城市供水管網微觀模型的建立

王 雪，焦星瑞，許 錚，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）

城市供水管網微觀模型的建立

王 雪1，焦星瑞1，許 錚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）

城市供水管網微觀模型是對供水管網系統現狀的動態分析模擬，是保障城市供水管網可靠優化運行的技術保障。本文探討了供水管網微觀模型的建模技術流程以及具體參數的測試方法，對城市供水管網微觀模型的構建具有一定的指導意義。

供水管網；微觀模型；現場測試；平差

城市供水管網是城市中的一項重要基礎設施，關乎城市居民、工業企業的正常生活用水和工業生產用水[1]。隨著計算機技術的飛速發展，以及遙測遠傳設備在水務公司的普遍采用，城市供水管網的SCADA系統和優化調度系統進入了實用化階段，而SCADA系統和優化調度系統又都以城市供水管網的微觀模型為水力計算的基礎。微觀模型是對供水管網系統現狀的動態分析模擬，經過平差計算，可分析管網中管段的流量、節點壓力、供水分界線、水齡和等水壓線等參數，因此能全面掌握整個管網系統的運行情況，防止出現供水低壓區和供水高壓區，為供水管網的可靠運行提供了技術保障[2-3]。為建立一個可靠的城市供水管網微觀模型，須經過建立計算機供水管網模型，進行現場測試、阻力系數推定、管道阻力計算公式選定等步驟。

1 建立計算機供水管網圖形

計算機供水管網圖形包括供水系統中所有供水設施及其圖形數據和屬性數據，如管道直徑、節點標高、位置坐標等。建立計算機供水管網圖形通常有兩種方法，一是用數字化儀將供水設施數字化輸入到建模軟件中，形成點線結構的管網圖形；另一種是從供水地理信息系統（GIS）中按照一定的文件格式調用供水設施的圖形數據和屬性數據，使之在管網建模軟件中形成管網圖形。為保證所得供水管網圖形的準確性，需在自來水公司有關技術人員的指導下，仔細排查每一根管段，確保其屬性資料詳實可信[4-5]。

2 現場測試

現場測試的目的是為供水系統提供供水系統的用水量、節點流量、壓力，并為驗證水力模型提供數據。現場測試由三部分構成：供水系統的壓力和流量值測試、大用戶的用水調查及現場24 h讀表實測、水泵的特性參數測試。

2.1 供水系統的壓力和流量值測試

測試供水系統的壓力和流量值，目的有二：一是以所得的壓力與流量值通過數學方法求得C值，二是為驗證水力模型提供數據。由于計算管道阻力的必要基礎數據是管道的鋪設年代和管材，因此在選取測試管段時應以不同鋪設年代、不同管材、不同管徑為前提條件。根據具體的試驗條件，可采用不同的測試方法，其中“兩點法”原理如圖1所示。

圖1 “兩點法”原理示意圖

若考慮地面高程的因素則公式轉換為：

其中：h1，h2——測試點的水壓(m)；L——h1，h2之間的距離(m)；z1，z2——兩個測壓點的地面標高(m)；Q——管道中流量(m3/s)；α——指數值，取1.852。

該方法原理清晰，需要的現場數據少，在條件允許的情況下，使用該方法是所有方法中最方便快捷的實測方法。

2.2 水泵特性參數測試

為了滿足經濟安全供水的需要，國內大部分自來水公司的水泵往往經過切削，況且隨著水泵葉輪的磨損其初始的水泵特性曲線已不夠準確，不能滿足建模精度的要求。因此，須測試水泵在不同工況條件的流量與壓力，以重新擬合水泵的特性曲線。圖2為根據28SA-10J水泵切削后的實測Q-H數據擬合出的該水泵在高效段的Q-H曲線（H=-4E-06Q2+0.0202Q+13.127）。

2.3 節點流量測試

以馬鞍山市為例，馬鞍山市給水管網模型中的節點流量是基于大量的現場實測數據。大用戶現場讀表數據和用戶每月讀表抄件數據庫。在實際操作中，以1 000 m3/月作為選定大用戶的標準，共選出506戶大用戶，并利用流量采集儀對其中的26戶進行了為期一個月的現場讀表實測，并將測試結果作為節點流量的一部分，同時將沿線流量這算為節點流量。

圖2 28SA-10J水泵切削后實測Q-H曲線

3 阻力系數推定

舊管道由于水中懸浮物的沉積和一些物理、化學、生物反應，在管道內壁上沉淀后會形成一層“生長環”，它與管材和管徑有關，并隨著敷設年代的增加而增厚。“生長環”嚴重影響了管道的過水能力，因此對管道的阻力系數須重新進行推定。可建立以下的推定模型：

式中：C(Y,d)——管段摩阻系數；d——管徑；Y——敷設年數。

4 管道阻力計算公式選定

一般采用海曾—威廉公式或柯爾勃洛克－魏特公式。流速范圍在0～0.9 m/s,兩公式的計算結果很接近。只是在用水高峰期，流速大于1.5 m/s，選用柯爾勃洛克－魏特公式。

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 趙洪賓，周建華.微觀建模在城市給水管網系統中的實踐[J].給水排水，2002，28（5）：59-61.

3 周建華，趙洪賓.城市給水管網系統所面臨的問題及對策[J].中國給水排水，2002，18（11）：30-31.

4 張洪國，袁一星，趙洪賓.給水管網動態模型中管道阻力系數的組合灰色推定方法[J].哈爾濱建筑大學學報，1998，（5）：58-63.

5 許 剛.給水管網水力模型校正研究[D]．杭州：浙江大學，2005.

Establishment of Microcosmic Model of Urban Water Supply Network

Wang Xue1, Jiao Xingrui1, Xu Zheng1, 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 microscopic model of urban water supply network is a dynamic analysis and Simulation of the water supply pipe network system. This paper discusses the modeling process of the water supply network micro model and the testing methods of the specific parameters, which has certain guiding significance to the construction of the micro model of the urban water supply network.

water supply network; microscopic model; field test; adjustment

TU991.33

A

1008-9500(2017)05-0123-02

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。

王雪(1995-)，女，吉林通化人，本科在讀，給排水科學與工程專業。

陸海，Email：haimm110@126.com