供水管網(wǎng)水力模型建設(shè)及在供水規(guī)劃中的應(yīng)用

張 皓， 何 通， 王天元 ， 時(shí) 超

(蘇州智品信息科技有限公司，江蘇常熟215500)

隨著智慧水務(wù)的推進(jìn)，作為重要組成部分的水力模型也吸引了供排水企業(yè)的關(guān)注，目前國內(nèi)已有部分水務(wù)公司建立水力模型并取得良好應(yīng)用[1]。水力模型作為實(shí)現(xiàn)智慧水務(wù)及精細(xì)化管理的重要工具，在未來必將發(fā)揮更大的作用[2]。水力模型主要用于規(guī)劃、調(diào)度、設(shè)計(jì)等多方面，但是其建設(shè)過程尚無統(tǒng)一規(guī)范。筆者以江蘇省常熟市水力模型建設(shè)為背景，采用WaterGEMS建模軟件，開展了水力模型建設(shè)及其在供水規(guī)劃方面的研究。

1 模型建設(shè)

水力模型建設(shè)的基本步驟包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、模型校核。

1.1 拓?fù)鋽?shù)據(jù)處理

模型建立的過程需要眾多的數(shù)據(jù)支撐，包括管網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)、水量數(shù)據(jù)和SCADA數(shù)據(jù)。

1.1.1 拓?fù)鋽?shù)據(jù)處理

管網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)來自GIS，詳細(xì)數(shù)據(jù)說明如表1所示。水力模型最基礎(chǔ)的拓?fù)鋽?shù)據(jù)是GIS中的管線、節(jié)點(diǎn)、閥門數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性直接影響模型精度，在管線數(shù)據(jù)處理方面首先需要梳理GIS中的管線數(shù)據(jù)，最主要的工作為確定管線之間的連接管線，完善拓?fù)鋽?shù)據(jù)。此外，還需要根據(jù)地面高程數(shù)據(jù)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高程賦值，梳理閥門啟閉情況等。

表1 拓?fù)鋽?shù)據(jù)說明Tab.1 Description of topology data

原始GIS數(shù)據(jù)中含有多種類型節(jié)點(diǎn)，首先將所有節(jié)點(diǎn)圖層合并為1個(gè)圖層，然后在ArcMap軟件中建立管線與節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系。

在拓?fù)潢P(guān)系建立過程中，重點(diǎn)為拓?fù)潢P(guān)系的設(shè)定，主要設(shè)定的5條拓?fù)湟?guī)則包括：不能有節(jié)點(diǎn)重疊；管線不能自我交叉；管線不能自我重疊；節(jié)點(diǎn)必須與管線連接；管線末端必須與節(jié)點(diǎn)連接。

通過設(shè)定拓?fù)潢P(guān)系，可以自動修正拓?fù)潢P(guān)系，其次再通過查找Network管網(wǎng)連接關(guān)系找到孤立管線與孤立節(jié)點(diǎn)，便于GIS數(shù)據(jù)的核對。在此基礎(chǔ)之上，通過創(chuàng)建DEM和柵格數(shù)據(jù)賦值，為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高程數(shù)據(jù)的賦值。

1.1.2 水量數(shù)據(jù)處理

水量數(shù)據(jù)主要來源為營業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)，需獲取的數(shù)據(jù)包括：

① 用水點(diǎn)位置、用水類型(居民、工業(yè)或其他等)、抄表時(shí)間、抄表模式(單月或雙月)、用水量；

② 大用戶貿(mào)易水表位置、計(jì)量類型(工業(yè)、商業(yè)等)、實(shí)時(shí)水量數(shù)據(jù)；

③ 其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)銷差水量統(tǒng)計(jì)以及綠化、管道沖洗等非計(jì)量水量收費(fèi)方式等。

各地的水務(wù)公司通常存在雙月抄和單月抄兩種模式，季抄比較少。進(jìn)行水量處理時(shí)，對連續(xù)2個(gè)月的數(shù)據(jù)取平均值作為單月水量，然后再平均到每日作為每個(gè)用戶的單日用水量。如果能實(shí)現(xiàn)水表定位，可在模型中根據(jù)各個(gè)水表的位置將其水量掛接到最近的節(jié)點(diǎn)上。如果未能實(shí)現(xiàn)水表定位，則需要進(jìn)行一定的水量定位工作，至少需要將大用戶(用水量> 1 000 m3/d)進(jìn)行水量定位。對于漏損、綠化等水量，可將其統(tǒng)一處理為未計(jì)量水量，采用比流量法進(jìn)行水量分配，均勻分配到管網(wǎng)中。

1.1.3 SCADA數(shù)據(jù)處理

SCADA數(shù)據(jù)對比模型校核至關(guān)重要，主要包括：

① 所有泵站水泵的開停記錄；

② 泵站總流量、總壓力、用電量、泵站效率；

③ 各泵站每臺水泵的單泵流量、壓力、用電量、效率；

④ 各水庫液位變化記錄，包括清水池水庫和管網(wǎng)中泵站水庫；

⑤ 管網(wǎng)測壓點(diǎn)、測流點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，測壓點(diǎn)需包含壓力計(jì)標(biāo)高信息。

在獲取SCADA數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，剔除噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。SCADA數(shù)據(jù)既是模型建立的數(shù)據(jù)支撐，也是模型校核的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)選取上述數(shù)據(jù)中前4項(xiàng)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，第5項(xiàng)作為校核數(shù)據(jù)；需要說明的是，如果模型采用水源壓力控制模式，則水廠流量應(yīng)作為模型的校核數(shù)據(jù)；采用水源流量控制模式，則水廠總壓力應(yīng)作為校核數(shù)據(jù)；如果采用水泵模式，流量和壓力都應(yīng)作為模型校核數(shù)據(jù)。下一步將處理好的SCADA數(shù)據(jù)放入模型中，作為模型建立和校核的重要依據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

在完成數(shù)據(jù)處理之后，模型的建立過程可以看作數(shù)據(jù)導(dǎo)入的過程。通過WaterGEMS的各個(gè)導(dǎo)入功能，將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中。

1.2.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將GIS中的管線、節(jié)點(diǎn)、閥門數(shù)據(jù)導(dǎo)入水力模型中，形成水力模型的管網(wǎng)框架，通過Model Builder導(dǎo)入管線數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 通過Model Builder導(dǎo)入管線數(shù)據(jù)Fig.1 Importing pipe data via Model Builder

1.2.2 水廠數(shù)據(jù)錄入

將水廠的清水池、水泵、管線、閥門錄入水力模型，同時(shí)與外管網(wǎng)連接好，確保連接正確。同時(shí)需要將水廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，例如水池液位的變化、水泵的啟停以及水泵的頻率等。在WaterGEMS中既可以通過編寫控制語句的方式，又可以通過設(shè)置pattern的形式設(shè)置水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1.2.3 水量分配

根據(jù)供水量數(shù)據(jù)，對水力模型進(jìn)行節(jié)點(diǎn)上的初始流量分配，如果可進(jìn)行水表定位，直接進(jìn)行水量掛接。當(dāng)不具備水表定位的條件時(shí)，則首先進(jìn)行大用戶位置定位，錄入大用戶水量信息，然后可采用管線比流量分配方法進(jìn)行水量的分配。通過Load Builder進(jìn)行水量分配，如圖2所示。

圖2 通過Load Builder進(jìn)行水量分配Fig.2 Water demand allocation via Load Builder

1.2.4 建立用水模型

根據(jù)遠(yuǎn)傳水表和流量儀的水量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理形成不同的用水模式，錄入到水力模型中并賦予到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，如圖3所示。

圖3 建立用水模式Fig.3 Building of water demand pattern

1.3 模型精度控制

1.3.1 壓力精度要求

管網(wǎng)壓力監(jiān)控點(diǎn)的壓力計(jì)算結(jié)果相對于實(shí)際監(jiān)測值的誤差，是水力模型壓力計(jì)算精確程度的判定指標(biāo)。根據(jù)管網(wǎng)的復(fù)雜程度、壓力監(jiān)控點(diǎn)儀表的精度、地面標(biāo)高的準(zhǔn)確程度以及壓力監(jiān)控點(diǎn)的分布位置，水力模型計(jì)算的壓力值與實(shí)測的壓力值之間的均方差，要滿足以下要求：

① 壓力計(jì)算值與實(shí)測值之間的均方差應(yīng)不大于1～1.5 m；

② 壓力計(jì)算值與實(shí)測值之間的均方差不大于1 m的實(shí)測點(diǎn)數(shù)量，應(yīng)占總實(shí)測點(diǎn)數(shù)量的80%以上；

③ 當(dāng)管網(wǎng)較復(fù)雜、測試條件不理想或測點(diǎn)分布不能滿足水力模型校驗(yàn)的需要時(shí)，誤差范圍取上限值；當(dāng)管網(wǎng)較簡單、測試條件比較理想時(shí)，誤差范圍取下限值。

1.3.2 流量精度要求

管網(wǎng)流量監(jiān)控點(diǎn)流量計(jì)算結(jié)果相對于實(shí)際監(jiān)測值的誤差，是水力模型流量計(jì)算精確程度的判定指標(biāo)。根據(jù)管網(wǎng)的復(fù)雜程度、流量監(jiān)控點(diǎn)儀表的精度以及流量監(jiān)控點(diǎn)的分布位置，水力模型計(jì)算的流量值與實(shí)測的流量值之間的均方差，需滿足以下要求：

① 當(dāng)測流管線水量占管網(wǎng)總水量的比例大于1%時(shí)，均方差必須在5%～10%；

② 當(dāng)測流管線水量占管網(wǎng)總水量的比例大于0.5%時(shí)，均方差必須在10%～15%；

③ 當(dāng)管網(wǎng)較為復(fù)雜、測點(diǎn)儀表的精度比較低或測點(diǎn)分布不能滿足水力模型校驗(yàn)的需要時(shí)，誤差范圍取上限值；當(dāng)管網(wǎng)較為簡單、測試條件比較理想時(shí)，誤差范圍取下限值。

1.4 模型校核

完成上述工作后，即可運(yùn)算水力模型，此階段的計(jì)算結(jié)果會與實(shí)際情況存在較大的誤差，需進(jìn)行水力模型的校核工作。

水力模型基本的校核方法主要分為檢查、校驗(yàn)和驗(yàn)證，始終貫穿于水力模型建設(shè)項(xiàng)目的全過程。在水力模型建設(shè)的不同階段，這3種方法的使用各有側(cè)重，整個(gè)過程就是發(fā)現(xiàn)問題—假設(shè)模擬—問題鎖定—確認(rèn)更正的過程?？偟膩碚f，水力模型的校核內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。

1.4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢查

將收集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，通過統(tǒng)計(jì)分析方法評估數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性，對不正常的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論確認(rèn)并重新收集、整理，以降低由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而造成的偏差。

1.4.2 管線及其連接關(guān)系檢查

根據(jù)管線數(shù)據(jù)和管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對管網(wǎng)進(jìn)行初步建模，通過初步水力模型的建立，通常會出現(xiàn)管線之間的連接關(guān)系錯(cuò)誤和其它數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。通過檢查與溝通確認(rèn)，基本要求達(dá)到管線連接關(guān)系和閥門開度與實(shí)際相符，同時(shí)主干管網(wǎng)的連接情況、管徑大小與實(shí)際一致。

1.4.3 水力模型相關(guān)參數(shù)修正

運(yùn)行水力模型，與壓力監(jiān)控點(diǎn)、流量監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)誤差值合理調(diào)整影響水力模型準(zhǔn)確度的關(guān)鍵參數(shù)，使水力模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值的誤差逐步控制在要求的范圍之內(nèi)。相關(guān)的參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)流量及其用水曲線、管道摩阻系數(shù)、閥門啟閉、地面標(biāo)高等。

1.4.4 水力模型驗(yàn)證

水力模型的建立與校核工作完成后，需要采用不同供水方式下的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。使用其他供水方式下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)重新輸入水力模型并運(yùn)行計(jì)算，驗(yàn)證其結(jié)果是否符合實(shí)際。若符合則表示該模型準(zhǔn)確度較高，若不符合則應(yīng)繼續(xù)校核與調(diào)整水力模型，使水力模型適用于實(shí)際不同的供水方式，體現(xiàn)實(shí)際的運(yùn)行情況。

2 供水規(guī)劃中的應(yīng)用

供水企業(yè)經(jīng)常要開展管網(wǎng)改擴(kuò)建、維修關(guān)閥、區(qū)域水量增加等多方面的規(guī)劃，以往的粗放式管理僅憑經(jīng)驗(yàn)做出判斷，缺乏科學(xué)性、系統(tǒng)性，無法保障用水安全。因此需要結(jié)合水力模型進(jìn)行定量化分析，提出科學(xué)合理的建議與方案。

2.1 管網(wǎng)改擴(kuò)建模擬

常熟市辛莊區(qū)域一直以來是低壓供水區(qū)域，為了緩解低壓狀況，分別對3種新增管線方案進(jìn)行模擬，最終提出新增管線布設(shè)建議，管線位置如圖4所示。

方案一：從東始村路口至227省道鋪設(shè)DN800管道，南部沿東西方向鋪設(shè)DN600管道。

方案二：從南環(huán)至227省道鋪設(shè)DN800管道，南部沿東西方向鋪設(shè)DN600管道。

方案三：從南環(huán)至227省道鋪設(shè)DN1000管道，南部沿東西方向鋪設(shè)DN600管道。

圖4 3種方案新增管線位置Fig.4 Locations of new pipe in three schemes

根據(jù)測壓點(diǎn)各方案模擬結(jié)果及當(dāng)前壓力值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該區(qū)域24 h壓力變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，3種方案對辛莊鎮(zhèn)壓力較低狀況都有一定的改善。以最低壓力為例，方案一、方案二和方案三的最低壓力能分別提升23.47%、31.16%和33.06%。方案三較方案二而言，雖然管徑由DN800增大至DN1000，但壓力提升不大，因此建議使用方案二。

圖5 3種方案模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of three schemes

2.2 維修關(guān)閥模擬

當(dāng)進(jìn)行管網(wǎng)維修需要關(guān)閥時(shí)，往往會帶來區(qū)域壓力下降、水流反向等問題，模擬關(guān)閥操作對壓力的影響。如圖6所示，圓框內(nèi)虛線所示的管道代表此次需要關(guān)閉的管段，管道關(guān)閉后的壓力影響分析如圖7所示。

圖6 關(guān)閥管道Fig.6 Pipe of closing valves

圖7 關(guān)閥前后壓力變化Fig.7 Pressure change before and after valve closing

從圖7可以看出，部分地區(qū)壓力變化不大，部分區(qū)域壓力有所上升，部分區(qū)域壓力有所下降。港區(qū)、辛莊鎮(zhèn)區(qū)、張橋鎮(zhèn)區(qū)、練塘鎮(zhèn)區(qū)、莫城鎮(zhèn)區(qū)壓力變化不大，僅為0～1 m；周行鎮(zhèn)區(qū)壓力上升最大，達(dá)到4～6 m； 海虞鎮(zhèn)區(qū)壓力上升2～3 m。其余地區(qū)壓力均有所下降，其中市區(qū)壓降最大，達(dá)到了10 m以上。測壓點(diǎn)管道關(guān)閉前后壓力變化曲線表明，市區(qū)平均壓降為11 m。該關(guān)閥操作會帶來較大的影響，因此建議在凌晨2：00—5：00進(jìn)行。

2.3 區(qū)域供水量增加模擬

當(dāng)管網(wǎng)中新增用水戶需要鋪設(shè)管道時(shí)，管徑的選取尤為重要。若管徑選取不合適，不但不能滿足用水需求，還會因?yàn)樗鲹p失過大不能提供足夠的壓力。模擬沈張路新增管道分別為DN300，DN400及DN500情況下新增用水點(diǎn)的壓力情況，新增用水點(diǎn)位于圖8圓點(diǎn)位置，用水量為6 240 m3/d。

圖8 新增水量位置與管線Fig.8 Location of new water demand and pipe

在不同管徑下，新增用水點(diǎn)壓力模擬結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，管徑為DN300時(shí)新增用水點(diǎn)壓力僅在10 m左右，遠(yuǎn)低于供水服務(wù)壓力；當(dāng)新增管道管徑為DN400時(shí)，新增用水點(diǎn)壓力在19 m左右，剛好滿足服務(wù)壓力。當(dāng)新增管道管徑為DN500時(shí)，新增用水點(diǎn)壓力在21 m左右，滿足供水服務(wù)壓力，因此推薦新增管道采用DN500口徑。

圖9 不同管徑下的新增用水點(diǎn)壓力Fig.9 Pressure of new water consuming point with different pipe diameters

3 結(jié)語

水力模型建設(shè)的基本過程，是一套從數(shù)據(jù)處理到模型校核較為完整的流程，操作性和可復(fù)制性強(qiáng)。對供水企業(yè)經(jīng)常遇到的供水規(guī)劃問題，將模型應(yīng)用于供水規(guī)劃中，有助于實(shí)現(xiàn)從粗放式經(jīng)驗(yàn)管理到精細(xì)化定量化管理的轉(zhuǎn)變，幫助供水企業(yè)科學(xué)、系統(tǒng)地制定供水規(guī)劃方案，保障供水安全。