供水系统水力模型建设路径探讨

供水系统水力模型建设路径探讨

赵博达

武汉市自来水有限公司

摘要：随着供水企业管理水平的日益提高，供水系统水力模型作为管网深度管理的一项综合型技术也越来越受到供水企业的高度重视。供水系统水力模型建设是一项系统工程，本文就建设路径进行初步探讨，为企业进行水力模型建设提供思路。

关键词：供水企业；供水系统；水力模型；建设路径

在供水企业传统的厂站、管网规划中，常采用水力计算结果为科学决策提供依据。“水力模型”不等于“水力计算”，水力计算是水力模型的基础，是一种静态的运算，具有一定的局限性。水力模型属于数学模型的一种，通过对客观事物和实际问题进行分析并建立相应的数学表达式，可反应客观事物运动规律和判断实际变化形式。

一、水力模型能够解决的问题

管网水力模型根据其应用的目的，大致可以分为以下五类：

1、管网设计：供水管网的中长期规划，新供水系统的设计，新水厂、水库、增压泵站的安排；

2、管网评估：分析现存管网系统的工况，并给出相应供水特性的评估，根据评估结果提出管网改造的方案；

3、工程管理：确诊管网中的异常情况，处理供水系统中的突发事故，分析工程或者事故对管网的影响；

4、供水调度：指导日常管网供水调度，优化运行成本，制作节假日、时故时的调度预案；

5、水质分析：管网中余氯消耗过程分布，污染物扩散过程模拟，管网水质的总体评估。

上述是五类模型，也是水力模型的五种功能，是一种梯度以及从后向前的包含关系，他们之间的分类是模糊的、非严格的，对管网模型的精度要求不同，资金和资源的投入也不同。

二、水力模型建模所需条件

理论上来说，一个管网模型应该可以模拟管网中的任何一种工况。但实际应用中发现模型并不是万能的。特定的模型在解决特定问题时可以得到满意的方案，而在超出模型本身的能力去解决问题时却难以得到预想的结果。这是在建模时，管网结构资料及配套数据的完整性和准确性等因素决定了模型所能达到的精度，而这些问题又都受制于公司当时管理、科技、信息的发展程度。

要进行管网建模，就要有充足的资料、细致的工作与科学的方法，同时还要由一整套工程管理的规范与标准，要有工程实施的组织与控制能力，才能保证建模工程的最终质量。

三、水力模型建模路径

3.1建模目标确定

水力模型的应用分为五类：规划设计、管网评估、工程管理、供水调度、水质分析。上述应用对管网模型精度要求依次递增，精度越高意味着对基础数据要求越苛刻，投入的成本越高，建设周期越长，维护难度也越高。因此，要根据实际条件和需求，合理确定建模目标。

3.2基础数据收集

水力模型作为数字模型，基础数据至关重要，要收集可靠的管网、水量、水厂、泵站、阀门资料以及监测数据，与真实管网保持最大的契合，准确地模拟管网的运行，得出可靠的计算结果。

3.2.1管网资料的收集

管网资料主要指供水管网所有管道的口径、长度、管材、管龄、标高等信息。现在部分水司已经建立了GIS系统，这些管网资料基本都有，就需要保证GIS系统的完整性和准确性。

3.2.2水量资料的收集

水量资料的收集包括三大部分：第一部分是各水源供水量及总供水量；第二部分是全部用户的用水量；第三部分是漏损水量的估算资料。一般来说，我们是从营业收费系统获取一般用户的水量资料，从流量大数据系统获取DMA分区的水量信息以及远传大用户的水量数据。

3.2.3水厂与泵站资料的收集

主要指供水管网中的水源点与中途加压泵站的数据。

3.2.4阀门资料的收集

指供水管网中用于控制压力和流量的控制阀的数据。

3.2.5监测数据的收集

监测数据指供水管网运行的流量和压力数据。SCADA系统可以很好的解决这个问题，但需要注意数据的有效性，对监测点数据要严格筛选，不合格的必须除去。

3.3现场数据采集

模型现场数据测试包括压力测试、流量测试、用水模式测试、管道摩阻测试、水泵性能测试和阀门性能测试。

3.4数据整理

3.4.1导入拓扑结构

模型的拓扑数据可以通过以下途径导入：从GIS软件中导入；从CAD软件中导入；从其他模型软件中导入；根据图纸手绘。

3.4.2拓扑结构检查

模型图形重点表达供水管网的逻辑关系，侧重的是管段的连接与断开。因此管网模型必须是一个整体的图，不允许孤立节点的存在，如果存在，则代表管线结构关系错误。

3.4.3初始数据的整理

包括节点流量，用水模型、水泵参数和阀门开关的数据。

3.4.4校验数据的整理

包括SCADA数据和流量与压力测试所的结果。

3.5模型建立

3.5.1水厂泵站模型与管网模型

分三步建立模型，先将水厂泵站模型与管网模型分别建立和校验，有利于调试，可加快进度；然后将两个模型合并，进行进一步调试；管网中的加压泵站可参照上述模式建立和校验。

3.5.2管网拓扑结构整理

调整管网拓扑结构，即把无效的孤立点、重叠管线等数据消除，将可简化的管网进行简化。放置大用户水量。建立用水分配区块，消除由于平均分配水量所带来的误差。

3.5.3管网模型拓扑简化

简化是为了突出重点，便于分析计算。

3.5.4用水模式与水量节点的绑定

节点流量分配方式是通过设置的集中水量或大用户独立节点所挂接的水量和用水区块水量进行分配，使模型内素有指定的用水节点都分配有对应的水量。

用水模式导入，利用现场测试用水模式数据，进行数据归纳整理，最终形成不同用水类型的用水模式，将各用水节点与用水节点与用水模式绑定。

3.5.5初始数据设置

设置管道摩阻系数，水泵状态和阀门状态设置，校验数据与对应节点绑定。

3.6模型校验

分四步：泵站模型校验、管网模型校验、整体模型校验、评估模型精度。

四、水力模型建模工作计划和建议

在模型的建立过程中，可以采取“三阶段建模工作法”：第一阶段建立初步模型，第二阶段建立校验模型，第三阶段建立应用模型。其中核心是第二阶段，第三阶段则需要不断持续的深化细如，需要各种实时信息数据采集系统的协同支持。

目前部分水司管网GIS系统、管网SCAD系统、营业收费系统等，基本涵盖了建模所需数据类型，但由于某些因素，使得数据在完整性和有效性方面需进一步校验，这就需要建立工作组，多部门联合，升级完善现有信息系统数据等。

结束语

供水系统水力模型建设是讲一个庞大而复杂的供水管网转化成一个精密而有效的数学模型，除了要有充足的资料、细致的工作与科学的方法，还要有一整套工程管理的规范与标准，才能保证建模工程的最终质量。

参考文献

[1]信昆仑，刘遂庆.城市给水管网水力模型准确度的影响因素[J].中国给水排水，2003（04）：56-59.

[2]许刚.给水管网水力模型校正研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[3]陈宇辉.给水管网动态模型维护与校验方法研究[D].上海：同济大学，2006.

[4]王煜明.供水管网水力模型建模工程实施与管理[M].上海：同济大学出版社，2019.