基于微觀管網水力模型繪制供水服務等水壓線

林朝陽

LIN Chao-yang

（廈門水務集團有限公司）

(Xiamen Water Group Co.,Ltd.)

1 供水管網微觀水力模型優點分析

供水管網微觀水力模型是借助管網運行壓力、水量數據和營銷服務系統的水量數據，利用數學公式、邏輯準則和數學算法，描述供水管網中節點和管段水流運動和水質變化狀態，以實現對管網的水力運行狀態的在線仿真模擬，指導管網優化運行。

供水管網的服務壓力是衡量服務質量的重要指標，也是指導節能降耗工作的重要指標。管網壓力偏低，滿足不了用戶的用水需求要求，導致投訴矛盾；管網壓力偏高，導致用戶端水龍頭、熱水器等設施設備損壞，造成水廠過度的耗能生產成本增加，且會引發爆管增加管網漏損。配置合理的供水服務壓力，既能保障舒適優質的供水服務，又是供水企業節能降耗的關鍵[1]。

基于微觀水力模型按一定的水壓差在管網平面圖上繪制出等水壓線，直觀展示用戶的用水服務壓力。等壓線最好是均勻分布，若等壓線過密，用水負荷大，管網存在瓶頸；若等壓線過疏，表示用水負荷小，可適當降低區域供水壓力。

2 微觀水力模型建立的基本過程

2.1 微觀水力模型的計算基礎

管網水力計算基礎方程包括節點連續性方程和水頭損失計算方程。供水管網中的水流運動都是遵循物質及其運動的基本規律，質量、能量和動量守恒定律。

1）質量守恒定律主要是體現在節點處流量的分配，具體反映為節點連續性方程：供水管網中每一個節點的進水流量、出水流量的代數和為0，見式（1）。

式（1）中： qi為節點i的流量，m3/s；qij為節點i連接的各管段流量，m3/s；i、j分別為起、止節點編號。

2）能量守恒定律主要是體現在節點處壓力的分布，具體體現為能量（環）方程組：在供水管網的每一個環中，其每個管段的水頭損失的代數和為0，見式（2）。

式（2）中：hij為節點i連接的各管段水頭損失，MP，j為起節點編號；i為止節點編號。

3）管段水頭損失方程：沿程水頭損失加上局部水頭損失，見式（3）。

式（3）中：hm為水頭損失，MP；sm為管段摩阻；q為管段流量，m3/h。

在目前比較常用的是牛頓·拉夫森節點法、哈代·克羅斯法以及混合節點-環方法、線性理論法等來求解方程組。

2.2 供水管網水力模型建設基本流程

1）基礎資料收集

基礎資料收集包括供水管網、供水量、用水量、管網壓力、泵站資料等。

2）數據檢查與評估

①對供水管網、供水量、用水量、SCADA實時運行數據等的完整性、準確性和及時性進行評估。

②檢查管網拓撲結構、管網連通性、孤立管線和節點等[2]。

③檢查用水量數據，通過查表營業收費系統的查表數據、總表查表數據、綠化和道路澆灑水量調查、產銷分析等多種手段獲取。

④評估用水模式，覆蓋普通居民、醫院、學校、商場、工廠企業、寫字樓等各類用水戶。

⑤檢查SCADA，自控實時監測數據，確保檢測設備和數據傳輸系統處于正常工作狀態，對監測數據中的異常部分應結合實際運行狀況進行分析處理[3]。

數據評估是對數據進行理解、分類、篩選、連接檢查、分析和格式化的過程。通過數據分析工作，能明確缺失的數據，從而為現場測試提供依據。充分理解數據結構和數據流邏輯關系及入庫規則，對數據進行格式化。測試模型數據接口，以方便模型數據的導入更新。指定查表營業收費數據中的大用戶，分析用水構成組份，歸納用水量在日、月、季、年的變化趨勢以及供水格局的變化規律，同時選擇用水規模測試用戶。

3）現場調查

基礎資料處理和評估后，對于存在的問題需要作現場調查核實，包括異常的管道、閥門、水表（流量計）等。

4）現場測試

建模需要的現場測試包括供水管網壓力、各類用水模式、管道粗糙系統、水泵特性測試等。

5）初步建模

應用建模軟件建模，主要步驟包括數據導入、管網拓撲簡化、模型對象的屬性配置、節點水量分配、用水模式確定、水泵特性配置等。

建模過程中發現的問題通過步驟3）現場調查相結合，修正各種存在的錯誤。

初步模型的建立應在數據收集和評估后進行的，其所有數據均來自數據評估時收集到的原始數據。水力模型建立工作在數據收集工作完成后進行。由于數據評估時已對數據進行分類、整理和格式化，模型生成過程應為平臺軟件標準接口將這些數據批量導入的過程，建模過程均為標準操作。

6）模型校驗

選擇壓力檢驗節點、流量校驗管線、水質校驗節點和模型校驗日，確定模型校驗數據。

應用建模軟件的模型校驗功能，做模型誤差計量，調整模型對象的相關參數，再計算，反復進行直至模型精度達到要求。

7）模型試運行

運用模型模擬多種應用方案，包括供水管網規劃、管網改建設計、供水管網現狀模擬、供水管網水齡分析等[4]。

8）評價指標

建立管網工況評價指標體系，將不同預測水量條件下是否會對正常的城鎮供水管網造成影響進行評估，并進行影響程度分析，最終將不同影響程度進行分級預警，并制定相應的緊急調度預案，使調度預案的啟用和解除條件更為清晰、細致、可操作性強。

3 工程案例

3.1 建模區域概況

某區，獨立供水區域，單一水廠水源供水，無市政加壓泵站，36個在線壓力實時監控點平均分布在供水區域內，管網長度366km（DN100及以上），平均日供水量13.5萬t，漏損率12%，用戶數量約5萬戶。

3.2 模型計算水量分配

統計8月～9月共2個月的水廠出廠時流量數值，取平均數尋找供水量變化規律。早上11點的時候為最用水量最高值。

選擇用水狀況正常、穩定的各類型用戶，安裝實時遠傳的流量設備（流量計或機械表遠傳裝置）采集實時的各類型用戶的用水量變化規律。采用8月～9月的營銷抄收的水量數據平均日，根據變化系數分配至節點。

例：某用水量大的醫院市政直接供水與二次供水水池聯合供水，24h的用水量變化規律見圖1。

11時的用水量為最高峰用水量，占全天的比例為7.63，該醫院的用水變化規律選作為醫院用戶的代表，即市政直接供水聯合二次供水水池供水的醫院用戶11時的系數為7.63。每個相同供水規律的醫院用戶的水量分配計算，見式（4）。

其他類型的用戶用水變化規律也采用類型的同比方法計算，計算結果如下：醫院計算系數為7.63；居民計算系數為6.98；工業計算系數為5.21；商業計算系數為8.09；基建計算系數為8.65；事業單位計算系數為5.21；特種行業計算系數為5.46；學校計算系數為9.87；酒店計算系數為8.90；公園計算系數為5.21。

圖1 某醫院時流量變化圖

3.3 管網數據導入

1）將DN200mm及以上供水管道CAD版全部導入模型計算，進行管網合并與簡化，檢查連通關系；2）節點配置水量及高程值、用戶信息等屬性數據；3）管道配置管徑數據及摩擦系數；4）將管網漏失水量平攤到每個節點[5]。

3.4 計算成果驗證

模型計算成果：各節點高程及絕對壓力，各管段的水流方向及管道流速及流量，將成果數據自動生成等壓線圖，并與地形圖匹配。

模型驗收成果驗收：

1）關鍵節點壓力精度校核：通過比對實測管網壓力數據與模型計算的壓力數據做比較，校驗模型精度 0≤誤差絕對值≤0.02MPa，100%；0≤誤差絕對值≤0.005MPa，92%，符合相關標準，且與現場數據相吻合。

2）等水壓線繪制：將區域中的各等水壓點連線。連線無交點，且分布合理符合實際情況。

3）等水壓線與用戶分布情況結合表達：準確的將等水壓線與供水管網分布圖、用戶分布情況整合繪制成圖。

4）建模結果可評價整個區域的管網運行情況，有部分區域的等壓線過于密集，用戶負荷大，亟待改造；N48節點的現場壓力數據與模型模擬的計算數據偏差較大，判斷該節點周邊存在大的漏水點，經過現場驗證。

4 結語

綜上所述，微觀管網模型是在壓力數據、用戶用水量、基礎地形、管網分布等管網運行數據的基礎上完成的，并繪制等壓線。以科學依據判斷管網瓶頸、水壓薄弱等用水緊張區域，判斷大漏水點位置，水質薄弱區域等。挖掘管網的服務能力，避免盲目投資及改造，提升供水服務水平，降低產銷差率，提高水費回收率。