銀川市多水源復合供水管網水力建模及應用

張穎

摘 要：主要介紹了銀川市多水源供水管網水力模型的建立過程，分別就建模過程中的拓撲結構建立、用水量分配、現場測試、模型校驗等環節進行了重點闡述，建模過程和成果表明，充分利用供水企業已有的信息管理系統，可有效提高管網水力建模的效率，通過豐富在線監控設備，可以有效提高水力模型的精度。

關鍵詞：供水管網；水力模型；多水源系統；計算機仿真

1 引言

建立給水管網的計算機動態水力模型和水質模型是當前國內外給水管網優化設計和運行工況分析最有效的手段。在發達國家如歐、美等國自80年代起開始使用這項技術，用計算機給水管網動態水力模型進行實際的供水管網系統各種工況的模擬分析，顯著地提高自來水行業的管理和運行水平，并取得可觀的經濟效益和社會效益。目前，供水管網建模在國內的部分城市的供水企業中的應用已經取得了初步的成效，還有一些城市的供水企業也正在積極的調研準備中，預期在未來的五到十年見，供水管網建模將在供水企業中普遍開展，這是供水企業發展的必然趨勢，也是科學管理的必然選擇。

隨著銀川市城市經濟的高速發展，城市給水設施建設和管理得到了迅速的發展，目前銀川中鐵水務集團有限公司服務人口70多萬，供水服務區域覆蓋三區兩縣一市，服務面積達到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成，全市有六個水廠和十九個直供井。全市分西夏區、金鳳區和興慶區等三個區獨立供水。全市供水能力近30萬m3/d。隨著供水規模不斷擴大，提高供水領域的科技含量受到了領導層的極大的重視，特別是在水務集團公司信息化管理、計算機應用技術發展等方面，已經建立了集團營業抄表計算機管理系統、給水管網地理信息系統（GIS）、管網壓力分布實時采集和監測系統（SCADA）。在此基礎上，開展了給水管網動態實時水力模擬計算機軟件開發項目，為進一步提高管網的運行管理水平和優化調度奠定了良好的現代化技術基礎。

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模擬軟件作為軟件系統平臺，依托上海三高計算機有限公司和同濟大學的技術力量完成建模。銀川市供水管網水力模型的建立過程包括拓撲結構建立、用水量分配、現場測試等幾大步驟。

2.1 拓撲結構的建立

由于已經建立了完善的地理信息系統（GIS），且可提供拓撲數據的shape文件格式導出，因此管網水力模型的拓撲結構建模主要通過建立于GIS的平臺接口，通過軟件的拓撲結構導入功能自動實現。對于銀川供水區域模型，按如下依據選擇管道：

（1）考慮選擇所有100mm及以上的管道用于提供水力連續性。

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

（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，在地區配水總管中也起著重要作用。

（4）通常不選擇與供水系統分離的100mm的管道或其它管道。

（5）在少數情況下，選擇小于100mm的管道用于提供水力連續性。

結合GIS中的管道屬性ID對照表（表1），通過讀取GIS相應圖層的屬性數據，完成管網模型中管道管徑、長度等屬性的賦值。建立后的銀川市管網模型拓撲結構如圖1所示。

2.2 用水量的分配

節點流量是供水系統管網模型計算的必須條件，節點流量的雛形是管網中的用戶，節點用水量是模型運行基礎且必須精確表示，在進行節點流量計算之前需要充分了解以下信息：

（1）系統中的總需水量；（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用水對管網產生明顯影響的大工業用戶。

銀川供水總公司收水費的數據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等，這些營收數據為用水量的計算提供了良好的數據來源。這也是模型成功最重要的因素，因為沒有可靠的用水量數據，就很少有機會獲得可接受的模型校驗成果。

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

2.3 現場測試

針對管網模型運行中的動態數據主要通過現場測試等手段獲取。動態數據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的變化過程。這些資料由多種途徑獲得，或用數據采集儀和傳感器設備，或用人工讀數。在所有的情況下，數據在輸入宏揚供水管網模擬軟件前轉換成宏揚供水管網模擬軟件能接受的格式，輸入銀川給水管網模型。

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據。Date logger采集的每個點的數據將以數據表格的形式存儲在計算機中。從7天中選出的用來校驗模型的某一天的數據再從數據表中抽出，制成另一數據表。所測的壓力數據還要加上所在地點地面標高，變成模型中所需要的節點絕對標高，并將其輸入到模型中。

2.3.2 流量

在現場測試期間，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中重要的測試點測試。并把這些數據轉換為單位是m3/s的數據存入電腦。同時這些數據將用來計算系統的水量需求和對每個水廠的水量進行校核。

2.3.3 運行狀態

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

3 模型的校驗

所有靜態和動態數據成功地輸入后，在此模型上則可進行校驗工作。模型的校驗工作是指用現場測試值與給水管網模型計算出的值進行對比，對比的值為流量和壓力值，不斷地改進錯誤，修正模型的誤差，以及調整模型值，直到現場測試值和模型計算值之間的差異符合指定的標準。校驗采用的現場測試數據首先是應用校驗進行分析數據的合理性，摒棄了一些無用的明顯不合理的數據。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小時中產生的問題已解決且在開始校驗前作了一系列進一步的核查。校驗過程包括調整模型用以逐步減少模型和所測數據之間的差異，首先從差異大的開始。調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、增加圖紙上未標明的遺漏管道、調整水泵特性曲線、增加并修改閥門狀態以及調整管道粗糙度。對某些用水量也要進行相應的調整，主要是節點流量的再分配，但通常需水量數據和分配是較精確的。

模型校驗所采用標準如表2、表3所示。

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

4 模型的維護與應用

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

（1）更新管網模型的結構及相應數據：供水設施（管線、閥門、水泵、水庫等）的增加、刪除，添加相應的屬性數據和空間數據等；（2）更新節點流量：利用營業水費數據庫進行節點流量的計算，更新節點流量的供水區域（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：修改閥門開關狀態，修改水泵的開關狀態等。

建立供水管網模型是了解供水系統如何運行的最有效手段之一，供水系統管網模型能應用于供水系統技術管理的全過程，這次建立的銀川供水系統管網模型可應用于以下方面：

（1）供水系統的操作管理：分析現有調度方案，提出合理化的操作建議；為事故調度、應急調度和工程調度提供方案；尋找合理的季節性閥門調度方案；幫助調度員分析、了解供水狀況，培訓調度員；為開展供水系統優化調度工作提供基礎；（2）提高供水系統服務水平：模擬、分析工程（供水系統中）對用戶用水的影響程度；調查用戶用水困難（用水壓力抱怨）的原因；為供水系統漏水分析提供工具；（3）供水系統的設計和規劃：選擇最適合的管道尺寸，可節約資金的支出，提供管線更新計劃，提供供水系統改擴建方案；為供水系統總體規劃服務。

在目前銀川供水系統管網模型的基礎上，可進一步建立水質模型，和GIS系統、SCADA系統相接，對整個銀川供水管網壓力和流量進行實時監控和數據分析，為開展供水系統優化調度工作提供更廣泛的應用前景。

參考文獻

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