，对小的漏损也难以判别；后者 需要逐段操作阀门并抄录旁通瞬时流量来计算漏损的大小以及漏损的大致位置， 需要深夜实施并结合检漏仪器才能实现，对用户影响大；需要指出的是，两者均 无法做到漏损实时诊断，效率较低，精度也较差。近年来，部分国内城市开展供 水系统的普查和管道漏损的定位研究，建立了管网的s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 、地理信息管理系统，使城市供水系统运行更加合 理，实现了动态管型2 2 。2 4 。同时有些城市还配备了先进的管道检测设备，加强了 管道的巡查力度，变被动检测为主动检测。 1 4 2 漏损状态下管网水力模型研究进展 随着应用数学和计算机技术的发展，在不断丰富和完善检漏方法和仪器设备 的同时，也对城市供水管道和管网的漏损建立了相应的数学模型。g o o d w i n 等 2 5 - 2 7 发现管网泄漏与服务压力有直接关系，泄漏水量随服务压力增大而增大，因 此降低管网漏损可以通过控制管网的压力来实现，但他们在模型中并没有考虑管 网漏损。g e r m a n o p o u l o s 、j o w i t t 2 & 2 9 】弥补了他们的缺陷，把与压力有关的泄漏因 素引入模型中。美国康乃尔大学l i g g e t t 教授和他的研究小组是国际上最早进行 第一章绪论 基于压力和( 或) 流量分析的供水管网漏损诊断的课题组之一。1 9 9 2 年，l i g g e t t 教授和他的研究小组提出了基于压力和流量的逆分析法f 圳，逆分析法是一种动 态的泄漏检测方法，能适用于稳态和瞬态的条件。研究表明，漏损诊断结果取决 于监测点的数目和监测点的位置，当监测点多于漏损点时，成为超定问题，可以 得到较好的结果，而当监测点少于漏损点时，成为欠定问题，难以得到理想结果。 近期，l i g g e t t 教授和他的研究小组又提出了瞬态分析与遗传算法【3 1 】和阻尼法【3 2 】， 并进行了瞬态分析的最优监测研究。k a p e l a n 等人运用s h u f f l e dc o m p l e x e v o l u t i o nm e t r o p o l i s ( s c e m u a ) 这一算法结合e p a n e t 供水系统模型来解决水 力模型的校核问题。这种算法可以将参数校核与模型未知量的求解在同一优化模 型中运行，且不需要假定任何线性模型和常量参数，但缺点是计算量较大。之后， k a p e l a n t 3 3 】等人又分别运用了单目标遗传算法和多目标遗传算法对于水力模型进 行优化校核，并通过实例运算取得了满意的结果。国外其他的代表性工作还有频 率响应法【3 4 1 、脉冲响应法【3 5 】等。需要指出的是，尽管这些研究均基于压力和流 量的分析，在漏损诊断的速度和精度方面有显著提高，但仍然无法做到漏损实时 ( 在线) 诊断。 目前，国内在供水管网漏损诊断方法研究方面主要集中在漏损信号的声学分 析领域【3 6 】等；而在基于压力和( 或) 流量分析的漏损或泄漏诊断方面还在试验 与理论探索过程中，与国外相比差距较大。吴燕【37 】等采用负压波传播到上下游 的时间差和管内压力波的传播速度并结合流量检测法进行漏损定位。伍悦滨和刘 天顺【3 8 】采用瞬变反问题分析数值模拟来确定给水管网漏损点和漏损量。杨进、 文玉梅【3 9 】等针对实际应用中长度较难测量或不能获得的情况采用盲系统辩识方 法估计泄露信号传播信道响应函数，并从中提取源信号从漏点传播到采集点的时 间信息，从而不依赖管道长度定位漏点。王玉学和王银风州模拟管网的多工况 运行，收集足够多的校正数据，利用粒子群( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n p s o ) 优化方法校正管道的摩阻系数，使得管网节点压力值与实际节点压力值更为匹 配。 1 5 本文主要研究内容及方法 本文采用两种方法对供水管网漏损进行节点定位计算，并进行了实例验证与 对比分析。 ( 1 ) 详细介绍了管网水力模拟软件e p a n e t 建立管网微观模型的方法，并 对其计算引擎t o o l k i t 的使用方法进行了应用说明；通过对比几种经典的优化算 法，选择合适的p s o 算法对于管网水力模型参数进行校核，运用c + 十编程实现 计算过程。 6 第章绪论 ( 2 ) 建立管网漏损节点定位优化模型，采用校核后的管网摩阻系数，依循逆 分析法在满足管网基本水力平衡和参数自身取值范围约束下，通过寻优管网模拟 漏损节点使不同工况下的主要压力监测点计算压力与实际压力达到较好的匹配， 同时调用e p a n e t 的计算引擎进行管网的正向水力计算。同时考虑到供水管网 不同位置、不同强度的漏损势必会对模型参数产生不同的影响，因此又将管网的 摩阻系数校核与漏损的节点定位放入同一模型中进行优化计算。 ( 3 ) 通过实验管网进行漏损节点定位计算方法的实例验证。对于实验管网进 行连续稳态运行并进行模拟漏损( 拟采用水龙头放水模拟漏损) ，采集实验管网 漏损状态下的基础数据( 管网拓扑图，管段直径、长度，总供水量，模拟集中水 量，节点标高，水泵特性，模拟漏损水量等) ，对主要压力监测点进行压力监测。 对于管网的摩阻系数进行试验测定，从而验证编程计算的准确性。运用e p a n e t 软件建立漏损状态下的管网微观水力模型，并进行2 4 小时连续工况模拟，得到 不同工况下的计算节点压力值和流量值作为优化模型计算的基础数据。采用两种 定位方法对于实验管网模拟漏损进行计算定位，并对计算结果作出分析比较。 通过以上研究，得到基于p s o 算法的供水管网漏损定位计算方法的理论基 础和步骤，并进行实例验证，从而为计算方法运用于实际管网打下基础。 7 第二章供水管网的计算机模拟与模型参数的校核 第二章供水管网的计算机模拟与模型参数的校核 随着计算机技术的不断发展和广泛应用，近年人们普遍运用计算机模拟管网 的运行状态，建立管网微观水力模型。这种方法可以帮助了解管网的工作情况， 直观性强并且具有相当高的精度。许多科研机构和公司都提出了自己的管网模拟 软件，本章将介绍如何运用美国环保总署开发的管网模拟软件e p a n e t 2 0 建立 供水管网微观水力模型及其计算引擎t o o l k i t 的使用步骤，同时提出基于粒子群 算法的模型参数校核计算方法，并在编程实现中调用t o o l k i t 进行管网水力计算， 为后文的管网漏损的节点定位打下基础。 2 1 管网模拟软件e p a n e t 2 0 的原理与应用 2 1 1e p a n e t 简介 e p a n e t 是美国环保总署开发的主要用于有压管网系统( 包括水库、水泵、 水池等) 的水力计算软件。它可以对有加压管道网络中的水压以及水质变化进行 长时间动态仿真模拟，具有管网平差、运行模拟、信息管理、运行管理等诸多方 面的较完整功能。e p a n e t 可对管网的流速、水压、水库深度，溶解物浓度等进 行多次周期性模拟，同时也可模拟管网中的水力停留时间和进行水源跟踪，该模 型的水务模拟部分可调度各种型号的水泵、阀门以及根据不断更新s c a d a 数 据，提供在线短期预报。且该软件计算速度非常快、准确性高。 e p a n e t 软件还可以用于分析管网中的有关水质的各种问题，包括模拟管壁 耗氯量对余氯损失的影响、研究含有不同t h m ( 三卤甲烷) 形成趋势的二种水 源水的混合区段的水质情况。 本文主要使用该软件水力模拟部分。输入管网图形信息时，该软件可以实现 可视化操作，即输入人员可在该软件操作平台上画出或导入管网图形。使用该软 件进行水力模拟需要输入的信息包括：节点基础流量、节点标高、管段长度、管 段管径、摩阻系数、水泵水头、水泵标高。输入信息时可直接双击目标，弹出对 话框，即可输入信息；运算结果可以采用表格、图线等多种形式输出。图2 1 给 出了节点信息对话框，图2 ，2 给出了计算结果的输出表。经过软件模拟运行后的 管网系统输出信息可包括：平差后节点流量、单位水头损失、节点压力、管段水 量等。 同时d x f 2 e p a 软件可实现c a d 图形的d x f 格式与e p a n e t 管网信息图的自 8 第二章供水管网的计算机槿扭与模型参数的柱核 动转换。可以将c a d 图形中所选择图层中的所有点、折断线转化成e p a n e t 软 件管网信息图中的节点与管段，准确性高且方便快捷。而管网信息图中的其他构 筑物如水库、水池、水泵、闸阀等则需要在e p a n e t 上自行绘制，也可对图中 的节点和管段进行修改与添减。 r w v 女e 1 u n ：b 咖i o 。1 2 “ y - c 删e m b a * o e , u , m c l 1 d 劬e a f l c e t e g o f m 1 s 洲q u 挑 圈2 - 1 节点信息对话框 图2 - 2 计算结枭输出表 21 2e p a n e t 管网水力计算方法 e p a n e t 软件利用“梯度法”求解管网水力特性( 仅限于满管压流) ，下面简 第二章供水管网的计算机模拟与模型参数的校核 单介绍e p a n e t 的管网水力计算的“梯度法【4 。 假定一给定管网含有连接点数为n ( 除水源或高位水塔外的所有节点) ，水 源或高位水塔总数为脬。则连接节点i 和，的管段有如下关系： h j h j = h f = r 饼+ 研踢 ( 2 1 ) 式中凰，日，节点水头，m ； h j ，办r 一水头损失，m ； 卜管段摩阻系数； 忙流量指数； ，卜一局部水头损失系数； q r 一节点流量，l s 。 其中，和，的取值依赖于管段沿程水头公式的选取。如果管段含有水泵，那 么由于水泵存在而造成的水头损失( 水头损失为负值) 能写成如下的公式： = 一彩( h o 一，( 岛动”) ( 2 2 ) 式中j l j 旷一水泵扬程，m ； & 卜一相对速度设置： ，卜水泵特性曲线系数。 同样，所有节点必须满足质量守恒方程。“梯度法”首先给每根管段初分配流 量，这里暂不要求满足质量守恒方程，在以后的每次迭代过程中，新的节点水头 向量通过解下面的矩阵方程： a h = f 式中彳( ) 的j a c o b i a n 矩阵； ( n x l ) 待求节点水头向量； 卜右边项( 1 ) 向量。 j a c o b i a n 矩阵彳的对角线元素为： a 。- z p ， 1 0 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 第二章供水管网的计算机模拟与模型参数的校核 下： 非对角线元素为： 4 f ；一p 口 ( 2 5 ) 其中p # 为连接节点f 和节点j 的管段水头损失函数的一阶导数的倒数。 对于不含水泵的管段： 对于水泵有： 1 n 2 , r l q 蕊2 m i q f l + 口 l p 一2 而瓦万矛 7 刀彩。，i ；脚j 1 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 右边项由两部分组成，一部分为节点不平衡流量和管段校正流量，表达式如 只= ( q 一d f ) + 乃+ 弓日厂 ijl 式中最后一项适用于连接节点f 和水源或高位水池厂的管段。 段校正流量，对于不含水泵的管段有： 对于水泵有： 符号函数： 解出节点水头后， ( 2 8 ) 同样，对于管 乃= p 扩( ，i g r + 聊i 岛1 2 ) s 盟( q f ) ( 2 9 ) y f = 一p f , o j 2 ( h o - r ( q f 动”) ( 2 1 0 ) 乌= ( y 口一p 扩( 日f 一日) ) 这样通过反复的迭代计算，直到其校正流量足够小为止。 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 第二章供水管网的计算机模拟与模型参数的校核 2 1 3e p a n e tt o o l k i t 简介 e p a n e t 还提供了计算引擎t o o l k i t ，它是一个用以满足用户额外用途的 动态数据库( e p a n e t d 1 1 ) 。其中包含的函数( 包含在头文件e o a n e t h 中) 可以在 w i n d o w s 3 2 b i t 环境中通过c c + + 、d e l p h i 、v b 等编程语言进行调用。本文仅考 虑其中的水力分析过程。 一个完整的通过t o o l k i t 进行水力分析的过程包括以下几点： ( 1 ) 打开t o o l k i t 。这一过程是通过调用e n o p e n 这一函数来实现的。这一函 数的声明如下：e n o p e n ( c h a r * f l ，c h a r * f 2 ，c h a r * f 3 ) ，其中f 1 是e p a n e t 的输入文 件名，岔是错误( d e b u g ) 报告文件名，f 3 是以二进制形式储存运行过程中数据 的文件名。f 3 可以为空。而n 是一个以t a p 为后缀名的输入文件，包括了所需 要的管网基础数据，其形式如下： 【 门t l e 】 j u n c t i o n s 】 i de l e v l0 【r e s e r v o i r s 】 i dh e a d 5 60 p i p e s 】 i dn o d eln o d e 2 l e n g t h l123 1 2 e n d d e m a n d 0 p a t t e m p a t t e r n d i a m e t e rr o u g h n e s sm i n o r l o s ss t a t u s 5 01 3 90 o p e n ； ( 2 ) 打开t o o l k i t 水力分析并初始化。这一过程是通过调用e n o p e n h 和 e n i n i t h 这两个函数实现的。其声明分别为：e n o p e n h 0 和e n i n i t h ( 0 ) 。 ( 3 ) 运行水力分析。这一过程是通过调用e n m n - i 这一函数实现的。其声明 如下：e n r u n h ( 1 0 n g * t ) ，其中t 是水力分析的当前时刻，是用于进行单一时间 段水力分析的函数。若有多个时间时刻，则可调用e n n e x t h 函数，它的声明为 e n n e x t h ( 1 0 n g 幸t s t e p ) ，t s t e p 是从0 时刻开始直到分析结束之间的时刻，以秒计。 ( 4 ) 关闭t o o l k i t 。调用e n c l o s e h 和e n c l o s e 函数来实现这一过程。 同时，在运行水力分析过程中，可以调用一些t o o l k i t 所提供的库函数来进 1 2 第二章供水管网的计算机模拟与模型参数的校核 行。例如e n g e t 函数和e n s e t 函数。前者是用于得到基础数据，后者是用于重 置数据。如e n g e m o d e v a l u e 函数表示得到节点数据( 可包括节点标号、基础需 水量等) ，e n s e t n o d e v a l u e 函数就表示重置节点数据。t o o l k i t 也对管网的各个水 力参数给出了各自的t o o l k i t 编码。对于节点来说主要包括：e nn o d e c o u n t ( 声 明函数，包含所有节点参数) 、e n _ d e m a n d ( 节点水量) 、e nh e a r ) ( 节点水头) 、 e n _ p r e s s u r e ( 节点水压) 、e ne l e v a t i o n ( 节点标高) ；对于管段来说主要包 括：e nl i n k c o u n t ( 声明函数，包含所有管段参数) 、e nd i a m e t e r ( 管段 直径) 、e nl e n g t h ( 管段长度) 、e nr o u g h n e s s ( 管段摩阻系数) 、 e nv e l o c i t y ( 管段流速) 、e n s e t t i n g ( 可代表管段的摩阻系数、水泵实 际转速或闸阀的阻力系数等) 。下面给出几个简单的c 语言示例来说明如何使用 t o o l k i t 中的库函数。 部分程序示例一：将管网中所有管径为1 0 的管段更改为1 2 。 i n t i ，n l i n k s ； f l o a t d ： e n g e t c o u n t ( e n _ l i n k c o u n t , & n l i n k s ) ； f o r ( i ：l ；i - n l i n k s ；i 什) e n g e t l i n k v a l u e ( i ，e n _ d i a m e t e r ，& d ) ； i f ( d 一1 0 ) e n s e t l i n k v a l u e ( i ，e n _ d i a m e t e r ，1 2 ) ； 部分程序示例二：在每个时段水力计算后重新得到节点压力值。 i n t i ，n u m n o d e s ； l o n gt ，t s t e p ； f l o a t p ； c h a ri d 3 2 ； e n g e t c o u n t ( e nn o d e c o u n t , & n u m n o d e s ) ； e n o p e n h o ； e n i n i t h ( 0 ) ； d o e n r u n h ( & t ) ； f o r ( i = 1 ；i 0 ) ； e n c l o s e h 0 ； 2 2 基于粒子群算法的模型参数校核计算方法 供水管网水力模型的精确与否直接关系到与实际管网水力运行状态的拟合 程度，对管网的漏损定位研究有着重要的影响。因此，管网的校核是建立管网模 型的一个很重要的步骤。影响管网模型准确性的参数有：管径、管长、阀门开启 状况、节点流量、摩阻系数、管网简化程度等。一般说来，节点流量、摩阻系数 的确定人为因素干预较大，因此人们往往希望通过调整这两个参数来达到校正模 型的目的，但随着管网基本数据的日趋完善，节点流量的估计趋于准确，摩阻系 数的校核就成为了研究中的重点。因此，管网摩阻系数的校核成为了解决管网漏 损定位的先行问题，即通过对管网的压力监测进行反分析，从而得到符合实际运 行情况的摩阻系数，之后再进行管网的模拟漏损定位，而这也可以归结为一优化 问题，即在管网漏损状态下通过校核管网的摩阻系数，从而最大程度地满足计算 模拟压力值与实验监测值的互相吻合。 2 2 1 优化模型的建立 最优化模型的思路是在满足管网本身的水力平衡和校核参数本身的取值范 围等约束条件下，寻找最优的待校核参数的取值，使得由管网实测值与计算值之 差的二乘误差所构成的目标函数值为最小。由于已知校正数据明显不足，造成解 的多样性，这就要求寻找尽可能多的可测数据，同时这些数据间的相关性要尽可 能小。采用如下目标函数： ( 彳) = 圭i = 1 窆j = l 扩瓦可 c 2 m ， 式中户- 彳寺优化的目标函数： h 待优化的参数向量( 此处为管道摩阻系数) ； ，卜_ 已知压力节点的个数： 日；第f 个工况下射个节点的实测压力，m ； 日f 第f 个工况下射个节点的计算机模拟压力，m ； 1 4 第二章供水管网的计算机模拟与模型参数的校核 卜校核工况数。 约束条件为： 刀j ，劬l 甩玎i 憎x ( 2 1 4 ) 式中，广一压力监测点个数； 刀，m i 广一最低要求压力监测点个数： 力，m 积最高要求压力监测点个数。 在满足边界条件的同时，作为状态变量的节点计算压力应同时隐含满足管网 的水力平衡条件( 连续性方程和能量平衡方程) 。显然这是一个复杂的非线性问 题，问题的难易与管网的规模成正比，因此选择合适的优化算法对问题的求解是 至关重要的。 2 2 2 优化算法简介 为了解决各种各样的优化问题，人们提出了许多优化算法，比较著名的有爬山 法、遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等。优化问题有两个主要问题：一是要求 寻找全局最小点，二是要求有较高的收敛速度4 2 1 。 2 2 2 1 爬山法( h i l l c l i m b i n g ) 爬山法是一种启发式算法，通过评价当前的问题状态，增加这一状态与目 标状态的差异，经过迂回前进逐步降低初始状态和目标状态的距离，以达到问题 解决的一种办法。如果将山顶作为目标，乃( 刀) 表示山顶与当前位置胛之间高度之 差，则该算法相当于总是登向山顶，在单峰的条件下，必能到达山峰，在计算过 程中，该算法每次对权重作很小的改变，测试改变后的表现，仅当成绩提高时才 采纳这个改变，需要熏复很多次。这个方法精度虽然比较高，但是收敛速度慢， 依赖于起点的选取，而且容易