潍坊市供水管网在线实时水力模拟系统的建立与应用研究

陶建科¹ 毛帮虎² 魏寿廷² 余盛¹
(1 上海敢创信息技术有限公司，上海 201203；2 潍坊市自来水总公司，潍坊 261041)

　　摘要：文中阐述潍坊市供水管网在线实时水力模拟系统的建立方法，并通过SCADA系统现场测试数据对管网动态水力模型进行校核和试运行验证。该系统已经应用于潍坊市供水系统运行分析和调度管理过程中，实践证明是成功的，具有较大的应用价值。
　　关键词：潍坊市 供水管网 在线 实时水力模拟 WaterSimu for GIS 建立 应用

Study on Building and Application for On-line and Real-time Hydraulic Models of Weifang City Water Distribution Systems

Tao Jianke¹ Mao Banghu² Wei Shouting² Yu Sheng¹
(1 Shanghai Ganchuang Information Technology Co. Ltd.，Shanghai 201203；2 Weifang City Waterworks General Company，Weifang 261041)

Abstract：In this article methods to establish on-line and real-time hydraulic models of Weifang city water distribution systems are described . The dynamic hydraulic models are calibrated and validated during the course of testing run with SCADA system field test data. Practice states these methods are successful and suitable to be used for running analysis and operational control management of Weifang city water distribution systems.
Keywords: Weifang city Water distribution　 On-line　 Real-time hydraulic simulation WaterSimu for GIS　 Building　　 Application

0 引言

　　潍坊市自来水总公司供水系统由两座水厂、一座水库泵站和370Km（DN100以上）供水管线组成。近年来随着潍坊城市的迅速发展，一方面地区原有管网需要不断地向周边和新开发区延伸，引出宏观规划问题，新工厂和投资开发商在新开发区落户，引起局部用水量规划问题，另一方面为了满足潍坊城市用户用水的需要和市政道路建设，供水管网在迅速的改扩建过程中，供水系统中原有的相对稳定的供水工况发生了较大的变化，为供水系统安全的、经济的和合理的调度带来了较大的挑战。
　　文中利用敢创管网建模软件WaterSimu for GIS实现了潍坊市供水管网在线实时水力模拟系统的建立和应用，较好地解决了以上问题。这一实践研究成果为在我国进一步开展供水系统微观模型优化调度实践应用研究奠定了坚实的基础，具有实用价值。

1 潍坊市供水管网在线实时水力模拟系统的建立

　　实现供水系统在线实时水力模拟的关键在于建立供水系统运行分析与调度管理数据平台^[1]，它为实现供水系统的静态数据和动态数据在线实时更新和调用创造条件。潍坊市供水管网系统运行分析与调度管理平台数据流见图1。

图1：运行分析与调度管理数据平台数据流

1.1 潍坊市供水管网微观动态水力模型的建立^[2]
1.1.1 建立管网模型拓扑结构
　　根据潍坊城市供水的实际应用需求，建立DN100或以上管网模型拓扑结构。潍坊市供水管网模型拓扑结构的生成是通过敢创管网建模软件和潍坊市供水管网地理信息系统软件接口设计实现的，管网建模软件直接调用供水设施的属性数据和空间数据。潍坊市供水管网模型拓扑结构图（DN100）见图2。

图2：潍坊市供水管网模型拓扑结构图

1.1.2 现场测试
　　现场测试的目的是为了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。现场测试之前，需进行现场调查和收集一些基础资料为现场测试做准备。
　　潍坊市给水管网动态水力模型建立过程中，现场测试由三部分组成：（1）测试供水系统压力和流量值；（2）大用户用水方式和规律调查及现场24 h读表实测；（3）测试水泵的特性参数。第一部分内容需要在管网模型校验日24小时内同时进行，用于模型校验。
　　压力采集点均匀分布在供水系统中，共9个，它们是潍坊啤酒厂、潍坊商校、化肥厂、第一职专、港华煤气厂、建校、沈潍变压器、东环压力和樱北压力，管道流量校验点4个，分别为樱北水厂和东环配水厂各两根出厂管。以潍坊市2004年5月份用户用水量数据库为依据，对用水量>5600 t/月、占总用水量28.7%的59家大用户进行现场24 h抄表，并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。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，需要重新测试；先结合历史SCADA系统采集的在各不同工况条件下水泵机组出水参数，求解出各水泵水力特性参数，后到现场校核，共测试了7台水泵。
1.1.3 节点流量计算^[3]潍坊市给水管网微观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。营业收费系统中用户用水性质有八类：办公楼、二十里、基建、民用楼、绿化用水、生产经营、特种用水、学校用水，2003年1至12月份各类用户用水所占比例分别为27.318%、2.738%、10.900%、33.448%、0.451%、14.388%、0.444%和10.314%，在制定用水模式时，分为六类：办公楼、基建、民用楼、生产经营、学校用水和无计量用水。节点流量的计算方法见图3。

1.1.4 确定管道阻力系数
　　管道水力模拟公式采用海曾-威廉(Hazen Williams)公式。在现场应用“三点法”^[6]测试，计算出2000年埋设的管道阻力系数值为117，其它年代埋设管道的阻力系数值通过GIS系统记录该管道埋设年代初步估算确定，在模型校验阶段需要进一步调整。
1.1.5校验结果^[2][4]潍坊市给水管网动态水力模型校验日为2004年11月5日，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，管网模型校验结果见表1。

表1：潍坊市供水管网微观动态水力模型校验结果

1.2 潍坊市供水管网在线实时水力模拟系统的建立
1.2.1 时段总水量预测及节点流量的计算^[5]时段总水量预测采用自回归滑动平均ARIMA(p,d,0)模型，时段间隔为15分钟，历史数据样本采用每日同时段数据。时段总水量的分配：时段总水量中六类型用户（办公楼、基建、民用楼、生产经营、学校用水和无计量用水）每日用水所占比例取供水系统中各类用水性质的用户上一年同月平均水量所占比例。每半月更新一次用水量节点与抄表簿对应关系，特大用水量的用户及时更新。
1.2.2 软件接口设计
　　供水管网GIS系统和供水系统运行分析与调度管理数据平台接口设计，实现了管网数据及时更新，保证了管网模型拓扑结构及时更新和准确性。供水SCADA系统和供水系统运行分析与调度管理数据平台接口设计，实现了管网模型在线实时调用动态水量数据和压力数据作为模型的计算值或对比值，保证了管网模型在线实时运行。营业收费系统和供水系统运行分析与调度管理数据平台接口设计，实现节点流量的及时更新。
1.3 试运行分析与结论
　　完成管网动态水力模型校验工作后，经过了一周左右的时间进行在线实时模拟系统的调试，于2004年11月15日进行试运行阶段。取2004年11月15日至2004年12月14日的潍坊市供水系统SCADA采集数据和模拟数据作为试运行分析对象。管网系统中测压点有7个，其中测压点“化肥厂”通讯故障，6个测压点分别是：潍坊啤酒厂、潍坊商校、第一职专、港华煤气厂、建校、沈潍变压器。试运行结果分析见表2。

表2：潍坊市供水管网在线实时水力模拟系统试运行结果

　　从表2中可以看出：潍坊市供水管网在线实时水力模拟系统仿真计算结果满足工程实际应用的要求。

2 应用

2.1 供水系统改扩建^[6]潍坊市自来水现有日供水能力17万吨，地势自南向北倾斜，平均海拔26.0米。近期位于城市南部兴建一座12万吨/日白浪河水厂，对现有供水系统进行改扩建方案设计。
　　根据《潍坊市给水发展规划》和近期关闭自备井资料进行水量需求分配，沿现状道路和近期规划道路铺设管线，进户总表自由水头控制值为24.0米，建立最高日供水管网水力模型。现状管网图见图1，供水管网改扩建方案图见图4。

图4：供水管网改扩建方案图

　　通过管网动态水力模拟和工况分析：原现状供水系统中水流流速处于经济流速范围内的管道数从676根提升到762根，新规划主干管道水流流速均处于经济流速范围之内，事故、最大转输时和消防时工况均能满足要求，同时计算出新建白浪河水厂出厂所需压力，为二泵房选泵提供参数。
2.2 在线实时工况模拟
　　在线实时水力模拟系统在潍坊市自来水总公司供水调度室24小时运行，调度员通过该系统可随时了解整个管网当前的工作状况，大大地增强了调度员作出调度决策的自信心，必要时可及时调整运行方案，实现在线优化调度。
2.3 开展经济调度工作
　　潍坊市供水管网在线实时水力模拟系统提供多方案费用比较功能，为调度员开展供水系统的优化运行管理提供了很好的工具。调度技术人员先通过该系统预测明天的需水量，制定满足需水量的多个经验调度方案，设置控制点压力值，然后通过模型动态模拟计算，找到即满足控制点压力，运行费用又是最低的调度方案。

3 实践意义

　　潍坊市供水管网在线实时水力模拟系统已投入应用，效益良好，具有重大的实践意义：
　　① 在我国水司第一次建立了供水系统在线实时水力模拟系统，并成功的投入使用。
　　② 培训调度员，提高调度员实现科学调度管理、调度决策的能力。
　　③通过在线实时水力模拟掌握水流的真实流动，以利于对供水系统进行管理和调度，是给水系统运行管理人员的得力助手。
　　④ 为在我国进一步开展供水系统微观模型优化调度实践研究奠定了坚实的基础。

参考文献

1 B M A Brdys & B Ulanicki. Operational Control of Water Systems：Structures， Algorithms and Applications. Prentice Hall International(UK) Ltd, 1994.
2 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.
3 陶建科，等.建立给水管网微观动态水力模型标准方法研究. 给水排水， 2000,26(5):4-8.
4 Water Authorities Associates/WRC. Network Analysis—A Code of Practice. 1989.
5 陶建科，信昆仑，等. 给水管网微观模型中节点流量在线预测计算方法研究. 给水排水，2001,27(8):25-32.
6 赵洪宾著，给水管网系统理论与分析，中国建筑出版社，2003年9月第一版。

作者通讯地址： 陶建科 201203 上海市浦东张江高科技园区郭守敬路498号浦东软件园3202座
（国家软件产业基地和出口基地上海浦东软件园133信箱）
上海敢创信息技术有限公司　 博士　 高级工程师
电话：（21）51314368
E-mail: [email protected]
毛帮虎 261041 山东省潍坊市自来水总公司　　 副总经理、院长　 高级工程师
魏寿庭 261041 山东省潍坊市自来水总公司技术科　 科长　　　 高级工程师
余 盛 201203 上海敢创信息技术有限公司　　　　 硕士　　　　 工程师