建立上海市计算机给水管网动态水力模型研究

陶建科
上海市自来水公司

　　摘 要 计算机给水管网动态水力模型能为给水管网的规划、设计、优化控制和科学管理提供可靠的信息来源；本文阐述了建立上海市计算机给水管网动态水力模型的研究方法，实践证明是成功的，具有重大的实践意义。
　　关键词 给水管网 动态分析 水力模型 现场测试 校验

　　上海市自来水公司供水系统是世界上最大的供水系统之一，由16座水厂、42座泵站和6300km的供水管线组成，供水区域为690km²，装有220万只水表。1998年日最高供水量为650.1×10⁴t。近年来，随着上海市的高速发展，给水管网的改扩建及给水管网的日常操作管理引起人们的关注。
　　上海市给水管网的改扩建主要指由于上海市区向郊区延伸，原有的某些给水设施(泵站、水库等)不合理性日益明显，引起了宏观规划问题；由于大量的低层房屋被高层代替，局部用水量增加，引起了局部用水量的规划问题。长期以来，上海市供水管网的日常操作(主要指水源调度、管网的维护和更新)主要是凭借经验，而不是建立在科学的理论体系之上。
　　建立计算机给水管网动态水力模型(包括计算机给水管网宏观动态水力模型和详细动态水力模型)，是解决这个问题的最有效手段。宏观动态水力模型主要用于上海市给水总体规划活动的分析，包括优化现有的给水设施，规划新给水设施，为上海市供水系统的改扩建提供宏观的、总体的分析策略。详细动态水力模型主要用于上海市供水系统的日常操作、维护和更新的活动分析，包括为管网的更新和维护提供科学的操作管理方法，为区域性的给水管网规划、设计和更新的优先性评估提供科学依据。

1 研究方法

1.1 建立计算机供水管网图形^［1、2］
　　计算机供水系统管网图形应该包括供水系统中的所有供水设施及其图形数据和属性数据(如管道直径、节点标高、位置坐标等)。一般有两种方法建立计算机供水系统管网图形，一种是用数字化板将供水设施数字化输入管网建模软件，形成点线结构的管网图形；另一种是从供水地理信息系统(GIS)中按照一定的文件格式调用供水设施的图形数据和属性数据，使之在管网建模软件里形成计算机供水系统管网图形。
　　上海市供水设施的数目大，计算机供水系统管网图形中节点数目过多，根据建立供水管网模型的用途不同，制定了取舍管线的原则：宏观动态水力模型中应该包括直径≥500mm的管道和部分水力条件重要的小管道；详细动态水力模型中应该包括直径≥300 mm的管道和部分水力条件重要的小管道。形成计算机供水系统管网图形后，经“微误差简化”，建立起浦西地区计算机供水系统详细模型管网图形。
1.2 现场测试
　　现场测试的目的是为计算供水系统的用水量、节点流量及校验管网动态水力模型提供数据。
　　建立上海市给水管网动态水力模型过程中的现场测试由三部分组成：测试供水系统压力和流量值；大用户用水调查及现场24h读表实测；测试水泵的特性参数。要求前两个部分的现场测试同时进行。总共进行了十次大规模的现场测试，第一次测试的目的是为了解给水管网当中水流的大致流动方向及压力分布情况，为选择模型现场测试点提供参考；后九次是为给水管网模型的校验提供原始数据。由于受仪器数量的限制，在现场测试过程中，将浦西地区给水管网宏观动态水力模型的测试分为南区、北区和中区分别进行，同时又将南区和中区各分为三个子区域进行现场测试，北区的管网结构比较简单，只进行宏观动态水力模型的现场测试。
　　以上海市1996年10月用户用水量数据库为依据，对用水量>15000t/月、占总用水量32.5%的972家大用户进行同时现场24 h抄表，对用水量为5000～15000 t/月、占用水量15.9%的1826家工业用户进行工作班制和用水特点调查，为计算不同工作班制工业用户的用水模式曲线提供数据^［３］。
　　水泵使用的时间过长，原有水泵的水力特性参数会发生变化，建立管网动态水力模型时需要重新测试。建立上海市给水管网动态水力模型的过程中，共测试了209台水泵。
1.3 节点流量的计算方法^［3、4］
　　上海市给水管网动态水力模型中节点流量的计算是基于大量的现场实测数据、大用户现场读表数据和用户每月读表抄见数数据库。节点流量的计算方法见图1。

1.4 管道阻力计算公式
　　管道阻力计算公式一般采用海曾-威廉(Hazen Williams)公式或柯尔勃洛克-魏特(Colebrook White)公式。流速范围在0～0.9m/s时，两公式的计算结果很接近^［5］；对于高雷诺数的高速水流，海曾-威廉公式的误差增大，流速为1.5m/s时，水力坡降误差有时超过20%^［６］。在用水高峰时，很多管道的流速超过1.5m/s，因此选用柯尔勃洛克-魏特公式计算管道的阻力。
1.5 管道绝对粗糙度
　　经整理分析，上海市大量的供水系统管道壁切片的绝对粗糙度数据见表1。

表1 上海市供水系统管道绝对粗糙度 管材 管道绝对粗糙度
（mm） 取样年 每年增长比例 1980年前 1980年后 钢筋混凝土管 2.55 1930 0.025 0.075 铸铁管 有内涂层 1.63 1930 0.025 0.075 无内涂层 16.40 1930 0.25 　 钢管 有内涂层 1.54 1967 0.025 0.075 无内涂层 16.31 1930 0.25 　

1.6 模型校验点的选择和校验结果
1.6.1 模型校验点的选择
　　对于大型供水系统管网模型而言，模型校验点的选择应遵循以下原则：?
　　① 模型校验点的数目应占模型节点数目10%以上。上海市供水系统管网模型校验点的数目占模型节点数目15%左右。?
　　② 模型校验点要均匀地分布在管网模型中。?
　　③ 模型校验点的水力参数值要有代表性，能够控制管网模型在该校验点局部的水流流动情况。?
1.6.2 校验结果
　　上海市给水管网动态水力模型的计算值和现场测试值吻合很好，
　　表明该模型模拟了管网中水流在测试天的真实流动，见表2。

表2 上海市给水管网动态水力模型的校验结果 项目 参数 参数的校验标准 校验结果 管段流量 流量大于用水量10%的管段 实测值的±5% 0.6% 流量小于用水量10%的管段 实测值的±10% 1.3% 节点压力 100%的校验节点 实测值的±39.21 kPa 100% 80%的校验节点 实测值的±19.6kPa 97% 50%的校验节点 实测值的±9.8kPa 82% 水库 水库水位 实测值的±5% 0.1%

1.7 水力模型的维护和更新
　　给水管网动态水力模型的维护和更新工作主要包括：在管网模型中增加新的或删除废弃的给水设施、更新节点流量和调度操作方案等。

2 实践意义

　　上海市给水管网动态水力模型已投入应用，效益良好，具有重大的实践意义：?
　　① 第一次将大型供水系统输入计算机，并建立起管网动态水力模型。?
　　② 能够指导管网系统的日常管理工作，如：避免出现管网中水打回笼，协助检漏工作，寻找较优的季节性阀门开关状态，指导管网改扩建工作等。?
　　③ 能够有效地分析用户用水中存在的主要问题，有针对性地提出解决方案。?
　　④ 通过模型掌握水流的真实流动状况，以利于对大型供水系统进行管理和调度。?
　　⑤ 为上海市自来水公司供水系统开发实时在线调度模型提供了基础。管网动态水力模型与SCADA系统相接，实现实时在线优化调度，还有待进一步研究。

参考文献

　　1 Anglian Water Services.Standard Methodology for Network Management.1994
　　2 陶建科等.建立计算机供水管网图形和在地形图上划定节点流量区域的方法.给水排水，1997；23(6)：5～8
　　3 陶建科.建立给水管网动态模型中的水量分析方法.给水排水，1998；24(1)：26～30
　　4 Water Authorities Associates/WRC.Network Analysis?A Code of Practice.1989
　　5 Lamont P A.Common pipe flow formulas compared with the theory of roughness.Journal of AWWA,1981
　　6 Walski T M.How constant is the Hazen?Williams constant.In:Proceedings of the 1983 AWWA Distribution System Symposium

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　　作者简介：陶建科 博士研究生 从事给水工程的设计和优化控制的研究
　　通讯处：200002 上海市江西中路484号 上海市自来水公司
　　(收稿日期 1998-09-09)