市北供水管網水力模型的更新維護

張薇薇，薛 明，馮偲慜

(上海自來水市北有限公司，上海 200086)

隨著計算機和信息化技術的廣泛應用，供水管網水力模型(簡稱管網模型)已成為水司掌握管網運行狀態(tài)、提高管理和服務水平的重要工具。管網模型功能強大，不僅能為管網規(guī)劃、改擴建設計、泵站改造等重大投資建設項目提供科學的決策依據，還能為運行調度、漏損控制、管網水質分析等與水司管理和服務水平密切相關的業(yè)務提供科學的研究手段［1］。需引起注意的是，管網模型在實踐中應用的可靠性與其精度密切相關。模型的精度不同，其適用范圍不同，如用于管網水質分析的模型精度通常高于用于規(guī)劃設計的模型精度。因此，為最大限度地發(fā)揮管網模型的作用，需在建模完成后，做好模型更新維護工作，適時地進行模型校核，以保證其具有滿意的精度和可靠性［2］。

管網模型是以管網數據為支撐的數學模型系統，因此模型更新維護工作必然涉及模型數據的各個方面，其工作程序基本與建模過程類似，通常包括管網拓撲結構檢查與更新、水量數據更新、參數測定、控制數據更新、實時數據維護、模型校核等一系列內容［3］。以市北水司供水管網模型［4，5］為例，對模型更新維護過程進行論述，并通過模型校核考查更新后模型的精度，最后對模型工作提出相應建議。

1 市北水司供水管網模型概況

市北水司供水范圍內現有5座水廠，19座泵站(其中12座水庫泵站)，總供水能力306萬m3/d，水庫調蓄能力30萬m3，供水服務面積394 km2(不包括市北寶山自來水有限公司)，管網總長度5 782 km，總服務人口逾600萬人。市北供水管網模型采用英國Info Works WS模型軟件，現有模型(2009版模型)中包含管段64 173條，節(jié)點60 188個，水泵143臺。

2 模型的更新維護

2．1 管網更新維護

管網更新的主要數據來源為市北供水管網GIS系統。通過對比GIS數據與現有模型數據，查詢DN300以上新增管線，并在現有模型基礎上添加新增管線。完成管線添加后，需檢查管網中可能存在的重復管線，并檢驗管網的連通性?？紤]到GIS系統維護工作中部分管線更新滯后的問題，為得到與實際管網更接近的管線拓撲結構，模型維護工作中需參考供水管理所CAD管線圖及調度室管線并網閥門操作單，對實際增加而在GIS系統中未添加的DN300以上管線進行手工添加，同時針對CAD圖與GIS系統中有出入的管網結構進一步核實確認。管網更新后，模型包含管段74 823條，節(jié)點70 821個，水泵143臺。對于新增管線，需結合建模經驗添加相應屬性數據，如管道粗糙系數(市北模型采用柯爾勃洛克-懷特水頭損失公式)。

2．2 水量更新維護

模型水量數據的更新涉及用戶點更新、水量數據的處理、靜態(tài)水量更新、用水模式更新及水量平衡分析等方面內容。

2．2．1 用戶點的更新

用戶點數據來自GIS系統的水表信息，涉及的水表類型共五類:非居民用戶水表、用戶接水點、非居民用戶接水點、消防監(jiān)視表、用戶水表。將GIS系統中這部分水表導出，并與原模型導出的用戶點數據進行對比。對需要刪除的水表，直接在模型中刪除;對新增加的水表，在模型軟件中用“數據導入中心”更新。此外，根據需要手工添加一部分賬務系統中有而GIS中沒有對應關系的大用戶點。最后將用戶點數據按水表和接水點進行分類統計并保存。

2．2．2 水量數據的處理

模型的水量數據以2011年7月、8月兩個月的營業(yè)抄表用水量數據為基礎，并對存在的“特殊開賬”情況進行相應的數據處理(如刪除表分類為校對表的水量數據)，最后將7、8兩個月的水量按賬號取平均值，得到各賬號日均水量。

2．2．3 靜態(tài)水量更新

靜態(tài)水量更新包括水量對應、水量分配及水量連接三個步驟。靜態(tài)水量對應是指將統計得到的靜態(tài)水量與用戶點(分水表和接水點兩種)或用水區(qū)塊建立對應關系。其中，水表用戶按照CUST_ID對應關系進行水量對應;接水點用戶按關鍵字GJZ對應的賬號進行水量的對應和疊加;與用戶點無對應關系的賬號水量按用水區(qū)塊號C_KH進行統計。靜態(tài)水量分配是指運用模型軟件提供的相關功能，將用戶點按一定的規(guī)則綁定到模型相應的節(jié)點上。水量連接是通過模型軟件的“數據導入中心”功能，將建立對應關系的水量數據按“唯一區(qū)別符”更新到相應用戶點上。此外，無對應關系的區(qū)塊統計水量，運用模型軟件的“節(jié)點多邊形”功能將其分配到用水區(qū)塊內DN300以上管道對應的節(jié)點上。

2．2．4 用水模式更新

市北供水范圍內用戶按用水性質分成20種用水類型，如居民生活用水、辦公、商業(yè)等。通過遠傳水表監(jiān)測系統獲取用戶一周水量變化數據，按照需要繪制不同類型用戶的用水模式曲線，如圖1所示。

圖1 用水模式曲線Fig．1 Curve of Using Water Mode

2．2．5 水量平衡

通過上述水量分配，來自賬務系統的水量都已分配到管網節(jié)點上，其中包括與GIS系統中用戶點有對應關系的水量、手動添加的大用戶水量和按塊號分配的水量。但這部分水量往往小于管網供水量，兩者的差值即為無收益水量。因此，模型中需添加未計量用水類型的水量。

市北管網模型為動態(tài)水力模型，在進行模型模擬時，除應保證模型中日水量與實際日供水量一致外，還需保持各時刻水量的動態(tài)平衡，即對于任一模擬時刻，模型分配水量與實際供水量相一致。在模型中，這種動態(tài)的水量平衡可通過調整未計量用水曲線來實現，模型軟件提供了相應的功能模塊。

2．3 模型參數測定

水泵的特性曲線是影響模型模擬結果的重要數據，包括流量-揚程、流量-效率、流量-功率曲線。由于水泵的特性會隨運行時間發(fā)生變化，特別是對于進行葉輪切削的水泵，更需進行水泵特性的測定。進行水泵測試時，流量、壓力和功率數據應同步獲取，以保證數據的有效性和可靠性，具體操作流程應按相關國家標準執(zhí)行，如水泵流量的測定方法GB/T 3214和離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵試驗方法GB/T 3216。

2．4 控制數據

模型的控制數據主要包括水泵的開停狀態(tài)、變速泵控制規(guī)則(頻率、壓力、流量等)、管網調度閥門及水庫進水閥門狀態(tài)、水庫初始水位、吸水井水位等。其中水泵的開關、水庫進水閥門開度、水庫及吸水井水位等數據可從調度系統數據庫中導出，并轉化為模型軟件所需格式(市北水司已開發(fā)相應接口工具);管網調度閥門開度可查詢相關閥門操作單或調度令，對于一些記錄不詳的閥門，需與其所屬供水管理所聯系并確認最終閥門狀態(tài)。對于變速泵，需向所屬水廠控制室或泵站管理所確認其實際運行控制方式，并在模型中進行相應的設定(流量、壓力或頻率)，如月浦水廠4#泵按壓力控制，管網中途泵站變頻泵按頻率控制運行。

2．5 實時數據

為建立與模型節(jié)點的對應關系，需在相應的模型節(jié)點(測壓點和測流點)添加控制信息。測壓點和測流點位置在調度系統測點屬性資料中查找，并在GIS系統中進一步核實確認。實時數據來自調度實時監(jiān)測系統(SCADA)，需轉化為模型軟件所需格式(市北已開發(fā)相應接口工具)。在模型中加載好實時數據后，需注意實測數據計量單位與模型運算單位的換算關系，設定相應的流量和壓力系數。對于壓力監(jiān)測數據，應添加相應的儀表高程數據。

需注意，將實測數據加載到模型之前，應對數據的有效性進行檢驗，如剔除異常數值以及缺失數據填充。

3 模型校核

通過模型數據更新和維護，提高了模型基礎數據的準確性。模型校核可發(fā)現模型中的問題，通過解決問題，最終提高模型精度和可靠性。本次模型校核選擇2012年7月30日(日水量246．5萬m3)作為模型校核日，進行模型校核。針對模擬結果與實測值的誤差，可遵循從水廠到泵站再到管網的順序對模型數據進行逐步核查，其中重點檢查控制數據，其次是拓撲連接。對于一些壓力、流量誤差的突變點，應結合調度數據進行分析。初步模擬結果顯示楊樹浦水廠出廠壓力偏高，通過核實相關控制數據發(fā)現，調度系統中楊樹浦水廠7#吸水井水位數據未轉化為吳淞高程;水庫水位模擬誤差較大，與水庫進水閥門開度設定有關，因開度初始值按經驗設定，與實際情況有出入，需通過模擬值與實際值的誤差逐步調整開度;水泵的開停時間來自調度員手工輸入調度指令，與實際水泵開停時間偶有出入，可根據水廠出廠流量或水庫水位數據對其進行修正;通過對比流量儀數據，發(fā)現寶山供水區(qū)域普遍存在流量儀實測數據小于模擬值的情況，通過單獨統計分析該區(qū)域水量，發(fā)現該區(qū)塊分配的水量高于實際水量，需進行水量調整。

模型校核的過程是認識誤差，消除誤差的過程。經過校核，模型的流量、壓力和水位模擬精度都有所提高，經統計，90%以上的測點壓力誤差在2 m以內，80%出廠流量的誤差在5%以內，80%管網流量誤差在15%以內。

4 模型維護工作建議

管網模型維護工作是一項煩冗的系統工作，建模人員不僅需要具有相應的專業(yè)知識，為提高模型的精度和實用性提出切實可行的改進方案，還需從管理的角度，為保障模型發(fā)揮持續(xù)作用提出長效的更新維護工作機制。

針對市北模型現狀，對模型更新維護工作總結并建議如下:

(1)管網拓撲結構的更新維護，在保證以GIS系統數據為基礎的前提下，根據管網實際投入運行情況進行必要的手工添加，可參考管道并網單或相應的竣工圖紙。使模型網絡數據既源于GIS又優(yōu)于GIS，與此同時做好手工添加數據的標識工作，以便于GIS數據更新導入后模型重復網絡結構的檢查。

(2)此次模型更新維護的靜態(tài)水量和用水模式曲線均以夏季用水數據為基礎，若應用于其他季節(jié)工況模擬，模型誤差較大。因此，應選擇有代表性的用水季節(jié)，制定不同的用水模式，以適應不同用水情況下的模型應用需求。

(3)對于水泵的特性曲線，應定期進行測定(包括增壓及水庫泵站)。特別對于變速泵，應分別測定其常用頻率下的特性曲線。

(4)對于管網調度控制閥門，不同供水管理所數據的管理程度不同。因此，可考慮將管網調度控制閥門納入調度實時信息管理系統平臺，實現調度閥門的集中管理和展示。

(5)實時監(jiān)測數據的準確性是模型是否準確的判斷依據，因此在線監(jiān)測和通信設備的維護和正常運行是模型工作者不可忽視的重要問題。

(6)為提高模型更新維護工作自動化水平，可逐步開發(fā)模型軟件與GIS系統、營業(yè)收費系統的接口工具，使建模型人員從繁重的模型數據收集上解脫出來，而將工作的重心集中在模型數據的管理和模型精度的提高上。

(7)模型的更新維護工作不是一蹴而就的事，需建立一套切實可行的維護策略(實時維護、定期或不定期維護)，并對更新維護工作的階段性成果做好備份記錄。

［1］何芳，李樹平，陳宇輝，等．供水管網水力模型的維護［J］．給水排水，2007，33(1):94-97．

［2］信昆侖，劉遂慶．城市給水管網水力模型準確度的影響因素［J］．中國給水排水，2003，19(4):52-55．

［3］吳晨光，張駿，王光輝，等．華東某城市供水管網模型的建立［J］．凈水技術，2007，26(4):29-31．

［4］陳明吉，鄧濤，耿為民，等．上海市自來水市北公司供水管網信息化建設與展望［J］．給水排水，2009，34(9):117-121．

［5］孟明群，戴雷杰，張立尖，等．上海市中心城區(qū)供水管網信息化建設與展望［J］．中國給水排水，2012，28(12):5-8．