影响供水管网平差软件效力的若干瓶颈分析转 12页

'影响供水管网平差软件效力的若干瓶颈分析转一、管网平差的基本概念、原理和方法1、管网平差的基本概念管网平差是指在按初步分配流量确定管径的基础上，重新分配各管段的流量，反复计算，直到同时满足连续性(节点)方程组和能量(环)方程组的环状管网水力计算过程。2、管网平差的数学模式(原理)(1)管网是由看成节点的配水源和用水户及看成管段的管线组成的有向图，这些节点和管段均可用变量-流量qi和水头损失hi表示，即qi和hi(i=1，2，…，p)构成两个p维向量：qˊ=(q1，q2，…，qp)hˊ=(h1，h2，…，hp)(2)管网中的实际水流情况应服从克契霍夫定律：①克契霍夫第一定律(即连续性(节点)方程组)：管网内任一节点的进、出流量的代数和为零。即qi+Σqij=0②克契霍夫第二定律(即能量(环)方程组)：在任一环内，各管段的水头损失代数和为零。即Σhij=03、管网平差方法简介 目前，常用的管网平差方法有：哈代·克罗斯法(Hardy-cross)，牛顿·菜福逊(Newton-Raphson)法，线性理论法(LinearTheroy)，有限元法(Finite-Element)和图论法。(1)1936年的哈代·克罗斯(Hardy-cross)法：该法首先按节点连续方程假设管段流量，然后根据平差理论计算每个环的校正流量，并忽略高次微量及邻环校正流量对本环流量的影响，这样，就可以一个环一个环地反复修正流量，直到所有的环都满足克契霍夫一、第二定律。该法如初始各管段的流量假设不当，不但试算次数增加，收敛速度慢，甚至产生数值摆动，不收敛。(2)牛顿·菜福逊(Newton-Raphson)法：牛顿·菜福逊法原是求解非线性方程组的一种方法，从1963年后被用来解环方程。此方法与哈代·克罗斯法类似，基于同一概念。假定管道中的流量满足连续方程，同时也满足环方程。在哈代·克罗斯法中求出每个Δq后再修正各管道的流量，而牛顿·菜福逊法中，把Δq写在环方程中，解一组非线性方程组，求得每环的Δq，当计算满足条件了，最初的流量值通过修正也得到最后所求的值。此法理论严密，考虑全面，只要初始点选得好，一般能保证收敛。(3)线性理论法(Linear-Theroy)：线性理论法是DonJ·wood和CarlesQ·A于1972年提出的管网平差方法，该法以管网中各管段流量作为未知量，联立节点方程和环方程，然后将环方程中的非线性项线性化，求解线性方程组，再进行迭代逼近，得到管网的流量分配。此方法概念清晰，不需要假设初始的流量分配，计算选代次数较少，收敛速度快，并总能取得令人满意效果。(4)有限元(Finite-Element)法： 此法的实质是解节点方程。首先将能量方程代入连续性方程中，然后解节点连续性方程组，计算时先假定各管段管径和流量，按摩损公式求管段摩损，再列出节点矩阵方程并求解，多次选代，使各节点满足连续性方程为止。(5)图论法：1972年Kesavan等人提出的图论法，解割方程和环方程，将未知变量分成两半，先解一半，再以此一半的结果去解另一半的未知，用于计算带有各种管网附件的管网。二、管网平差的主要作用通过管网平差，为管网管理提供科学指导，为规划设计和改造、扩建管网提供优化方案，科学指导选定管网中的测流、测压和水质监测点并优化测点位置。(1)管网管理①通过管网平差，可模拟管网的运行工况，制定更为科学、经济合理的调度方案并寻找季节性阀门经济开度；②提供工况及事故预案：分析管网工程施工，阀门关闭方案，找出管网发生爆管、大漏水等事故发生位置，提出最优阀门关闭方案及事故处理意见，分析工程及事故对用户用水的影响程度，分析用水困难原因，从而提高供水服务业务水平；③分析及诊断管网异常情况，分析开关阀门，摩阻突变和大规模给水系统中水打回笼等现象并提出相应的解决办法④帮助指导检漏工作：通过模拟给水管网运行工况，并与正常工况对比，宏观分析漏水区域及确定漏耗量，检查漏水区域内管网设施标准和期限，以找出漏水的主要原因。 ⑤供水水质管理：通过模拟化学药品在管网中的扩散情况，实时反映管网水质情况并对出现的异常情况提供最佳处理方案，从而控制管网水质，指导水厂合理投加药剂，提高水质，降低成本。(2)规划、设计和改、扩建管网：①管网规划：通过管网平差，可以为供水管网系统提供近、中、远期规划和各类小区规划。②设计：通过管网平差，可以为供水管网系统设计提供最佳设计方案。③管网改、扩建：通过管网平差，可分析现有管网的运行负荷，找出欠负荷，超负荷运行管段，就可计算现有管网的水压情况，以找出超常压和低压管段，并可在短时间内提供多种管网改、扩建方案，并迅速将方案实施后的模拟状况显示出来，直观地反映各种方案的综合性价比，从而便利地找出最佳改、扩建方案。三、管网平差软件应用现状及其影响其效力的若干瓶颈分析鉴于供水管网的复杂性及管网平差在管网管理规划设计及管网改、扩建方案优化与测流、测压和水质监测点优化布置上所起的作用，国内许多水司都应用管网平差软件建立自己的管网模型解决实际问题。(一)管网平差软件应用现状目前国内水司应用管网平差软件的情况，归纳起来主要有以下四类：1、自行开发或与国内大学合作开发的功能简单的管网平差软件，这些软件不仅只能作静态管网平差，而且输入数据也较麻烦，输出的结果是一大堆表格。这类水司有两种类型：A、立志于自力更生型，如深圳水司。B、起步虽早，但一直停留在初级水平阶段，如武汉水司。 2、采用国内大学的管网平差软件，这些软件可作24小时延时模拟，输出的结果也可以用图形表示，但大多属非完全安装的商业软件，均无结果的评判标准。这类水司主要也有两种类型：(1)应用哈尔滨工业大学建筑学院开发的管网平差软件，如天津水司。(2)应用同济大学开发的管网平差软件，如南京水司、太原水司、昆明水司、杭州水司和南宁水司等。3、仅适用于中等管网规模的动态管网平差软件，这类软件一般对管网的节点数有一定的限制，这类软件亦分两类：(1)美国CANPAL公司8M软件，如中山水司和石家庄水司；(2)美国西图公司的NETWR软件，如大连水司。4、特大型水司应用的适用于大规模复杂管网结构的国际先进的准动态和动态平差软件，它们分为两类：(1)英国的WRCWATNET移动态管网平差软件，如北京水司；(2)美国Stone动态分析软件，如上海水司。 上述表明，应用管网平差软件建立自己的管网模型解决实际问题已得到各水司的普遍认可，但由于模拟实时动态大规模复杂管网不仅涉及到复杂的管网水力学问题，复杂的计算机数据库，外部图形接入和转换技术与数据和图形输出技术，节点流量动态化，时、日、年需水量分析与预测，给水管网技术经济优化、优化调度和分析，漏损分析、水质模拟等计算数学模型的建立，还涉及到实际管网的"微误差简化"标准，大用户流量划分标准，节点流量区域的划定方法，各类用水曲线制作方法，无计量用水的计算与分配方法，节点标高的确定方法，管道绝对粗糙度和阀门阻力系数的确定方法，水泵特性曲线的制作方法；更有模型校验方法，布点规划及结果的评判标准的确定等一系列科学方法。正因为如此，各水司尽管在80年代初就开始应用管网平差软件建立自己经刻意简化管网结构以适应软件的静态管网模型，历经20余年至今，虽建立了一些较先进的供水管网模型，如北京市供配水系统移动态模型和上海市浦西地区输配水管网计算机模型，但仍仅限于规划和确定大型调度方案之用，远设有发挥先进管网平差软件所应能发挥的效力。(二)影响管网平差软件效力的瓶颈分析影响管网平差软件效力的瓶颈归纳起来可分为两大类：一是管网平差软件本身以外的瓶颈，即外因瓶颈，二是管网平差软件本身的瓶颈，即内因瓶颈。A、外因瓶颈：首先，存在认识瓶颈。由于中国是个水资源贫乏之国，城市居民长期以来只对水量有严格要求，但对水质和水压的要求仅是个粗略的概念，加之管网平差要求配套因素较高且复杂，故各水司在集满足低要求和畏难而退两种心态下，仅因担心出大问题而利用管网平差软件对管网作粗略模拟以确定宏观规划和大型调度方案之用。由此看来，在服务意识不强的情况下，各水司均不同程度地存在对管网平差软件所起作用认识不够，甚至有轻视的倾向。其次，基础资料瓶颈。1、管网及其附属设施资料瓶颈由于历史的原因，管网及其附属设施资料档案不完备，加之管理机制的问题，致使管网及其附属设施资料不仅残缺不全，而且准确度不高，可信度差，从而使管网平差软件的应用基础出现困难，甚至存在"信用"危机。2、配水水源资料瓶颈 尽管送水泵房、区域增压站、清水库等供水设施数量不大，但由于长期形成的"重工程，轻管理"不良习惯，出现配水源资料不完善，甚至即使有监测设备的，也因长期荒于管理校核，仪表数据不准确，有的干脆认为反正这些监测设备无用，在工程设计阶段就将其省略了，致使管网平差软件模拟供水管网运行工况时缺乏可靠校核依据和基础。3、用户资料瓶颈(1)用户接入点瓶颈：由于管网及其附属设施资料的不完备，准确度不高，因而一条道路两边或一个区域内用户用水到底来源于哪里，不清楚，从而给管网平差软件的用水量的节点归纳带来困难。(2)水量瓶颈：由于长期计划体制形成的习惯，计划的变化往往较实际变化慢，故各营业单位为了完成计划数，将罚量均计入水量，甚至将水价高的罚量折成水价低的量，加之底度制度的原因和抄表及表本身的错误，再有各营业所管理仅有一份统计报表，因此水量统计表上的数据的真实性可想而知了，以此不可靠的用水量数据来作为管网平差软件计算的基础，其计算的结果受到一定程度的怀疑并不为怪。(3)大用水户用水规律瓶颈，由于用水户的用水类型不同，其用水规律亦不同，就武汉市而言，按《武汉市水价分类及构成》表，有21类用水。现阶段这些用水户的用水规律均未进行归纳和综合整理，它们的缺乏，不仅无法实现管网模型动态化，也给管网平差软件的计算结果的精确度带来较大的影响。 4、高程瓶颈：由于节点高程是影响自由水头的关键因素之一，故节点的高程的正确与否，直接关系到管网平差结果的正确性，目前除极少数水司因它们所在城市具备完善的城市高程系统外，绝大多数应用管网平差软件水司仅利用1：2000图上的地形标高作为节点高程，不但没有考虑管道埋深，而且没有考虑已变化了的实际地形，因此其计算结果的误差相对较大。5、管道及其附属设备(阀门)阻力系数资料瓶颈：由于管道及其附属设备(阀门)阻力系数是管网水力计算的重要参数，其值的取舍与管网平差软件的计算结果的关系相当密切，目前，较先进的水司如上海水司在应用国际先进软件前也没有这方面的数据资料，仅在应用国际先进管网平差过程中才实测典型区域典型管段和阀门阻力系数，从而不断增加了建模工作量，而且只能粗略地用部分典型代替全面，其它水司则干脆用规范上的不切实际的数据，那么其管网平差软件所计算的结果肯定也有误差。6、小区管道转压站瓶颈：(1)数量瓶颈：长期以来，由于城市政府没有行文对二次供水工程实行统一规划、统一建设和统一规范管理，致使小区转压站资料不全，因而其管网平差软件的计算结果精度只能是粗略的。(2)小区转压站水泵特性曲线瓶颈：由于小区转压站资料不全，更谈不上制定它们的水泵特性曲线，因而对管网平差软件的计算结果也有一定的影响。7、测流、测压资料瓶颈：目前，国内水司测流系统一般仅控制供水系统头尾两头，头部水厂出厂流量计，尾部则是用户水费计量表，供水管网则没有流量监测系统，测压系统的连续遥测点也仅在几个象征点位置布点，甚至有的因长年未用，也亦年久失修，不间断测压也仅有粗略的季节性测压资料，远远不能满足管网平差软件模拟供水管网校核模型之用。8、管网水质监测资料瓶颈：现阶段，国内各水司水质监测的重点都放在水厂，对管网的水质监测基本上仍是空白，因而大都无法应用管网平差软件的水质模拟及管理功能。第三、管理运行机制瓶颈 1、专班瓶颈：由于存在认识瓶颈，致使应用管网平差软件成了游击战术，大多水司都没有一个高水平的固定管网模型专班，以长期研究和修正这套系统应对不断变化的管网，从而确保其现实性和适用性。2、配合机制瓶颈：由于管网平差所需资料几乎涉及到供水系统各个环节，因此，要发挥管网平差的正常功能效力，需供水企业各个部门共同协作配合，遗憾的是，目前由于应用管网平差软件流行于游击战术，大多水司均没有形成良好的配合机制，从资料收集、资料处理与分析、模型设计、调试、校核和计算结果的分析全都由平差人员在应用管网平差软件时临时到处请示以收集资料再完成后续工作，这样，不仅增加了工作人员的工作量，而且有时收集到的资料不全。3、制度瓶颈：由于存在认识瓶颈，尽管管网平差是项综合性很强的工作，它对平差人员的要求也很高，要求他们不仅基础好，经验丰富，还要求他们能静下心去刻苦地工作，但他们的工作往往被看成闭门造车式的普通工作，甚至被看成可有可无，更谈不上向他们以资奖励的倾斜政策，这样不但稳定不了队伍，更不可能将管网平差的工作做好。4、人才瓶颈：管网平差是一个涉及供水系统各个环节的应用技术，它要求供水企业有较高管理水平，需要制水管理，管网管理、营业管理、区域转压及二次供水管理，资料管理和管网平差软件应用等环节都应有相应能胜任工作的人员。目前，大多水司都采用传统管理方式进行管理，而非适应管网平差软件的管理方式，故与管网平差相适应的各环节的人才距目标相差甚远。第四、基础研究瓶颈由于管理运行机制和认识存在瓶颈，以致于许多支持管网平差软件的基础研究都没有进行，具体可分为以下几类基础研究：1、管网拓扑结构图形方面的基础研究 (1)管网简化准则：寻找既使管网模型稳定，还能使计算机供水管网图形与1：2000(或1：500)或GIS里面的供水管网图最大限度地一致，既满足管网模拟需求，又使管网图形简化明了的管网简化准则。目前，现有的几条管网简化准则太粗，满足不了动态管网平差计算的要求，需进行深入的分析研究和总结。(2)节点的处理机制：①节点的选取规则：探求既能控制整个管网系统，又能满足模型需要的节点选取原则，既是实际管网的微缩，又能反映供水管网地形和满足模型的计算结果在合理误差范围内，即探求"微误差节点选取机制"。在这里，水量节点的选取规则尤为重要，即须探求大用户的划分标准和非大用户的其它水量节点的选取规则，以更好地满足实际并达到真正地"微误差"简化。②特殊节点的处理规则：多台送水泵房串、并联情况的送水泵房和加压泵房的节点处理方法，水塔、水库和抽水泵点的节点处理规则，阀门节点的处理机制，实时遥测点和模型校验点的选取规则的探求。③节点编号规则：探求既反映节点在实地和GIS里的具体位置，又反映节点属性，并满足管网模型的更新和校核与实际管网的操作、维护和管理且相对固定的内部统一的编码规则。2、节点流量方面的基础研究(1)有沿线流量管段用水量节点供水区域的确定规则(不含大用户节点)：探求利用地形图和用水抄表簿确定反映实际动态供水管网用水量节点的闭合供水区域。(2)典型类型用水模式曲线的制作方法：探求不同类型的典型用水模式的曲线制作方法，以反映实时动态供水管网的供水状况，并找寻合适的曲线制作方式，以支持平差软件的计算结果在合理的误差范围之内。 (3)无计量用水节点流量的计算方法：探求反映实际动态供水管网的无计量用水方法。(4)无计量用水分配方法：探求适合的无计量用水分配方法，为管网平差软件计算所需基础资料--节点流量的形成提供可靠的支持。(5)节点流量动态化机理：目前，国内先进水司如上海水司建立的供水管网动态模型节点流量动态化机理是基于测试24h用水模式曲线，并根据历史的用水数据分析每类用户用水量变化的规律和趋势，给不同类型用户一个用水系数来预示未来一天的用水规律，重新计算每类用户的用水曲线，此用水系数的确定非常关键，否则"差之毫厘，失之千里"，而且各城市均有自己独有的用水系数，要确定好该用水系数，须深入研究并建立各城市自己的长、中、短期需水量分析与预测模型。3、管网及其附属设施阻力计算公式的选择：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，但它们的雷诺数和绝对粗糙度均有一定适用范围，因此有必要研究选择一个误差相对较小的阻力计算公式，以提供管网平差软件计算所需的参数值。4、时变化系数k时和日变化系数k日的数据选取：确定不同区域、不同时段日变化系数和时变化系数的取值，以总结出适合自己城市的取值范围。5、小区及区域供水系统技术经济优化模型的建立，为进行供水管网规划、设计及调度方案的经济比较，因此有必要建立各城市自己的小区及区域供水系统技术经济优化模型，并探求利用面向对象的可互观化开发工具(如visualC++等)为开发平台，实现供水管网平差软件与小区及区域供水系统技术经济优化模型的联接。B、内因瓶颈即管网平差软件本身的瓶颈 大多数平差软件没有图形和数据检错功能，而管网平差涉及的图形、数据量特大，故为检错带来了很多的不便。模型校验方法和模型的维护更新工作量大。四、结论上述表明：管网平差软件是建立在正确理论基础上的管网分析计算的有效工具，但缺乏基础资料和人才及在认识上和基础研究方面的可靠性，故要正确树立管网平差的观念，解决影响管网平差效力的若干瓶颈，以更好地为供水管网服务。特别声明：1：资料来源于互联网，版权归属原作者2：资料内容属于网络意见，与本账号立场无关3：如有侵权，请告知，立即删除。'