EPANETH在多時段管網(wǎng)平差模擬中的應(yīng)用

賈如升　王淑賢　楊 杰　汪萬芬

(1. 皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院， 安徽 六安 237012; 2. 陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院， 西安 710018)

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EPANETH在多時段管網(wǎng)平差模擬中的應(yīng)用

賈如升1王淑賢2楊 杰1汪萬芬1

(1. 皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院， 安徽 六安 237012; 2. 陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院， 西安 710018)

摘要：結(jié)合某城市最高日實測用水量變化情況，應(yīng)用EPANETH軟件模擬一天內(nèi)多時段管網(wǎng)的運行情況。由節(jié)點自由水壓-管段流速圖、各節(jié)點自由水壓圖看出，最高點時確定的管徑及水泵在其他時段并不能全部滿足節(jié)點的壓力要求。通過調(diào)整個別管段管徑，適當(dāng)提高水泵揚程使各節(jié)點的自由水壓均滿足壓力要求。

關(guān)鍵詞：EPANETH； 清水池； 水塔； 模擬

在環(huán)狀給水管網(wǎng)水力計算中，Hardy Cross法是較常用的一種方法。其求解過程是，按照城鎮(zhèn)最高日用水量在滿足連續(xù)性方程時進行管段流量初分配，并由此流量按經(jīng)濟流速選定管徑并求解各環(huán)閉合差，繼而求解各環(huán)的校正流量及最新的計算管段流量；重復(fù)以上計算過程，迭代計算到各環(huán)閉合差小于允許值為止[1-2]，然后根據(jù)最終的管段流量和選定的管徑計算各管段的水頭損失，再計算每個節(jié)點的節(jié)點水頭和自由水頭，最后計算出水泵的揚程。整個求解過程是一個靜態(tài)的過程，只能了解管網(wǎng)在最高點時的用水量、管道流速、各個節(jié)點壓力，而一天內(nèi)用水量、水壓在其他時段的動態(tài)變化是未知的。為了全面了解管網(wǎng)在一天內(nèi)的動態(tài)工作情況，在此采用計算機軟件模擬不同時段的管網(wǎng)運行情況。

1EPANETH軟件

EPANET是美國國家環(huán)境保護局(Environmental Protection Agency，縮寫為EPA)開發(fā)的開源軟件，其漢化版本稱為EPANETH，是一個可以執(zhí)行有壓管網(wǎng)水力和水質(zhì)特性延時模擬的計算機程序，具有管網(wǎng)平差、運行模擬、信息管理和運行管理等完整功能[3]。基于求解節(jié)點的方程，可對管網(wǎng)不經(jīng)簡化處理直接建模，節(jié)約計算時間和存儲單元。該軟件應(yīng)用方便，結(jié)果直觀可見，越來越廣泛地應(yīng)用于有壓管網(wǎng)系統(tǒng)的平差計算,計算效率和結(jié)果的精確度較高[4]。

2EPANETH在多時段管網(wǎng)的模擬應(yīng)用

2.1基礎(chǔ)信息的輸入及處理

以某環(huán)狀管網(wǎng)為例[5]，直接繪制建模，如圖1所示。已知某城市最高日用水量為14 085.6 m3d，清水池的節(jié)點水頭為12 m，水塔的節(jié)點水頭為48 m，最小服務(wù)水頭24 m,初步假定控制點為節(jié)點8。節(jié)點信息如表1所示，管段信息如表2所示，實測用水量變化情況如表3所示，不同時段節(jié)點實際需水量如表4所示。

圖1　給水管網(wǎng)示意圖

根據(jù)表1輸入節(jié)點信息，按照表2輸入管段信息，水泵只要輸入流量和揚程，軟件即自動繪制曲線。

表1　節(jié)點數(shù)據(jù)表

表2　管段信息表

表3　某城市最高日實測用水量變化

為了模擬一天中管網(wǎng)各節(jié)點和管段的流量、壓力等情況，在軟件中建立時間模式，初步確定某城市的時段為24 h，間隔為1 h。具體做法是從軟件中的數(shù)據(jù)瀏覽器下拉式列表中選擇模式，點擊瀏覽器的添加按鈕，利用模式編輯器編輯模式，輸入表4所示相應(yīng)數(shù)據(jù)。

表4　不同時段實際需水量

2.2模擬結(jié)果的輸出

選擇最高流量時，得到水頭-管段流速圖，如圖2所示，其他時段的結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖2　水頭-管段流速圖

2.3自由水壓的校核

實例中要求最小水頭為24 m，其中節(jié)點3、6、7要求最小水頭為28 m。模擬顯示，初步確定的控制點8并非真正的控制點，節(jié)點3是整個管網(wǎng)中最難滿足的點，而且一些節(jié)點在不同時間段存在水壓不足的情況。例如節(jié)點3在8 — 13時段、15 — 19時段的水頭<28 m；節(jié)點4在8 — 19時段的水頭<24 m；節(jié)點6在9 — 11時段、15 — 18時段的水頭<28 m；節(jié)點7在8 — 12時段、15 — 19時段的水頭<28 m；節(jié)點8在9 — 13時段、15 — 19時段的水頭<24 m。針對水壓不足的情況，根據(jù)管段壓降方程放大個別管徑,以減少管段的水頭損失而提高節(jié)點水壓，繼而提高各節(jié)點的自由水壓，調(diào)整了管段的管徑。管徑變化情況如表5所示。但是僅調(diào)整管徑并不能保證24 h水壓都能滿足要求，因而適當(dāng)提高了水泵的揚程。運行后，各個節(jié)點可滿足水壓要求。

圖3　節(jié)點2 — 4水頭曲線

圖4　節(jié)點5水頭曲線

圖5　節(jié)點6 — 8水頭曲線

管段編號原管徑∕mm變化后管徑∕mm1300350230040032003004200300

3結(jié)語

應(yīng)用EPANETH軟件模擬多水源管網(wǎng)在一天內(nèi)多時段的水力平差，指導(dǎo)供水管網(wǎng)的日常運行調(diào)度管理。該方法具有如下特點:

(1)準(zhǔn)備工作量不大。不需要人工借助office軟件來擬定滿足連續(xù)性方程的初始流量，可在界面中直接建?；蛘邔?dǎo)入管網(wǎng)圖形，只需輸入管段長度、直徑、節(jié)點地面標(biāo)高、流量等數(shù)據(jù)。

(2)適應(yīng)性強。無論樹狀網(wǎng)、環(huán)狀網(wǎng)還是兩者結(jié)合型的管網(wǎng)，不管環(huán)數(shù)、管段數(shù)多少，運用該軟件模擬時對環(huán)數(shù)、管段數(shù)無限制。當(dāng)然,管段數(shù)、環(huán)數(shù)多,耗時則稍多一些。

(3)誤差小。管道的水頭損失完全按照給水排水設(shè)計手冊推薦的水力公式和管道內(nèi)徑來計算,節(jié)點的流量完全滿足節(jié)點流量平衡方程，每個環(huán)節(jié)的水頭損失閉合差可以根據(jù)要求任意設(shè)定。

(4)結(jié)果直觀，修改方便。模擬結(jié)果以圖表的形式通過不同顏色反映管網(wǎng)的水力參數(shù)，非常直觀；同時可以很方便地修改某些參數(shù),直至得到比較理想的計算結(jié)果。

參考文獻

[1] 嚴煦世,范瑾初.給水工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999:49-56.

[2] 蔡建安.環(huán)狀給水管網(wǎng)設(shè)計和調(diào)度的虛擬儀器[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,20(1):23-27.

[4] 張鳳娥,殷志寧,李宏. EPANET水力模型在供水管網(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].給水排水,2008,33(11):200-202.

[5] 嚴煦世,劉遂慶.給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008:100-139.

Application of EPANETH in the Multi Sources Pipe Network Adjustment Simulation

JIARusheng1WANGShuxian2YANGJie1WANGWanfen1

(1.College of Architecture and Civil Engineering, West Anhui University, Lu′an Anhui 237012, China;2. Shaanxi Reoonnaissance Design and Research Institute, Xi′an 710018, China)

Abstract:Combined with the highest measured water consumption change in a certain city, this paper expounds how to use EPANETH software to simulate the multi period network operation. The results obtained node free water pressure-pipe flow graph, node free water pressure-pipe segment flow graph and each node free pressure graph, and checked free water pressure and the tower transfer condition. The result also showed that the determinged water pump in the highest point can not meet the requirements of other time pressures. Through repeated adjustment of individual pipe diameter and appropriate increase of the pump head, finally each node satisfies the requirements of free water pressure.

Key words:EPANETH; clean water tank; water tower; simulation

收稿日期：2015-11-24

基金項目：安徽省高等學(xué)校省級自然科學(xué)基金項目“不同混凝劑處理低溫低濁淠河水對比實驗研究”( KJ2013B336)；皖西學(xué)院2014年度本科教學(xué)工程項目“皖西學(xué)院 — 六安市排水有限公司合作工程實踐”(2014XQ04)

作者簡介：賈如升(1978 — )，男，碩士，講師，研究方向為給水工程。

中圖分類號：TU991.3：TP391

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)02-0121-03