南京市供水管网实时模拟软件开发与应用

周克梅　　　　　　　刘遂庆
南京市自来水总公司 同济大学

一、项目背景

　　南京市是江苏省省会城市，现有水厂5座，主要增压泵站7座，至98年底供水管道总长度达2343千米，98年最高日供水量达141万立方米。
　　南京市自来水总公司历来重视供水管网规划及技术管理工作，80年代开始就使用同济大学研制的水力平差软件，对南京市的管网进行水力平差分析计算，并合作研究管网供水优化调度计算机方法。90年代后，随着南京市供水规模的迅速扩大，上述软件对管网节点计算数量的限制及软件单一的计算功能已不能满足需要，为做好管网规划及改扩建工程，南京水司曾先后委托上海水司和同济大学，运用他们的水力计算软件对南京市的供水管网多次进行分析计算。随着计算机技术的飞速发展及其在南京水司越来越广泛的应用，以及社会的科技进步和市场经济的发展需要，长期以来凭经验进行供水调度、管网设计和改扩建规划的传统模式，已不能适应先进供水行业的发展要求，供水企业必须不断提高管理及运行水平。使用计算机模拟技术，建立供水管网计算机动态水力模型是分析管网最为有效的手段。近几年来南京水司先后建成了供水管网GIS系统、供水调度SCADA系统及营业抄收用户管理系统，为建立管网模型所需的大量基础数据的采集提供了优越的条件。因此，99年起南京水司立项开展供水管网计算机模拟软件开发及应用工作。
　　对于供水企业来说，研究管网模拟技术及建立管网模型，选择管网计算软件及合作开发方至关重要，立项伊始，南京水司曾先后对美国Stone公司、美国AMPAC集团公司及同济大学进行比选，经比较权衡认为，虽然国外软件有成熟的版本及巨大的功能，但其开发适合的是欧美的国情，与我国的国情有较大的差距，国外软件虽然功能完善，但国内水司不易在短期内完全发挥其效能，且操作界面多为英文，大多数技术人员难以熟练操作，日后软件的维护费用也较高。而同济大学在城市给水排水教育和科研方面，一直属于国内领先水平，具备供水管网设计和运行管理计算机软件开发的良好条件和基础，因此，南京水司决定与同济大学合作共同承担南京市供水管网计算机模拟软件（TJW1.0）开发与应用工作。

二、管网计算机软件发展简史

　　给水管网水力分析计算最早始于1936年，是由运用Hardy Cross平差求解方法对环状管网进行水力计算而提出的，随着计算机及其应用软件的发展，给水管网水力计算也有很大的发展。国外在管网设计、计算和实现上经历了三个阶段：
　　第一阶段：管网平差计算技术（1960年-1980年），计算和校核管网运行状况，提高设计和管理水平。
　　第二阶段 ：管网运行与优化调度计算和管理（1980年—1990年），利用优化设计、优化调度及数据库技术，提高了运行效率和数据资料管理水平。
　　第三阶段：自动化运行和管理（1990年—），由计算机总控系统通过远程监控、远程数据传输和程序控制，实现源水水质、水位监视、管网优化调度、系统运行核算等给水系统全过程运行模拟、控制和管理。
　　在国内，上海、广州、深圳、杭州、中山等大中城市均在不同的程度上开始了信息监控系统（SCADA）、图形信息系统（GIS）和管网建模系统的建设与应用，但大多数处于信息收集和数据管理阶段，尚未能发挥对企业生产管理的作用，其原因主要是仍然缺乏与其配套的、符合生产实际需求的给水系统专业应用软件及软件应用的基础数据和成熟经验。

三、 软件功能需求与实施

　　南京水司面临的主要问题是如何科学、直观地了解现有管网的运行状况，找出其中的不合理之处，并进行管网的改扩建优化设计，节约工程造价；如何适应城市的发展，科学合理的制定供水规划；如何对管网进行科学、合理的调度，既满足用户需求，又节约水泵电耗；如何在重大工程停水施工前作出科学的预测及调度方案，软件设计就是针对上述使用要求，实现以下五大功能：
　　1、水力平差功能
　　建立管网水力平差模拟和计算程序，平差计算多水源管网水力运行状况，进行包括最高时、消防时、事故时等多工况的计算，可计算包含多种管材、水泵、水塔、阀门等特殊设备的管网，并可对平差计算结果进行工程标注。
　　2、管网规划及改扩建方案优化计算功能
　　对供水管网规划设计及改扩建方案进行计算和比较，合理地确定管径，使管网的建设和运行费用最低。管网优化计算采用了遗传算法，不需要用户进行预分配管段流量，软件能根据实际情况进行管段流量、流速、管径、节点水头等多方面约束，计算出一定设计年限内，管网建造费用和运行费用之和为最小时的市场规格管径和水头损失。
　　3、管网水力状态实时模拟计算功能
　　建立用水量动态分配模型和计算程序，进行实时水力模拟。实时模拟的基本方法是以管网水力平差计算为基础，将分时段的用水量做为近似动态数据，对一定时期内的运行状态连续模拟计算，反映供水系统运行管理质量，并进行长期运行状态预测，为合理调度提供基础依据。可模拟一天内各个时段的管段流量、流速、水力坡度、水头损失、节点流量、压力、水池水位、水泵工况点、功率和效率。
　　4、数据库信息查询及管理系统功能
　　建立城市背景地图及管网图形表达系统，运用动态数据库提供数据报表功能，方便用户快速浏览管网基础数据和平差计算的结果。数据报表与管网基础数据直接连结，可在数据报表上修改管网属性，方便用户使用。并能读取SCADA数据库中的压力、流量等数据，读取GIS数据库中管网数据信息、读取营业抄收数据库中用户水量信息。
　　5、图形引擎功能
　　为将抽象的管网系统直观地表达，本软件子系统采用多窗口、多视图的用户界面，具有菜单、工具条、滚动条、状态条，界面汉字化，提供超强缩放、移动引擎，实现实时无级图形放缩、平移，提供丰富的标注功能。可根据管径、流量、坡度、流速等设置颜色梯度，可引入AutoCAD的dxf文件格式，在管网背景图上进行多种方式的成果表达。

　　软件界面、等压线分布、延时模拟曲线及平差成果见附图。 附图1 软件界面图 附图2 等压线分布图

附图3 延时模拟曲线图 附图4 平差成果图

五、软件应用

　　南京水司一直建有DN500以上管网模型，用于指导管网规划及改扩建方案设计。结合这次软件开发，去年对模型进一步维护、更新和扩展，特别是进一步核准了全市用户与管段、节点的对应关系，应用TJW1.0软件进行水力平差计算，水力计算公式采用海曾—威廉姆公式，通过调整管网摩阻系数和管网局部阻力系数，进行模拟校验。计算结果表明：水力模拟计算结果与SCADA实测数据在2米误差范围内，延时模拟曲线与实测典线也能较好地吻合，证明软件计算模式是可靠的，DN500以上管网模型精度也基本满足要求。
　　2000年8月，南京市城北水厂一期工程（25万吨/日）完工投产，并网供水前，利用该软件进行多种出水量、管网阀门开关组合工况的预测，得出了较为合理的供水方案，并预测新水源并网后管网压力及流速变化情况，采取有效措施成功地防止了由于管道水流方向改变而造成的浑水现象，使城北水厂输配水管网顺利并网供水，取得了良好的社会和经济效益。
　　今年，南京水司配合市政道路改造工程，在北河口水厂DN1800、DN1500管道迁移工程中，也应用该软件对工程实施期间的停水降压范围及调度可行方案进行模拟计算预测，科学地指导了供水系统的事故运行管理，取得了较好的效果。

六、结语

　　经过南京水司和同济大学的共同努力，供水管网实时模拟软件已完成第一阶段开发工作，实现了平差计算、规划与优化设计、实时模拟、数据库及图形引擎功能，今年已转入第二阶段的优化调度软件研制工作。南京水司的技术人员与同济大学的科研人员紧密配合，在整个软件研制过程中，既提高了水司人员的理论水平，也使大学的科研工作，更注重于解决生产实际中的问题。水司人员在软件开发研制全过程中的直接参与，对软件日后的使用与维护有极大的帮助。我们渴望能得到大家的指导和帮助，以促进今后的版本升级与完善。