开会玩的游戏:[转载]城市供水管网功能模型构建概述（转）

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1、模型构建原理

给水管网模型是市政工程设计和运行管理的有效工具。该模型技术已被水务公司，咨询企业和政府部门广泛使用，并证明了其可靠性。除了软件本身易于操作外，该技术还能很好地储存、管理、分析并显示管网水资源信息。建立管网模型是为了综合管理系统的水压、水质特点，分析将来可能出现的工况，帮助工程师提出合理的系统设计和运作方案。

对于复杂的给水管网系统，为了保证安全供水，满足不断增长的供水需求，需要对系统进行扩建，改建和系统安全分析。由于系统的复杂性，如果没有准确可靠的管网模型支持，工程师就无法对各种可行方案进行系统性的摸拟计算，因此，很难得出经济有效的问题解决方案。在过去的二十年里，政府和企业都已投入了大量的资金，不断完善水资源模型和资产信息系统技术（AM/FM）。现代模型技术通常是性能丰富，并采用开放式的数据库体系，把地理信息系统和资产信息系统技术集合在一起，为设计建造行业开启了一扇大门，使他们可以充分利用已有的模型技术。然而，如何更好地建立准确的管网模拟模型却是一个难题。Darwin Calibrator──达尔文校正器是基于自然进化和基因遗传原理的模型参数优化技术，它给工程师提供了一个灵活、智能的工具，能有效地优化模型参数，提高管网模型精度，为实现高效益供水具有积极的指导作用。

最优化模型的基本原理是用水力模型作为分析器，采用智能算法自动搜索和评价各种方案。通过优化计算获得一组较好的结果（最好和接近最好的），用以解决实际问题，如模型校正、系统设计和供水调度。

在供水管网领域，技术人员已经开始在一些案例中使用最优化模型，这些应用已经并将继续在水资源工程中体现优化模型的价值。大多数的水政部门在做决策时还未使用这些模型。随着对最优化模型的进一步认识和在实际工程中的应用，以及水工业全球化和市场化的进一步深入，将把水资源行业推入一个新的阶段，该阶段将是更能体现其优化模型的价值，并更具挑战性。

实际管网不仅包括管道，还包括许多其他装置、设施、储水罐和蓄水池、仪表、调节阀、水泵以及电子、机械控制设备。

为便于建模，系统组件分为以下几类：

l管道——将水从一个位置（或节点）传输到另一个。

l节点——系统中受关注的特殊点或节点。包括管道交叉点，或系统中的主要需水点，如大规模工业用水、住宅群、消防栓，或系统中需保证水压的关键节点。

l蓄水池和水塔——水力梯度已知的边界节点，定义了任何计算周期的初始水力梯度。这些节点组成了基本水力约束条件，确定了系统运行过程中所有其他节点的条件。边界节点包括水塔、蓄水池和压力源等组件。

l水泵——作为节点考虑。为系统提供能量，提升水压。

l阀门——管道中阻止或控制水流的机械装置，也可控制水流逆流或顺流经过阀门时的管道压力。阀门会造成系统的能量损失。

系统某点的水力条件或事件会影响所有其余部分，这使工程师寻找解决方案的过程变得复杂。可遵循管网运行的一些指导原则，包括质量/能量守恒定律和能量原理。

两种分析模式分别是管网恒稳态水力学和扩展阶段模拟。此处采用梯度运算法则，确定流量分配和水力梯度。

延时模拟的基本方法是以管网水力平差计算原理为基础，将分时段变化的用水量作为动态变量，对不同时段的管网运行状态进行计算模拟，在每个分段时间里认为工况不变。

传统的管网计算理论侧重于某一工况的静态平差，不足以对管网运行状态的动态描述，这种方法更适合于管网系统设计或管网系统规划；而对于水厂的调度和管理，供水系统的日常动态管理，则需要了解管网运行时一天的各个工况状态。延时水力模拟将一天分成n个时段，一般以15分钟或半小时或一小时为单位，分成多个时段，以每个时段的平均节点流量作为计算数据，进行水力平差计算，可近似地模拟管网中的各种连续运行状态。

设Qavg为一天中平均总供水量，Qi为每个时段的管网总供水量，ki为每个时段的水量系数，则有：

        
i＝1，2，3…

这些系数形成了管网中用水量模式曲线，或称为权重系数曲线，每种类型的用户均可计算出它们的用水量模式曲线，结合各类用户的平均流量，可计算它们分别的节点流量，结合管网中其它参数，可进行供水管网系统延时模拟计算。

节点流量计算流程图

节点流量是供水系统管网模型开始计算的必须条件，在进行节点流量计算之前需要充分了解以下信息：

·系统中的总需水量

·需水量的地理分配，包括未计量用水量

·用水量的不同类型

·不同用户类型的各种日需水量形式

·由于大量用水或非常规形式的用水对于管网产生相当影响的大工业用户。

实际供水管网系统中的用户应是管网模型中用水量节点的雏形，用户的用水量应该是给水管网模型中节点的节点流量。然而实际供水系统中用户的用水具有随机性、周期性和不确定性，怎样模拟用户用水的过程，即为模型中节点流量的计算方法。节点流量的计算是基于大量的现场实测数据，大用户现场抄表数据及每月用户水表抄见数。以下将详细说明节点流量计算的过程。

(1) 用户的用水量分配

首先在地形图上划定节点流量区域。该过程的目的是求解每个用水量节点每月平均节点流量值，建立用水量节点号码与用户抄表簿号码的连接关系。用水量的地理分配由相关的节点区域分配需水量至各节点而获得。很明显在第一段中，我们可以看到有两类用水量可进行地理分配：

·确定的边界内的抄表簿

·有单独地址的大用户

因此首要的任务是确定供水量节点所含抄表簿的边界范围和找到大用户具体地理位置。我们用1：10000的地形图，在地形图上确定了用水量节点的供水区域。

抄表簿的边界由供水公司提供的地形图及GIS系统中的相关数据来确定。而大用户是那些每月平均用水量等于或超过20000立方米(可根据各地不同情况而定)，并且每一个大用户都有单独的需水量节点，首先通过GIS由大用户的水表表号查找出大用户的地理坐标，然后通过坐标查找其在模型中对应的节点号，在GIS中通过水表表号查找不到的大用户所对应的单独的需水量节点号将被标在1：10000地形图上。

每个节点用水量区域的用水量是由所确定的边界内的抄表簿和有单独地址的大用户而确定。

在管线图上，管道与管道的连接处，设置节点，节点有两种类型，用水量节点和非用水量节点。选定其中的某些节点作为用水量节点并被分配节点流量，抄表簿和大用户将和用水量节点一一对应。

在管网中，一个需水量节点可能包括多本抄表簿和大用户。单独地址的大用户将被单独分配节点,并且这些大用户在管线图将被显著的标出。

节点流量的分配：

为了将管线图上的节点区域的信息与用水量数据库连续起来，在管网静态模拟和动态模拟中，抄表簿、大用户与需水量节点对应关系将被一一列出。

（2）用水量数据

建立供水区域节点用水量数据库，一旦确定，可将各用户的用水量转化为模型中各节点的节点用水量，数据库包括以下的表：

·服务区域用水量数据表

·模型用水量数据表

·各类不同性质用水量用户数据表

计算平均日用水量的目的是为了保证所有的用水量记录都被包含进去，因为大量用户的抄表工作是双月抄表，有的用户奇数月抄表，有的用户偶数月抄表，因此营业所抄到的用户的数据存在着不完整性的问题。

总共分了6类不同性质的用户。它们分别是：

·大用户

·民用水A类

·非民用水用户B类（一班制）

·非民用水用户C类（二班制）

·非民用水用户D类（三班制）

·非计量类

对于非民用水我们根据它们的用水量趋势将其归为非民用B类、C类、D类。具体如何将非民用水归成B类、C类、D类我们将在非民用水用水量曲线中予以讨论。

当模型用来动态模拟管网水力状况时，需要制作用户用水模式曲线。该过程的目的是寻求大用户和其它几类用户的用水规律曲线。基本原理是：系统水量平衡方程，其中无计量用水模式计算方法有两种："晚上净流量法"(Net Night Flow Method )和"平均流量法"(Average Flow Method)；每个时间点上无计量用水的分配也有两种方法：第一种是管网当中的无计量用水按照用水量节点上连接的水表数目占管网研究区域中总水表数目的百分数分配到每一个用水量节点；另一种方法是将无计量用水按模型中两用水量节点间输水管长度占模型中总管长度的比例分配到下游的用水量节点。

（3）系统需水量

系统需水量是一条在所选定的校验日期间管网模型内用水总量的24小时曲线。它包括未计量用水量和水库蓄水的基本变化。系统需水量从选定校验日测得的每15分钟数据计算用于模型中。它们由合计从模型中所有的水厂和边界上的管线的进水量而后减去模型中水库的进水量而得出。因为不间断的对水厂出水进行人工读数，得到的结果比较平滑。所有用来提供系统需水量的数据都是从现场测试中得到的。系统需水量的曲线是测试区域中各种用户类型的所有需水量曲线的总和。

·通过对水厂及边界点的测试计算进入系统的流量

·通过水库水位测试及水库体积曲线求出水库进水流量

·计算出24小时系统需水量变化曲线

（4）非民用用水量曲线

非民用用户包括对本地水力管网有相当影响的大工业用户。因此需要为这些大工业用户建立特殊的用水量曲线，同时决定为较小的非民用用户建立普通的用水量曲线。因为这包含了大量的用水用户，但现场测试的人工读表又不可避免，因此可以根据实际情况对对这项测试工作加一些限制条件，根据用水用户的平均月用水量的大小范围确定读表的方式和时间。

同时将非民用用户分为大用户及一班制B类、二班制C类、三班制D类。根据现场测试得到的数据确定各类用户的24小时的用水变化曲线。

（5）未计量用水量曲线

每一模型区域的未计量用水量由校验当日的所测得的系统平均需水量和同日用水量数据库中民用和非民用总量之间的差值而计算得出。其中包括流失、合理但未装表用水以及不合理用水。

未计量的用水量曲线参考模型区域的压力变化而制作用以反映压力对漏失的影响。

（6）民用用水量曲线

建立了非民用和未计量用水的用水量曲线后，仍要确定民用用水量的曲线。它并非象其他用水量类型由测量直接得出，而是通过民用用水量和其他用水量类型合计总结果匹配系统需水量时计算得出。

民用用水量曲线因此就可以从系统需水量、大用户用水量曲线（6天、7天工作制）、非民用用水量曲线（B类、C类、D类）以及未计量用水量曲线中综合得到。将系统用水量曲线扣除非民用用水量曲线和未计量用水量曲线就得到了民用用水量曲线。民用用水量24小时时变化系数可以用被选定校验日的各时段民用用水量除以民用平均小时用水量得到。

（7）确定节点流量

一旦知道了每类用户的用水模式曲线和用户的平均流量值，就可以由根据以上求解过程求解每个用水量节点每类用户的每时段用水量。

管道绝对粗糙系数的确定：在供水系统维护、保养及改扩建过程中，很容易获得各给水区域各种不同年代不同管材的管壁切片，用游标卡尺或其它测量方法求出管壁绝对粗糙系数， 将它们存入计算机数据库；对各种不同管材、不同年代C值进行曲线拟合，求出其它未测量管道的C值。

阀门阻力系数的确定：不同阀门阻力系数的确定可从阀门生产厂家直接获得；或用它们的 数据按建模软件里阀门模拟公式的要求，经转换获得；如现场测试条件具备，也可在现场实 测获得有关阀门阻力系数值。

这些管道的粗糙系数C值和阀门的阻力系数值作为模型启动计算时输入的初值，模型校验时需再调整。

标准Hazen-Williams 管道粗糙系数C值表

为了通过现场测试获得管道粗糙系数的初始估计值，最好根据相关管道的年代和材料把配水系统划分为不同的区域。第二步，测试每一区域不同直径的几种管道，以获得单个管道粗糙系数的估计值。一旦建立了管道粗糙系数诺莫图，就可用来对系统中其它管道的粗糙系数赋值。

l完善的给水管网地理信息系统（GIS）基础数据

1.GIS信息系统中管长、管径、管材、铺设年代、埋深、节点类型、管线连接方式、地理坐标、道路规划等数据必须完善准确；

2.GIS与模型软件兼容过程中可能无法直接导入的参数，如地面高程（节点高程）、特大用户地理坐标、用水类型等，需要考虑采用其它有效途径获取；

l用户资料

1.用户的组成、用水类型和分布情况；

2.拟建立模型所覆盖区域内各类用户全年用水量的月抄表数据资料；

3.近期和远期用水量曲线；

4.各营业所抄表区域划分情况；

l测压、测流等数据

1.调度SCADA系统自动遥测点坐标、详细位置、传感器安装高程、数据采集与传输完好情况、监测压力值等资料；

2.典型供水情况下的消火栓测压数据，每次所能采集到的有效压力数据个数大于拟建成模型总节点数的1%以上；

3.消火栓测压点的地面高程、消火栓类型、测压日调度数据；

4.在线流量仪表监测数据、现场测流数据

l管网调度资料

1.各台水泵的参数、运行调度状况及特性曲线；

2.关键阀门的埋设位置、阀门类型、尺寸、开启度、使用情况；

3.用作模型校验的测压日供水管网调度日志；

4.调节构筑的类型、数量、位置、运行参数、调度情况；

5.水库、清水池、水塔等的参数，包括水位变化曲线、容积、池底标高、溢流水位等；

6.典型管线的阻力系数；

管网建模过程简化步骤流程

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