城市供水管網模型校核方法的比較

焦星瑞，王 雪，陸 海

（1.吉林建筑大學 市政與環境工程學院，長春 130118；2.長春科技學院 建筑工程學院，長春 130022）

城市供水管網模型校核方法的比較

焦星瑞1，王 雪1，陸 海2

（1.吉林建筑大學 市政與環境工程學院，長春 130118；2.長春科技學院 建筑工程學院，長春 130022）

城市供水管網模型是對城市供水管網運行狀態的分析和模擬，在管網模型應用之前需對其精確性進行檢驗和校核。本文對供水管網模型校核的幾種常見方法進行比較分析，這有助于更好地了解供水管網的運行特點，然后提出優化的運行控制方案，將為供水管網的改建擴建提供科學合理的技術依據，并為供水管網事故分析提供決策依據。

供水管網；模型校核；模型比選

城市供水管網是城市給水工程中的重要組成部分，其深埋于地下,具有隱蔽性的特點，同時供水管網還具有年代跨度大、水力分析復雜等特點，因此對于供水管網的運行控制存在很大的困難[1]。鑒于此，我國供水管網存在爆管頻發、漏失率高等弊端。為了更好地了解供水管網的運行特點，提出優化的運行控制方案，需要對供水管網進行建模，以此來模擬其運行狀態，掌握供水管網中水壓、流量、壓降、水齡等信息，同時這也將為供水管網的改建擴建提供科學合理的技術依據，并為供水管網事故分析提供決策依據[2]。

1 供水管網模型的校核

城市供水管網是一個具有時變性、隨機性和不確定性的復雜龐大系統，要對供水管網的流量、壓力等運行參數進行深入的了解并及時作出優化調度，首先須建立城市供水管網的數學模型[3]。對于初步建立的供水管網模型，雖然它包含了管段的長度、管徑、管材等信息，以及節點的高程和水源的水量和壓力等基本信息，但若不以實際工況數據加以校核，則該模型往往不能真實地反映實際管網的運行狀況。對最初建立的供水管網模型進行水力分析模擬后，用實測的運行數據對供水管網模型加以校核，即用分析模擬數據與實測運行數據相比較，如果二者之間的差值較大，則調整與模型相關的管段、節點及水源等各類信息。對經過上述調整后的模型再次進行水力分析模擬，分析模擬后所得結果再與實測運行數據比較，如二者之間的差值仍然較大，則再次調整模型，直至分析模擬數據與實測運行數據相近為止。因此，供水管網模型的校核是調整管網參數、反復平差、完善模型的一個過程。經過校核的供水管網模型，可用于對實際城市供水管網進行比較精確的模擬分析。

2 供水管網模型校核方法比較分析

2.1 靈敏度分析方法

1973年，Gilman提出一種重新分配計算節點流量的方法，這種方法是基于逆解原理而建立的，能夠達到分析模擬數據與實測運行數據相接近的目的[4]。他的方法是基于“比例負荷”的假設而產生的，即假設節點流量隨著管網的流量變化而成一定的比例發生變化），這樣可以將供水管網分成幾個區域，在每一個區域之內存在一個測壓點。在上述基礎上，計算每個區域的測壓點的水壓隨該區流量增量的靈敏系數，通過求解由此而產生的一個線性方程組，進而確定每個區域的節點流量的調整量。這種方法的弊端在于，靈敏度的計算受流量增量的影響較大，這是由于節點的壓力與節點流量不存在線性函數的關系[5]。

2.2 解析方法

解析方法是由Walski[6]于1983年提出的一種模型校核方法，并用于解決一些供水管網校核的實際問題。該方法涉及到兩方面的問題：一是將已知條件下模型計算壓力、流量與現場實測壓力、流量進行比較；二是調整模型的輸入參數值以改善模型計算值與實測值的吻合程度。

2.3 解非線性方程組法

如要在某節點產生所需壓力，可以采用調整某一管段的水力特性，如設置加壓泵或者減壓閥的方式來實現。Gofman根據研究結果提出，在原管網方程中添加虛環方程，同時把待調整管段的阻力系數當作未知量來處理，用一定的方法求解所形成的非線性方程組。

2.4 最優化方法

靈敏度分析方法、解析方法以及解非線性方程組法的共同缺點是，在未對被調整量施加約束，因此很難保證其解與實際測量值的一致性。經過對有關統計數據的分析比較和與現場實際測量，可以獲得供水管網的節點流量及管道阻力系數的取值范圍，也就是后續建模過程中的約束條件。如果上述數據中的某些量已經能夠比較精確地知道，則不應再繼續進行調整。除了Ormsbee和Wood提出的方法以外，其他方法對于有測流結果的情形都不能做出很好的處理，所以，最優化方法的應用對于供水管網模型的校核具有一定的狀態估計作用。

1 汪光壽，等.城市供水行業2000年技術進步發展規劃[M].北京：中國建筑工業出版社，1993.

2 于靜潔，趙洪賓.城市給水管網管理信息系統的建立[J].同濟大學學報(自然科學版)，2005，33（3）：339-341.

3 韓德宏.配水管網的狀態估計的幾種方法[J].中國給水排水，1993，（1）：31-33.

4 Gilman H.D.Application Model for Water Distribution Control[J].AWWA，1973，（4）：27-29.

5 Sterling，etal.Parameter Turning for Simulation Models of Water Distribution Network[J].Engng Syst，1980，（13）：751-762.

6 Thomas M.Walski, Assuring Accurate Model Calibration[J].AWWA，1985，（12）：38-41.

Comparison of Urban Water Supply Network Model Checking Methods

Jiao Xingrui1, Wang Xue1, Lu Hai2
(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China; 2.Changchun Institute of Technology, Institute of Architectural Engineering, Changchun 130022, China)

The urban water supply pipe network model is the analysis and Simulation of the operation condition of the urban water supply network. Several common methods of water supply network model calibration are analyzed, which will contribute to a better understanding of the operation characteristics of the water supply network, the operation control scheme optimization, will provide technical basis for scientific and reasonable water supply network reconstruction, and provide decision-making basis for water supply pipeline accident analysis.

water supply network; model checking; model selection

TU991.33

A

1008-9500(2017)05-0118-02

2017-03-10

本文系吉林省大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201510191022）的階段性研究成果。

焦星瑞(1995-)，男，天津人，本科在讀，給排水科學與工程專業。

陸海，Email：haimm110@126.com