銀川市多水源復(fù)合供水管網(wǎng)水力建模及應(yīng)用

張穎

摘 要：主要介紹了銀川市多水源供水管網(wǎng)水力模型的建立過程，分別就建模過程中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立、用水量分配、現(xiàn)場測試、模型校驗等環(huán)節(jié)進(jìn)行了重點闡述，建模過程和成果表明，充分利用供水企業(yè)已有的信息管理系統(tǒng)，可有效提高管網(wǎng)水力建模的效率，通過豐富在線監(jiān)控設(shè)備，可以有效提高水力模型的精度。

關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng)；水力模型；多水源系統(tǒng)；計算機仿真

1 引言

建立給水管網(wǎng)的計算機動態(tài)水力模型和水質(zhì)模型是當(dāng)前國內(nèi)外給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計和運行工況分析最有效的手段。在發(fā)達(dá)國家如歐、美等國自80年代起開始使用這項技術(shù)，用計算機給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型進(jìn)行實際的供水管網(wǎng)系統(tǒng)各種工況的模擬分析，顯著地提高自來水行業(yè)的管理和運行水平，并取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前，供水管網(wǎng)建模在國內(nèi)的部分城市的供水企業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了初步的成效，還有一些城市的供水企業(yè)也正在積極的調(diào)研準(zhǔn)備中，預(yù)期在未來的五到十年見，供水管網(wǎng)建模將在供水企業(yè)中普遍開展，這是供水企業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是科學(xué)管理的必然選擇。

隨著銀川市城市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市給水設(shè)施建設(shè)和管理得到了迅速的發(fā)展，目前銀川中鐵水務(wù)集團(tuán)有限公司服務(wù)人口70多萬，供水服務(wù)區(qū)域覆蓋三區(qū)兩縣一市，服務(wù)面積達(dá)到70平方公里。目前銀川市的供水水源由地面水廠和直供井構(gòu)成，全市有六個水廠和十九個直供井。全市分西夏區(qū)、金鳳區(qū)和興慶區(qū)等三個區(qū)獨立供水。全市供水能力近30萬m3/d。隨著供水規(guī)模不斷擴(kuò)大，提高供水領(lǐng)域的科技含量受到了領(lǐng)導(dǎo)層的極大的重視，特別是在水務(wù)集團(tuán)公司信息化管理、計算機應(yīng)用技術(shù)發(fā)展等方面，已經(jīng)建立了集團(tuán)營業(yè)抄表計算機管理系統(tǒng)、給水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）、管網(wǎng)壓力分布實時采集和監(jiān)測系統(tǒng)（SCADA）。在此基礎(chǔ)上，開展了給水管網(wǎng)動態(tài)實時水力模擬計算機軟件開發(fā)項目，為進(jìn)一步提高管網(wǎng)的運行管理水平和優(yōu)化調(diào)度奠定了良好的現(xiàn)代化技術(shù)基礎(chǔ)。

2 模型的建立

通過市場選擇比較，最終選定上海三高宏揚供水管網(wǎng)模擬軟件作為軟件系統(tǒng)平臺，依托上海三高計算機有限公司和同濟(jì)大學(xué)的技術(shù)力量完成建模。銀川市供水管網(wǎng)水力模型的建立過程包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立、用水量分配、現(xiàn)場測試等幾大步驟。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立

由于已經(jīng)建立了完善的地理信息系統(tǒng)（GIS），且可提供拓?fù)鋽?shù)據(jù)的shape文件格式導(dǎo)出，因此管網(wǎng)水力模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模主要通過建立于GIS的平臺接口，通過軟件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)入功能自動實現(xiàn)。對于銀川供水區(qū)域模型，按如下依據(jù)選擇管道：

（1）考慮選擇所有100mm及以上的管道用于提供水力連續(xù)性。

（2）在某些系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)，輸水管口徑較小，但水力條件較重要， 因此該地區(qū)選擇100mm以下的管道進(jìn)入模型。

（3）與大口徑總管平行的管道也包括在模型中，因為它們起著重要的輸水作用，在地區(qū)配水總管中也起著重要作用。

（4）通常不選擇與供水系統(tǒng)分離的100mm的管道或其它管道。

（5）在少數(shù)情況下，選擇小于100mm的管道用于提供水力連續(xù)性。

結(jié)合GIS中的管道屬性ID對照表（表1），通過讀取GIS相應(yīng)圖層的屬性數(shù)據(jù)，完成管網(wǎng)模型中管道管徑、長度等屬性的賦值。建立后的銀川市管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 用水量的分配

節(jié)點流量是供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型計算的必須條件，節(jié)點流量的雛形是管網(wǎng)中的用戶，節(jié)點用水量是模型運行基礎(chǔ)且必須精確表示，在進(jìn)行節(jié)點流量計算之前需要充分了解以下信息：

（1）系統(tǒng)中的總需水量；（2）需水量的地理分配，包括未計量用水量；（3）用水量的不同類型；（4）不同用戶類型的各種日需水量形式；（5）由于大量用水或非常規(guī)用水對管網(wǎng)產(chǎn)生明顯影響的大工業(yè)用戶。

銀川供水總公司收水費的數(shù)據(jù)包括抄表的上月的用水量、本月的用水量、每一用戶的ID號、所屬的冊號、用戶的地址以及用戶的用水性質(zhì)等，這些營收數(shù)據(jù)為用水量的計算提供了良好的數(shù)據(jù)來源。這也是模型成功最重要的因素，因為沒有可靠的用水量數(shù)據(jù)，就很少有機會獲得可接受的模型校驗成果。

首先用抄表簿區(qū)域作為用水量單位分配歸入節(jié)點。該資料結(jié)合為項目開發(fā)的用水量數(shù)據(jù)庫通過用戶種類用以產(chǎn)生平均節(jié)點用水量。需水量類型為不同類型的非民用用戶所建立且應(yīng)用于從數(shù)據(jù)庫中平均節(jié)點用水量來產(chǎn)生一總非民用用水量類型。同時也估計了未計量用水量?，F(xiàn)場測試中為每一個管網(wǎng)模型測定的系統(tǒng)需水量減去上述水量用以計算民用需水量。所有資料而后轉(zhuǎn)換成宏揚管網(wǎng)建模軟件能接受的正確格式，輸入宏揚供水管網(wǎng)模擬軟件，建立完整的銀川供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型水量數(shù)據(jù)。具體轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。

2.3 現(xiàn)場測試

針對管網(wǎng)模型運行中的動態(tài)數(shù)據(jù)主要通過現(xiàn)場測試等手段獲取。動態(tài)數(shù)據(jù)控制著模型所有時間變化及運行過程。它包含所測得的壓力、流量、水泵運行和閥門狀態(tài)的變化過程。這些資料由多種途徑獲得，或用數(shù)據(jù)采集儀和傳感器設(shè)備，或用人工讀數(shù)。在所有的情況下，數(shù)據(jù)在輸入宏揚供水管網(wǎng)模擬軟件前轉(zhuǎn)換成宏揚供水管網(wǎng)模擬軟件能接受的格式，輸入銀川給水管網(wǎng)模型。

2.3.1 壓力

采用Date logger通過為期7天的在消火栓、水廠、泵站以及流量點測試獲得項目所需的壓力數(shù)據(jù)。Date logger采集的每個點的數(shù)據(jù)將以數(shù)據(jù)表格的形式存儲在計算機中。從7天中選出的用來校驗?zāi)Ｐ偷哪骋惶斓臄?shù)據(jù)再從數(shù)據(jù)表中抽出，制成另一數(shù)據(jù)表。所測的壓力數(shù)據(jù)還要加上所在地點地面標(biāo)高，變成模型中所需要的節(jié)點絕對標(biāo)高，并將其輸入到模型中。

2.3.2 流量

在現(xiàn)場測試期間，水廠流量每間隔15分鐘手工記錄一次。采用Date logger通過為期7天的在沿模型邊界的流量點和配水系統(tǒng)中重要的測試點測試。并把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單位是m3/s的數(shù)據(jù)存入電腦。同時這些數(shù)據(jù)將用來計算系統(tǒng)的水量需求和對每個水廠的水量進(jìn)行校核。

2.3.3 運行狀態(tài)

在現(xiàn)場測試期間，記錄了水泵和閥門的運行狀態(tài)。在調(diào)度中心也記錄了泵站和水廠的水泵的運行情況，并有詳細(xì)的表格加于記錄。

3 模型的校驗

所有靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)成功地輸入后，在此模型上則可進(jìn)行校驗工作。模型的校驗工作是指用現(xiàn)場測試值與給水管網(wǎng)模型計算出的值進(jìn)行對比，對比的值為流量和壓力值，不斷地改進(jìn)錯誤，修正模型的誤差，以及調(diào)整模型值，直到現(xiàn)場測試值和模型計算值之間的差異符合指定的標(biāo)準(zhǔn)。校驗采用的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)首先是應(yīng)用校驗進(jìn)行分析數(shù)據(jù)的合理性，摒棄了一些無用的明顯不合理的數(shù)據(jù)。在運行24小時的計算模型前，最初的分析建立了模型并為避免出錯作了核查。運行24小時中產(chǎn)生的問題已解決且在開始校驗前作了一系列進(jìn)一步的核查。校驗過程包括調(diào)整模型用以逐步減少模型和所測數(shù)據(jù)之間的差異，首先從差異大的開始。調(diào)整包括修改管道間的連接、在水力影響大的地方增加口徑較小的管道、增加圖紙上未標(biāo)明的遺漏管道、調(diào)整水泵特性曲線、增加并修改閥門狀態(tài)以及調(diào)整管道粗糙度。對某些用水量也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，主要是節(jié)點流量的再分配，但通常需水量數(shù)據(jù)和分配是較精確的。

模型校驗所采用標(biāo)準(zhǔn)如表2、表3所示。

銀川供水區(qū)域的管網(wǎng)動態(tài)模型，總共分三個區(qū)進(jìn)行建模，分別為金鳳區(qū)模型、西夏區(qū)模型、興慶區(qū)模型，共選取67個測壓點；部分壓力校驗結(jié)果如圖3、圖4所示。總體校驗效果如表4所示。從上面校驗的結(jié)果可以看出，本次模型校驗結(jié)果良好。這是因為模型校核結(jié)果的保證一方面來源于充分的基礎(chǔ)技術(shù)資料，另一方面需要建模技術(shù)人員的經(jīng)驗與技巧。

4 模型的維護(hù)與應(yīng)用

由于供水系統(tǒng)在不停地進(jìn)行著改擴(kuò)建，用戶也在不斷的發(fā)展和變遷，供水系統(tǒng)的操作方案也在不停變化，給水管網(wǎng)模型只有隨著變化，才有可能真實模擬供水系統(tǒng)中水流的真實流動，因此，供水管網(wǎng)模型的維護(hù)工作非常重要。供水管網(wǎng)模型維護(hù)主要包括以下幾方面：

（1）更新管網(wǎng)模型的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)數(shù)據(jù)：供水設(shè)施（管線、閥門、水泵、水庫等）的增加、刪除，添加相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)等；（2）更新節(jié)點流量：利用營業(yè)水費數(shù)據(jù)庫進(jìn)行節(jié)點流量的計算，更新節(jié)點流量的供水區(qū)域（用水冊號），新增大用戶的添加和大用戶的變遷移動等；（3）更新操作方案：修改閥門開關(guān)狀態(tài)，修改水泵的開關(guān)狀態(tài)等。

建立供水管網(wǎng)模型是了解供水系統(tǒng)如何運行的最有效手段之一，供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型能應(yīng)用于供水系統(tǒng)技術(shù)管理的全過程，這次建立的銀川供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型可應(yīng)用于以下方面：

（1）供水系統(tǒng)的操作管理：分析現(xiàn)有調(diào)度方案，提出合理化的操作建議；為事故調(diào)度、應(yīng)急調(diào)度和工程調(diào)度提供方案；尋找合理的季節(jié)性閥門調(diào)度方案；幫助調(diào)度員分析、了解供水狀況，培訓(xùn)調(diào)度員；為開展供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度工作提供基礎(chǔ)；（2）提高供水系統(tǒng)服務(wù)水平：模擬、分析工程（供水系統(tǒng)中）對用戶用水的影響程度；調(diào)查用戶用水困難（用水壓力抱怨）的原因；為供水系統(tǒng)漏水分析提供工具；（3）供水系統(tǒng)的設(shè)計和規(guī)劃：選擇最適合的管道尺寸，可節(jié)約資金的支出，提供管線更新計劃，提供供水系統(tǒng)改擴(kuò)建方案；為供水系統(tǒng)總體規(guī)劃服務(wù)。

在目前銀川供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步建立水質(zhì)模型，和GIS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)相接，對整個銀川供水管網(wǎng)壓力和流量進(jìn)行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，為開展供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度工作提供更廣泛的應(yīng)用前景。

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