供水管網水力模型建設及在供水規劃中的應用

張 皓， 何 通， 王天元 ， 時 超

(蘇州智品信息科技有限公司，江蘇常熟215500)

隨著智慧水務的推進，作為重要組成部分的水力模型也吸引了供排水企業的關注，目前國內已有部分水務公司建立水力模型并取得良好應用[1]。水力模型作為實現智慧水務及精細化管理的重要工具，在未來必將發揮更大的作用[2]。水力模型主要用于規劃、調度、設計等多方面，但是其建設過程尚無統一規范。筆者以江蘇省常熟市水力模型建設為背景，采用WaterGEMS建模軟件，開展了水力模型建設及其在供水規劃方面的研究。

1 模型建設

水力模型建設的基本步驟包括數據處理、數據導入、模型校核。

1.1 拓撲數據處理

模型建立的過程需要眾多的數據支撐，包括管網拓撲數據、水量數據和SCADA數據。

1.1.1 拓撲數據處理

管網拓撲數據來自GIS，詳細數據說明如表1所示。水力模型最基礎的拓撲數據是GIS中的管線、節點、閥門數據，其準確性直接影響模型精度，在管線數據處理方面首先需要梳理GIS中的管線數據，最主要的工作為確定管線之間的連接管線，完善拓撲數據。此外，還需要根據地面高程數據對節點進行高程賦值，梳理閥門啟閉情況等。

表1 拓撲數據說明Tab.1 Description of topology data

原始GIS數據中含有多種類型節點，首先將所有節點圖層合并為1個圖層，然后在ArcMap軟件中建立管線與節點之間的拓撲關系。

在拓撲關系建立過程中，重點為拓撲關系的設定，主要設定的5條拓撲規則包括：不能有節點重疊；管線不能自我交叉；管線不能自我重疊；節點必須與管線連接；管線末端必須與節點連接。

通過設定拓撲關系，可以自動修正拓撲關系，其次再通過查找Network管網連接關系找到孤立管線與孤立節點，便于GIS數據的核對。在此基礎之上，通過創建DEM和柵格數據賦值，為節點進行高程數據的賦值。

1.1.2 水量數據處理

水量數據主要來源為營業收費系統，需獲取的數據包括：

① 用水點位置、用水類型(居民、工業或其他等)、抄表時間、抄表模式(單月或雙月)、用水量；

② 大用戶貿易水表位置、計量類型(工業、商業等)、實時水量數據；

③ 其他統計數據，包括產銷差水量統計以及綠化、管道沖洗等非計量水量收費方式等。

各地的水務公司通常存在雙月抄和單月抄兩種模式，季抄比較少。進行水量處理時，對連續2個月的數據取平均值作為單月水量，然后再平均到每日作為每個用戶的單日用水量。如果能實現水表定位，可在模型中根據各個水表的位置將其水量掛接到最近的節點上。如果未能實現水表定位，則需要進行一定的水量定位工作，至少需要將大用戶(用水量> 1 000 m3/d)進行水量定位。對于漏損、綠化等水量，可將其統一處理為未計量水量，采用比流量法進行水量分配，均勻分配到管網中。

1.1.3 SCADA數據處理

SCADA數據對比模型校核至關重要，主要包括：

① 所有泵站水泵的開停記錄；

② 泵站總流量、總壓力、用電量、泵站效率；

③ 各泵站每臺水泵的單泵流量、壓力、用電量、效率；

④ 各水庫液位變化記錄，包括清水池水庫和管網中泵站水庫；

⑤ 管網測壓點、測流點的運行數據，測壓點需包含壓力計標高信息。

在獲取SCADA數據后，需要進行數據清洗，剔除噪點數據。SCADA數據既是模型建立的數據支撐，也是模型校核的標準，應選取上述數據中前4項作為基礎數據，第5項作為校核數據；需要說明的是，如果模型采用水源壓力控制模式，則水廠流量應作為模型的校核數據；采用水源流量控制模式，則水廠總壓力應作為校核數據；如果采用水泵模式，流量和壓力都應作為模型校核數據。下一步將處理好的SCADA數據放入模型中，作為模型建立和校核的重要依據。

1.2 數據導入

在完成數據處理之后，模型的建立過程可以看作數據導入的過程。通過WaterGEMS的各個導入功能，將處理好的數據導入模型中。

1.2.1 管網數據導入

將GIS中的管線、節點、閥門數據導入水力模型中，形成水力模型的管網框架，通過Model Builder導入管線數據如圖1所示。

圖1 通過Model Builder導入管線數據Fig.1 Importing pipe data via Model Builder

1.2.2 水廠數據錄入

將水廠的清水池、水泵、管線、閥門錄入水力模型，同時與外管網連接好，確保連接正確。同時需要將水廠的運行數據導入模型中，例如水池液位的變化、水泵的啟停以及水泵的頻率等。在WaterGEMS中既可以通過編寫控制語句的方式，又可以通過設置pattern的形式設置水廠運行數據。

1.2.3 水量分配

根據供水量數據，對水力模型進行節點上的初始流量分配，如果可進行水表定位，直接進行水量掛接。當不具備水表定位的條件時，則首先進行大用戶位置定位，錄入大用戶水量信息，然后可采用管線比流量分配方法進行水量的分配。通過Load Builder進行水量分配，如圖2所示。

圖2 通過Load Builder進行水量分配Fig.2 Water demand allocation via Load Builder

1.2.4 建立用水模型

根據遠傳水表和流量儀的水量數據，通過數據處理形成不同的用水模式，錄入到水力模型中并賦予到相應的節點上，如圖3所示。

圖3 建立用水模式Fig.3 Building of water demand pattern

1.3 模型精度控制

1.3.1 壓力精度要求

管網壓力監控點的壓力計算結果相對于實際監測值的誤差，是水力模型壓力計算精確程度的判定指標。根據管網的復雜程度、壓力監控點儀表的精度、地面標高的準確程度以及壓力監控點的分布位置，水力模型計算的壓力值與實測的壓力值之間的均方差，要滿足以下要求：

① 壓力計算值與實測值之間的均方差應不大于1～1.5 m；

② 壓力計算值與實測值之間的均方差不大于1 m的實測點數量，應占總實測點數量的80%以上；

③ 當管網較復雜、測試條件不理想或測點分布不能滿足水力模型校驗的需要時，誤差范圍取上限值；當管網較簡單、測試條件比較理想時，誤差范圍取下限值。

1.3.2 流量精度要求

管網流量監控點流量計算結果相對于實際監測值的誤差，是水力模型流量計算精確程度的判定指標。根據管網的復雜程度、流量監控點儀表的精度以及流量監控點的分布位置，水力模型計算的流量值與實測的流量值之間的均方差，需滿足以下要求：

① 當測流管線水量占管網總水量的比例大于1%時，均方差必須在5%～10%；

② 當測流管線水量占管網總水量的比例大于0.5%時，均方差必須在10%～15%；

③ 當管網較為復雜、測點儀表的精度比較低或測點分布不能滿足水力模型校驗的需要時，誤差范圍取上限值；當管網較為簡單、測試條件比較理想時，誤差范圍取下限值。

1.4 模型校核

完成上述工作后，即可運算水力模型，此階段的計算結果會與實際情況存在較大的誤差，需進行水力模型的校核工作。

水力模型基本的校核方法主要分為檢查、校驗和驗證，始終貫穿于水力模型建設項目的全過程。在水力模型建設的不同階段，這3種方法的使用各有側重，整個過程就是發現問題—假設模擬—問題鎖定—確認更正的過程。總的來說，水力模型的校核內容主要包括以下幾個方面。

1.4.1 基礎數據檢查

將收集到的基礎數據和現場測試數據進行匯總分析，通過統計分析方法評估數據的準確性和可用性，對不正常的基礎數據進行討論確認并重新收集、整理，以降低由于基礎數據不準確而造成的偏差。

1.4.2 管線及其連接關系檢查

根據管線數據和管網運行數據對管網進行初步建模，通過初步水力模型的建立，通常會出現管線之間的連接關系錯誤和其它數據錯誤。通過檢查與溝通確認，基本要求達到管線連接關系和閥門開度與實際相符，同時主干管網的連接情況、管徑大小與實際一致。

1.4.3 水力模型相關參數修正

運行水力模型，與壓力監控點、流量監控點的實測數據進行比較，根據誤差值合理調整影響水力模型準確度的關鍵參數，使水力模型的計算結果與實測值的誤差逐步控制在要求的范圍之內。相關的參數包括節點流量及其用水曲線、管道摩阻系數、閥門啟閉、地面標高等。

1.4.4 水力模型驗證

水力模型的建立與校核工作完成后，需要采用不同供水方式下的數據進行驗證。使用其他供水方式下的基礎數據重新輸入水力模型并運行計算，驗證其結果是否符合實際。若符合則表示該模型準確度較高，若不符合則應繼續校核與調整水力模型，使水力模型適用于實際不同的供水方式，體現實際的運行情況。

2 供水規劃中的應用

供水企業經常要開展管網改擴建、維修關閥、區域水量增加等多方面的規劃，以往的粗放式管理僅憑經驗做出判斷，缺乏科學性、系統性，無法保障用水安全。因此需要結合水力模型進行定量化分析，提出科學合理的建議與方案。

2.1 管網改擴建模擬

常熟市辛莊區域一直以來是低壓供水區域，為了緩解低壓狀況，分別對3種新增管線方案進行模擬，最終提出新增管線布設建議，管線位置如圖4所示。

方案一：從東始村路口至227省道鋪設DN800管道，南部沿東西方向鋪設DN600管道。

方案二：從南環至227省道鋪設DN800管道，南部沿東西方向鋪設DN600管道。

方案三：從南環至227省道鋪設DN1000管道，南部沿東西方向鋪設DN600管道。

圖4 3種方案新增管線位置Fig.4 Locations of new pipe in three schemes

根據測壓點各方案模擬結果及當前壓力值統計結果，該區域24 h壓力變化曲線如圖5所示。可以看出，3種方案對辛莊鎮壓力較低狀況都有一定的改善。以最低壓力為例，方案一、方案二和方案三的最低壓力能分別提升23.47%、31.16%和33.06%。方案三較方案二而言，雖然管徑由DN800增大至DN1000，但壓力提升不大，因此建議使用方案二。

圖5 3種方案模擬結果Fig.5 Simulation results of three schemes

2.2 維修關閥模擬

當進行管網維修需要關閥時，往往會帶來區域壓力下降、水流反向等問題，模擬關閥操作對壓力的影響。如圖6所示，圓框內虛線所示的管道代表此次需要關閉的管段，管道關閉后的壓力影響分析如圖7所示。

圖6 關閥管道Fig.6 Pipe of closing valves

圖7 關閥前后壓力變化Fig.7 Pressure change before and after valve closing

從圖7可以看出，部分地區壓力變化不大，部分區域壓力有所上升，部分區域壓力有所下降。港區、辛莊鎮區、張橋鎮區、練塘鎮區、莫城鎮區壓力變化不大，僅為0～1 m；周行鎮區壓力上升最大，達到4～6 m； 海虞鎮區壓力上升2～3 m。其余地區壓力均有所下降，其中市區壓降最大，達到了10 m以上。測壓點管道關閉前后壓力變化曲線表明，市區平均壓降為11 m。該關閥操作會帶來較大的影響，因此建議在凌晨2：00—5：00進行。

2.3 區域供水量增加模擬

當管網中新增用水戶需要鋪設管道時，管徑的選取尤為重要。若管徑選取不合適，不但不能滿足用水需求，還會因為水流損失過大不能提供足夠的壓力。模擬沈張路新增管道分別為DN300，DN400及DN500情況下新增用水點的壓力情況，新增用水點位于圖8圓點位置，用水量為6 240 m3/d。

圖8 新增水量位置與管線Fig.8 Location of new water demand and pipe

在不同管徑下，新增用水點壓力模擬結果如圖9所示。可以看出，管徑為DN300時新增用水點壓力僅在10 m左右，遠低于供水服務壓力；當新增管道管徑為DN400時，新增用水點壓力在19 m左右，剛好滿足服務壓力。當新增管道管徑為DN500時，新增用水點壓力在21 m左右，滿足供水服務壓力，因此推薦新增管道采用DN500口徑。

圖9 不同管徑下的新增用水點壓力Fig.9 Pressure of new water consuming point with different pipe diameters

3 結語

水力模型建設的基本過程，是一套從數據處理到模型校核較為完整的流程，操作性和可復制性強。對供水企業經常遇到的供水規劃問題，將模型應用于供水規劃中，有助于實現從粗放式經驗管理到精細化定量化管理的轉變，幫助供水企業科學、系統地制定供水規劃方案，保障供水安全。