水力模型在智慧供水系統中的應用

呂達昕

摘? 要：該文介紹了城市供水系統如何通過水力數學模型的智能分析能力，實現城市供水的高效規劃和管理。以水力數學模型為基礎及核心，綜合運用各類數據挖掘技術，可以從歷史積累的海量運營數據中識別并提取出更具價值的信息，更可結合供水系統外的其他領域數據信息進行更廣泛層面的數據挖掘分析，進而為管理決策提供更多依據。

關鍵詞：供水系統;水力模型;智慧供水

中圖分類號：TU991? ? 文獻標志碼：A

0 前言

供水管網是城市中一類大規模的網絡系統，服務于成百上千用戶。當直接對供水網管進行改變，或者管線內的水質發生變化時，將產生極高的成本，且會對公眾的用水和健康有巨大隱患。供水管網的水力建模，將真實的供水管網簡化和抽象，便于系統通過圖形和數據表達與分析，從實驗中對真實系統進行評價，可以預測系統中存在的問題，在實際工程投資前提出解決方法。智慧供水項目中需要建立水力數學模型，為供水的智能應用提供支撐。

1 水力建模原理

水力模型是真實系統的一種數學描述。為解釋供水系統模型模擬產生的結果，本節對建模所涉及的數學原理進行簡單介紹。

1.1 節點流量方程

進入管道的流體質量等于離開管道的流體質量，因為在供水系統中流體既不會被創造也不會被消滅，即質量守恒定律。對于管網模型中的任意節點j，可以表示為。

式中：Qi—管段i的流量;Qj—節點j的流量;Sj—節點j的關聯集;N—管網模型中的節點總數。

聯立所有節點的流量方程。若考慮延時模擬，水可在水箱中被存儲和取用，則需要描述該節點處水的積累量。

1.2 管段能量方程

模型中，無論采取什么路徑，2點間的能量差是一致的，即能量守恒定律。為便于分析，在忽略能量損失的情況下（如管壁摩擦、設備使流線改變引起的紊動等），該管網中相鄰的任意2個節點的能量差（或水頭），等于2個節點的壓降，表示為：

式中：Fi、Ti—管段i相鄰的2個端節點編號。HFi、HTi—管段i相鄰2個端節點的水頭。hi—管段i的壓降。M—管網模型中的管段總數。聯立所有管段的能量方程。

1.3 壓降方程

壓降方程即水頭損失方程，水頭損失分為沿程阻力損失和局部損失。

（1）沿程阻力損失：由管道沿程的摩擦阻力引起。

（2）局部水頭損失。在閥門、三通、彎頭以及其他附屬設備統一存在水頭損失，當水流過閥門和彎頭時由于紊流而產生，稱為局部損失。

局部損失用下式計算。

對供水模型而言，局部水頭損失通常比摩擦阻力損失小很多，因此建模時往往可以忽略局部損失。但在某些情況下，如有更多設備和更高流速的泵站或是多種閥門集成的情況下，就必須考慮局部損失的影響。

1.4 求解管網問題

真實的供水系統不是由單一的管段組成，并且不能用單獨的連續性方程和能量方程求解。管網系統中，對每個節點都可以列出一個流量方程;同樣，對每個管段都可以列出一個能量方程。對某個真實系統而言，就有若干個此類方程。

由于能量方程是非線性的，所以方程不能依據流體的流量及水頭值求解。然而計算機的運用使快速求解成為可能。之后不斷改善直至解的誤差縮小到指定范圍內，則認為是獲得了水力方程的解。

2 漳州開發區智慧供水系統設計

漳州開發區智慧供水系統，采用多層架構設計，分為6個層次：感知層、傳輸層、數據層、業務層、智能分析層、智能應用層。感知層作為信息采集、交換服務的基礎，通過覆蓋城市的監測設備、移動終端、傳感器成為為智慧大腦提供外部信息的感官觸角，在智慧供水系統建設中具有基礎性地位。

傳輸層通過互聯網、通信網等基礎傳輸網絡實現信息資源的高效共享和交換，針對互聯網、移動無線專網等不同范圍網絡平臺提供相應的隔離措施與安全保障。數據層實現對感知層所收集的數據、管網基礎信息及其他平臺所提供數據，進行整合、共享與更新維護。為業務層的各項子系統提供完整的基礎數據和分析依據。業務層集供水各業務專題信息服務于一體，為基礎快速構建供水綜合運營服務體系。智能分析層和智能應用層是智慧供水系統應用的核心部分。智能分析層將數據挖掘、數學模型與業務應用相結合，在智能應用層中對供水行業管理、運營工作中各類事務特征和變化規律進行抽象描述和規律研究，用系統功能滿足業務管理對智慧的需求。

3 漳州開發區智慧供水系統技術線路

借助管網建模軟件（該項目使用MIKE URBAN）對供水管網進行水力動態分析，建立水力數學模型。建模軟件的基本功能包括：視圖功能、編輯功能、流量分配、水力分析、結果查看等，建模軟件應能夠與GIS平臺無縫整合，象圖形和屬性之間的雙向查詢、屬性數據的添加與修改等，以便于模型的維護操作。如前文所述，水力模型是真實系統的一種數學描述，模型的建立主要包括以下工作。

3.1 基礎數據收集和整理

準確和完善地收集和整理描述管網的基礎信息。基礎信息主要包括：系統圖、地形圖、竣工圖、生產運行數據和用戶用水情況等。其中地形圖和電子地圖等與地理信息系統（GIS）相關的數據，依托于漳州開發區空間基礎數據庫。此外，系統如和生產運行數據等，均可以從當地的自來水公司和規劃部門獲得。

3.2 現場勘查與測量

供水管網水力模型建立和校核過程中，所有基本測量工作可以分為3類：即測流、測壓、測距。具體的現場測量及勘察工作主要有管網壓力、邊界流量、高程和水泵特性等。

3.3 水力數學模型搭建

水力模型的搭建主要步驟為：輸入管網基礎信息，建立并求解管網方程組，就可以在一定條件下模擬和預測該供水系統的運行狀態，包括節點壓力、管段流量、流速、水頭損失等水力參數。

3.4 模型率定

管網模型率定是管網建模項目中最為關鍵的工作之一。通過有效的管網模型率能夠發現大量基礎數據或實際管網中的問題。結合在供水管線上安裝的各類流量計和壓力計等傳感器實時回傳的監測數據，對這些問題進行修正，使模型模擬值逐步趨近于實際值，精度達到相應的指標。

3.5 實時滾動計算

模型率定后，根據實時變化的SCADA數據，每15 min驅動計算引擎，自動循環執行水力模擬，對模型實時數據進行后處理和數據挖掘分析。以熱力圖、數據列表、時間曲線等形式，將模擬結果與實測數據進行對比展示。

4 水力數學模型在供水管網安全系統的應用實現

4.1 供水管網現狀分析和評估

項目實施的各類傳感器，掌握了管網中流量、壓力、流速等各種狀態;而水力模型的建立，實現對供水管網的動態模擬，評估管網狀態，發現管網運行中存在的問題，從而輔助水司和規劃部門提出解決方案。通過管網水力模型模擬的結果，分析供水管網系統的狀態，找出管網或某些管段存在的問題，提出改造方案。

4.2 管網規劃設計

借助管網運行狀態的動態監測，判斷出各管段的負載情況，對于超負荷運轉的管線，可以根據實際供水需求情況，給出管網改擴建的規劃設計方案，以提高管網輸水能力，保護供水設備，進而保證管網安全。

利用水力數學模型可以對不同規劃方案進行評估與比較，包括壓力控制點及關鍵點的壓力比較、各管道流量及流速的比較等。模型能夠對供水系統的規劃進行模擬，從而輔助規劃部門判斷。另外，模型能夠根據對用戶水量的近期、中長期的預測與規劃確定的各種用水模式，評估系統在各個時期的運行狀況以及輸水的能力及空間。從而對現有供水設施的改擴建設計，及對新水廠、水庫、增壓泵站、重要管線的規劃安排進行模擬和驗證，并從中比選出最經濟、合理的規劃方案。

在新增水廠、泵站等元素后，可模擬壓力、流速、流向變化以及總費用等重要指標。通過模擬結果，對不同的規劃方案進行對比， 以選擇最優的規劃方案。

4.3 輔助供水調度管理

通過模擬不同情況和條件下（象學校開學或放假期間、降雨等）的水泵運行方案，輔助供水調度管理;對擬建泵站的各種方案進行模擬，找出最有針對性的泵站建設方案;也可模擬各種突發事件對供水系統的影響，制定調度應急預案。

5 結語

利用水力建模和準確的城市空間基礎數據，為供水管網的建設規劃與管理提供輔助決策信息，可提高管線的管理和規劃水平、減少因規劃決策失誤導致的經濟損失;減少管線巡檢人員的投入;降低能耗;分析消防用水保障情況;分析水質;提高各部門之間的協作能力;實現地下管線集中統一的現代化管理。未來，水力數學模型根據供水管網的實際運行情況不斷校正;同時保持最新的、準確的城市空間數據，對系統是否能夠向城市管理者提供準確、有效的決策依據，都是至關重要的。

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