MIKE URBAN在供水管網設計和管理中的應用研究

杜小洲

（陜西省引漢濟渭領導小組辦公室 陜西 西安 710004）

供水管網是供水系統(tǒng)的重要組成部分，且是隱蔽、分散的工程，管理的難度較大。陜西省是發(fā)展區(qū)域集中供水和水務一體化最早的省份。特別是國家“飲水安全”項目和我省“八大民生工程”實施以來，農村集中供水工程規(guī)模越來越大，縣城供水系統(tǒng)硬件日趨先進，不少縣自來水公司已經實現網上遠程可視化監(jiān)控，但管網水力計算和水廠優(yōu)化調度仍然是各縣（區(qū)）供水設計和管理中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，引進并應用高性能的計算軟件，充分發(fā)揮自動化程度相對較高的供水工程硬件設備的潛力，對促進陜西省供水工程建設和管理實現跨越式發(fā)展具有重要的意義。

MIKE URBAN軟件是丹麥DHI公司經過整合的城市GIS和管網建模軟件，其中MIKEURBANWD管網配水模型在國內的實際工程中還沒有得到普遍應用。本研究目的是通過對軟件的應用總結，分析其主要功能和使用條件，為軟件在陜西省的推廣應用奠定基礎。

1 軟件概況

MIKEURBAN是丹麥DHI公司經過整合的城市GIS和管網建模軟件。MIKE URBAN包括MIKEURBANMODEL MANAGER、MIKE URBAN WD和MIKE URBAN CS等。MIKE URBAN的給水管網水力計算內核為EPANET，它引進了ESRI的地理數據庫技術，把GIS與建模環(huán)境整合在一起，與數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、實時控制系統(tǒng)（RTC）和決策支持系統(tǒng)(DSS)能達到較好的連接。

MIKEURBAN具有完備GUI功能的高級模擬軟件工具；快速可靠的模擬引擎，確?？焖龠\算；有支持軟件用于數據處理和分析；用于在第三方程序中（如MATLAB）處理模擬數據的GIS集成和工具；多種模塊及管網許可選擇確保用戶根據自身需求來選擇模型。

WD工具模塊可模擬由于各種作用力的作用而產生的水位及水流變化。它包括了廣泛的水力現象。軟件可對配水系統(tǒng)模型進行自動校驗，對設計來講，主要用于現有、擬建或改建的輸配水管網系統(tǒng)的水動力設計的優(yōu)化和驗證。

2 軟件應用

2.1 在恒定水力計算中的應用

恒定水力計算是對管網所有參數進行設定后進行的水力計算。明確不同工況（管網水力狀態(tài)）下枝狀網和環(huán)狀網的水力計算方法。

給水管網中有兩類基本水力要素：流量與水頭，包括管段流量、管段壓降、節(jié)點流量、節(jié)點水頭等。它們之間的關系反映了給水管網的水力特性。當給水管網各管段特性已知且處于恒定流狀態(tài)時，流量與水頭兩類要素的關系由恒定流方程組確定。在這種情況下，只要適當地給出部分流量和水頭值，其他流量與水頭值可以由恒定流方程組解出。

在恒定流狀態(tài)下，水力分析的數學含義就是解恒定流方程組，水力分析的工程意義就是已知給水管網部分水力參數，求其余水力參數。給水管網水力分析是解決給水管網設計、調度和管理等各種應用問題的理論基礎。

在給水管網水力分析中本軟件可應用的水頭損失公式有：海曾-威廉公式、達西公式及曼寧公式。

海曾-威廉公式適用于較光滑的圓滿管紊流計算，公式為：

它適用于較光滑的管道，特別是當e≤0.25mm（Cw≥130）時，該公式較其他公式有較高的計算精度。

達西公式適用于滿流圓管的計算，為管渠水力計算的經典公式，已經成為給水排水管網水力計算的基本公式。達西阻力系數λ的科學計算和應用是管網水力計算正確性的關鍵，公式為：

曼寧公式適用于明渠或較粗糙的管道計算，亦適用于較粗糙的管道，最佳適用范圍為0.5≤e≤4.0mm。公式為：

正確選用沿程水頭損失計算公式，具有重要經濟價值和工程意義。實踐證明，不同的計算公式所產生的計算結果具有較大的差別。如果公式選用不當，可能導致設計者選用不合理的管徑和水泵揚程等，造成不應有的經濟損失，甚至降低工程效益。

求管段流量一般采用逆推法，求節(jié)點水頭一般采用順推法。

通過實例分析，明確了軟件水力計算的初始條件：

（1）交叉點的初始條件：高程、流量；

（2）管道的初始條件：管材、管長、管徑；

（3）水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

（4）泵站的初始條件：水力曲線；

（5）閥門的初始條件：設置值（減壓閥的減水壓）。

2.2 在水錘分析中的應用

水擊所產生的增壓波和減壓波交替進行，對管壁或閥門的作用有如錘擊一樣，故又稱為水錘。水流在慣性的作用下，對管道的壓力迅速達到最大，并產生破壞作用，這就是水力學當中的“水錘效應”，也就是正水錘；相反，關閉的閥門在突然打開后，也會產生水錘，叫負水錘，也有一定的破壞力，但其破壞力沒有正水錘產生的大，在水力管道建設中都要考慮這一因素。

通過實例，對管網中無氣室或有氣室狀態(tài)下的管道進行分析計算，并分析軟件計算結果的合理性及可行性。最后確定了軟件水錘分析的初始條件：

（1）管道的初始條件：管材、管長、管徑；

（2）水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

（3）泵站的初始條件：水力曲線；

（4）閥門的初始條件：設置值（減壓閥的減水壓）；

（5）半恒定時間設置參數：分析歷時、水力計算時間步長、模式時間步長、記錄時間步長、記錄開始時間、開始計時時刻。

2.3 在半恒定水力計算中的應用

半恒定水力計算是對一個時段內的管網水力情況進行的一系列穩(wěn)態(tài)分析，包括水量分配和壓力分區(qū)，每一次分析都要涉及時段。每個時刻假設管道流量恒定，并且在時段內沒有外部條件變化。因此，每一個時段的計算結果是根據之前時段的計算結果得出的。由于在工程實際中恒定流只存在于有限的時段內，從長期來看，半恒定水力計算更能反映管網的實際運行過程。

通過實例驗證了MIKE URBAN軟件可對管網進行半恒定水力計算，且分析結果符合工程實際。同時，明確了軟件進行半恒定水力計算分析的初始條件：

(1)交叉點的初始條件：高程、流量；

(2)管道的初始條件：管材、管長、管徑；

(3)水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

(4)泵站的初始條件：水力曲線；

(5)閥門的初始條件：設置值（減壓閥的減水壓）。

(6)半恒定時間設置參數：分析歷時、水力計算時間步長、模式時間步長、記錄時間步長、記錄開始時間、開始計時時刻。

2.4 在水質模擬中的應用

水質分析包括消防流量分析、水源水質追蹤分析、水質水齡分析、水質余氯分析等，是對延長的時段進行的一系列水質分析，每一個分析都要涉及時段。用軟件對管網進行模擬得出各種元素在管網中的動態(tài)變化，如水齡、水質、成分濃度等。

使用MIKEURBAN軟件對管網的水質進行模擬，實時反饋管網實際狀況以指導管網的合理設計、管道的及時維修和更換、調整管道布置和系統(tǒng)運行科學調度來保護和改善管網水質，以保障管網水質的安全。通過工程實例計算分析,明確了軟件進行半恒定水質計算分析的初始條件：

①交叉點的初始條件：高程、流量；

②管道的初始條件：管材、管長、管徑；

③水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

④泵站的初始條件：水力曲線；

⑤閥門的初始條件：設置值（減壓閥的減水壓）。

⑥半恒定時間設置參數：分析歷時、水力計算時間步長、模式時間步長、記錄時間步長、記錄開始時間、水質時間步長、開始計時時刻；

⑦水源點初始條件：水質成分的初始濃度。

3 結語

通過對軟件的研究和分析，并結合實際供水情況，發(fā)現軟件具有兩大功能：一是具有較強的管網水力計算校核和各種工況的模擬功能。對供水行政主管部門審查供水工程設計非常適用，可以有效的提高工作效率。二是具有在水廠生產運行中優(yōu)化調度功能，但對實際運用條件要求較高，需要供水公司有非常完善的自動化調控硬件設施，如大量的電動閥門、傳感器、地理信息系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)等。同時，明確了各種應用的初始條件的設定，為軟件的推廣應用奠定了基礎。陜西水利

[1]嚴煦世，劉遂慶.給水排水管網系統(tǒng)（第二版）[M].

[2]周建華，大規(guī)模城市給水管網系統(tǒng)優(yōu)化運行模型研究，博士學位論文.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學[D].