供水管網(wǎng)水力模型的建立與校核結(jié)果分析

廖光偉， 張春萍， 王家琛， 武治國(guó)， 沈 歡， 徐 標(biāo)

(1.武漢新烽光電股份有限公司，湖北武漢430200；2.武漢工程大學(xué)，湖北武漢430073)

目前，我國(guó)城市供水管網(wǎng)在基礎(chǔ)建設(shè)、數(shù)據(jù)采集和資料管理等方面不夠完善，仍然存在較大面積供水管網(wǎng)的管道布置圖、施工圖、管道信息資料等缺失或不全，不但經(jīng)常出現(xiàn)根據(jù)CAD圖紙找不到實(shí)際管道的情況，而且對(duì)供水管網(wǎng)的壓力分布、流量分配等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)需要很長(zhǎng)時(shí)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于管道老化、材質(zhì)較差、腐蝕嚴(yán)重、壓力過(guò)高等問(wèn)題引起的地下管網(wǎng)漏損事件頻發(fā)[1-2]，不僅造成了水資源、能源的極大浪費(fèi)，還影響了居民的生活和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，建立供水管網(wǎng)壓力模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水管網(wǎng)的壓力分布隨用戶流量的變化具有重要意義。

對(duì)城市供水管網(wǎng)的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制管理，不僅可以降低漏損[3-6]、優(yōu)化調(diào)度[7-9]，還可以有效降低管網(wǎng)爆管率，提高供水安全性和可靠性[10-12]，對(duì)減少供水管網(wǎng)不必要的壓力、降低供水企業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)差、節(jié)約能源等具有重要作用。但城市供水管網(wǎng)的壓力變化會(huì)受水泵起停、用戶用水量、閥門(mén)開(kāi)度、爆管等因素影響，且由于供水管網(wǎng)通常埋于地下、不能輕易在管道上開(kāi)孔等原因，造成供水管網(wǎng)的壓力多變、監(jiān)測(cè)困難。因此，現(xiàn)階段一般采用經(jīng)驗(yàn)法、靈敏度分析法、聚類(lèi)分析法等[13-15]，篩選出能反映某個(gè)區(qū)域內(nèi)壓力分布情況的點(diǎn)并安裝壓力傳感器，對(duì)全管網(wǎng)的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

筆者在自行搭建的供水管網(wǎng)水力模型上安裝壓力傳感器和超聲波流量計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水管網(wǎng)的干管節(jié)點(diǎn)壓力和用戶管段流量，并以上游節(jié)點(diǎn)壓力和用戶用水量為基礎(chǔ)，導(dǎo)入Water GEMS模擬軟件建立供水管網(wǎng)壓力模型，通過(guò)對(duì)模型的反復(fù)校核，最終使模擬壓力與實(shí)測(cè)壓力具有較高的擬合精度。達(dá)到根據(jù)用戶用水量和上游節(jié)點(diǎn)壓力，模擬得出下游管網(wǎng)的壓力的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)供水管網(wǎng)壓力的實(shí)時(shí)模擬。

1 模型的建立

1.1 供水管網(wǎng)水力模型的建立

按照給水排水設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范及要求，以壓力驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)，搭建了供水管網(wǎng)水力模型。該管網(wǎng)模型由1個(gè)高層水箱、1個(gè)潛水泵、1個(gè)閘閥、1個(gè)減壓閥、4個(gè)在線超聲波流量計(jì)、5個(gè)在線壓力傳感器和一定長(zhǎng)度不同管徑的PPR管及附件等組成，管道總長(zhǎng)約為85.84 m。高層水箱位于4樓陽(yáng)臺(tái)，距離1樓地面大約12.27 m，閘閥安裝在水箱的出水管上，減壓閥安裝在閘閥后，干管水流從4樓水箱到1樓花園，運(yùn)行一周后沿回水管回到水箱。

時(shí)差超聲波流量計(jì)和壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)均通過(guò)智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行收集、整理。其中XF-LSX-3時(shí)差超聲波流量計(jì)的量程為0～2 000 m3/h，測(cè)量精度為±1.0%，重復(fù)性優(yōu)于0.2%，主要布置在干管、支管和回水管上，用于監(jiān)測(cè)管網(wǎng)的總出水量、支管用水量和回水量；壓力監(jiān)測(cè)裝置為XF-YL-1系列壓力變送器，量程為0～1.0 MPa，精度為±0.1%FS，主要監(jiān)測(cè)上游節(jié)點(diǎn)及干管主要節(jié)點(diǎn)的壓力，用于校核壓力模型。

1.2 GEMS壓力模型的建立

Water GEMS模擬軟件可以在多個(gè)平臺(tái)(Windows獨(dú)立平臺(tái)、GIS平臺(tái)、Auto CAD平臺(tái)和Micro Station平臺(tái))中搭建仿真模型，利用CAD圖紙、數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS數(shù)據(jù)、電子表格等快速啟動(dòng)建模流程。Water GEMS軟件不僅包含了用戶需水量加載模塊、高程提取模塊、壓力控制需水量模塊、達(dá)爾文矯正器模塊以及遺傳算法優(yōu)化引擎等，還可以同步連接數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS和SCADA系統(tǒng)。因此，利用Water GEMS可以快速搭建并優(yōu)化模型，使仿真模型能準(zhǔn)確反映給水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。

準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)該供水管網(wǎng)實(shí)際模型中的管件信息，包括管材、管長(zhǎng)、管徑、支管位置等，再采用Water GEMS軟件搭建GEMS壓力模型，如圖1所示。

圖1 Water GEMS壓力模型Fig.1 Pressure model of Water GEMS

Water GEMS模擬軟件主要通過(guò)平差計(jì)算對(duì)供水管網(wǎng)不同管段的流量進(jìn)行分配，通過(guò)水力計(jì)算模擬供水管網(wǎng)產(chǎn)生的沿程水頭損失和局部水頭損失，最終生成一條沿干管逐漸降低的壓力水頭線。該壓力模型在計(jì)算由于摩擦引起的沿程水頭損失時(shí)，應(yīng)用了Hazen-Williams、Darcy-Weisbach、Chezy-Manning等公式[16]。其中Hazen-Williams公式是計(jì)算圓管內(nèi)流動(dòng)最為常用的公式，其粗糙系數(shù)Cw也是利用GEMS建模時(shí)必須輸入的參數(shù)。

壓力、流量傳感器在實(shí)際管網(wǎng)模型中的安裝位置與GEMS壓力模型中的模擬壓力、模擬流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)位置相對(duì)應(yīng)，如表1、表2所示。

表1 流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝位置Tab.1 Installation location of flow monitoring point

表2 壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝位置Tab.2 Installation location of pressure monitoring point

2 雙參數(shù)的測(cè)量分析與校核

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，在供水管網(wǎng)實(shí)際模型上安裝所有的超聲波流量計(jì)和壓力傳感器，通過(guò)供水管網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)時(shí)采集供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管段流量和節(jié)點(diǎn)壓力，采集頻率為5 min/次。為了解傳感器在測(cè)量過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差及影響，在水泵開(kāi)啟的條件下：①關(guān)閉回水管閥門(mén)和所有支管水龍頭，測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)供水管網(wǎng)的靜水壓力，分析壓力傳感器的誤差大小；②僅保持回水管閥門(mén)開(kāi)啟，測(cè)量干管流量與回水管流量，分析超聲波流量計(jì)的測(cè)量偏差和影響。

從表3可以看出，測(cè)量靜水壓力時(shí)，即使P2、P3、P4、P5位于同一水平高度，但不同壓力傳感器所測(cè)得的壓力值仍然存在較大的偏差，最大為9.17 kPa。測(cè)量回水管流量時(shí)，干管(L1)與回水管(L5)流量分別為0.441和0.371 L/s，相差0.07 L/s。同時(shí)，出現(xiàn)了上游節(jié)點(diǎn)壓力小于下游壓力的情況(例如P2小于P3)，雖然這種情況與實(shí)際不符，但多次實(shí)驗(yàn)和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，雙參數(shù)在測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的誤差均在其允許范圍內(nèi)，且所測(cè)參數(shù)較為穩(wěn)定，可以準(zhǔn)確反映供水管網(wǎng)不同運(yùn)行狀態(tài)的變化過(guò)程，不會(huì)影響對(duì)供水管網(wǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)的分析和GEMS壓力模型的校核。

表3 靜壓和回水管運(yùn)行測(cè)量參數(shù)Tab.3 Measuring parameters of static pressure and return pipe operation

由于在市政管網(wǎng)中，一般針對(duì)實(shí)測(cè)壓力和流量進(jìn)行分析，較少對(duì)所測(cè)壓力和流量進(jìn)行校準(zhǔn)，因此實(shí)驗(yàn)中也以實(shí)測(cè)壓力和實(shí)測(cè)流量為基礎(chǔ)，對(duì)供水管網(wǎng)GEMS壓力模型進(jìn)行了校核和對(duì)比分析。供水管網(wǎng)GEMS壓力模型的校核過(guò)程中，管網(wǎng)處于多種不同的運(yùn)行狀況，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)、大量采集數(shù)據(jù)，建立實(shí)測(cè)壓力與模擬壓力的目標(biāo)函數(shù)。對(duì)仿真模型的管道、閥門(mén)、三通、壓力傳感器布置點(diǎn)、變徑位置等物理信息進(jìn)行粗調(diào)，對(duì)摩阻系數(shù)、局部阻力系數(shù)等進(jìn)行微調(diào)，逐步優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。實(shí)際校核時(shí)按照從上游到下游、從局部到全管網(wǎng)的順序逐步對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行校核，即分別單獨(dú)運(yùn)行支管1、支管2、支管3、回水管，從單管運(yùn)行開(kāi)始校核GEMS壓力模型；然后同時(shí)運(yùn)行2，3，4條支管，從上游到下游對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行校核，直到完成對(duì)供水管網(wǎng)管段的校核，從而達(dá)到供水管網(wǎng)實(shí)測(cè)壓力與模擬壓力具有較高的擬合度的目的。

3 GEMS壓力模型校核結(jié)果分析

在完成GEMS壓力模型的校核后，通過(guò)實(shí)測(cè)不同支管單獨(dú)運(yùn)行和多條支管同時(shí)運(yùn)行時(shí)的雙參數(shù)，研究供水管網(wǎng)各壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)參數(shù)與模擬參數(shù)的大小，從相對(duì)誤差的角度分析GEMS壓力模型的校核效果。

3.1 單管運(yùn)行校核結(jié)果分析

僅打開(kāi)回水管閥門(mén)，調(diào)節(jié)減壓閥，當(dāng)閥后壓力為226.02 kPa時(shí)，統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)供水管網(wǎng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均值。測(cè)得此時(shí)回水管流量為0.372 L/s，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入GEMS壓力模型，得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿程壓力的變化如圖2所示。

圖2 回水管流量為0.372 L/s時(shí)的沿程壓力Fig.2 On-way pressure at the return pipe flow of 0.372 L/s

各壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬壓力的沿程變化均略小于實(shí)測(cè)均值的壓力變化，可能是因?yàn)镚EMS壓力模型中的摩阻系數(shù)和局部阻力系數(shù)調(diào)節(jié)偏大。其中模擬效果最好的節(jié)點(diǎn)為P4，壓力差值為0.4 kPa，相對(duì)誤差僅為0.12%；節(jié)點(diǎn)P5的模擬效果最差，差值為7.92 kPa，相對(duì)誤差為2.46%。但總體上，供水管網(wǎng)僅回水管運(yùn)行時(shí)，GEMS壓力模型具有較高的擬合精度，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在97%以上。

表4 回水管流量為0.372 L/s時(shí)的模擬效果Tab.4 Simulation results at the return pipe flow of 0.372 L/s

為了驗(yàn)證該GEMS壓力模型在僅回水管運(yùn)行但上游壓力變化時(shí)仍有相同的模擬效果，通過(guò)調(diào)節(jié)減壓閥，使閥后壓力為137.71kPa。此時(shí)測(cè)得回水管流量為0.296 L/s，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入GEMS壓力模型得到模擬數(shù)據(jù)，繪制供水管網(wǎng)實(shí)測(cè)沿程壓力與模擬沿程壓力變化如圖3所示。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差分別為1.46%，2.18%，2.74%，0.02%和3.46%。

圖3 回水管流量為0.296L/s時(shí)的壓力變化Fig.3 Variation of pressure at the return pipe flow of 0.296 L/s

從圖3可以看出，僅運(yùn)行回水管時(shí)，模擬壓力沿程變化均小于實(shí)測(cè)壓力，與第1次校核的情況相同。此時(shí)實(shí)測(cè)壓力與模擬壓力的最小差值發(fā)生在節(jié)點(diǎn)P4，為0.05 kPa，相對(duì)誤差為0.02%，模擬效果最佳；而實(shí)測(cè)壓力與模擬壓力的最大差值發(fā)生在P5，為8.53 kPa，相對(duì)誤差為3.46%，與第1次的分析結(jié)果相同。多次改變供水管網(wǎng)的上游節(jié)點(diǎn)壓力，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)壓力與模擬壓力的分析均有相同結(jié)果：校核后的GEMS壓力模型，在僅有回水管運(yùn)行時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均得到了較好的模擬效果，其中效果最佳的節(jié)點(diǎn)為P4、最差的節(jié)點(diǎn)為P5，且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差的大小順序不受上游節(jié)點(diǎn)壓力變化影響。

按照上述方法關(guān)閉回水管閥門(mén)，分別打開(kāi)各支管水龍頭，依次對(duì)每條支管單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的供水管網(wǎng)進(jìn)行校核結(jié)果分析。當(dāng)支管1單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，測(cè)得支管流量為0.20 L/s；當(dāng)支管2單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，測(cè)得支管流量為0.308 L/s，其實(shí)測(cè)壓力與模擬壓力誤差分析如表5所示。產(chǎn)生相對(duì)誤差最值的節(jié)點(diǎn)與之前相同，最大值發(fā)生在P5、最小值發(fā)生在P4點(diǎn)。

表5 支管1、支管2單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的誤差對(duì)比Tab.5 Comparison of errors of operating branch pipe Ⅰ and branch pipe Ⅱ respectively %

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用Water GEMS搭建的仿真壓力模型，通過(guò)粗調(diào)和微調(diào)后，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擬合精度均大于96%。實(shí)測(cè)參數(shù)與模擬參數(shù)在不同運(yùn)行狀況下具有相同的變化趨勢(shì)，可以模擬供水管網(wǎng)的單管運(yùn)行，并且能較為準(zhǔn)確地反映供水管網(wǎng)單管運(yùn)行時(shí)的壓力分布。

3.2 枝狀管網(wǎng)的校核結(jié)果分析

打開(kāi)回水管閥門(mén)和支管1水龍頭，調(diào)節(jié)減壓閥壓力為217.21 kPa，測(cè)得回水管流量為0.380 L/s，支管1的流量為0.135 L/s。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真模型，支管1加回水管運(yùn)行時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均有96%以上的模擬精度，節(jié)點(diǎn)P5的相對(duì)誤差最大，節(jié)點(diǎn)P4最小，如表6所示。

表6 支管1加回水管運(yùn)行時(shí)相對(duì)誤差Tab.6 Relative error of operating branch pipe Ⅰ and return pipe

打開(kāi)支管1水龍頭、支管2水龍頭和回水管閥門(mén)，調(diào)節(jié)減壓閥的壓力為205.243 kPa，測(cè)得回水管、支管1和支管2的流量分別為0.360，0.088和0.234 L/s。從表7可以看出，2條支管加回水管同時(shí)運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1的相對(duì)誤差最小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)P5最大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4未取得相對(duì)誤差最小值的原因可能是：仿真模型中支管2與干管的交點(diǎn)到P4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的局部阻力損失較大，或者多支管開(kāi)啟時(shí)回水管分配的流量偏大等。

表7 兩支管加回水管運(yùn)行時(shí)的相對(duì)誤差Tab.7 Relative error of operating the two branch pipes and return pipe

實(shí)驗(yàn)還對(duì)其他多條支管同時(shí)運(yùn)行的情況進(jìn)行了校核分析，結(jié)果表明：GEMS壓力模型在模擬多條支管同時(shí)運(yùn)行的枝狀管網(wǎng)時(shí)，供水管網(wǎng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)壓力與模擬壓力的擬合精度均能達(dá)到96%以上。該模型可以用于實(shí)時(shí)模擬給水管網(wǎng)的運(yùn)行，監(jiān)測(cè)供水管網(wǎng)的壓力分布。

4 結(jié)論

① 通過(guò)收集供水管網(wǎng)的物理信息，利用Water GEMS模擬軟件可以快速搭建供水管網(wǎng)仿真模型。

② 在供水管網(wǎng)中安裝超聲波流量計(jì)和壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水管網(wǎng)的支管用水量和上游節(jié)點(diǎn)壓力，并利用這些基礎(chǔ)參數(shù)模擬管網(wǎng)中的壓力分布。

③ 通過(guò)調(diào)節(jié)GEMS壓力模型中的管件物理信息和管段摩阻系數(shù)、局部阻力系數(shù)，對(duì)仿真模型進(jìn)行校核。

④ 應(yīng)用校核后的GEMS壓力模型模擬枝狀供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力分布，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬精度均高于96%?？蔀榻⑹姓芫W(wǎng)的仿真模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水管網(wǎng)的壓力分布提供參考。