【水力建模的相关理论基础概述2500字】

I水力建模的相关理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u22198水力建模的相关理论基础概述 1257231.1水力学原理 154491.2建模平台简介 2103641.3水力模型的建立流程方法 31.1水力学原理管网水力模型是按照管网实际拓扑结构，包括管段、阀门、水泵、水池等元素而建立的模型，用数学方程来表示管网中各种水力参数之间的联系。其水力计算的原理是基于质量守恒和能量守恒，得出的连续性方程、能量方程和压降方程，然后将方程联立求解完成计算。其该原理的具体内容如下：（1）连续性方程：即表示供水管网中任意节点的流向与流出的流量是相等的，并且规定从节点流出的流量为正，流向该节点的流量为负。（2.1）式中，为节点的流量； 为所有与节点连接的管段流量;和为管段起始和终止的节点编号。（2）能量方程：该方程主要基于能量守恒，表示供水管网中每一环中的各个管段的水头损失总和等于零。并且对于采用水流顺时针方向的管段，其水头损失为正，而水流逆时针方向的管段，其水头损失为负。（2.2）式中：为环L中各管段的水头损失；为管网中各环的编号。（3）压降方程：表示供水管网中管段流量和水头损失的关系。规定从节点流出的管段流量为正，流向节点的管段流量为负。（2.3）式中，为管段的水头损失；和为节点和对某一基准点的水压；为管段摩阻。1.2建模平台简介在智慧水务建设的背景下，供水管网的水力建模技术得到了快速发展，精准的水力模型对于水务系统进行科研研究有着重要作用。其建模方式主要分为宏观建模和微观建模，宏观建模REF_Ref12285\r\h[23]主要是对供水管网实时运行的数据进行统计分析，依据其中的变化规律而建立的经验模型，此模型虽然较为简单，但在建模过程中缺乏对实际管网铺设的拓扑结构和相关水力计算的考虑，使得模型运行过程中灵活性较差、不易变化。而微观模型REF_Ref12340\r\h[24]是利用实际管网的基本属性数据，依据水力学原理进行构建的，虽然建模过程复杂，但是具有较好的灵活性，可根据实际管网结构的变化进行调整，是管网优化调度、漏损定位等相关研究的基石。因此，近些年来，水力建模平台不断涌现，推动了水力微观建模技术的快速发展，其目前最为常用的建模平台主要有以下几种：EPANET平台建模：该软件主要用于供水管网系统的平差水力计算和水质分析，基于水力学原理（如解节点方程），利用管网基本属性数据信息构建水力模型，能够更加直观的反映管网的运行状态。具有管网平差、不同工况模拟计算、水质分析等功能。该软件最大的优势是可用于二次开发，因为提供了免费的开源代码，研究人员可在此基础上进行管网模型的相关课题研究REF_Ref12442\r\h[25]。WaterGEMS平台建模：该软件是一个水力建模应用程序，它可以独立使用或者通过插件的形式与AutoCAD、Arcgis等软件联合使用，其建模过程主要是利用管网铺设的地理信息数据、CAD设计的管网图纸、以及管网基本属性信息数据表格等进行水力建模，其优势在于智能链接数据建模，减少了手动输入数据水力建模的工作量。该平台中的达尔文校正器可用于模型校核，使所构建的水力模型更接近实际管网的运行状态，在水力分析、消防水耗分析以及能源消耗等方面提供了强有力的技术平台REF_Ref12491\r\h[26]。InfoWorksWS平台建模：该平台与GIS系统进行相互连接，它将关系数据库，水力计算引擎和相关的分析工具进行了集成，形成了水务系统较完善的模拟仿真平台，具有强大的数据处理功能，可对几十万个节点数量的管网规模进行水力计算，该系统平台不仅提供了可以存储管网数据的功能，还可以进行数据分析来模拟管网在不同工况下的运行状态REF_Ref12556\r\h[27]。由于EPANET建模平台可进行二次开发，可为开展管网相关的课题研究提供技术支撑，所以本研究将采用EPANET平台进行水力建模，通过管网的基本属性数据构建水力模型，利用MATLAB平台调用EPANET工具箱开展水力分析和漏损定位的相关研究。1.3水力模型的建立流程方法随着互联网+时代的快速发展，计算机相关技术已经深入融合在各个行业当中，作为城市重要的基础设施的管网系统已然迈进了信息化时代，水力模型作为管网系统不可或缺的角色，成为了供水管网系统实现信息化管理的基石。因此，建立一个完整的管网水力模型是非常重要的，其建立流程如下：（1）供水管网的数据整理与收集。信息化时代的到来，使数据处理从传统的人工收集完成了信息智能化采集的转变，大部分城市已经建立了GIS、SCADA等管网运行状态的监测系统，可将铺设管网的运行数据进行智能化传输。通过对供水管网的属性信息和水力信息的整理和收集，然后将数据信息导入EPANET，构建与之对应的水力模型。完成管网的水力模型的构建后，需对模型数据进行整改和纠错，避免由于管网数据出错造成管网出现不连通、无法模拟运行状态的问题。（2）管网模型拓扑结构的简化。近些年来，随着城市规划与建设的不断更新，供水管网的改造也成为了城市规划的一部分。由于实际管网的铺设环境十分复杂，不同的管道材质使用年限不同，若将实际管网中的所有数据进行计算具有很大的难度。因此，在进行管网建模时，依据管网的实际状况采用合理的方法进行简化处理，其管网的简化原则REF_Ref12657\r\h[28]必须与实际管网的运行状态接近，保证建立的管网水力模型能够真实模拟管网的运行状态。其简化方法主要分为分解、合并和省略，其中管网的分解主要是将复杂的管网模型依据其节点分布和管道连接线的流向特点，可将其分成若干个独立的管网进行水力计算；管网的合并主要是针对分布较密集的管线，并且管线属性相同，在不影响管网运行状态的情况下进行合并处理；对于管网模型中一些影响运行状态较小的管线，可在水力计算的精度要求之内做省略处理。（3）管网模型校核。依据管网相关水力数据构建的水力模型在开展研究前，需要对其进行模型校核，其主要的目的是为了使建立的水力模型能够真实的模拟实际管网的运行状态。在建模的过程中，影响水力模型精度的因素颇多REF_Ref12739\r\h[29]：第一，建模过程中，由于监测系统对于管网的数据更新较为缓慢，从而影响管网属性数据的准确性，则会造成管网水力模型模拟的运行状态与实际产生较大的误差；第二，节点水量的分配虽可以将与GIS级联的节点进行准确的分配，但是对于供水总量存在一些未计量的水量，这些未计量的水量是采用均分的方式进行分配的，并不能准确具体的分配到相应的节点上，则会造成水力模型的水量分配与实际不符，影响管网模型的精确度；第三，管道的粗糙度系数对水力模型精度的影响，主要体现在随着时间的变化，管道的粗糙度系数已由原来的初值发生了变化。但在建