给水管网设计和运行管理科技发展与技术应用

给水管网设计和运行管理科技发展与技术应用摘要：本文简要阐述给水管网设计和运行管理现代科学技术的进步和应用现状,对我国的发展方向提出了作者的见解和设想。管网优化设计计算、管网水力与水质模拟、管网优化调度、信息化和智能化运行管理及科技交流信息网络构成了当前给水管网新理论和新技术研究和应用发展的基本方向，对于城市供水企业提高经济效益和企业科技水平将起到根本保证的作用。在给水行业内组织高科技研究和产业化，是给水行业科技进步的可行道路。关键字：管网设计运行管理管网优化模拟控制1概述给水管网系统是一个由各种管道、泵站、水塔、调节阀(阀门、减压阀、检查阀等)等多种设施构成的水输送系统，通过系统的合理设计及运行管理，可以节约大量工程投资，提高企业经济效益和现代化科学技术水平。管网系统的投资很大，同时涉及到的影响因素也很多，如何最优地确定这些设计参数，使系统在满足用户要求的前提下，达到投资及运行费用最省；如何在已知某些系统参数的情况下，分析系统的运行状况，以便进行优化调度自动化控制等，这些都是给水管网设计及管理人员迫切需要解决的实际问题。随着计算机的出现及其应用软件的发展，给水管网水力计算有了很大的发展，在理论及算法上日趋完善。对于给水管网优化问题，国内外给水管网研究工作者已做了大量的研究和探索工作，并取得了丰硕的成果。计算机和计算技术的飞速发展，为管网设计与管理提供强有力的支持和推动。按照LeeCesario如表1所示的分析，可以看出管网模型发展的显著变化。坟表灵1层扯管网模型发展歉历穗史春蛇3傲0幸年织代炎苹Hardy-掠Cross凡衫手工求解魄法岛俗4扛0惜年丹代嗽隙McElro项y近惜电子分析帜器角扎5网0粉年地代厌样室内模型，电挽子管计算杨机肠绢6蹄0婚年两代锻题院校开发程序恢系统，晶体管朝计算箩机博狡7歉0票年伯代狼眉数学模型和计魂算方法发展，请计算程序开发钥和应用阶段，责小型计算拐机扫戏8尾0怠年植代少冬用户界面、软春件包及拟稳定关状态模拟系统烫，大规模集成吩电路微贺机爷括9期0究年掠代泪盗软件接口、图聚形化软件集成深设计、信息管踢理、智能化及眼自动化运行及犬水质模拟系统页，大规模集成宅电路微机贯，根PL锐C纸，抚SCAD株A轰，凑GIS1970年代中，利用计算机进行给水管网水力计算的理论和方法在大学和研究机构得到了广泛而深入的研究，成功地开发了许多专业应用软件，如美国Kentucky大学Wood-Charles程序(1972)，美国Utah州立大学Jeppson程序(1976)，并由软件开发公司推出一些程序，如FAAST、WATSIM(1974)等。我国也随之开始从事这方面的研究，并推出一些实用程序，如给水管网水力计算程序747、749、7512、767等程序(同济大学杨钦教授等)，为我国给水行业计算机应用奠定了十分重要的基础。这一时期研究的重点在于水力分析和标准优化设计计算，形成拟稳定状态水力模拟的完成数据模型。80年代，软件开发走向商品化，并开始重视拟稳定状态水力模拟系统和GIS、CAD技术开发和应用。这一时期典型的程序系统如AQUA(Akron大学，1985)、WADISO(Gessler-Walski,1985)。90年代是软件系统蓬博发展的时期，出现了大量的商品化软件，如PIPE-FLO、WaterMap、FAAST-3、KYPIPE2、EPANET、WATNET、H2ONET、8M、STONER、SynerGEE等，在国内，同济大学开发完成的软件有HYPNW（1992）、WPNCAD（1994）、WDOC（1998）、WPNCAD（1998）等。各类应用软件向着智能化、图形化方向发展，并为用户提供方便的界面和强大的功能。以管径优选法(Loubser和Gessler,1990)和遗传算法(Murphy、Simpson和Dandy,1993)为代表的优化算法可能会是管网优化技术真正走向市场的途径，以拟稳定状态模拟技术(Gessler和Walski,1989)进行管网系统优化调度，也已开始了工程应用和软件商业化阶段。应用计算机进行给水管网运行管理和优化调度科学技术在1990年代得到了快速发展，以信息技术和智能化、自动化控制为目标，运用PLC、SCADA和GIS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系统，逐步形成了给水管网运行管理和自动优化调度高科技产业。2给水管网优化设计和经济管径给水管网系统的水力平差设计计算，在算法上已十分成熟，在计算规模、计算速度和计算机精度上，随着计算机技术的发展，已不再是平差计算的约束问题。如WDOC、WatNET、STONER、SynerGEE等软件系统，都可方便地解决成千上万根管段的平差计算问题。然而，目前经常遇到的问题是管网拓扑模型的简化、不同种类管道摩阻系数的确定需要与工程实际保持一致，才能使计算结果具有工程实用价值。当软件使用者缺乏工程认识和经验时，往往得出片面结果，甚至造成直接经济损失。在进行管网设计计算时，必须引起足够重视。具有扎实理论基础和工程经验的软件使用者，可以通过比较计算结果和实测数据发现管网中存在的设计或运行问题，诸如管道锈蚀、漏水、闸阀盲目关闭或水泵运行失常等，为管网合理运行和调度提出改造方案，满足合理管理和运行的要求。管网优化设计计算，主要是为了进行新建或扩建管网的规划设计和初步设计，使其达到在投资(管径)及常年运行费用(水泵扬程)最小的情况下，满足用户对水量和水压的要求。优化设计计算方法是在建立经济模型和优化计算数学模型，并提出多个约束条件后，通过一定的数学算法，得出最经济的管径及水泵扬程。在经济管径条件下运行的流速称为经济流速。经济管径或经济流速是管网优化设计的计算结果，也是用于检验一个管网设计或运行优劣的一个手段。如果管网水力平差计算结果表明管段流速均远离经济流速的范围，即应该对管网的设计或运行管理方法提出质疑，并寻求解决问题的办法。根据历史纪录和经验，在一般情况下，给水管网中管段直径小于1m时，经济流速在0.5-1.0m/s之间，对于大于1.0m的管径，经济流速在1.0–2.0m/s之间。近年来，作者对某些城市供水管网进行计算，发现管段流速普遍较低。这是近年来我国城市给水设施快步发展的结果，同时也出现了设施建设富余量过大的问题。我们需要针对当前的经济规律和状况，开展经济流速和经济管径的研究，确定各城市和地区的经济流速和经济管径，提高供水企业的经济效益和科学管理水平。3管网系统优化调度和水质模拟控制给水管网系统的调度及管理，需要管网模型的建立、用水量预测预报以及自动控制及实施。管网模型的建立，在计算机硬件水平较低的年代，经历了自微观模型、宏观模型、集结模型、等价网络模型，随着计算机大容量、大内存、高运行速度的发展，最后又回到微观模型的过程。RobertDemoyer等首先提出基于“比例负荷”假定的“宏观模型”，只需要过去的运行数据就可以借助统计回归分析离线建模，采用渐消记忆算法也可以实现在线建模。同济大学于1988年在国内进一步提出基于“时段比例负荷”的“时段宏观模型”。配水控制问题，提的较多的是如何确定最佳的泵站调度方案，使供水能耗耗最省，也有以实现等压配水控制为目标的。管网系统的优化调度是供水企业科学管理和科技进步的重要内容，是管网运行信息化、智能化和自动化运行和结合，需要建立以计算机网络为中心的梯级PLC网络系统，利用SCADA和GIS等提供管理信息，形成完整的节约能量、节省人工、减少漏损、保护水质等的的管理系统，实现给水管网优化调度。给水管网水质模拟是计算跟踪管网水中溶解物质的传输与各时间内流经路线和分布。水质模型可分为稳态模型和准动态模型二种。（1）稳态模型假定管网处于水力稳定状态，在一定的运行负荷下，物质沿着流动路径和时间运行，达到水质稳定。数学模型为：(1)(2)管段浓度方程：Cu,ji＝CjCl,ji=Cu,jiCl,ji=Cu,jie-KT式中，j,k:分别表示节点j的上游和下游邻接点；qji，qik：管段流量；Qs，Cs:水源供水量及进水浓度；Cu,ji:管段＜j,i>起端浓度；Cl,ji:管段＜j,i>末端浓度；K：管段＜j,i>中物质反应速率常数；K：管段＜j,i>中的流径时间。保守物质沿管线流动过程中，浓度不发生变化，末端浓度等于起端浓度。非保守物质在流动过程中同时发生着反应，以一级反应为例，反应动力学方程为：(3)物质沿管段流动过程中发生衰减，以不同于管段起端的浓度进入下游节点。水源供水比例数学模型为：(4)(5)(6)式中，j:节点I的上游邻接点；Ps,i,Ps,ji：水源S对节点i和管段＜j,i>的供水比例；庆暂倦q便ji俯:灭管段流量否；壶Q色s杯：水源供水量喘。届烤涂盈嘴水在管网中流旅经时间的数学赏模型为右：析边式中洁，计A橡i挤,A黎j刺:胁节跑点拣i呀和纳i歪的上游邻接眨点初j林的流经时间气；销t甩ji薪：节踢点慈i绕的入流管段豆＜嫌j陵，窜i荐＞中的流经时秤间津；耳Q娘s先,A鞋s某:哄水源供水量和扩时间家。迟笛从（设2哑）准动态模型盗准动态模捎型的计算结果跃要比稳态模型甩的可信度高，钟因此，在实际半工程中，大部会分采用准动态独模型喜。鸦芽判统1土）对流扩散方衣程乘：婆能假设水中胀溶解物质在管框段横截面上均免匀分布，其运六行规律和传输集可用一维对流已扩散方程来表盈示靠。盲侵屋(7)哲式中绞，阳C来i栏(x,t)绞:宗管亭段诞i弯中愤，设t毯时交刻选x众位置的浓度很；油D睡:拿扩散系数远；跨S亩：源（或汇）助在单位时间单终位体积增加（腐或减少）的物译质质量螺；块K饺0士:慢零级肥应速率鸣常数押；鞋K墨1府：一级肥应速殖率常数薯；暗C锄E惩：反应达到平臭衡时的浓度霉。脏义纤肯2赔）节点混合方连程本稼假设水流构在节点处瞬时槐完全混合，所雾有以该节点为阀起端的管段起亲点处的浓度都殊相等犬。参珍坊析什皆残(弄8)拢式中庄，俱C喷i团(0,t)迁:粥时孙刻超t袄,茎以节杨点游K凯为起端的管芳段编i成的起端浓肾度余;C苦i樱(画L返j岂,t)坊:尘时摧刻胖t毛,然以节竞点敬K巧为终端的管份段际j漠的末端浓倡度森;友S衣：源（或汇）踏在单位体积内花增加（或减少锡）的物质量议；壳K粘：流入节智点始K强的管段的集合钟。邀甚则洋4及给水管网系怒统科技进步方茅向和任务考随着计算拼机及控制管理歪科学技术的进适步，给水管网宽设计、运行与川管理科技水平绕有了很大的发挽展，国内外给堪水管网研究工咽作者已做了大薯量的研究和开遗发工作，并取风得了丰硕的成盟果，为管网设朵计与管理提供摊强有力的支持堡和推动。经过光我国的改革开员放和技术引进苏，已经应用了掀大量先进的科位学技术，提高仅了科技水平和贪效率。然而，钻与发达国家相缓比，我国还存沙在着较大差距猫。中国是一个蚁大国，是一个秋十分广阔的科牺技市场，而且株面临着加秆入作WT唯O蔬的形势和机遇衔，我们迫切需舱要加快步伐和侮力度，深入开只展下列科学研孝究，形成适合量中国国情和特廉点的高科技产彼品和市场基。勾牺羞框1授）管道材料：饮管材的品种和前质量是决定给蚀水管网设计和括运行经济效率蜘的重要保证，焰我们需要开发夜研制耐压、防闯漏、光洁度高对和价格便宜的伍管道材料，以斥适应我国给水葡工程发展需求季。悄蓄悦魂2家）管道检漏及迹防漏技术：管谋道漏水供水系觉统中普遍存在白的问题，是供恳水企业长期重绸视和需要解决陪的问题。检测钱漏水和防漏已乎经成为一项高封科技应用技术盏，在我国具有斜显著社会及经口济价值，具有往重要开发价值胜和科技进步意缓义岂。览呈投弊3芹）给水系统自常动化控制和调低度成套技术设第备：给水系统企自动化控制和隔调度具有明显解的行业特点和闹市场广泛性，螺我国给水行业焦应具有自己的乱专业技术研究欺和成套设备开值发及经营管天理队伍，可以付形成行业专门洞化成套产品和限市场耀。敢请裙引4册）给水系统计指算机技术和软湖件开发：根据坡我国市场需求漏，利用我国已剥有科技成果和搜科技力量，吸阅收国外先进经绢验和成果，开蔽发我国自己的途计算机应用技言术和成套软件觉，将对我国给裙水行业科技进左步和提高经济庭效益起到重要被推动作用庭。板扔参考文献争驶1.返爸杨钦，给水外龟管网的设计与勿计算，中国建锤筑工程出版社等，钥1957断2.令讯杨钦，给水配质水系统的最优辨化设计，中国染给水排水扭，蜓No.1,狡198坑5啦：斥1-6.披3.占狐刘遂庆，多水饺源供水系统泵母站供水量最优卸分配，中国给虫水排水绘，肆No.亡5顾，严1988.扬友4.枯姻刘遂庆、陶建峡科，给水系统施计算机控制与疲优化调度软件饿硬件模式知，贝9解8做‘播全国给水管网帝技术研讨会论累文集拾，蒙1998.1末1鞋5.晋诸王利娟、刘遂访庆，给水管网级水质监测点的傻优化布置艇，碗9掌8基‘蚀全国给水管网齐技术研讨会论差文集皱，税1