华东M市供水管网水力模型的建立与运用研究 84页

'华东M市供水管网水力模型的建立与运用研究EstablishmentandApplicationforHydraulicModelofWaterSupplyNetworkinMcity研究生：梁希桐指导教师：蒋白懿教授学科领域：建筑与土木工程（市政方向）二〇一五年十二月 分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文华东M市供水管网水力模型的建立与运用研究作者姓名：梁希桐入学年份：2013年9月指导教师：蒋白懿教授学科领域：建筑与土木工程申请学位：工程硕士所在单位：市政与环境工程学院论文提交日期：2015年12月论文答辩日期：2015年12月学位授予日期：2016年1月答辩委员会主席：赵玉华答辩委员会组成：刘强胡筱敏张立成李军论文评阅人：李亚峰赵明 硕士研究生学位论文摘要I摘要随着计算机技术的发展，城市给水系统逐渐向信息化、数字化的管理方式转变，在智慧城市中形成智慧水务，建立给水管网的水力模型已经成为给水管网设计、施工和运行管理的现代化技术方法。水力模型能够正确分析并且全面掌握了解系统运行工况，从而实现给水管网系统运行的科学性，是城市给水系统现代化管理技术的重要发展方向。收集华东M市水厂水泵参数、测压点、流量计等基础数据，通过平均值补充法、相邻日期同一时刻补充法等对华东M市管网基础数据进行补充，使用BentleyWaterGEMS软件，将基础数据以shp.的形式导入到软件中建立管网的拓扑结构，利用数值试错法对管网数据和拓扑结构做进一步的排错，建立M市管网水力模型，对模型进行手自动校核并对节点的已知水量和未知水量进行分配，最后对水力模型的精度进行考核，误差小于1m的测压点有41个，误差小于2m的测压点有73个，流量计占管网总供水量1%的有4个，0.5%的有6个，这6个流量计的误差范围均小于5%，满足管网精度要求。运用M市管网水力模型，对M市双喜桥路DN800管道改造及三水厂停运后管网的水力调度提出改造方案。双喜桥路DN800管道拆除后在08省道新增一条DN800的管道，保证原双喜桥路管道供水区域的需求，最不点处压力为0.2MPa左右。三水厂停运后，可将二水厂的出水压力提高0.15MPa，出水水量提高到15×10m3/d，即满足管网供水要求，并将方案运行结果用水力模型进行预测和展示。在对测压点的优化布置中，利用水力模型对东区的新增测压点模拟安装位置，通过类模糊聚类法对东区节点高程进行归类分析，找出具有代表性的节点15处，同时参照测压点的布置原则对测压点的位置进行布置，在模型中模拟运行测压点布置后压力计对其周围区域压力的反映情况，新增26个测压点，不断对位置进行调整以达到测压点的最优选址。研究管网漏失情况，将漏损定位转化为与节点流量校核相似的优化问题、管网出现的水头损失以及漏失等情况，将管网漏损点的漏失量看作是节点流量的异常增加，利用管网水力模型展开模拟。当模型中的模拟水量与实际水量存在差异，压力值也有变化时，可以反推出此处有漏失，通过管网的模型追踪确定其位置，快速在现场找到漏失点。在漏失量计算中，喷射系数K值的准确性直接影响着漏失量的准确性，在水力模型模拟的基础上，利用WaterGEMS软件中的达尔文校核器对M市A区域的喷射系数K值进行校核，得到每一时刻管网中的K值，计算出漏失量。通过管道改造、水力调度、测压点优化布置及漏失定位的运用，供水管网水力模型可达到科学性供水及信息化管理的要求。关键词：给水管网水力模型；模型校核；管道改造及调度；测压点；漏失判断及定位 II摘要硕士研究生学位论文 硕士研究生学位论文AbstractIIIAbstractWiththedevelopmentofcomputertechnologies,theurbanwatersupplysystemisgraduallytransformedintotheinformationalizedanddigitalmanagementmode.Formingintelligentwaterserviceinintelligentcityandestablishingthehydraulicmodelhavebecomethemoderntechnologiesforthedesign,constructionandoperationmanagementofwatersupplynetwork.Thehydraulicmodelcancorrectlyanalyzeandcomprehensivelygraspthesystemoperationconditionsandthusachievethescientificityoftheoperationofwatersupplynetworksystem,soitistheimportantdevelopmentdirectionforthemodernmanagementtechnologyofurbanwatersupplysystem.ThebasicdataofawaterplantofMcityinEastChina,includingthewaterpumpparameter,pressuremeasuringpointandflowmeterwerecollected,andthebasicdataofthepipenetworkinMcityweresupplementedwithmeanvaluesupplementmethodandthesupplementbydatainthesametimeofsimilardays.ThenthebasicdatawasinputintotheBentleyWaterGEMSsoftwareintheformofshp.,toestablishthetopologicalstructureofthepipenetwork.Furthermisarrangementwasconductedtothepipenetworkdataandtopologicalstructurewiththecut-and-trymethodtoestablishthehydraulicmodelofpipenetworkinMcity;manualandautomaticchecksweremadetothemodel,andtheexistingwaterquantityandunknownwaterquantityofthenodewereassigned;finallytheaccuracyofthehydraulicmodelwasassessed.Thepressuremeasuringpointswiththeerroroflessthan1mwere41,whilethosewiththeerroroflessthan2mwere73;flowmetersaccountingfor1%ofthetotalwatersupplyofpipenetworkwere4,whilethoseaccountingfor5%were6,andtheerrorrangesofthe6flowmeterswerealllessthan5%,thusmeetingtherequirementsofthepipenetworkinaccuracy.WiththehydraulicmodelofMcity,transformationplanswereproposedfortheDN800pipelinetransformationinShuangxiqiaoRoadofMcityandthehydraulicdispatchofpipenetworkaftertheshutdownofTheThirdWaterPlant.AftertheremovalofDN800pipelineinShuangxiqiaoRoad,anewDN800pipelinewasaddedin08provincialroad,toensurethedemandsofpipelinewatersupplyareainShuangxiqiaoRoad,andthepressureisabouttobe0.2MPa.AftertheshutdownofTheThirdWaterSupply,thewaterexitpressureofTheSecondWaterPlantwasincreasedtobe0.15MPa,andthequantityofwaterexitwasincreasedtobe15×10m3/d,soastosatisfythewatersupplyrequirementsofthepipenetwork.Thentheoperationresultsoftheplanwaspredictedanddisplayedwiththehydraulicmodel.Intheoptimizedlayoutofpressuremeasuringpoints,theinstallationpositionsofnewlyaddedpressuremeasuringpointsintheeastareaweresimulatedwithhydraulicmodel,andthe IVAbstract硕士研究生学位论文nodeelevationsineastareawereclassifiedandanalyzedwiththefuzzyclusteringmethod,tofindout5representativenodes.Thenthepositionsofpressuremeasuringpointswerearrangedinreferencewiththearrangementprinciplesofpressuremeasuringpoints,andthereflectionconditionsofpressuregageforthepressureinsurroundingareaafterthearrangementofpressuremeasuringpointsweresimulatedinthemodel;26pressuremeasuringpointswereaddedandpositionswereadjustedconstantlytorealizetheoptimalsiteselectionofpressuremeasuringpoints.Theleakageconditionsofpipenetworkwerestudied,theleakagepositioningwastransformedintotheoptimizationproblem,andtheheadlossprobleminpipenetworksimilartothenodeflowchecking,theleakagequantityofpipenetworkleakagepointswasconsideredastheabnormalincreaseofnodeflow,andthehydraulicmodelofpipenetworkwassimulated.Whentherewasdifferencebetweenthesimulatedwaterquantityinthemodelandthepracticalwaterquantity,andthepressurevaluehadchanges,thentheleakageatthispointcouldbederivedreversely;thepositioncouldbeconfirmedwiththemodeltrackingofpipenetwork,tofindoutleakagepointsatsiterapidly.Inthecalculationofleakagequantity,theaccuracyofjetcoefficientKwasdirectlyaffectingtheaccuracyofleakagequantity.Onthebasisofhydraulicmodelsimulation,theDarwincheckingmachineinWaterGEMSsoftwarewasadoptedtomakecheckingtothejetcoefficientKvalueinareaAofMcity,soastoobtaintheKvalueinthepipenetworkineachtime.Throughpipetransformation,hydraulicdispatch,optimizedarrangementofpressuremeasuringpointsandapplicationofleakagepositioning,thehydraulicmodelofwatersupplypipenetworkcanmeettherequirementsforscientificwatersupplyandinformationalizedmanagement.Keywords:Hydraulicmodelofwatersupplypipenetwork;Modelchecking;Pipetransformationanddispatch;Pressuremeasuringpoint;Leakagejudgmentandpositioning 硕士研究生学位论文目次I目次摘要..............................................................................................................................................IAbstract......................................................................................................................................III第一章绪论................................................................................................................................11.1课题来源及研究背景....................................................................................................11.1.1课题来源..............................................................................................................11.1.2课题研究背景......................................................................................................11.1.3课题研究目的及意义..........................................................................................21.2国内外研究概况............................................................................................................31.2.1水力模型研究概况..............................................................................................41.2.2水力模型校核研究概况......................................................................................41.2.3水力模型运用研究概况......................................................................................51.3研究内容及创新点........................................................................................................61.3.1研究内容..............................................................................................................61.3.2技术路线..............................................................................................................7第二章管网水力计算的基础方程............................................................................................92.1管网水力计算基础方程................................................................................................92.2管网水头损失计算........................................................................................................92.2.1流量和水头损失的关系....................................................................................103.1.1水厂的基础数据与运行数据.............................................................................132.2.2水头损失的计算................................................................................................10第三章M市供水管网水力模型的建立.................................................................................133.1数据的收集与整理......................................................................................................133.1.2监测点的基础数据.............................................................................................153.2模型的建立..................................................................................................................213.2.1数据的导入.........................................................................................................213.2.2模型拓扑结构的排错........................................................................................243.2.3节点流量分配....................................................................................................263.3本章小结......................................................................................................................27第四章管网水力模型校核......................................................................................................294.1管网模型手动校核......................................................................................................294.1.1手动校核方法....................................................................................................294.1.2手动校核............................................................................................................29 II目次硕士研究生学位论文4.2管网模型自动校核......................................................................................................314.2.1自动校核方法....................................................................................................314.2.2自动校核............................................................................................................324.3模型精度考核..............................................................................................................364.3.1测压点精度考核................................................................................................364.3.2流量精度考核....................................................................................................364.4本章小结......................................................................................................................37第五章M市水力模型的运用.................................................................................................395.1双喜桥路DN800管道改造方案................................................................................395.1.1方案一.................................................................................................................405.1.2方案二................................................................................................................415.1.3方案选取............................................................................................................425.2水厂停运后的水力调度..............................................................................................435.3测压点的优化布置.......................................................................................................475.3.1测压点布置的理论基础.....................................................................................475.3.2水力模型中测压点的优化布置.........................................................................485.4管网的漏失判断与K值校核......................................................................................515.4.1给水管网水力模型的漏失判断........................................................................515.4.2利用水力模型校核喷射系数K值...................................................................525.5本章小结......................................................................................................................58第六章结论..............................................................................................................................596.1结论..............................................................................................................................596.2展望..............................................................................................................................59参考文献....................................................................................................................................61附表1.........................................................................................................................................65附表2.........................................................................................................................................67作者简介....................................................................................................................................69致谢........................................................................................................................................71 硕士研究生学位论文ContentsIIIContentsABSTRACT(Chinese)..................................................................................................................IAbstract(English).......................................................................................................................IIIChapter1Introduction.................................................................................................................11.1Sourcesandresearchbackgroundoftheproject.............................................................11.1.1Thesourceoftheproject.......................................................................................11.1.2Researchbackgroundofthesubject......................................................................11.1.3Thepurposeandsignificanceofthesubject.........................................................21.2Overviewofdomesticandforeignresearch....................................................................31.2.1Overviewofresearchonhydraulicmodelcalibration..........................................41.2.2Researchsituationofhydraulicmodel..................................................................41.2.3Overviewofresearchusinghydraulicmodel........................................................51.3Researchcontentandtechnicalroute..............................................................................61.3.1Researchcontent...................................................................................................61.3.2Thetechnicalroute................................................................................................7Chapter2Basicequationofhydrauliccalculationofpipenetwork............................................92.1Thebasicequationofthehydrauliccalculation..............................................................92.2Losscalculationofwaterheadofpipenetwork............................................................102.2.1Therelationshipbetweenflowrateandwaterheadloss.....................................102.2.2Thecalculationoftheheadloss..........................................................................10Chapter3Theestablishmentofhydraulicmodel.......................................................................133.1Collectionandcollationofdata....................................................................................133.1.1BasicdataandoperationdataofWaterworks.....................................................133.1.2Thebasicdataofmonitoringpoints....................................................................153.2Theestablishmentofmodel..........................................................................................223.2.1Dataimport.........................................................................................................223.2.2Debuggingoftopologymodel............................................................................253.2.3Thedistributionofnodeflow..............................................................................263.3Theconclusionofthischapter.......................................................................................28Chapter4Verificationofhydraulicmodelofpipenetwork.......................................................294.1Manualcheckingofpipenetworkmodel......................................................................294.1.1Manualverificationcheckingmethod................................................................294.1.2Manualchecking.................................................................................................29 IVContents硕士研究生学位论文4.2Automaticverificationofnetworkmodel.....................................................................314.2.1Theautomaticcheckingmethod.........................................................................314.2.2Automaticchecking............................................................................................324.3Theaccuracyofthemodelassessment……………………………………………....364.3.1Accuracyassessmentofthepressuremeasurementpoints.................................364.3.2Flowaccuracyassessment..................................................................................364.4Theconclusionofthischapter......................................................................................37Chapter5ByusingthehydraulicmodelofMCity...................................................................395.1ShuangxiBridgeRoadDN800Pipelinereconstructionscheme...................................395.1.1Scheme1.............................................................................................................405.1.2Scheme2.............................................................................................................415.1.3Schemeselection.................................................................................................425.2Hydraulicregulationwhenwaterplantshutdown........................................................435.3Optimizationofmeasuringpoints.................................................................................475.3.1Theoreticalbasisofmeasuringpointarrangement.............................................475.3.2Optimallayoutofmeasurementpointsinthehydraulicmodel..........................485.4TheleakagejudgmentandKcheckvalueofthepipenetworks...................................515.4.1Leakageofhydraulicmodelofwatersupplynetwork........................................515.4.2InjectioncoefficientKvalueverifiedbyhydraulicmodelcalibration...............525.5Theconclusionofthischapter......................................................................................58Chapter6Conclusions...............................................................................................................596.1Conclusions...................................................................................................................596.2Prospects.......................................................................................................................59Reference...................................................................................................................................61Schedule1..................................................................................................................................65Schedule2..................................................................................................................................67Authorintroduction....................................................................................................................69Gratitude.....................................................................................................................................71 硕士研究生学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1课题来源及研究背景1.1.1课题来源本课题来源于国家“十二五”项目：城市供水管网智能管理系统关键技术研究与示范（2014ZX07406003）。1.1.2课题研究背景如今社会经济高速发展，我国的给水行业也有了更广阔的发展空间。给水工程是城市的重要基础设施，是经济建设和人民生活不可缺少的重要组成部分。为了提高生产和生活的质量，给水行业由原来的只满足供水量逐渐向提高水质、提高供水效率、加强企业管理的方向发展。市政管网系统埋设于地下错综复杂，而且铺设范围遍布城市各个角落。在过去，对市政管网的维护、运行和管理仅能凭靠工作人员的经验来进行，难以实现管理的科学化和现代化的要求。因此，供水管网的数字化、信息化管理问题已经成为当前我国社会经济可持续发展的突出问题之一。市政供水管网是城市的生命线，国家建设部在制定的“城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标”中也提出了两项提高（安全、效益）和三项降低（电耗、[1]药耗、漏失）的发展目标。给水管网肩负着整个城市生活、生产用水的运输过程，并且要达到保质保量的供水目标，是保证城市正常运转的重要桥梁。目前，我国仍有大部分城市使用传统的方法管理给水管网，主要依靠图纸或者凭老员工的工作经验和记忆来管理，这样的管理模式不仅增加了劳动力成本，又降低了管网运行的科学性。为了保证城市供水管网的供水安全性，特别是保证城市饮用水的水质安全，市政管网部门必须要及时、准确、全面的了解供水管网中的水力、水质的运行工况，管网建模是最快速有效[1]的途径。通过给水管网建立的水力模型，能够正确分析并且全面掌握了解系统运行工况，实现给水管网系统运行的科学性。给水管网的水力模型已经成为给水管网设计、施工和运行管理的现代化技术方法，是城市给水系统现代化管理技术的重要发展方向。为了实现这一目标，城市的水务集团或水司必须尽快提高现有的管理水平，努力实现管理的科学化和现代化。华东M市地处长江三角洲杭嘉湖平原地区，内陆面积668平方公里，属于太湖域水网地带，境内有上塘河和运河两个水系，河道总长1865.4公里，河网率为5.1%。M市的水资源以河网流量为主，地表水利用率高，控制开采地下水，水资源总量6.62亿立方米，能够满足人民的生产生活需要。现M市有3座自来水厂，日供水能力60×104m3/d。其中第三水厂有限公司，主要负责盐官以西（含）区域供水管理及三水厂的制水生产。已于2006年9月全部竣工通水，目前拥有制水能力10×104m3/d，但随着城市的不断发展， 2第一章绪论硕士研究生学位论文第三水厂有限公司的供水能力远不能满足城市供水要求，扩建工程正在抓紧进行，计划于2016年夏季竣工通水，届时总制水能力达30×104m3/d。在管网数据的管理方面，M市的管网管理部门起初采用CAD、Excel等形式的文件格式储存管网数据，这类数据存储只能显示给水管网的地理及物理特征，仅具有基本的查询显示功能。后期，管理部门将管网的数据导入了GIS系统，开启了基于GIS系统的管理模式，可是，该系统不具有分析功能，即不能实现管网的动态模拟及分析功能，不能为给水管网的运行提供科学、准确的技术支持。同时，由于M市水务集团对管网“施工在前数据在后”的操作习惯，导致GIS系统中的数据存在一些问题，例如：新增管道未及时更新或更新的不完善，管网中的阀门启闭状态未实时更新等问题。上述所说的问题，不仅仅存在于M市给水管网的管理中，同样也存在于大部分城市中。同时，城市给水管网存在的问题不仅仅有技术上的，还有管理层面上的。给水管网的管理法规和相关技术标准不完善，缺乏完整的给水管网管理技术规范，同时管网数据资料的处理方式不系统，存储方式的多样化以及低效率的查询分析方法都难以为给水管网的运行调度、管网优化和应急事故处理提出科学、准确、快速的应对方案。因此，为城市管网建立水力模型是势在必行的，利用水力模型对管网进行信息化、科技化的管理也是大势所趋。1.1.3课题研究目的及意义水力模型的建立，是根据管网系统动态实时运行工况进行仿真模拟而建立起一个数学模型的过程。通过给水管网的水力模型，能够掌握城市现有管网的运行工况，查询管网各个组成部分的状态，也能够及时发现管网存在的问题，模拟预测出管网维护对整个系统的影响。一旦管网中出现爆管或漏损等问题，通过水力模型的模拟，可以在最短时间内计算出事故点，提供最佳的维修方案，将管网受损情况降到最低，影响面积降到最小，并可以科学合理的拟定近期、远期的管网改造和扩建方案。因此，通过给水管网模型，可以对不同运行边界条件下的管网工况进行分析和预测，为管网的安全运行提供保[3]障，提高运行效率，以及对企业客户的供水要求提供技术支持。同时，建立动态微观水力模型也是实现管网优化操作和科学管理的最直接有效的途径。水力模型建立之后，模型中虚拟水流的流动状态能够反映出管网水流的真实流动状态，相应的，动态模拟中的数据也可以反映管网中真实的动态数据。准确的动态模型能够帮助管理人员预警管网的漏损，也能够较为准确的模拟事故情况，能够对爆管等异常情况进行判断，帮助调度人员进行及时分析。到目前为止，给水管网建立的水力模型，能够为给水系统提供在管网操作中最有效的信息，有助于给水系统实现管网科学化、管理现代化的目标，是仿真系统中模拟动态[5]工况最有效的方法。[5]给水管网水力模型的意义：(1)为给水管网的设计、规划及改造提供方案； 硕士研究生学位论文第一章绪论3(2)管网改造优先性评估；(3)指导和帮助管网的检漏工作；(4)诊断管网的异常情况，如：阀门开启状态异常，管道压力突变等情况，并提供解决方案；（5)分析突发事故或工程施工过程中对用户用水水量及水质的影响，查找居民用水困难原因；(6)调查给水系统中出现的大规模水打回笼现象，寻找阀门季节性的经济开度；(7)对管网每天的运行工况进行分析，提高管网操作人员调度的科学性；(8)能够确定管网中新增测压点的位置及数量，并优化测压点的布置；(9)在水力模型基础上可以建立水质模型，实现水力水质同时操作管理；(10)将管网的水力模型与SCADA系统相连，可实现给水系统实时调度，为进一步实现离线或在线优化调度提供基础。因此，通过对M市的供水管网建立水力模型，希望可以帮助管理部门为M市的管网规划及改造拟定最佳方案，面对管网的突发状况能够作出快速准确的处理措施，对管网的宏观操控提出科学的建议，为M市给水系统的科学化、信息化的管理奠定基础。1.2国内外研究概况管网水力模型的建立发展缓慢，是因为管网平差计算十分困难。随着计算机技术的推广，给水系统的现代化管理有了坚强的后盾，使得给水管网的设计和管理走向科学化和数量化。目前，计算机技术从简单的管网平差计算程序开始，继而延伸到管网运行的实时动态模拟、计算机实时监测、优化设计与调度、自动化管理与运行等，最终实现给水系统自动化优化运行这个过程，已经使得计算机技术在给水系统现代化运行和科学的[5]管理操作中占有了重要地位。在工业和技术发达的西方国家，城市给水系统基本上实现了计算机化的规划和操作，在一些国家和地区甚至可以做到整个系统闭环优化运行，自动化操作。在上世纪80年代之前，通过给水管网水力平差计算技术进行管网的设计、运行工况的计算和校核，增强了给水系统的管理力度。到了90年代，利用计算机数据库存储技术、管网模型及优化算法，提高了给水系统优化的科学性并改变了管网资料管理方式。从90年代开始，随着管网地理信息系统（即GIS系统）和管网水质、流量及压力检测系统（即SCADA系统）的使用，计算机软件能够对给水管网的水力和水质进行动态的实时模拟以及运行中的科学调度，通过远程监控将实时监测的数据传输回计算机总控系统，再进行科学的管理与调度，实现管网中水质、水位的监控管理、水厂水泵运行的调度管理、自动加药及过滤[5]过程的控制管理。真正的通过计算机实现了无人化、无纸化管理。国内对水力模型的研究起步较晚,和计算机技术和供水技术先进的国家仍存在较大的差距，我国大部分城市正处于供水自动化和管网信息初级化阶段。随着近几年的技术 4第一章绪论硕士研究生学位论文引进及软件的自主研发，已经有一部分城市率先实现了利用计算机软件系统对给水管网进行管理和操控。1.2.1水力模型研究概况[10]Kang和Lansey在管网水力模型的模拟中，将加权最小二乘法组合分析和卡尔曼滤波应用的递归方法组合到一起，对管网的工况参数进行实时预测。同时，根据模型预测的供水量，模拟预测出管网的节点压力。[14]侯英娜等在绍兴市通过管网GIS系统，供水调度SCADA系统和管理系统的不断完善，建立的给水管网水力模型，在具有完备的GIS基础资料基础上有效的提高了给水管网水力模型的模型精度，反复对阀门开度的数据进行现场校验；适当增加模式曲线种类；在管网内部设置流量校验点并按照DMA分区进行水量平衡分配。另外，管网模型变化的实时更新和管网模型的模拟计算结果能够展示在GIS系统中必将成为发展趋势，不仅能提高管网模型的维护效率、扩大模型的应用方向、方便GIS系统中管道的物理数据与管网模型系统中的管网运行动态数据进行分析，还可以提高管网管理的科学性。[23]何芳等历经7个月的时间，对广东省佛山市2003年版供水管网水力模型进行维护更新校验的工作，更新后的水力模型模拟精度得到改善。同时，模型校验环节应重点考虑数值优化技术，增强模型自动校核方面的研究及推广，减少手动校核的工作量。[20]祁司亮等利用参考EPANET算法，建立城市二次供水管网的水力模型，可有效的降低管网压力波动，提高最不利点压力，这对于维持管网的安全运行以及实现供水的节能降耗有重要的意义。通过分析不同水箱调控数量对管网压力的时空分布影响发现，调控效果并不是随着水箱调整数量呈线性变化，据此，可以确定在具体的投资条件与预测目标下的最优水箱调控数量与组合，为二次供水管网的优化运行提供了科学的依据。1.2.2水力模型校核研究概况[6]Liggett和Chen在管网水力模型校核中，利用大量的管网运行监测数据，反推管网的运行参数，对比分析了瞬时分析法、时间顺序法以及逆计算法之后，认为逆计算法对于管网实际运行情况的反应还需要改进，因此，提出了一个关键有效的改进方法来完善逆计算法，即通过梯度数据以及雅克比矩阵寻找一个Hessian矩阵，利用Levenberg-Marquardt方法对这个矩阵进行最优化求解，并通过实际例子进行了验证。[7]Nash和Karney在管道阻力系数的校核中首次提出灵敏度分析的概念，利用管段上的阀门的开启度来进行管道的灵敏度分析，由于模型中阀门的开启状态只有“开启”、“关闭”两种状态，无法用百分数来表示开启度，因此考虑用管道阻力系数来代替阀门的开启度，并讨论了管道摩阻系数在不同水流状态下的初始值估计和管道阻力系数以及水力模型校核后管网管道灵敏度的情况。[8]Lansey和EI-Shorbagy等主要研究了采样设计以及对校正结果的估计等方面。通过研究发现水头或流量测量的不稳定性也能导致估计的校正参数出现误差，计算出的压力 硕士研究生学位论文第一章绪论5或流量的预测值的准确性也受到了影响。因此提出了利用模型对协方差矩阵和灵敏度进行预测的分析方法，使用有限差分析法计算出了相关的压力或流量灵敏度的近似估计值。[11]在2011年，Kang和Lansey以多种管网运行工况下的管道流量和压力为数据基础，研究出了在加权最小二乘法组合的基础上，两步连续校核管道流量以及粗糙度系数的方法，使用一次二阶矩阵对管网中具有不确定性的参数进行预测。并在一个中型城市管网中得到验证，当节点流量不能提供准确数据时，两步连续校核模型提供了准确的参数估计。[11]Bhave提出了适用于管网模型参数校核的迭代校核方法，该方法通过多次的试算、调整水力模型的节点水量以及管道阻力系数，使管网水力模型的管道流量、节点压力的模拟值与实际的监测值相吻合。[13]陈涛等以JY市的供水管网为研究对象，利用EPANET水力平差软件来率定和验证水力模型参数，运用ArcGIS系统构建管网，所得到的模型具有良好的计算精度，能够切合真实的反映管网的动态情况，满足供水要求。1.2.3水力模型运用研究概况[15]卢汉清等采用了英国Wallingford公司的InfoWorks软件建立水力模型，为宁波市慈城区给水管网经济、安全的运行提供了科学的管理工具，也为慈城区今后接入城市供水环网规划了改造方案，并为整个城市给水系统奠定了良好的基础。[15]郜阔等对苏州某区给水管网建立水力模型之后，通过水力模型的分析发现很多依靠人工经验无法预见的情况，例如管道内的流速变化、节点压力变化等，这不仅为科学的管理给水系统奠定了重要基础，同时能够进一步分析不同运行工况下管网各组件水流方向和水力状态，为拟定供水方案、突发事件应急处理，提高供水的安全性、可靠性提供有力的技术支持。[17]陈忠等表明，中山市建立模型之后，中山水司根据历史咸潮数据，模拟咸潮时（水厂停水）管网状态，从而准确的得出了咸潮的影响范围和程度，并提前给出科学合理的水厂调度方案，从而实现供水调度（尤其是咸潮时）的科学管理与决策，社会效益和经济效益显著提高。[18]曹平等以淮海市饮用水多水源供水管网为研究对象，利用WaterGEMS软件建立了管网的水力模型模型，建立起管网的优化调度体系，通过实际案例验证了特定状况下优化调度的效果。通过优化调度，充分利用了淮海市多水源供水的管网系统，有效提高供水安全性，以及对突发事故时所采取的管网调度措施的正确性和科学性，并为应急管网优化调度提供了参考案例。[18]鲁旭等将管网水力模型引进东部某个较大的经济开发区P区以及老城区B区。P区正在筹建管道信息存储数据库，将管网中的管道现状及管网维修和更新的记录都放在数据库中，对未来管网系统的更新、改扩建的优化设计都非常有用。B区的水力模型是分析无计量用水的非常有效的辅助工具。利用现有的管网模型，进一步分析供水系统中 6第一章绪论硕士研究生学位论文没有计入流量计的用水量出现的原因，采取可行的措施将无计量用水量降到最低，缩小产销差。部分地区还在给水管网的水力模型的基础上，结合其他的软件系统，形成一个综合的信息化管理系统。[21]谢绍正等利用佛山市C区管网的水力模型设计和优化了中途加压供水系统方案，主要过程是确定加压供水范围、预测管网需水量、选择分区供水方式、制订中途加压供水方案，最终建立准确的方案模型，通过水力模型能有效提高工程规划设计的科学性，确保施工方案投资合理、安全可靠。佛山市给水管网水力模型已经使用了近10年时间，早已不能满足给水管网的管理需求。2012年下半年佛山水业集团计划对建立水力模型的软件和水力模型进行全方位的升级，历时3个月的时间自主研发了禅城区和市区共102平方公里的水力模型的重建工作。新模型软件采用的是C/S结构，便于集团对各个供水区域的子模型进行分区式管理。重建后的管网水力模型包括更详细全面的管网数据，模型的模拟精度比旧模型大幅度提高，[22]并且初步实现了水力模型模拟用水模式的动态更新。供水管网水力模型在供水系统运行管理中能够应用在许多方面，一个模型模拟的精确度直接影响了它在给水管网系统中应用的程度。然后建模复杂的过程，基础数据来源广泛且形式不一，各种误差累积起来会导致许多给水管网的水力模型模拟精度水平偏低，[23]很难将模型应用到给水系统运行管理的一些微观环节。因此，管网水力模型今后的发展趋势将是提高水力模型的精确水平，以期解决供水系统运行管理难题或者是提高解决问题的效率。1.3研究内容及创新点1.3.1研究内容本课题以华东M市给水管网为研究对象，借助计算机软件对该市供水管网进行水力模拟及模型参数校正，建立管网水力模型。利用水力模型对管网管理中所遇到的问题进行分析并提出可行的解决方案,同时在管网的改造及水力调度等方面提供可靠的理论依据，为M市水务集团提高供水质量及管理的科学性和准确性提供技术支持。主要的研究内容有：（1）给水管网数据调研及水力模型的构建通过配水管网的调研，了解现有管网中存在的主要问题，收集管网建模所需的基础数据，即管网拓扑结构数据、SCADA压力流量在线监测数据及营业水量数据、水厂和加压泵站运行记录等。将校核准确的数据导入到WaterGEMS软件中，建立水力模型的拓扑结构，并对模型拓扑结构进行排错，最后将收集的水量信息添加到模型中进行水量分配，建立水力模型。（2）供水管网水力模型的校核研究 硕士研究生学位论文第一章绪论7进一步对节点流量、管道阻力系数、阀门开启度、水泵特性曲线、测压点标高、未计量用水分配方式等数据信息进行校核，误差较大时，重新对收集的数据进行校核，直至误差较小，再通过校核软件进行精细校核提高管段内径和管道摩阻、节点流量分配以及用水量时变化系数的准确度，建立准确有效的供水管网水力模型。（3）模型运用研究根据M市的管网水力模型对管道改造及管网的水力调度，测压点的优化布置以及管网漏失位置的判断提供技术支持。1.3.2技术路线本文研究的技术路线如下图1.3.1。 8第一章绪论硕士研究生学位论文收集数据并调查分析管网数据存在的问题管和在SCADA营运水网位线业行厂拓置监水数和扑排测量据加结错压排构点力数错压排数流据泵错据量排站建立给水管网水力模型并校核误差分析误差较大误差较小人工校核（宏观校核）不满足准确自动校核（微观校核）度要求要求满足准确度要求模型运用管调管化测漏道度网布压失改水置判点造断力优撰写论文图1.3.1技术路线Fig1.3.1Thetechnicalroute 硕士研究生学位论文第二章管网水力计算的基础方程9第二章管网水力计算的基础方程2.1管网水力计算基础方程建立给水管网水力模型时，管网计算的原理是基于质量守恒和能量守恒，由此得出连续性方程和能量方程。因此，在水力模型建立时主要是针对管网的节点连续性方程、[27]压降方程以及能量方程进行计算。（1）节点连续性方程指的是一定时间内流入节点的流量等于流出节点的流量，对于管网中的任意节点都能够适用，其数学表达式2-1所示。(2-1)qijQi0式中Q——节点i的流量；i——与节点i相连的管段流量；qiji,j——管段起止节点的编号。（2）压降方程主要体现了管道流量与管网水头损失之间的关系，见式2-2所示。n(2-2)hHHSqijijijij式中——管段的水头损失；hij——管段两端节点i,j的水压高程；H、Hij——管段摩阻；Sij——管段流量；qijn=1.852~2。（3）能量方程管网中的能量应该是守恒的，因此管网中任意一个基环，其环中各水头损失之和应为零，见式2-3所示；(2-3)h0ijh式中k——基环编号；——属于基环k的管段的水头损失hij 10第二章管网水力计算的基础方程硕士研究生学位论文2.2管网水头损失计算2.2.1流量和水头损失的关系给水管网任一管段两端节点的水压和该管段水头损失之间有下列关系：HHh（2-4）ijij式中H、H——从某一基准面算起的管道起端i和终端j的水压；ijh——管段i，j的水头损失。ij在管网计算中，主要考虑沿管线长度的水头损失。至于配件和附近如弯管、渐缩管和阀门等的局部水头损失，因和沿管线长度的水头损失相比很小，通常忽略不计，由此产生的误差很小。根据均匀流流速公式：vCRi（2-5）式中v——管内的平均流速；C——谢才系数；R——水管的水力半径；i——单位管段长度的水头损失，或水力坡度。水力坡度为：2iaq（2-6）64式中——比阻，；225CDq——流量。因此，水头损失的表达式为：nnhalqsq（2-7）式中l——管段长度；s——水管摩阻，sal。2.2.2水头损失的计算目前，国内外使用较为广泛的一些水头损失公式，包括舍维列夫公式、巴甫洛夫斯基公式、海曾—威廉公式及科尔勃洛克公式。（1）舍维列夫公式适用于旧铸铁管道和旧钢管，水温10℃时 硕士研究生学位论文第二章管网水力计算的基础方程112vv1.2m/si0.00107（2-8）1.3D20.3v0.867v1.2m/si0.009121（2-9）1.3Dv式中v——流速，m/s；D——水管的计算内径，m。（2）巴甫洛夫斯基公式适用于混凝土管、钢筋混凝土管和渠道的水头损失计算。2qn0.013时，i0.001743（2-10）5.33D2qn0.014时，i0.002021（2-11）5.33D式中n——管壁粗糙系数，混凝土管和钢筋混凝土管一般采用0.013～0.014；q——流量，m3/s；D——管径，m。（3）海曾-威廉公式1.85210.67qlh（2-12）1.8524.87CD式中l——管段长度，m；D——管径，m；q——流量，m3/s；C——谢才系数，其值见表2.1。表2.1海曾-威廉式的系数C值Table2.1Hazen-WilliamscoefficientC水管种类C值塑料管150新铸铁管，涂沥青或水泥的铸铁管130混凝土管，焊接钢管120旧铸铁管和旧钢管100（4）科尔勃洛克公式 12第二章管网水力计算的基础方程硕士研究生学位论文k1D2.512lg（2-13）3.71Re式中——阻力系数；k——绝对粗糙度，其值可参考表2.2。表2.2绝对粗糙度k值Table2.2AbsoluteroughnessK水管种类k值（mm）涂沥青铸铁管0.05～0.125涂水泥铸铁管0.50涂沥青钢管0.05镀锌钢管0.125石棉水泥管0.03～0.04离心法钢筋混凝土管0.04～0.25塑料管0.01～0.03上述水头损失计算公式，由于公式本身的某些缺陷和系数值（如n、C、k值）在选用上的偏差，各式的计算结果有时相差较大。M市的给水管网中有多种材质的管段（如塑料管、铸铁管、旧钢管及混凝土管等），因此无法采用舍维列夫及巴甫洛夫斯基计算公式，而科尔勃洛克公式虽适用范围广，且较为接近实际，但运算复杂。因此，在华东M市模型建立的计算中采用海曾-威廉公式进行水头损失的计算。 硕士研究生学位论文第三章M市供水管网水力模型的建立13第三章M市供水管网水力模型的建立管网建模大致上可分为两大类：宏观模型和微观模型。宏观模型是在1975年由RobertDemoyer等学者首先提出的，其理论基础是源于“比例负荷”的假设，吸收了“黑箱理论”的基本思想，在过去数据的基础上，借助统计回归的分析方法建立起回归曲线方程，即为宏观模型。宏观模型的缺点是忽略了管网系统中复杂的拓扑结构关系，不能计算管道和节点的工况参数，不能用于供水系统的维护及改扩建等实际施工中，只能用于管网供水调度的模拟。给水系统微观模型是根据给水系统的实际运行工况，参考实际管网的拓扑结构关系，通过基础数据的收集和整理、现场勘察、节点水量分配、模型校核等步骤最终建立起来的微观模型，是传统意义上的所建立的水力模型。其优点在于能够真实地反映供水系统拓扑结构，能够用于供水系统中以任一元素作为决策变量的研究，其缺点是在建模的过程中工作量较大，要求前期准备的系统资料比较完备，模型越细化，维护越困难，计算时间越长。随着计算机水平的高速发展，对于那些特大型的一线城市[49]供水系统，利用计算机微观模型计算，终于可以满足在线实时模拟的要求了。水力建模通过仿真模拟计算时间是否连续可将水力模型分为静态模拟和动态模拟：若在模拟仿真计算采用的是一个时间点上的工况，如最高日最高时、消防用水时、事故发生时等运行工况，称之为“静态模拟”或“瞬时模拟计算”；若计算采用的是24h或更长时间，并连续模拟计算，将其称之为“动态模拟”或“延时模拟计算”。水务集团或水司在管网微观模型的模拟中若把某一时刻的运行工况扩展到24h或更长的时间的运[5]行工况，就将静态模拟变成了动态模拟。模型建立的前期准备是收集管网中的数据，包括供水水源的数据、管网监测点的数据（如压力监测点、流量监测点）、营业数据等，将收集的数据进行整理和排错，对明显异常的数据进行分析咨询再修改。数据准备完毕之后，开始利用软件建立管网水力模型的拓扑结构，将数据依次导入模型中，建立起管网的拓扑结构。目前，国内外给水管网水力模型软件很多，每款软件的功能和特色也不尽相同，本文主要使用的是WaterGEMS建模软件。这是一款由Haestad公司推出的建模软件，后被Bentley公司收购。WaterGEMS可以单独运行或以插件的形式在AutoCAD和MicroStation平台中运行，此外，WaterGEMS还支持ArcGIS平台。这款软件具有水力分析、消防水耗分析、临界分析、能量分析和投资成本分析的功能，同时还可以对水力模型进行高级[26]优化和高效模块。3.1数据的收集与整理3.1.1水厂的基础数据与运行数据水厂作为供水系统能量和水量的源头，被称为供水管网的心脏，是供水系统重要的 14第三章M市供水管网水力模型的建立硕士研究生学位论文组成部分。M市有两座自来水厂，本课题的研究工作主要是对三水厂供水范围内的供水管网以及三水厂建立水力模型。在M市水务集团的配合下，获取三水厂供水范围内自2013年7月至2013年12月的运行记录，其中包括水泵开停时间、水泵调速比、各干管的出水流量、出厂压力等。（1）三水厂供水概况三水厂有6台水泵，2条出厂干管，2个清水池，具体数据如表3.1.1、3.1.2、3.1.3所示。表3.1.1水厂送水泵房的水泵参数Table3.1.1Waterplantwaterpumpparameters吸水口压水口是电机泵轴编流量扬程管径中心管径中心否水泵型号功率高程号(m3/h)(m)变DN高程DN高程(kw)(m)(mm)(m)(mm)(m)频1SmartFlow80-600S1240040400-0.11800-0.26700-0.11是2SmartFlow50-600S1450040710-0.071000-0.22900-0.07是3SmartFlow50-600S1450040710-0.071000-0.22900-0.07否4SmartFlow50-600S1450040710-0.071000-0.22900-0.07否5SmartFlow50-600S1450040710-0.071000-0.22900-0.07否6SmartFlow80-600S1240040400-0.11800-0.26700-0.11否表3.1.2水厂出水干管参数Table3.1.2Waterplantoutfallsewerparameters干管编号管径(mm)管材流量分配(%)去向袁花镇、尖山新区、市1DN1400（东）钢管区城东片根据实际用量，流市区城西片、硖石街量计控制，自动分道、海洲街道、海昌街2DN1400（西）钢管配道、马桥街道、斜桥镇、盐官镇、周王庙镇 硕士研究生学位论文第三章M市供水管网水力模型的建立15表3.1.3水厂清水池参数Table3.1.3Waterplantreservoirparameters吸水口压水口有效有效库底库顶最高最低编平面尺寸中心中心2面积容积高程高程水位水位管径管径号L×B(m)(m2)(m3)(m)(m)(m)(m)高程高程(mm)(mm)(m)(m)1133.6×48592022500-0.404..004.35216001.151600-1.702133.6×48592022500-0.404..004.3522×12001.152×1200-1.70（2）加压泵站现状三水厂供水区域有三个加压泵站，分别为尖山泵站、谈桥泵站和乌金泵站。其中尖山泵站有两个清水池，使用的水泵型号一致，流量均为800m3/h，扬程为43m。谈桥泵站只有一个清水池，但使用的两个水泵的型号不一样，一个是流量为480m3/h，扬程为30m，另一个是流量为300m3/h，扬程为36m。乌金泵站仅有一种型号的水泵，即为流量480m3/h，扬程为30m。3.1.2监测点的基础数据水力模型校核是否精确，主要是考察压力监测点及流量监测点的观测值与模拟值的误差。因此，建模过程中收集整理监测点的位置、标高及监测数据等相关资料是基础资[28]料收集的一项重要的组成部分。（1）压力监测点的确定在基础资料收集期间，市区共有77个压力监测点的位置，而三水厂供水范围内共有压力监测点37个。通过供水设施运行监测系统收集了77个压力监测点的数据，为建模之后的校核工作做准备，建立了压力测压点位置的shp.文件，37个压力监测点的数据详见附录1。在整理压力监测数据时，发现如下问题：a.个别测压点某几天数值为零；b.所提供的压力监测点的位置全部是示意位置，尚未落实到具体管道上，还有部分压力监测点并未在shp.层中；c.压力监测点的安装高度不明确，没有提供准确的数据；根据上述问题，多次与水务集团的相关科室进行沟通，确定测压点数据为零的原因，总结原因有测压表损坏、该区域阀门当时呈关闭状态即管网中无水流通过等，对于数据[29]中所缺的数据，可以采用以下三种方法进行补充。a.相邻日期同一时刻值补充法若该监测点的相邻日期的同一时刻收集到了完整的数据，且相邻几天内该时刻的数 16第三章M市供水管网水力模型的建立硕士研究生学位论文值都相近时，可采用某一天同时刻的数值或相邻几天同时刻的平均值进行代替。b.平均值补充法当该监测点的数据曲线较为平稳，随时间的变化起伏不大时，某一时刻的缺值可以采用前后数值的平均值进行取代。c.周边值补充法若上述两个方法均无法使用时，可以参考该监测点周边相近的监测点的数值。此法适用于监测点分布较为密集的区域，当周边的监测点相距较近时，可以采用此监测点的数据进行补充。对于监测点位置的错误，应将压力监测点全部落实到准确的管道中并对shp.文件进行更新；压力监测点安装高度不明确可以通过现场勘测记录下这37个测压点的安装高度。（2）流量监测点的确定管网中的流量监测点监控着管网中的水量，主要设置在主管道、公告建筑物以及用户进户管处，而水量信息依靠安装的水表读取，水务集团也依据水表数据来收取用水费用。因此，水务集团所提供的营业数据即为管网中的水量数据，可作为模型建立时水量分配的依据。在模型建立的过程中，不仅需要收集营业数据，还要确定管网中用水量较大的用户的位置、日需水量，这些大用户的需水量占总出水量的较大比重，因此每一个大用户的信息都需要仔细核对。同时，为了准确模拟出管网用户的用水规律，还需对管网中的用户进行分类。各类型用户的用水量及其变化规律和水表用户的定位是否准确将直接影响到模型的计算精度，它们也是研究给水管网节点流量分配方法的前提。a.确定水表信息市区管网中用户的水表信息已经在营业收费系统与GIS系统中通过用户编号建立了关联。大用户水量水表在模型中准确的定位对于水力建模节点流量分配至关重要，因此需要对大用户的水表做进一步整理与分析。由于营业所没有将大用户的水表信息单独建立GIS图层，需要与市区内各营业所的工作人员确定大用户的准确位置。同时，也对大用户表的运行情况也做了全面的了解。b.确定用户用水类型及其曲线为了准确模拟管网用户的用水规律，先对管网中的用水用户进行正确的用水类型分类。通过前期的调查得知营业收费系统将用户分为40类，在本次研究中提取管网中2014年6月到2015年6月间的用户数据进行分析和整理，最后，对管网中的用户类型进行整合，将用水规律相近的用户类型合并成一种用户类型。因此，将M市所有用户的40类合并成为8类，如表3.1.4所示。 硕士研究生学位论文第三章M市供水管网水力模型的建立17表3.1.4用户分类Table3.1.4Userclassification序号、模型分类营业分类1.工业类高电纸革未代收污水重污消防高电纸革未入网企业用水高电纸革未收污水重污企业高尔夫球场用水高化染企业重污染用水高化染企业重污染用水消防高化染入网企业用水高化染入网企业用水消防高化染未代收污水重污高化染未代收污水重污消防高化染未入网企业用水工业企业消防用水工业企业用水工业企业重污染消防用水工业企业重污染用水福利企业享受单位用水未代收污水费重污未代收污水价消防未入网工业企业未入网工业企业消防基建用水蔬菜加工企业价城市居民生活用水农村居民用水居民非一户一表用水福利用水(福利院、敬老院)2.居民类企业内宿舍和食堂孙家浜水价物业用水公用给水站用水自用水3.办公类社区居民委员会单位消防用水单位用水-除医院桑拿浴室美容足浴用水4.洗浴类5.服务类商业、饮食服务消防用水 18第三章M市供水管网水力模型的建立硕士研究生学位论文商业服务用水6.酒店类饮食服务用水7.学校类学校8.医院类单位用水-医院由于用户用水规律复杂，通过营业数据整理的用水规律变化曲线，适用范围有局限性。为了解决这个难题展开了用水量变化规律的测试工作。根据用户类型分类，每类选取若干块具有代表性的水表作为用水量变化规律测试对象，选取水表时需注意如下问题：①选取要测量的水表，先要与营业所公司协商该水表是否有条件安装流量测试设备；②核实该水表不是在线流量计；③测试之前要到现场勘察，水表完整情况，水表井是否具备施工条件。最后，利用管网的实际监测值绘制用户用水规律的特性曲线。绘制出用户用水规律的特性曲线之后，仍需对其进行调整，使其与实际情况相一致。具体措施有：①根据在线企业表，可以得到部分用水量规律变化曲线。②在学校类、办公类、酒店类、服务类中选取典型的用户进行用水量现场测试工作。进行了为期两周的全天24h，每15min读取一次数据的在线实时监测。将获得的数据进行整理和分析制定用水量规律变化曲线。如图3.1.1至3.1.8为M市8类用水规律变化曲线图，每类又分为工作日和休息日。图3.1.1工业类用水规律曲线Fig3.1.1Industrialclassrulecurvewithwater从图中可以分析出，工业类在工作日期间用水情况没有出现特别明显的用水高峰与用水低谷时段，而在休息日期间下午一点和晚上工厂用水量偏大。居民类工作日期间用水高峰出现在早上八点和晚上十点，休息日的用水高峰稍有延迟，且上午的用水情况高于工作日，晚上的用水高峰同工作日一致，是晚上十点。这两条曲线即可以反映出居民的作息规律。办公室类在工作日期间的用水高峰出现在早上八点，而休息日期间的用水高峰有所推迟。无论是工作日还是休息日办公类在晚上七点至九点之间都是用水高峰。 硕士研究生学位论文第三章M市供水管网水力模型的建立19图3.1.2居民类用水规律曲线Fig3.1.2Residentsclassrulecurvewithwater图3.1.3办公室类用水规律曲线Fig3.1.3Officeclassrulecurvewithwater根据人们的生活习惯不难判断出洗浴类的用水规律，无论是工作日还是休息日白天用水较为平稳，用水的高峰时段均出现在晚上六点以后，休息日能稍微提前一小时。图3.1.4洗浴类用水规律曲线Fig3.1.4Bathclassrulecurvewithwater 20第三章M市供水管网水力模型的建立硕士研究生学位论文图3.1.5服务类用水规律曲线Fig3.1.5Serviceclassrulecurvewithwater服务类中主要有餐饮和商业，因此此类型的用水多集中在用餐时间。在上午十点至十二点间是用水高峰，下午的用水量一直保持在较高的需水量上，这与人们的活动时间紧密相关。经过调查分析，酒店类在工作日和休息日的用水规律基本一致，用水高峰都出现在中午十二点和晚上七点至八点。图3.1.6酒店类用水规律曲线Fig3.1.6thehotelclassrulecurvewithwater 硕士研究生学位论文第三章M市供水管网水力模型的建立21图3.1.7学校类用水规律曲线Fig3.1.7theschoolclassrulecurvewithwater学校由于全天都有师生在校上课，因此其用水量起伏不大，用水较为固定。图3.1.8医院类用水规律曲线Fig3.1.8hospitalclassrulecurvewithwater医院类的用水高峰出现在上午九点左右，此时是医院前来就诊患者的高峰，也是用水高峰。工作日中下午四点也有一个用水的小高峰，而休息日中医院的门诊部门就诊患者大幅度减少，主要是住院患者用水，因此休息日中的用水在用水高峰之后就较为固定。综上，经过对8类用户的用水规律曲线进行分析，充分证明了每类曲线都能体现出该用户的用水规律，与实际情况相符合。3.2模型的建立3.2.1数据的导入M市供水管网GIS系统相对完善，供水管网模型的拓扑关系主要依据GIS中的数据。根据GIS统一标准，利用GIS与模型间的数据转换模块，从GIS中提取相应节点、管道信息，通过数据导入接口读入管网模型中。从GIS系统导出的数据，以shape 22第三章M市供水管网水力模型的建立硕士研究生学位论文文件格式保存。由于WaterGEMS软件中所有水力组件的属性是软件预先定义的，已经[31]定义好的属性不能全部记录GIS系统中的信息。因此，在水力模型建立过程中需要对软件中导入的水力组件数据的属性进行扩展。步骤是：1)运行WaterGEMS软件，建立新的项目。2)在WaterCAD的“用户数据扩展”菜单。3)按“导入”按钮，选择SHP文件夹。需要导入的GIS数据见表3.2.1。表3.2.1导入的数据Table3.2.1Importdata编号文件名组件类型1P_Connect.shp节点2P_Threecon.shp节点3P_Fourcon.shp节点4P_WatermeterBox.shp节点（水表箱）5P_Fireplug.shp消火栓6P_Valve.shp阀门7L_FlowPipe.shp供水管线GIS数据的导入可一次性导入全部或部分GIS文件，也可以单独导入一个文件。如果每次导入一个文件，那么应该按照下列顺序导入：（1）节点（2）水表（3）消火栓（4）阀门（5）供水管线打开WaterCAD的“工具”菜单中的“ModelBuilder”建模工具。在向导中可选择添加需要导入的GIS文件，建议将全部文件一次性添加到ModelBuilder中。图3.2.1为数据导入。 硕士研究生学位论文第三章M市供水管网水力模型的建立23图3.2.1数据导入Fig3.2.1Importdata导入数据的属性字段与模型数据属性字段的对应关系如表3.2.2～3.2.6所示。表3.2.2节点导入Table3.2.2Nodeimport编号GIS字段模型字段单位1NodeNoGIS编号2Depth埋深m3FloorEleva高程m4LocalityRo地址5AdminName营业所表3.2.3水表导入Table3.2.3Watermeterimport编号GIS字段模型字段单位1NodeNoGIS编号2Depth埋深m3FloorEleva高程m4LocalityRo地址5PointType节点类型6Structure水表结构7Caliber水表口径8AdminName营业所 24第三章M市供水管网水力模型的建立硕士研究生学位论文表3.2.4消火栓导入Table3.2.4Firehydrantimport编号GIS字段模型字段单位1NodeNoGIS编号2Depth埋深m3FloorEleva高程m4PipeNodeAd地址5AdminName营业所6Caliber口径mm7PointType类型表3.2.5阀门导入Table3.2.5Valveimport编号GIS字段模型字段单位1NodeNoGIS编号2Depth埋深m3FloorEleva高程m4PipeNodeAd地址5AdminName营业所6Caliber内径（阀门）mm7PointType类型8FinishDate安装日期9EquipModel阀门类型表3.2.6供水管线导入Table3.2.6Watersupplypipelineimport编号GIS字段模型字段单位1PipeNoGIS编号2FirstNoGIS起点编号3EndNoGIS终点编号4PipeAddres地址5AdminName营业所6PipeDiamet内径mm7PipeMateri管材8FinishDate铺设年代3.2.2模型拓扑结构的排错在给水管网拓扑结构的排错中，利用建模软件自带的分析功能，可以从管网的拓扑结构中筛选出孤立的节点、阀门、消火栓以及未连接的管道，或者多个节点、阀门、消 硕士研究生学位论文第三章M市供水管网水力模型的建立25火栓重合等，同时也可以筛选出管径为零的管段、阀门。找到的错误点需要与管网管理[32]人员沟通之后，再判断是需要将其删除或是修正。首先，要对基础数据进行检查，主要确定压力监测点及流量计在管网中的准确位置，以及确定压力监测点的安装高度；其次，校核管网中管道的连接情况以及对未定义的节点、阀门、消火栓和管道进行数据补充，重点要核查管网中阀门的开闭状态和水厂水泵的使用情况，如有清水池要核实清水池的水位；最后，对大用户的用水量和所处管网的位置进行核查。拓扑结构的检查，下面列举一下对节点的排错示例，阀门、消火栓的排错与节点基本一致。对于悬空的节点，且周围无其他与之相关联的节点，将其删除，如图3.2.1。同样，对于重合的节点，将未与管道相连接的节点删除，如图3.2.2。图3.2.1单独悬空的节点图3.2.2重合的节点Fig3.2.1DanglingnodesseparatelyFig3.2.2Overlappingnodes对于显示在管道上的节点，但是未与管道相连接，将管道进行拆分，使节点与之相连，如图3.2.3所示。对于悬空的节点，但周围明显有相关节点，处理方法是保持原样，待与管理人员沟通之后再进行处理，如图3.2.4。图3.2.3管道上的节点图3.2.4悬空的节点Fig3.2.3NodesofthepipelineFig3.2.4DanglingnodesM市水力模型拓扑结构建立后，需要对管网中的未连接管道、废弃的管道、孤立点、 26第三章M市供水管网水力模型的建立硕士研究生学位论文管径和阀门为零、阀门未连接下游管道、附件属性错误等管网数据进行完善和修正,分别到市区营业所、城南营业所、海昌营业所、丁桥营业所、斜桥营业所、马桥营业所、尖山营业所进行管网拓扑结构和管道属性修正工作,主要包括：将未连接的46854条管道与管网连通、删除孤立点52个、删除重复管道25条、删除废弃管道1367条、补录管道697条、修改管道属性2906条、处理阀门未连接的管道有768个，同时，从GIS导出的管网存在管道长度为零的情况，处理该情况的管道有1341条。利用模型的追踪下游管段以及节点功能，将模型的拓扑结构进行了排错和整理，快速的找出模型中存在问题的管道和节点，但这一步排错只是粗略的对拓扑结构进行调整和完善，至于模型的精确度是需要水量分配之后，通过软件计算出的模型模拟值与实际值相比较，进而找出模型中管道属性的错误，再进行校核。3.2.3节点流量分配水力模型拓扑结构排错后，模型中管道的流量信息不够完善。因此，水力模型建立的最后一步即为模型中的流量分配。（1）节点流量分配方法给水管网节点流量分配是水力模型建立的关键步骤。在以水量基础的管网平差计算中，节点流量是节点压力的决定因素，节点流量分配的准确性直接影响着模型的精度。给水管网节点流量由两部分组成：①已知节点流量，即营业计量水量又称销售水量；②未计量节点流量，即水厂出厂水量与销售水量的差值，又称产销差节点流量。结合实际情况，在研究过程中没有采取以往的水量分配方法，而是利用水力模型的优势，对M市采用了更加简洁更加贴近实际的方法：①已知节点流量的分配方法，利用管网营业收费系统所统计的水量计算已知节点流量。把销售水量根据实际情况分配到GIS水表点上，此水量是一天中每小时用水的平均值；为了在模型中体现出每个节点一天的用水量变化，将用水类型的属性添加到水表节点上，模型就能够按用户的用水模式计算节点水量。最后，将GIS系统中水表的信息导入到水力模型的节点中，模型按照最[34]近管道分配流量的原则计算已知节点水量；②产销差节点流量的分配方法，营业收费系统和区域计量系统的计量水量的差值就是产销差节点流量，即利用DMA每小时总用水量与该区块每小时已知节点流量之和的差值，并按照沿线流量分配水量的原则对产[35]销差节点水量进行分配。这种方法利用前期确定的用户用水变化曲线，才能够真实的反应出节点流量随时间的变化规律。（2）水量分配的数据前期的数据收集中已经收集了2014年6月至2015年6月的水量数据，通过分析这段时间水厂的出水量，绘制出水厂的供水规律变化曲线，再从中选取任意一天的数据进行水量分配即可。因此，本文提取2014年11月17日营业数据作为水力模型水量分配的水量。该日全市在线一级计量表水量为80773m3/d，水厂出厂水量为157456m3/d。将该数据导入模型中，水量分配结束后模型中管道的流量与本日的营业数据进行对比， 硕士研究生学位论文第三章M市供水管网水力模型的建立27可判断出模型建立的准确性。图3.2.5摘取部分大用户营业数据与模拟数据进行对比，图3.2.6摘取部分普通用户营业数据与模拟数据进行对比，经对比可判断水力模型初步建成。图3.2.5大用户营业数据与模拟值对比Fig3.2.5Bigusersofbusinessdataandthesimulationvaluecontrast图3.2.6普通用户营业数据与模拟值对比Fig3.2.6Theaverageuseroperatingdataandthesimulationvaluecontrast3.3本章小结（1)对收集的基础数据进行分类整理，统计水厂6台水泵、2条出水干管、2个清水池、3个加压泵站及37个压力监测点的数据，找出问题数据并与营业所沟通后进行修正， 28第三章M市供水管网水力模型的建立硕士研究生学位论文数据导入模型后对模型的拓扑结构排错，连接未与管网连通的管道46854条、删除孤立点52个、删除重复管道25条、删除废弃管道1367条、补录管道697条、修改管道属性2906条、处理阀门未连接的管道有768个。（2)对水量信息进行归类和总结，将用水户归纳为工业类、居民类、办公类、洗浴类、服务类、酒店类、医院类及学校类共8类，并绘制出这8类用户在工作日和休息日的用水规律曲线，每一类用户在工作日和休息日用水规律有所不同，比如居民类及办公类的用水高峰和低谷时间是相反的。（3)采用节点流量分配的方法并结合用户用水规律变化曲线对模型水量进行分配。利用管网营业收费系统所统计的水量计算已知节点流量，利用DMA每小时总用水量与该区块每小时已知节点流量之和的差值，并按照沿线流量分配水量的原则对产销差节点水量进行分配。将全市在线一级计量表水量为80773m3/d，水厂出厂水量为157456m3/d作为水量分配数据，经过对用户水量数据进行比较判断管网水力模型满足水量要求，水力模型初步建成，但其准确度仍需校核。 硕士研究生学位论文第四章管网水力模型校核29第四章管网水力模型校核根据已经整理好的管网拓扑数据和运行数据对管网进行初步建模。模型能否应用于实际关键在于模型的准确性，而其准确性主要取决于管网基础数据的准确性。模型建立的初期，管网中拓扑结构的错误以及相关数据的错误将会直观的在管网模型中显示出来，因此，想要得到准确的管网水力模型，需要通过多次校验，使得管线连接关系和调度阀门开度等管网基础数据与实际情况相符。管道模型校验的参数包括节点流量、管道阻力[24]系数、阀门开启度、管长、水泵特性曲线、地面标高、未计量用水分配方式等。一般情况下管网水力模型的监测值与模拟值的误差为5%～10%时就可以认为是准确的。要达到这个标准需要对管网模型不断进行校核，当实际测压点和流量计的监测值与给水管网模型平差计算出的模拟值误差超过30%时，则可以判断由管网的基础数据存在较大偏差所致，要进行宏观校核，又称手动校核，对管网的基础数据进行进一步的仔[24]细核查。通过宏观校核使现场的监测值与模拟值之间的差距缩小之后，需要对模型进行微观校核，调整海曾—威廉C值进行自动校核。4.1管网模型手动校核手动校核主要指对管径、管长、阀门开启度、水泵特性曲线等管网参数的数据进行检查，同时手动校核还包括对数据准确性以及可信度的调查。手动校核的管网参数都是前期收集的参数，根据实际情况能够获得参数的准确数据，但经常由于人为的疏忽导致数据有误，而且这些错误的数据对模型的影响较为明显，最直观的体现就是在错误的管网拓扑结构中模型的模拟值与实际值差异较大，由此可以对管网中的数据进行校核，排除问题。4.1.1手动校核方法手动校核主要依据模拟值与真实值的误差进行分析错误出现的位置，因此，在校核过程中可采用数值试错法对模型进行手动校核。所谓数值试错法，就是重新选取一天的水量数据代入到模型中，让模型重新进行水量分配，最后得到的模型中管道水量的模拟值与这一天的实际值相比较，出现较大误差的管道或节点即可判定此处的数据有误，需要进行数据核查。若想提高手动校核的准确度，可以多选取几天的数据进行代入，这样就降低了管网中模拟值与实际值偶然相似的机率。4.1.2手动校核首先，要对基础数据进行检查，主要确定压力监测点及流量计在管网中的准确位置，以及确定压力监测点的安装高度；其次，校核管网中管道的连接情况以及对未定义的节 30第四章管网水力模型校核硕士研究生学位论文点、阀门、消火栓和管道进行数据补充，重点要核查管网中阀门的开闭状态和水厂水泵的使用情况，如有清水池要核实清水池的水位；最后，对大用户的用水量和所处管网的位置进行核查。对于拓扑结构的检查，下面列举一例手动校核后管道出现错误的示例。图4.1.1为迎丰路DN100存在问题的管道（加粗红色管道）。压力下降区域问题管道图4.1.1迎丰路问题管道示意图Fig4.1.1TheproblempipelineschematicofYingfengroad水力模型的计算后，比较压力时发现陆家桥区域（如图4.1.1中的圆圈处）处压力偏低，在高峰用水时段低至10mH20，局部地区甚至为负值，而在实际中高峰用水时段的压力为20mH20左右。因此初步判断附近阀门有关闭或者管道管径有误的情况，与海昌营业所沟通核查。经核查发现迎丰路DN100的管径有误，GIS中管径为DN100，实际管径应为DN200。在水力模型将阀门状态调整后，重新进行计算。如图4.1.2和图4.1.3分别是圆圈处黄色位置管径修改前后压力对比情况。图4.1.2管径在错误状态时黄色位置压力模拟值Fig4.1.2Pipediametererrorwhentheyellowpositionpressuresimulationvalues 硕士研究生学位论文第四章管网水力模型校核31图4.1.3管径修改后黄色位置压力模拟值Fig4.1.3Pipediameterrevisedyellowpressuresimulationvalueposition通过上述步骤的校核，水力模型的精确度有了很大程度的提高，与实际监测值的误差有所减小，但仍没有达到水力模型准确度的要求，因此，还需要对水力模型进行自动校核。4.2管网模型自动校核自动校核一般用来校核的是管道粗糙系数和节点流量，即可以认为自动校核主要是对水头损失和节点流量进行校核。给水管网埋设于地下，多年使用中管网的清洗不及时，使得管道内的水垢、铁锈、微生物的沉积，造成管网的过水断面不断减小，水头损失增大，降低了管网运输水的能力，从水力学的角度分析，海曾-威廉C值随着时间的增加会逐渐降低，管道粗糙系数也很难确定。节点流量的基础数据非常庞大且灵活多变，只能[35]根据用水量情况总结出一个平均值，无法满足特定情况下的水量模拟。自动校核的准确度主要由所采用的管网参数校核方法及软件的运算能力所决定。4.2.1自动校核方法管网参数的校核方法主要分为灵敏度分析、解析方法、解非线性方程法和最优化方[36]法等四大类。（1）灵敏度分析法灵敏度分析方法研究的是通过调整管道粗糙系数和节点流量，使压力监测点和流量Hi监测点的误差快速有效的减小甚至消失。其原理是求出调整粗糙系数的灵敏度或调SkHi整节点流量的灵敏度，选择这个系数最大的管段或节点进行调整，能够明显减小压Qj 32第四章管网水力模型校核硕士研究生学位论文差。（2）解析方法解析方法主要有两点：一是将已知条件下对模型计算压力、流量与现场实测压力、流量进行比较；二是调整关于模型的输入参数值，以改善模型计算值的吻合程度。（3）解非线性方程法若要获得某节点的压力，可以通过对某一管段的水力特性（如设增压水泵等）进行调整以得到结果。即利用解非线性方程法，在原管网方程中添加虚环方程（每一压力点对应一个虚环方程），将需要调整的阻耗系数作为未知数，用牛顿法求解得到非线性方程组。（4）最优化方法该方法是以模拟值和实测值的偏差作为目标函数，建立隐式校验模型，通过优化方法调整节点流量和管道粗糙系数等参数，从而达到参数估计的目的。目前该方法是管网模型校核最有效的方法。因此，在WaterGEMS软件的自动校核中采用的就是最优化方法。4.2.2自动校核在本文中，模型利用BentleyWaterGEMS软件中的达尔文校核器校核海曾-威廉C值。软件的缺省C值为130，根据C值的影响因素，按管材、管径、管道敷设年代把所有管道分为24组，按照表4.2.1的C值设定管道的初始值。表4.2.1C值的初始值Table4.2.1theinitialvalueofC管材管径DN（mm）d<2525～100100～200200～300300～600600～1200d>1200铸铁1950～19594955667075781960～19695865758085891970～19796975829095961980～19898285931011051071990～1999991051121151181202000～2011120125128130132134钢管1950～1999959595959595952000～2011105105105105105105105塑料135135135135135135135石棉145145145145145 硕士研究生学位论文第四章管网水力模型校核33利用达尔文校核器校核C值。M市水力模型需要进行多次反复的校核，才能达到测压点和流量计的精度要求。具体校核过程为：（1）第一次校核。将全市的管道按上述初始C值分配方法创建26个调整组，设置C值的调整范围如表4.2.2所示。适应度容差为0.001，最大试验次数为500000次，保留5个最优解，种群大小为100，交叉概率为1.7%，选择概率为90%，突变的概率为1.0%，惩罚因子50。校核后选取最好的最优解1，作为管道的C值，表4.2.3为调整组第一次校核后C值的结果。表4.2.2调整组C值调整范围Table4.2.2AdjustingrangeofC管材管径DN（mm）d<2525～100100～200200～300300～600600～1200d>1200铸铁1950～195940~6045~6550~7060~8065~8570~901960～196945~6555~7565~8570~9075~9580~1001970～197960~8065~8570~9080~10085~10585~1051980～198970~9075~9580~10085~10595~115100~1201990～199990~11095~115100~120105~125110~130110~1302000～2011110~130115~135115~135120~140120~140125~145钢管1950～199985~10585~10585~10585~10585~10585~10585~1052000～201195~10595~10595~10595~10595~10595~10595~105塑料130~150130~150130~150130~150130~150130~150130~150石棉135~155135~155135~155135~155135~155 34第四章管网水力模型校核硕士研究生学位论文表4.2.3调整组第一次校核C值校核结果Table4.2.3AdjustgroupcheckCresultsforthefirsttime管径DN（mm）管材d<2525〜100100〜200200〜300300〜600600〜1200d>12001950〜19591960〜1969铸1970〜1979728590铁1980〜1989888398931131131990〜19991101091201131181282000〜20131261171281351261401950〜199993939393939393钢管2000〜201397979797979797塑142142142142142142142料砼143143143143143143143图4.2.1为遗传算法适应度，从上图可以看出蓝色是相关性曲线，模拟值与实际观测值都分布在相关性曲线附近，说明模拟值与观测值相关性比较好。图4.2.1第一次校核遗传算法适应度Fig4.2.1Checkthegeneticalgorithmfitnessforthefirsttime（2）第二次校核。第一次校核后，对比测压点和流量计的监测值和模拟值的误差范围大大缩小，为了使模型精度更加准确，在第一次校核的成果基础上进行第二次校核。使用第一次校核的24个调整组，以全市77个测压点的监测数据作为目标压力观测值数据，C值调整范围如表4.2.4所示，适应度容差0.001，最大实验次数500000，保留5个最优解，种群大小100，交叉概率1.7%，选择概率90%，变异概率1.0%，惩罚函数是50。校核后选取最好的最优解1，作为管道的C值，表4.2.4为校核后C值情 硕士研究生学位论文第四章管网水力模型校核35况。表4.2.4调整组第二次校核C值校核结果Table4.2.4AdjustgroupcheckCresultsforthesecondtime管材管径DN（mm）d<2525～100100～200200～300300～600600～1200d>1200铸铁1950～19591960～19691970～19797260701980～19898085908595951990～19991001051101151201282000～2011120125125130130135钢管1950～19991051051051051051051052000～201195959595959595塑料140140140140140140140石棉158.6158.6158.6158.6158.6158.6158.6第二次校核之后最优解的遗传算法适应度图4.2.2所示。图4.2.2第二次校核最优解的遗传算法适应度Fig4.2.2Checkthegeneticalgorithmfitnessforthesecondtime由上述的最优解的遗传算法适应度图可得，相关曲线拟合很好，模拟值与观测值都分布在相关性曲线附近，说明模型校核比较理想。可见校核之后，模拟值与实际值更靠近。 36第四章管网水力模型校核硕士研究生学位论文4.3模型精度考核模型的校核要满足精度要求才能认为所建立的模型是准确的，可以在实际中运用。精度考核的数据主要是压力监测点和流量监测点的数据，这两个数据经过校核之后满足精度要求则可以将模型投入使用。4.3.1测压点精度考核（1）测压点精度考核方式本项目测压点精度考核指标：50%测压点的实测值与模拟值差值的绝对值的平均数≤1m，100%测压点实测值与模拟值差值的绝对值的平均数≤2m。（2）测压点精度考核结果M市共有78个测压点，体育馆无数据，仅仅利用77个测压点作为考核。附录2为全市测压点误差范围情况。表4.3.1全市测压点满足精度考核汇总情况。表4.3.1全市测压点满足考核汇总Table4.3.1Thecity’spressurepointmeettheinspectionsummary序号误差范围测压点个数百分比1≤1m4152.69%2≤2m7394.62%4.3.2流量精度考核（1）流量精度考核方式本项目对于管道流量精度的考核方式是将流量计监测值与模型中流量计所在管道模拟的流量作比较，精度考核指标：对于管道流量占管网总供水量1%以上的管道，管道流量的实测值与模拟值的相对误差绝对值的平均值误差＜±5%；对于管道流量占管网总供水量0.5%以上的管道，管道流量的实测值与模拟值的相对误差绝对值的平均值误差＜±10%。（2）流量精度考核结果全市供水量为157456m3/d，其中流量计的监测水量占管网总供水量1%以上（即1574.56m3/d以上）的有4个，监测水量占管网总供水量0.5%以上（即787.28m3/d以上）的有6个，表4.3.2为流量计误差范围情况。 硕士研究生学位论文第四章管网水力模型校核37表4.3.2流量计误差范围Table4.3.2Flowmetererrorrange编号计量表名称误差范围（%）1南北大道洛塘河大桥实际累计4.862长山河大桥实际累计4.483城南大道高速路口实际累计2.464燕子浜实际累计3.845三水厂表一实际累计3.556三水厂表二实际累计3.08表4.3.3为流量计满足考核汇总情况。表4.3.3全市流量计满足考核汇总Table4.3.3Theflowmetermeettheinspectionsummary序号考核指标流量计个数达到考核指标百分比1监测水量占管网总供水量1%以上4100%2监测水量占管网总供水量0.5%以上6100%4.4本章小结（1）对建立的管网模型分别进行了手动校核和自动校核，在手动校核中修正了模型的管网参数，如管道的管径、阀门的启闭等参数；在自动校核中经过两次校核调整了海曾-威廉公式的系数C值。（2）通过不断的校核使得模型达到了一定的准确度后，利用测压点和流量监测点的数据对模型进行精度考核，误差小于1m的测压点有41个，误差小于2m的测压点有73个，流量计占管网总供水量1%的有4个，0.5%的有6个，这6个流量计的误差范围均小于5%，管网的水力模型达到了精度要求，可以在下一步实际运用中使用。 38第四章管网水力模型校核硕士研究生学位论文 硕士研究生学位论文第五章M市水力模型的运用39第五章M市水力模型的运用在第三章、第四章中可知M市水力模型建立后达到了精度要求，可以将其运用到很多方面，比如管道改造、管网规划、应急事故处理等。其中，应用最为频繁的是管网改造及管网规划。M市城市管网部分管道铺设年代久远，管网老化严重，需对旧管道进行改造，同时管网的供水量已经无法满足城市的发展需求。因此，利用水力模型对管网进行规划和改造，可以提高模型中给水管网的可靠性；同时，对采集的大量数据，水力模型能够对数据进行深度的开发和处理，不再是仅限于计算机电脑显示，更能够应用水力模型对管网的运行状况进行管理和决策。5.1双喜桥路DN800管道改造方案双喜桥路DN800管道，采用的是钢管，铺设于80年代末，由于铺设年代久远，腐蚀比较严重，管道的输水能力以及水质大大降低，同时也增加了水厂出水泵站的工作负荷，加大了能量消耗。现为了满足该区域的供水水量及水质要求，并与城市未来发展相结合，提出管道的改造方案：将双喜桥路DN800管道废除，是否需要另铺设其他管道以满足双喜桥路DN800管道供水范围内的水量和水压有待确定。如图5.1.1所示，为双喜桥路DN800管道。图5.1.1双喜桥路DN800管道Fig5.1.1DN800pipelineinShuangxiBridgeroad在进行管道改造之前，需要明确即将被废弃管道的几个参数，如管道的流量、流速、 40第五章M市水力模型的运用硕士研究生学位论文下游管段、供水范围（供水面积）以及周围水压等。与营业所沟通得知，双喜桥DN800管道最大流量为1346.764m3/h，最小流量为493.124m3/h。利用水力模型中供水范围的追踪功能，又称作追踪下游管段功能，可以模拟显示出双喜桥DN800管道的供水水量占下游管段水量80%以上的区域。如图5.1.2所示。图5.1.2DN800的主要供水范围Fig5.1.2DN800watersupply明确了供水范围之后，在供水范围内选择参考点。参考点的选择一般包括最不利区域的最不利供水点和最不利供水管段，记录下改造前参考点的压力和管道流量作为改造后的参考。也可以对整个供水范围进行记录和比较，记录下改造前后的供水点的压力值，判断改造后的压力变化是否在管网正常运行的要求范围内，这种方法比较适合供水范围较为集中且供水压力差异较小的区域。本文根据提出的管道的改造目的，提出两个改造方案。方案一：废除DN800管道，不再铺设新管道；方案二：废除DN800管道，在08省道处铺设一条管道，管径待定。根据这两个方案，利用水力模型，在不同的管网运行状态下，逐一进行模拟分析，以寻求最佳改造方案。5.1.1方案一废弃双喜桥DN800管道，将会影响周边管道的压力状况，根据方案一的情况进行模拟废弃管道后管网的压力发生了变化，记录下来之后与改造前管网压力比较，结果（高峰9点的模拟）如下图5.1.3。 硕士研究生学位论文第五章M市水力模型的运用41图5.1.3方案一压力变化分析图Fig5.1.3PlanAchangestressanalysisdiagram其中红色表示压降在0.03～0.035MPa的范围，蓝色表示压降在0.02～0.03MPa的范围，紫色表示压降在0.01～0.02MPa的范围，棕黄色表示压降在0～0.01MPa的范围。显然，供水范围大部分压降在0.02～0.03MPa范围。对供水压力的影响较大。5.1.2方案二根据方案二所述，废弃双喜桥路DN800管道后从08省道处新铺设一条管径未定的管道，以满足该供水区域的供水要求。由于原管道的最大流量可达到1346.764m3/h，首次模拟时将管径设置为DN500。通过水力模型的模拟分析，当新增管道为DN500时，原废弃的双喜桥路DN800管道的供水区域的供水流量没有达到供水要求，因此第二次模拟时，将管径设置为DN800，再一次利用水力模型进行模拟分析，这次的管网流量满足要求，而改造前后的压力变化，如图5.1.4所示。其中红色表示压降在0.03～0.035MPa的范围，蓝色表示压降在0.02～0.03MPa的范围，紫色表示压降在0.01～0.02MPa的范围，棕黄色表示压降在0～0.01MPa的范围。显然，供水范围大部分压降在0.01～0.02MPa范围。对供水压力的影响较小。 42第五章M市水力模型的运用硕士研究生学位论文图5.1.4方案二的压力变化分析图Fig5.1.4PlanBchangestressanalysisdiagram5.1.3方案选取通过上述分析，可以看出废弃双喜桥路DN800管道之后管网的供水压力变化较大，对供水安全性有较大的影响，所以建议采用方案二，在08省道增设一条管径为DN800的管道。铺设该管道后弥补了一部分管道去除后的压降，并提高供水安全性，减少爆管概率，为以后得管网的改扩建提供便利的条件。改造后的管网示意图，如图5.1.5。双喜桥路08省道DN800图5.1.5提出的改造方案Fig5.1.5Retrofitscheme利用水力模型为管网的改造提供改造方案，不仅能够满足管网运行的水压、水量、水质的要求，提高了供水的安全可靠性；而且还能为管网的布局提供科学合理的安排， 硕士研究生学位论文第五章M市水力模型的运用43充分考虑城市分期建设的可能性，为未来的发展留有余地。随着城市的发展，应适当考[41]虑给水管网的规划前景。通过水力模型，可以将现有的给水管网进行优化，也可以合理准确的确定管径。5.2水厂停运后的水力调度M市第三水厂，主要负责盐官以西（含）区域供水管理及三水厂的制水生产。2006年9月已全部竣工通水，目前拥有制水能力10×104m3/d，但随着城市的不断发展，第三水厂有限公司的供水能力远不能满足该区域供水要求，扩建工程正在抓紧进行，计划于2016年夏季竣工通水，届时总制水能力达30×104m3/d。水力模型不仅仅能在管网改造中使用，对于整个管网的调度同样可以提供决策方案。在三水厂修建期间，M市水务集团提出停止三水厂的供水，市区部分都由二水厂独立供水的方案，在对水厂进行处理之后，要求满足整个给水管网水量的情况下，市区内的供水压力不得少于0.18MPa，因此，需利用M市给水管网的水力模型判断其方案是否可行。先对前期收集的数据进行提取，得到三水厂每日供水约10×104m3/d，二水厂每日供水约5×104m3/d。若将三水厂停运，则二水厂不仅要满足15×104m3/d的供水量，同时也要满足管网压力高于0.18MPa，将管网的水力模型重新进行调整以满足这两个条件。图5.2.1，为市区管网的水力模型，圆圈处就是要停运的三水厂的位置。图5.2.1市区的水力模型Fig5.2.1HydraulicmodelofMcity在模型中选择参考点，其中应包括供水范围内的最不利供水点，把这些点建立成选 44第五章M市水力模型的运用硕士研究生学位论文择集或是背景层，同时，记录下这些参考点的节点压力和节点流量，以便和水厂停运之后的管网模拟值进行比较。图5.2.2红色点为选取的参考点位置。图5.2.2参考点的位置Fig5.2.2Thereferencepoint做好停运的数据准备和记录之后，在模型中，将三水厂水泵，停止水厂向管网中供水。在模型中，给水管网的供水厂由清水池代替，因此，水厂水泵的扬程可以用清水池的高程来代替。由于三水厂的停运，管网中的水量和压力都有所下降，因此将二水厂的扬程，即清水池的高程提高15m，重新对管网进行水力分配计算。导出计算后的参考点的水力标高，与停运之前的数据进行比较，具体数据由表5.2.1所示。 硕士研究生学位论文第五章M市水力模型的运用45表5.2.1停运前后的数据比较Table5.2.1Datacomparisonbeforeandafter时间P-21148wj-1146P-26411P-5987wj-6872停前停后停前停后停前停后停前停后停前停后126.219.324.717.624.517.223.916.724.116.9226.920.725.418.225.218.424.617.424.817.1326.420.924.917.924.717.224.116.924.317.3426.619.825.117.424.91724.317.124.517.5525.920.124.516.324.316.623.716.223.917.2629.619.728.220.427.820.127.320.127.520.2729.622.328.121.127.220.62719.827.119.8829.522.327.920.726.319.526.618.826.618.5928.122.626.419.224.617.42517.825.216.8103021.728.320.826.519.326.919.62719.81128.323.126.719.425.117.925.418.325.516.31228.921.627.319.925.718.52618.226.118.91328.321.526.718.725.418.425.518.325.616.81430.121.228.621.427.520.327.520.327.620.31529.92328.421.227.419.827.320.127.420.11628.922.227.320.126.319.226.21926.318.21729.121.227.620.426.418.926.419.426.518.618292227.42026.119.326.218.926.318.1192921.827.519.826.418.726.319.526.418.52029.821.928.321.127.320.127.221.127.320.42129.922.628.421.827.420.327.321.327.420.62226.123.124.617.223.816.523.616.323.716.22323.519.521.913.921.313.22114.721.214.62425.616.324.117.323.615.823.216.323.416，5根据表格的数据显示推断，管网中的部分节点水压已经低于市区供水所要求的最低值0.18MPa，因此需要调整二水厂的出水量和出水压力。在第三章中曾提到，管网中的用户的用水量不是一个固定值，是随着时间变化的一个特性曲线，每一类用户都有自己的用水特性曲线，因此，随着管网中的需水量的变化，水厂的出水量也是随之变化的。模型中的清水池也有符合其供水规律的用水特性曲线。当管网中的水量及压力发生变化的时候，水厂的供水特性曲线也发生了变化，原来的特性曲线已经不再适用，需要重新调整。将重新调整过的供水特性曲线添加到管网模型的清水池属性中，再一次对管网进行水量分配的模拟计算，计算后导出参考点的节点压力，表5.2.2所示。 46第五章M市水力模型的运用硕士研究生学位论文表5.2.2调整后的节点压力Table5.2.2Afteradjustingthenodepressure时间P-21148wj-1146P-26411P-5987wj-6872023.824.622.624.224.2124.525.223.324.924.9225.225.92425.525.6324.625.323.52525.1424.925.523.825.225.3524.324.923.124.624.6627.828.626.728.328.3727.528.626.228.128.2826.928.625.627.828.1925.527.22426.326.61027.429.125.928.128.41125.927.524.426.626.91226.5282527.227.5132627.424.626.626.9142829.226.728.528.71527.72926.528.428.51626.727.925.427.327.51726.828.225.527.527.81826.728.125.427.427.61926.728.125.527.427.62027.728.926.428.328.52127.82926.628.428.62224.125.122.924.624.72321.522.520.32222.1通过对比可以推断，调整清水池的供水特性曲线之后，管网中的压力基本满足了要求，供水压力均显示在0.18MPa以上。符合了压力要求之后，将此时的清水池的出水量导出，计算其供水量的总和，得出的数据约为15×104m3/d，即此时管网中的二水厂可以为市区的管网进行供水，满足其供水要求。因此，在管网的改扩建过程中，特别是供水厂和加压泵站的修建，利用管网的水力模型进行模拟之后得出的方案不仅能够保证管网的供水要求，提高管网供水的安全可靠[42]性，还能准确计算出管网中所需的水量和压力值，为水厂选泵提供了准确可靠的数据。不再是凭着管网数据大致计算出水泵所需的扬程和出水量，为了管网的供水安全性，在选泵的过程中加大扬程和供水量，导致不必要的能源浪费，提高了投资成本。根据水力模型所提供的数据选好水泵后，再通过水力模型的计算模拟，可以预测出换泵或增加泵之后整个管网的运行工况，观察是否满足管网不同时刻的供水要求。这样在满足了用户 硕士研究生学位论文第五章M市水力模型的运用47用水量和水压的情况下，可以将水泵的工作效率提高到最大化，也确定了管网的优化调度方案并降低了系统的运行费用，达到了优化供水调度与节能的目的。5.3测压点的优化布置为了保证城市给水管网系统的供水安全，必须要全面的了解给水管网工作时的运行[1]工况。管网中的压力不仅能够直接反映城市的供水质量，也能全面反映给水管网实时[52]工况以及对给水系统实施正确调度管理的重要参数。布置压力监测点的目的主要有：了解管网正常工作时的压力分布以及需求情况；及时发现管网的异常情况，压力监测点的数据出现异常，很有可能是管网有事故发生，通过观察分析压力数据，可以推断出事故发生的大致位置以及情况；节点压力能够反映出管网的漏水情况，所以管网压[36]力监测也是管网漏水量监控的需要；④可以作为管网优化调度的基础数据。因此，对管网进行测压能保证供水质量、运行安全、节能降耗以及供水效率。合理的布置测压点尤为重要。测压点的合理选择，不仅能实时准确的掌握供水管网的运行工况，也能降低供水管网的设备成本，选择的测压点必须要具有代表性和全面性。供水管网运行时，节点水压会受到外界因素的影响，其中影响程度最大的因素是节点流[41]量。当节点流量发生变化时，一定会造成其他节点水压的变化，对每个节点的影响程度也是不一样的。因此，当节点流量发生变化时，压力变化最明显的节点就是布置测[46]压点的最佳位置。目前，管网测压点优化布置的主要方法有：聚类分析法、灵敏度分析法、影响系数法等。由于市政管网的规模巨大，数据较为复杂，若要利用人工计算各种工况、测压点[53]的布置位置，过程较为繁琐且计算量大。本文在SCADA系统运行数据的基础上，利用WaterGEMS软件建立供水管网的水力模型，对管网中的压力值进行归类分析，挑选出最有代表性的压力点，对M市东区新增的压力监测点进行优化布置。5.3.1测压点布置的理论基础[32]在WaterGEMS软件中，采用的是类似于模糊聚类法的一种数学思想，是依据相应的聚类原则以及模糊评判标准，将具有相似性质的对象归聚为一组。模型的参考对象是管网中的n个节点，比较两两节点的相似系数Xik，将具有相似性质的节点划分为一组。具体步骤如下：（1）X的标准化a.将X中各列元素的标准差进行标准化，对k列元素的表达式如下：XikXkX"ki1,2,...,n(5-1)Sk 48第五章M市水力模型的运用硕士研究生学位论文n12SkXikXk(5-2)ni1b.将X"中各列元素的极值进行标准化，对k列元素表达式如下：nnX"X"ikkX"mininik1,2,...,(5-3)""XkXkmin（2）标定""""通过分析X，求出两两节点依X的相似系数r，从而得到模糊相似矩阵R。ijnn""由X计算R的方法，采用欧氏距离法分析两两节点的模糊关系，其表达式如下：n1""""2rijXikXjki,j1,2,...,n(5-4)nk1r反映了i节点与j节点水压波动的相似程度，r越小说明i节点与j节点越相ijij似。R为对称矩阵且主对角线元素为0，其余元素0