城市供水管網(wǎng)模型校核方法的比較

焦星瑞，王 雪，陸 海

（1.吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，長春 130118；2.長春科技學院 建筑工程學院，長春 130022）

城市供水管網(wǎng)模型校核方法的比較

焦星瑞1，王 雪1，陸 海2

（1.吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，長春 130118；2.長春科技學院 建筑工程學院，長春 130022）

城市供水管網(wǎng)模型是對城市供水管網(wǎng)運行狀態(tài)的分析和模擬，在管網(wǎng)模型應(yīng)用之前需對其精確性進行檢驗和校核。本文對供水管網(wǎng)模型校核的幾種常見方法進行比較分析，這有助于更好地了解供水管網(wǎng)的運行特點，然后提出優(yōu)化的運行控制方案，將為供水管網(wǎng)的改建擴建提供科學合理的技術(shù)依據(jù)，并為供水管網(wǎng)事故分析提供決策依據(jù)。

供水管網(wǎng)；模型校核；模型比選

城市供水管網(wǎng)是城市給水工程中的重要組成部分，其深埋于地下,具有隱蔽性的特點，同時供水管網(wǎng)還具有年代跨度大、水力分析復(fù)雜等特點，因此對于供水管網(wǎng)的運行控制存在很大的困難[1]。鑒于此，我國供水管網(wǎng)存在爆管頻發(fā)、漏失率高等弊端。為了更好地了解供水管網(wǎng)的運行特點，提出優(yōu)化的運行控制方案，需要對供水管網(wǎng)進行建模，以此來模擬其運行狀態(tài)，掌握供水管網(wǎng)中水壓、流量、壓降、水齡等信息，同時這也將為供水管網(wǎng)的改建擴建提供科學合理的技術(shù)依據(jù)，并為供水管網(wǎng)事故分析提供決策依據(jù)[2]。

1 供水管網(wǎng)模型的校核

城市供水管網(wǎng)是一個具有時變性、隨機性和不確定性的復(fù)雜龐大系統(tǒng)，要對供水管網(wǎng)的流量、壓力等運行參數(shù)進行深入的了解并及時作出優(yōu)化調(diào)度，首先須建立城市供水管網(wǎng)的數(shù)學模型[3]。對于初步建立的供水管網(wǎng)模型，雖然它包含了管段的長度、管徑、管材等信息，以及節(jié)點的高程和水源的水量和壓力等基本信息，但若不以實際工況數(shù)據(jù)加以校核，則該模型往往不能真實地反映實際管網(wǎng)的運行狀況。對最初建立的供水管網(wǎng)模型進行水力分析模擬后，用實測的運行數(shù)據(jù)對供水管網(wǎng)模型加以校核，即用分析模擬數(shù)據(jù)與實測運行數(shù)據(jù)相比較，如果二者之間的差值較大，則調(diào)整與模型相關(guān)的管段、節(jié)點及水源等各類信息。對經(jīng)過上述調(diào)整后的模型再次進行水力分析模擬，分析模擬后所得結(jié)果再與實測運行數(shù)據(jù)比較，如二者之間的差值仍然較大，則再次調(diào)整模型，直至分析模擬數(shù)據(jù)與實測運行數(shù)據(jù)相近為止。因此，供水管網(wǎng)模型的校核是調(diào)整管網(wǎng)參數(shù)、反復(fù)平差、完善模型的一個過程。經(jīng)過校核的供水管網(wǎng)模型，可用于對實際城市供水管網(wǎng)進行比較精確的模擬分析。

2 供水管網(wǎng)模型校核方法比較分析

2.1 靈敏度分析方法

1973年，Gilman提出一種重新分配計算節(jié)點流量的方法，這種方法是基于逆解原理而建立的，能夠達到分析模擬數(shù)據(jù)與實測運行數(shù)據(jù)相接近的目的[4]。他的方法是基于“比例負荷”的假設(shè)而產(chǎn)生的，即假設(shè)節(jié)點流量隨著管網(wǎng)的流量變化而成一定的比例發(fā)生變化），這樣可以將供水管網(wǎng)分成幾個區(qū)域，在每一個區(qū)域之內(nèi)存在一個測壓點。在上述基礎(chǔ)上，計算每個區(qū)域的測壓點的水壓隨該區(qū)流量增量的靈敏系數(shù)，通過求解由此而產(chǎn)生的一個線性方程組，進而確定每個區(qū)域的節(jié)點流量的調(diào)整量。這種方法的弊端在于，靈敏度的計算受流量增量的影響較大，這是由于節(jié)點的壓力與節(jié)點流量不存在線性函數(shù)的關(guān)系[5]。

2.2 解析方法

解析方法是由Walski[6]于1983年提出的一種模型校核方法，并用于解決一些供水管網(wǎng)校核的實際問題。該方法涉及到兩方面的問題：一是將已知條件下模型計算壓力、流量與現(xiàn)場實測壓力、流量進行比較；二是調(diào)整模型的輸入?yún)?shù)值以改善模型計算值與實測值的吻合程度。

2.3 解非線性方程組法

如要在某節(jié)點產(chǎn)生所需壓力，可以采用調(diào)整某一管段的水力特性，如設(shè)置加壓泵或者減壓閥的方式來實現(xiàn)。Gofman根據(jù)研究結(jié)果提出，在原管網(wǎng)方程中添加虛環(huán)方程，同時把待調(diào)整管段的阻力系數(shù)當作未知量來處理，用一定的方法求解所形成的非線性方程組。

2.4 最優(yōu)化方法

靈敏度分析方法、解析方法以及解非線性方程組法的共同缺點是，在未對被調(diào)整量施加約束，因此很難保證其解與實際測量值的一致性。經(jīng)過對有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析比較和與現(xiàn)場實際測量，可以獲得供水管網(wǎng)的節(jié)點流量及管道阻力系數(shù)的取值范圍，也就是后續(xù)建模過程中的約束條件。如果上述數(shù)據(jù)中的某些量已經(jīng)能夠比較精確地知道，則不應(yīng)再繼續(xù)進行調(diào)整。除了Ormsbee和Wood提出的方法以外，其他方法對于有測流結(jié)果的情形都不能做出很好的處理，所以，最優(yōu)化方法的應(yīng)用對于供水管網(wǎng)模型的校核具有一定的狀態(tài)估計作用。

1 汪光壽，等.城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

2 于靜潔，趙洪賓.城市給水管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的建立[J].同濟大學學報(自然科學版)，2005，33（3）：339-341.

3 韓德宏.配水管網(wǎng)的狀態(tài)估計的幾種方法[J].中國給水排水，1993，（1）：31-33.

4 Gilman H.D.Application Model for Water Distribution Control[J].AWWA，1973，（4）：27-29.

5 Sterling，etal.Parameter Turning for Simulation Models of Water Distribution Network[J].Engng Syst，1980，（13）：751-762.

6 Thomas M.Walski, Assuring Accurate Model Calibration[J].AWWA，1985，（12）：38-41.

Comparison of Urban Water Supply Network Model Checking Methods

Jiao Xingrui1, Wang Xue1, Lu Hai2
(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China; 2.Changchun Institute of Technology, Institute of Architectural Engineering, Changchun 130022, China)

The urban water supply pipe network model is the analysis and Simulation of the operation condition of the urban water supply network. Several common methods of water supply network model calibration are analyzed, which will contribute to a better understanding of the operation characteristics of the water supply network, the operation control scheme optimization, will provide technical basis for scientific and reasonable water supply network reconstruction, and provide decision-making basis for water supply pipeline accident analysis.

water supply network; model checking; model selection

TU991.33

A

1008-9500(2017)05-0118-02

2017-03-10

本文系吉林省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：201510191022）的階段性研究成果。

焦星瑞(1995-)，男，天津人，本科在讀，給排水科學與工程專業(yè)。

陸海，Email：haimm110@126.com