摘要：闡述了水司建立給水管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)水力模型的建立必要性，提出了一套適合我國(guó)國(guó)情的水管網(wǎng)給水管網(wǎng)建模標(biāo)準(zhǔn)方法。這一方法將有助于我國(guó)給水管網(wǎng)建模工作走上正規(guī)化和科學(xué)化的微觀道路。該方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于上海市。動(dòng)態(tài)

關(guān)鍵詞：給水管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)水力模型 標(biāo)準(zhǔn)方法 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1　水司建立給水管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)水力模型的水力必要性

給水管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)水力模型是指將給水系統(tǒng)中的一些給水設(shè)施(如：水泵、管道、模型閥門、標(biāo)準(zhǔn) 水庫(kù)或水塔等)的研究特性數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及水量數(shù)據(jù)輸入管網(wǎng)模擬計(jì)算軟件，建立進(jìn)行延時(shí)模擬計(jì) 算，水管網(wǎng)并達(dá)到一定校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的微觀模型。建立大規(guī)模城市給水管網(wǎng)微觀水力模型是動(dòng)態(tài)一項(xiàng)系統(tǒng)工程。

要實(shí)現(xiàn)配水系統(tǒng)的水力科學(xué)化管理，尤其是模型大規(guī)模給水系統(tǒng)，水司必須建立給水管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài) 水力模型，標(biāo)準(zhǔn)原因是：給水系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及改擴(kuò)建需要它；能指導(dǎo)和幫助安排檢漏工作； 管網(wǎng)改造優(yōu)先性評(píng)估；診斷管網(wǎng)中的異常情況，如：錯(cuò)關(guān)閥門，摩阻突變等，并提出解決方 案；分析事故或工程對(duì)用戶用水的影響程度，分析用水困難原因，提高供水服務(wù)業(yè)務(wù)水平； 調(diào)查大規(guī)模給水系統(tǒng)中水打回籠現(xiàn)象，尋找季節(jié)性閥門經(jīng)濟(jì)開(kāi)度；用模型進(jìn)行每天管網(wǎng)運(yùn)行 工況分析，能增強(qiáng)調(diào)度員調(diào)度信心，有利于經(jīng)濟(jì)調(diào)度，同時(shí)模型可用于培訓(xùn)調(diào)度員；能幫助 選定管網(wǎng)中測(cè)點(diǎn)位置，優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置；在管網(wǎng)微觀水力模型的基礎(chǔ)上可開(kāi)發(fā)水質(zhì)模型，管網(wǎng) 水力動(dòng)態(tài)模型與SCADA系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)調(diào)度，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)離線或在線優(yōu)化調(diào)度 提供條件等等。

2　建立給水管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)水力模型標(biāo)準(zhǔn)方法

2.1　管網(wǎng)分析軟件及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器的選擇原則

選定管網(wǎng)分析軟件原則：

(1)與GIS、營(yíng)業(yè)水費(fèi)賬單系統(tǒng)及SCADA系統(tǒng)有接口；

(2)能支持多種操作平臺(tái)，支持多種輸入輸出設(shè)備，有網(wǎng)絡(luò)版，人機(jī)界面友好；

(3)計(jì)算管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)應(yīng)無(wú)限，計(jì)算速度快，占內(nèi)存少(15000個(gè)節(jié)點(diǎn)管網(wǎng)模型要求內(nèi)存不能超過(guò)35M)；

(4)能對(duì)多種給水設(shè)施進(jìn)行模擬，同一種給水設(shè)施有多種水力計(jì)算公式(尤其是管道)；

(5)具備條件選定功能，具備對(duì)某些給水設(shè)施參數(shù)整體改變或修改的功能，能進(jìn)行延時(shí)模擬計(jì)算(至少24h)，時(shí)間間隔可任意設(shè)置；

(6)具備模型組合、拆分及簡(jiǎn)化功能；

(7)建立的GIS圖形能作為一個(gè)圖層放在管網(wǎng)模型圖形底層，同時(shí)能對(duì)管網(wǎng)模型進(jìn)行正常的 修改等操作。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器的選擇原則：

(1)水泵測(cè)試儀應(yīng)具備測(cè)定電動(dòng)機(jī)功率及效率，水泵的H～Q曲線，H～η曲線，水泵溫度等參數(shù)；

(2)壓力數(shù)據(jù)采集儀應(yīng)能連接消火栓，收集壓力數(shù)據(jù)；流量?jī)x能安裝在流量井里，進(jìn)行雙 向瞬時(shí)流量測(cè)定，桿的振動(dòng)應(yīng)該小，同時(shí)具備多種規(guī)格；水位儀投入水底，應(yīng)能采集水位或 深度變化；

(3)各種儀器設(shè)備及電池能防水，有時(shí)鐘、日歷及隨機(jī)存儲(chǔ)器，采集時(shí)間間隔應(yīng)能設(shè)置， 數(shù)據(jù)容量不能少于7d(間隔15min)；

(4)采集的數(shù)據(jù)應(yīng)能在測(cè)試儀的隨機(jī)存儲(chǔ)器和個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)之間相互調(diào)用；

(5)各種儀器設(shè)備采集數(shù)據(jù)的量程及精度應(yīng)滿足要求，安裝操作應(yīng)簡(jiǎn)便、安全。

2.2　建立管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立有兩種方法：一種是用數(shù)字化儀將給水設(shè)施數(shù)字化輸入建模軟件 ，形成點(diǎn)線結(jié)構(gòu)的管網(wǎng)圖形；另一種是從給水GIS系統(tǒng)中按照一定的文件格式調(diào)入經(jīng)矢量化 的給水設(shè)施圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，使之在管網(wǎng)模型軟件里形成計(jì)算機(jī)給水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形。不 論是用哪種方法，實(shí)際的管網(wǎng)圖形都要經(jīng)過(guò)"微誤差簡(jiǎn)化"[1]，前一種方法是在 管線圖紙上完成，第二種方法是在管網(wǎng)建模軟件里完成的。

"微誤差簡(jiǎn)化"原則：

(1)簡(jiǎn)化枝狀管。一般情況下，將枝狀管簡(jiǎn)化掉，把它的用戶用水量劃到與之相連的環(huán)狀 管節(jié)點(diǎn)上，如果枝狀管上有大用戶，將保留該枝狀管，便于大用戶24h實(shí)時(shí)用水曲線調(diào)查；

(2)簡(jiǎn)化"T"(梯)型連通管。當(dāng)連通兩管道"T"的直徑與其中一根管道的直徑相同時(shí)， 將"T"簡(jiǎn)化掉；如連通兩管道"T"的直徑與兩根管道的直徑都不同時(shí)，將保留"T"；如 "T"上有常規(guī)操作閥，將保留"T"；

(3)輸水管道如不是枝狀管，不論直徑大小，不能簡(jiǎn)化掉；

(4)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)不能進(jìn)行人工分解，平行管線不能合并；

(5)多根管道連接于同一根管道，且節(jié)點(diǎn)間間距小于2m，可合并為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，局部水頭損 失轉(zhuǎn)化為管道沿程水頭損失；

(6)管道拐彎或經(jīng)"微誤差簡(jiǎn)化"產(chǎn)生的水頭損失，模型校驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)化為管道沿程水頭損失。

節(jié)點(diǎn)的選定應(yīng)遵循以下原則：

(1)閥門和水泵的兩端設(shè)置節(jié)點(diǎn)；

(2)水庫(kù)或水塔設(shè)置節(jié)點(diǎn)；

(3)管道交叉連通處設(shè)置節(jié)點(diǎn)；

(4)管道變徑處設(shè)置節(jié)點(diǎn)；

(5)埋設(shè)年代不同的管道(一般在5年以上)連接處設(shè)置節(jié)點(diǎn)；

(6)管材不同的管道連接處設(shè)置節(jié)點(diǎn)；

(7)大用戶位置設(shè)置單獨(dú)用水量節(jié)點(diǎn)；

(8)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)處設(shè)置節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)和元素編碼方法：

節(jié)點(diǎn)和元素編碼沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)則，應(yīng)該根據(jù)給水管網(wǎng)建模給水區(qū)域的具體情況而定。節(jié)點(diǎn) 和元素的編碼應(yīng)用有限的位數(shù)盡量反映多的信息量，模型軟件里允許的節(jié)點(diǎn)和元素編碼一般 各為8位字符，信息量一般包括：給水設(shè)施類別、使用年代、材質(zhì)、區(qū)域、圖紙?zhí)柕?。這樣 一來(lái)，便于管網(wǎng)模型的更新和校驗(yàn)，便于對(duì)實(shí)際管網(wǎng)的操作、保養(yǎng)和管理，也便于工程應(yīng)用。

給水GIS里的節(jié)點(diǎn)編碼方法一般與管網(wǎng)模型里節(jié)點(diǎn)編碼方法不同，如：給水GIS里的閥門、 水泵等，只有一個(gè)編碼，而管網(wǎng)模型里將任何單個(gè)給水設(shè)施兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)元素編碼；考慮 雙方接口時(shí)，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)和元素編碼在兩個(gè)系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)化或生成方法；如給水設(shè)施是 利用數(shù)字化板輸入，那么節(jié)點(diǎn)和元素編碼是直接手工輸入管網(wǎng)模型軟件。節(jié)點(diǎn)的高程、管道的公稱直徑應(yīng)從GIS系統(tǒng)里轉(zhuǎn)入到管網(wǎng)模型，或手工直接輸入，管道公 稱直徑轉(zhuǎn)化為實(shí)際直徑應(yīng)在管網(wǎng)模型軟件里采用條件整體改變方式完成。

2.3　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的目的是為計(jì)算給水區(qū)域或系統(tǒng)的總用水量、節(jié)點(diǎn)流量及校驗(yàn)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型 提供數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)或遙測(cè)系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)一般不能滿足建模精度要求。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)給水系統(tǒng)任何檢查和操作，都應(yīng)該遵從給水系統(tǒng)有關(guān)安全操作程序，絕對(duì)不能影響 正常的日常供水秩序；對(duì)閥門或水泵的操作，必須得到有關(guān)責(zé)任部門的批準(zhǔn)，并協(xié)作完成。

2.3.1　測(cè)試前的準(zhǔn)備工作

(1)整理分析用戶用水量賬單數(shù)據(jù)，選定要現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)的水表為大用戶水表；對(duì)選定的大用 戶水表進(jìn)行強(qiáng)檢、校正，對(duì)于大用戶，要調(diào)查每周工作天數(shù)，每天的工作時(shí)間，工作班制， 是否有廠內(nèi)蓄水池，蓄水池體積，進(jìn)水方式，進(jìn)水時(shí)間及使用周期等；

(2)在圖紙上選定測(cè)壓消火栓及測(cè)流流量井。在現(xiàn)場(chǎng)檢查它們是否符合要求，考慮因素有 ：交通、安全、消火栓是否漏水、流量井是否積水、空間大小、井的深度及管道口徑等；選 定測(cè)壓測(cè)流點(diǎn)的總數(shù)目一般應(yīng)不少于總用水量節(jié)點(diǎn)數(shù)目的15%或總節(jié)點(diǎn)數(shù)的10%；為了滿足系 統(tǒng)的測(cè)試及模型校驗(yàn)的要求，在某些主干管或區(qū)域邊界管上需要新增流量井；

(3)校驗(yàn)管道平均流速斷面深度。在測(cè)流點(diǎn)要校驗(yàn)管道口徑，在管道不同的深度測(cè)定流速 曲線，求出管道水流的平均流速，校對(duì)是否相等；其目的是確定管道真實(shí)平均流速斷面深度 ，因?yàn)檎鎸?shí)管道可能變形，內(nèi)腐蝕，口徑不規(guī)則；還幫助選定流量?jī)x量程和桿長(zhǎng)。按文獻(xiàn)[2]推薦，選定不同管徑測(cè)試點(diǎn)總數(shù)目如表1；

表1　不同管徑測(cè)試點(diǎn)總數(shù)目

(4)檢查水庫(kù)、集水井或水塔是否滿足水位儀器安裝條件，對(duì)水庫(kù)或水塔進(jìn)行漏水試驗(yàn)；

(5)檢查水廠二泵房水泵，泵站水泵是否滿足測(cè)試條件，一般要在水泵進(jìn)出口處按 儀器測(cè)試要求開(kāi)孔；

(6)對(duì)管網(wǎng)中非全開(kāi)或全閉閥門進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)校驗(yàn)，對(duì)主干管或大口徑管道上全開(kāi)或全 閉的閥門進(jìn)行校驗(yàn)；

(7)測(cè)量消火栓地面標(biāo)高與儀器安裝高程；

(8)設(shè)置儀器測(cè)試參數(shù)，貼上防水標(biāo)簽，一個(gè)儀器對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試位置；

(9)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員培訓(xùn)；

(10)制定現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試計(jì)劃安排。

2.3.2　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

按照制定的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試計(jì)劃，儀器設(shè)備按操作規(guī)程進(jìn)行安裝，測(cè)試期間應(yīng)注意以下問(wèn)題：

(1)測(cè)試儀器的系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置應(yīng)統(tǒng)一，北京時(shí)間或格林威治時(shí)間(GMT)；

(2)水位或流量的測(cè)試必須同時(shí)進(jìn)行；

(3)測(cè)試壓力、水位和流量時(shí)間段最少為7d；

(4)測(cè)試期間，管網(wǎng)中不應(yīng)該出現(xiàn)有較大的工程，如：沖洗消毒，管道改接等；

(5)水庫(kù)、水塔和集水井水位數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為5min，其它為15min；

(6)測(cè)試期間，對(duì)關(guān)鍵的測(cè)試點(diǎn)一天檢查一次，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，記錄下來(lái)，進(jìn)行檢修或用 新的儀器替代，重新設(shè)置有關(guān)參數(shù)；

(7)大用戶調(diào)查、抄表，最好在7d當(dāng)中完成，抄表當(dāng)天必須是大用戶工作日，每間隔30min 抄表一次，連續(xù)抄表24h；

(8)水泵測(cè)試可在不同時(shí)間完成；

(9)測(cè)試水廠和泵站水泵的進(jìn)出口壓力及流量值。

一旦現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試完畢，將所有儀器設(shè)備按照設(shè)備操作規(guī)程收回，并將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸?shù)接?jì)算機(jī) ，分門別類保存；分析測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果，同一點(diǎn)如有遙測(cè)數(shù)據(jù)，可參考對(duì)比，對(duì)異?，F(xiàn)象 進(jìn)行調(diào)查，找原因，對(duì)個(gè)別異常的重要點(diǎn)需重新再測(cè)試。