MIKE URBAN在供水管网设计和管理中的应用研究

杜小洲

（陕西省引汉济渭领导小组办公室 陕西 西安 710004）

供水管网是供水系统的重要组成部分，且是隐蔽、分散的工程，管理的难度较大。陕西省是发展区域集中供水和水务一体化最早的省份。特别是国家“饮水安全”项目和我省“八大民生工程”实施以来，农村集中供水工程规模越来越大，县城供水系统硬件日趋先进，不少县自来水公司已经实现网上远程可视化监控，但管网水力计算和水厂优化调度仍然是各县（区）供水设计和管理中的薄弱环节。因此，引进并应用高性能的计算软件，充分发挥自动化程度相对较高的供水工程硬件设备的潜力，对促进陕西省供水工程建设和管理实现跨越式发展具有重要的意义。

MIKE URBAN软件是丹麦DHI公司经过整合的城市GIS和管网建模软件，其中MIKEURBANWD管网配水模型在国内的实际工程中还没有得到普遍应用。本研究目的是通过对软件的应用总结，分析其主要功能和使用条件，为软件在陕西省的推广应用奠定基础。

1 软件概况

MIKEURBAN是丹麦DHI公司经过整合的城市GIS和管网建模软件。MIKE URBAN包括MIKEURBANMODEL MANAGER、MIKE URBAN WD和MIKE URBAN CS等。MIKE URBAN的给水管网水力计算内核为EPANET，它引进了ESRI的地理数据库技术，把GIS与建模环境整合在一起，与数据采集与监视控制系统（SCADA）、实时控制系统（RTC）和决策支持系统(DSS)能达到较好的连接。

MIKEURBAN具有完备GUI功能的高级模拟软件工具；快速可靠的模拟引擎，确保快速运算；有支持软件用于数据处理和分析；用于在第三方程序中（如MATLAB）处理模拟数据的GIS集成和工具；多种模块及管网许可选择确保用户根据自身需求来选择模型。

WD工具模块可模拟由于各种作用力的作用而产生的水位及水流变化。它包括了广泛的水力现象。软件可对配水系统模型进行自动校验，对设计来讲，主要用于现有、拟建或改建的输配水管网系统的水动力设计的优化和验证。

2 软件应用

2.1 在恒定水力计算中的应用

恒定水力计算是对管网所有参数进行设定后进行的水力计算。明确不同工况（管网水力状态）下枝状网和环状网的水力计算方法。

给水管网中有两类基本水力要素：流量与水头，包括管段流量、管段压降、节点流量、节点水头等。它们之间的关系反映了给水管网的水力特性。当给水管网各管段特性已知且处于恒定流状态时，流量与水头两类要素的关系由恒定流方程组确定。在这种情况下，只要适当地给出部分流量和水头值，其他流量与水头值可以由恒定流方程组解出。

在恒定流状态下，水力分析的数学含义就是解恒定流方程组，水力分析的工程意义就是已知给水管网部分水力参数，求其余水力参数。给水管网水力分析是解决给水管网设计、调度和管理等各种应用问题的理论基础。

在给水管网水力分析中本软件可应用的水头损失公式有：海曾-威廉公式、达西公式及曼宁公式。

海曾-威廉公式适用于较光滑的圆满管紊流计算，公式为：

它适用于较光滑的管道，特别是当e≤0.25mm（Cw≥130）时，该公式较其他公式有较高的计算精度。

达西公式适用于满流圆管的计算，为管渠水力计算的经典公式，已经成为给水排水管网水力计算的基本公式。达西阻力系数λ的科学计算和应用是管网水力计算正确性的关键，公式为：

曼宁公式适用于明渠或较粗糙的管道计算，亦适用于较粗糙的管道，最佳适用范围为0.5≤e≤4.0mm。公式为：

正确选用沿程水头损失计算公式，具有重要经济价值和工程意义。实践证明，不同的计算公式所产生的计算结果具有较大的差别。如果公式选用不当，可能导致设计者选用不合理的管径和水泵扬程等，造成不应有的经济损失，甚至降低工程效益。

求管段流量一般采用逆推法，求节点水头一般采用顺推法。

通过实例分析，明确了软件水力计算的初始条件：

（1）交叉点的初始条件：高程、流量；

（2）管道的初始条件：管材、管长、管径；

（3）水塔（水池）的初始条件：底部高程，恒定的HGL；

（4）泵站的初始条件：水力曲线；

（5）阀门的初始条件：设置值（减压阀的减水压）。

2.2 在水锤分析中的应用

水击所产生的增压波和减压波交替进行，对管壁或阀门的作用有如锤击一样，故又称为水锤。水流在惯性的作用下，对管道的压力迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水力学当中的“水锤效应”，也就是正水锤；相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，也有一定的破坏力，但其破坏力没有正水锤产生的大，在水力管道建设中都要考虑这一因素。

通过实例，对管网中无气室或有气室状态下的管道进行分析计算，并分析软件计算结果的合理性及可行性。最后确定了软件水锤分析的初始条件：

（1）管道的初始条件：管材、管长、管径；

（2）水塔（水池）的初始条件：底部高程，恒定的HGL；

（3）泵站的初始条件：水力曲线；

（4）阀门的初始条件：设置值（减压阀的减水压）；

（5）半恒定时间设置参数：分析历时、水力计算时间步长、模式时间步长、记录时间步长、记录开始时间、开始计时时刻。

2.3 在半恒定水力计算中的应用

半恒定水力计算是对一个时段内的管网水力情况进行的一系列稳态分析，包括水量分配和压力分区，每一次分析都要涉及时段。每个时刻假设管道流量恒定，并且在时段内没有外部条件变化。因此，每一个时段的计算结果是根据之前时段的计算结果得出的。由于在工程实际中恒定流只存在于有限的时段内，从长期来看，半恒定水力计算更能反映管网的实际运行过程。

通过实例验证了MIKE URBAN软件可对管网进行半恒定水力计算，且分析结果符合工程实际。同时，明确了软件进行半恒定水力计算分析的初始条件：

(1)交叉点的初始条件：高程、流量；

(2)管道的初始条件：管材、管长、管径；

(3)水塔（水池）的初始条件：底部高程，恒定的HGL；

(4)泵站的初始条件：水力曲线；

(5)阀门的初始条件：设置值（减压阀的减水压）。

(6)半恒定时间设置参数：分析历时、水力计算时间步长、模式时间步长、记录时间步长、记录开始时间、开始计时时刻。

2.4 在水质模拟中的应用

水质分析包括消防流量分析、水源水质追踪分析、水质水龄分析、水质余氯分析等，是对延长的时段进行的一系列水质分析，每一个分析都要涉及时段。用软件对管网进行模拟得出各种元素在管网中的动态变化，如水龄、水质、成分浓度等。

使用MIKEURBAN软件对管网的水质进行模拟，实时反馈管网实际状况以指导管网的合理设计、管道的及时维修和更换、调整管道布置和系统运行科学调度来保护和改善管网水质，以保障管网水质的安全。通过工程实例计算分析,明确了软件进行半恒定水质计算分析的初始条件：

①交叉点的初始条件：高程、流量；

②管道的初始条件：管材、管长、管径；

③水塔（水池）的初始条件：底部高程，恒定的HGL；

④泵站的初始条件：水力曲线；

⑤阀门的初始条件：设置值（减压阀的减水压）。

⑥半恒定时间设置参数：分析历时、水力计算时间步长、模式时间步长、记录时间步长、记录开始时间、水质时间步长、开始计时时刻；

⑦水源点初始条件：水质成分的初始浓度。

3 结语

通过对软件的研究和分析，并结合实际供水情况，发现软件具有两大功能：一是具有较强的管网水力计算校核和各种工况的模拟功能。对供水行政主管部门审查供水工程设计非常适用，可以有效的提高工作效率。二是具有在水厂生产运行中优化调度功能，但对实际运用条件要求较高，需要供水公司有非常完善的自动化调控硬件设施，如大量的电动阀门、传感器、地理信息系统、信息传输系统等。同时，明确了各种应用的初始条件的设定，为软件的推广应用奠定了基础。陕西水利

[1]严煦世，刘遂庆.给水排水管网系统（第二版）[M].

[2]周建华，大规模城市给水管网系统优化运行模型研究，博士学位论文.哈尔滨：哈尔滨工业大学[D].