供水管網(wǎng)水力模型的建立與應用研究現(xiàn)狀*

吳雅楠 徐悅 趙萌 杜孟翔 李珺 王琦瑋

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

供水管網(wǎng)水力模型是目前分析供水管網(wǎng)水力狀態(tài)的有效方法，其本質是一種數(shù)學工具，可以模擬供水管網(wǎng)的水力運行狀況，即利用管網(wǎng)的基礎信息庫和計算機技術來完成水力計算的過程[1]。該模型的建立有如下幾個優(yōu)點：①可以實時了解當前管網(wǎng)運行的水力狀況，實時收集管道的基礎水力信息，如壓降、流速、流量和用戶及水廠節(jié)點的壓力等。②為實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的水力、水質模擬及優(yōu)化調度提供可靠實用的依據(jù)，為后期管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化決策奠定良好的基礎。③可以對水廠進行信息化管理，以此提高供水公司的運營管理水平，獲得更好的效益。

當前，管網(wǎng)系統(tǒng)信息化和管網(wǎng)水力模型軟件的多樣化已經(jīng)成為管網(wǎng)系統(tǒng)管理和運行的主要趨勢，且向智能化發(fā)展的趨勢越來越明顯。因此，發(fā)展更加先進的管網(wǎng)水力模型軟件，建立更加精確可靠的水力模型，不僅是對管網(wǎng)系統(tǒng)的運行維護管理等有關工作的可靠技術支持，也是加快管網(wǎng)系統(tǒng)信息化和智能化進程的有效途徑。

1 供水管網(wǎng)水力模型國內外研究現(xiàn)狀

1.1 供水管網(wǎng)水力模型國外發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

國外的許多學者和專家在20世紀 60 年代就已經(jīng)開始了供水管網(wǎng)水力模型的研究與實踐，并在此過程中發(fā)展了一系列按水力學理論建立的管網(wǎng)水力模型軟件(國外供水管網(wǎng)水力模型發(fā)展歷程(部分)見表1)[2-3]。近年來，由于供水管網(wǎng)系統(tǒng)的智能化建設需求，供水管網(wǎng)水力模型的開發(fā)成為許多學者的研究重點，與此同時，各種模型軟件也不斷涌現(xiàn)。其中，丹麥DHI公司開發(fā)的MIKE系列軟件成為全球專業(yè)人員研究水和環(huán)境的熱門軟件，并在許多國家得到廣泛的應用。

1.2 供水管網(wǎng)水力模型國內發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

國內供水管網(wǎng)水力模型的研究從20世紀70年代開始[4]，且主要在高校里進行研究(國內供水管網(wǎng)水力模型發(fā)展歷程(部分)見表2)[5-10]。在1970年代到2000年期間，PipeNet、8M、Stoner、Mike Net 等國外軟件開始進入中國市場[11-12]。在 2000 年之后，中國給水排水軟件市場是在國產(chǎn)與國外軟件共存的形式下發(fā)展的[13]。此后，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，國內供水模型的建設也在高速發(fā)展。2010 年，天津市自來水集團有限公司(即天津水司)投資建設了水力模型系統(tǒng) (HM)[14]，在其生產(chǎn)運行管理中具有重要的作用。2015年，天津三博科技有限公司先后開發(fā)的供水管網(wǎng)水力模型供水路徑分析軟件(簡稱供水路徑分析軟件)和供水管網(wǎng)水力模型爆管分析軟件，分別用于管網(wǎng)供水路徑的優(yōu)化和供水管網(wǎng)爆管應急事故處理的分析。近年來，更多類似的軟件相繼涌現(xiàn)，為供水管網(wǎng)的便捷建立與應用提供了一定的技術支撐。

表1 國外供水管網(wǎng)水力模型軟件發(fā)展歷程

表2 國內供水管網(wǎng)水力模型軟件發(fā)展歷程

1.3 供水管網(wǎng)水力模型軟件應用現(xiàn)狀

水力模型軟件系統(tǒng)已經(jīng)成為給排水企業(yè)不可或缺的工具，供水管網(wǎng)的設計、日常運行與維護管理等工作都是在模型的基礎上進行。由于供水模型軟件的不斷發(fā)展，當前供水管網(wǎng)水力模型的研究已日漸成熟，模型應用范圍也日漸廣泛。目前國內外常用的幾種水力模型軟件對比如表3[15-21]。這些軟件也常與Matlab、SCADA、ArcGIS等專業(yè)性軟件相結合，根據(jù)需要建立水量預測模型、水力計算模型和水力優(yōu)化模型等[22]，解決實際問題。

表3 國內外常用的幾種水力模型軟件對比

2 供水管網(wǎng)水力模型的建立方法

目前國內較多的供水管網(wǎng)水力模型主要基于管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)、客戶營銷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)[23]。供水管網(wǎng)水力模型建立的步驟主要包括：收集整理基礎數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)導入及模型建立、模型校核。

2.1 收集整理基礎數(shù)據(jù)

(1)收集數(shù)據(jù)。模型建立的過程需要收集大量的管網(wǎng)拓撲數(shù)據(jù)、水源數(shù)據(jù)、用戶用水量數(shù)據(jù)等[24]。水力模型最基礎的管網(wǎng)拓撲數(shù)據(jù)是 GIS 中的節(jié)點、管線、閥門數(shù)據(jù)[25]以及SCADA 數(shù)據(jù)。水量數(shù)據(jù)主要來源為營業(yè)收費系統(tǒng)，基礎數(shù)據(jù)包括用水點位置、用水類型、實時用水量、產(chǎn)銷差水量統(tǒng)計等。

(2)數(shù)據(jù)清洗。管網(wǎng)水力模型的基礎數(shù)據(jù)庫建設完成后需利用數(shù)據(jù)處理工具對數(shù)據(jù)進行清洗[26]和歸一化處理。

(3)管網(wǎng)簡化。管網(wǎng)簡化的目的是提高模型的精度和分析能力，通過簡化管網(wǎng)，管網(wǎng)的水力狀態(tài)能夠得到更加真實的反饋，為后期管網(wǎng)的優(yōu)化設計和供水調度等工作提供更好的指導[27]。供水管網(wǎng)水力模型可以通過各種簡化方法對現(xiàn)狀供水管網(wǎng)進行水力等效性簡化[28]。常用的簡化方法中主要有3種：枝狀管簡化、串聯(lián)管道合并以及并聯(lián)管道合并[29]。在實際應用中，進行管網(wǎng)簡化時可根據(jù)需求靈活選擇簡化方法。

2.2 供水管網(wǎng)水力模型建立

(1)數(shù)據(jù)導入。水力模型的管網(wǎng)框架由 GIS 中的管線、節(jié)點、閥門數(shù)據(jù)組成，同時將水廠的清水池、水泵、管線、閥門等數(shù)據(jù)和水廠的運行數(shù)據(jù)導入模型中。處理好的管網(wǎng)拓撲數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)表可以利用GIS工具[30]和計算機技術導入模型，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)大批量導入模型。相較于手動輸入基礎數(shù)據(jù)，這會使數(shù)據(jù)導入工作大幅度簡化，同時提高建模效率，加快建模進度。此外，還可以利用建模軟件的導入功能[25]導入數(shù)據(jù)。

(2)用水量分配。將用水量進行分配，通過SCADA系統(tǒng)導入大用戶和普通用戶數(shù)據(jù)以及產(chǎn)銷差水量，并進行用水量模式的研究。根據(jù)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分配到相應的節(jié)點上。

2.3 模型校核

通過檢查基礎數(shù)據(jù)和管線、校驗管網(wǎng)模型的相關參數(shù)和驗證水力模型等基本方法對建立的水力模型進行校核，使實測壓力、流量數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)之間的誤差在合理的允許范圍內。

國內外的學者已經(jīng)研究了不同的校核方法，如英國WRC校核標準主要校核的內容有5個部分：流量監(jiān)測點、壓力分布、壓力監(jiān)測點、分界線、供水趨勢。根據(jù)國內的給水管網(wǎng)的特點，趙洪賓[31]分別從測壓點水壓、管段流量和節(jié)點水壓3個方面提出適用于我國的水力模型校核標準。林英姿等[1]也總結了幾類具有代表性的模型校核方法及其優(yōu)缺點。當然，根據(jù)不同的情況可結合實際情況選擇不同的校核方法。

3 供水管網(wǎng)水力模型的應用

目前，仍有許多學者致力于水力模型的建立與應用研究和分析。

第一，通過水力模型可以實時掌握管網(wǎng)中的基礎運行參數(shù)，分析和評估管網(wǎng)運行現(xiàn)狀，及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)運行中存在的問題和缺陷，以進行系統(tǒng)模擬，找出合理有效的解決方案。

第二，利用水力模型對不同的規(guī)劃方案進行評估和比較，可以對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改建、擴建設計，同時根據(jù)用戶的用水量進行近期和遠期預測與規(guī)劃。

第三，根據(jù)供水管網(wǎng)水力模型可以對供水管網(wǎng)進行模擬分析。模擬不同條件下的泵站運行方案，進行日常輔助調度管理與協(xié)調，通過分析現(xiàn)有水泵的運行工況，提高泵站的運行效率；在舊管網(wǎng)改造，或在現(xiàn)狀管網(wǎng)的中長期規(guī)劃設計中，可利用水力模型模擬更新方案，以分析不同方案管網(wǎng)運行情況的差別；模擬可能發(fā)生的各種事故情況及其對供水系統(tǒng)的影響，制定應急調度預案。

第四，通過建立的供水管網(wǎng)水力模型，可以對水質進行監(jiān)測和分析，為決策調度等提供依據(jù)?？梢詫⑺g作為水質指標，水齡即某個單位的水在管網(wǎng)中存在的時間長度，利用水力模型計算出管網(wǎng)中任一節(jié)點和管線中的最大水齡和平均水齡，從而發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)水質問題的地點，并進行及時反饋與處理。

近年來，在智慧水務快速發(fā)展的背景下，供水管網(wǎng)水力模型的發(fā)展也得到了大力推動，除上述應用之外，供水管網(wǎng)水力模型還廣泛應用于管網(wǎng)漏損、爆管分析、產(chǎn)銷差控制等方面。

4 結語

供水管網(wǎng)水力模型是供水管網(wǎng)優(yōu)化運行決策的有效手段。建立一個精確可靠的水力模型，并將其應用于管網(wǎng)系統(tǒng)建設與管理的各方面，可以為決策者參與決策提供參考。同時，隨著信息技術和數(shù)據(jù)分析處理技術的快速發(fā)展，具有高精度的水力模型軟件研究將成為未來水力模型發(fā)展的重點，水力模型在今后的日常供水運營管理中也將具有更廣泛的應用，發(fā)揮更大的作用。

隨著“智慧水務”概念的提出，將GIS、BIM、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術與水力模型相結合可以對供水管網(wǎng)進行高效精準建模，通過水力模型分析，可以給市政工程管理提供最優(yōu)化的輔助解決方案。這給城市供水管網(wǎng)水力模型的建立、驗證和優(yōu)化提供了新的思路，也對未來智慧水務建設中的輔助分析、自動控制技術發(fā)展與應用具有重要的意義。