EPANETH在多时段管网平差模拟中的应用

贾如升　王淑贤　杨 杰　汪万芬

(1. 皖西学院建筑与土木工程学院， 安徽 六安 237012; 2. 陕西水环境工程勘测设计研究院， 西安 710018)



EPANETH在多时段管网平差模拟中的应用

贾如升1王淑贤2杨 杰1汪万芬1

(1. 皖西学院建筑与土木工程学院， 安徽 六安 237012; 2. 陕西水环境工程勘测设计研究院， 西安 710018)

摘要：结合某城市最高日实测用水量变化情况，应用EPANETH软件模拟一天内多时段管网的运行情况。由节点自由水压-管段流速图、各节点自由水压图看出，最高点时确定的管径及水泵在其他时段并不能全部满足节点的压力要求。通过调整个别管段管径，适当提高水泵扬程使各节点的自由水压均满足压力要求。

关键词：EPANETH； 清水池； 水塔； 模拟

在环状给水管网水力计算中，Hardy Cross法是较常用的一种方法。其求解过程是，按照城镇最高日用水量在满足连续性方程时进行管段流量初分配，并由此流量按经济流速选定管径并求解各环闭合差，继而求解各环的校正流量及最新的计算管段流量；重复以上计算过程，迭代计算到各环闭合差小于允许值为止[1-2]，然后根据最终的管段流量和选定的管径计算各管段的水头损失，再计算每个节点的节点水头和自由水头，最后计算出水泵的扬程。整个求解过程是一个静态的过程，只能了解管网在最高点时的用水量、管道流速、各个节点压力，而一天内用水量、水压在其他时段的动态变化是未知的。为了全面了解管网在一天内的动态工作情况，在此采用计算机软件模拟不同时段的管网运行情况。

1EPANETH软件

EPANET是美国国家环境保护局(Environmental Protection Agency，缩写为EPA)开发的开源软件，其汉化版本称为EPANETH，是一个可以执行有压管网水力和水质特性延时模拟的计算机程序，具有管网平差、运行模拟、信息管理和运行管理等完整功能[3]。基于求解节点的方程，可对管网不经简化处理直接建模，节约计算时间和存储单元。该软件应用方便，结果直观可见，越来越广泛地应用于有压管网系统的平差计算,计算效率和结果的精确度较高[4]。

2EPANETH在多时段管网的模拟应用

2.1基础信息的输入及处理

以某环状管网为例[5]，直接绘制建模，如图1所示。已知某城市最高日用水量为14 085.6 m3d，清水池的节点水头为12 m，水塔的节点水头为48 m，最小服务水头24 m,初步假定控制点为节点8。节点信息如表1所示，管段信息如表2所示，实测用水量变化情况如表3所示，不同时段节点实际需水量如表4所示。

图1　给水管网示意图

根据表1输入节点信息，按照表2输入管段信息，水泵只要输入流量和扬程，软件即自动绘制曲线。

表1　节点数据表

表2　管段信息表

表3　某城市最高日实测用水量变化

为了模拟一天中管网各节点和管段的流量、压力等情况，在软件中建立时间模式，初步确定某城市的时段为24 h，间隔为1 h。具体做法是从软件中的数据浏览器下拉式列表中选择模式，点击浏览器的添加按钮，利用模式编辑器编辑模式，输入表4所示相应数据。

表4　不同时段实际需水量

2.2模拟结果的输出

选择最高流量时，得到水头-管段流速图，如图2所示，其他时段的结果如图3、图4、图5所示。

图2　水头-管段流速图

2.3自由水压的校核

实例中要求最小水头为24 m，其中节点3、6、7要求最小水头为28 m。模拟显示，初步确定的控制点8并非真正的控制点，节点3是整个管网中最难满足的点，而且一些节点在不同时间段存在水压不足的情况。例如节点3在8 — 13时段、15 — 19时段的水头<28 m；节点4在8 — 19时段的水头<24 m；节点6在9 — 11时段、15 — 18时段的水头<28 m；节点7在8 — 12时段、15 — 19时段的水头<28 m；节点8在9 — 13时段、15 — 19时段的水头<24 m。针对水压不足的情况，根据管段压降方程放大个别管径,以减少管段的水头损失而提高节点水压，继而提高各节点的自由水压，调整了管段的管径。管径变化情况如表5所示。但是仅调整管径并不能保证24 h水压都能满足要求，因而适当提高了水泵的扬程。运行后，各个节点可满足水压要求。

图3　节点2 — 4水头曲线

图4　节点5水头曲线

图5　节点6 — 8水头曲线

管段编号原管径∕mm变化后管径∕mm1300350230040032003004200300

3结语

应用EPANETH软件模拟多水源管网在一天内多时段的水力平差，指导供水管网的日常运行调度管理。该方法具有如下特点:

(1)准备工作量不大。不需要人工借助office软件来拟定满足连续性方程的初始流量，可在界面中直接建模或者导入管网图形，只需输入管段长度、直径、节点地面标高、流量等数据。

(2)适应性强。无论树状网、环状网还是两者结合型的管网，不管环数、管段数多少，运用该软件模拟时对环数、管段数无限制。当然,管段数、环数多,耗时则稍多一些。

(3)误差小。管道的水头损失完全按照给水排水设计手册推荐的水力公式和管道内径来计算,节点的流量完全满足节点流量平衡方程，每个环节的水头损失闭合差可以根据要求任意设定。

(4)结果直观，修改方便。模拟结果以图表的形式通过不同颜色反映管网的水力参数，非常直观；同时可以很方便地修改某些参数,直至得到比较理想的计算结果。

参考文献

[1] 严煦世,范瑾初.给水工程[M].北京:中国建筑工业出版社,1999:49-56.

[2] 蔡建安.环状给水管网设计和调度的虚拟仪器[J].安徽工业大学学报(自然科学版),2003,20(1):23-27.

[4] 张凤娥,殷志宁,李宏. EPANET水力模型在供水管网优化中的应用[J].给水排水,2008,33(11):200-202.

[5] 严煦世,刘遂庆.给水排水管网系统[M].北京:中国建筑工业出版社,2008:100-139.

Application of EPANETH in the Multi Sources Pipe Network Adjustment Simulation

JIARusheng1WANGShuxian2YANGJie1WANGWanfen1

(1.College of Architecture and Civil Engineering, West Anhui University, Lu′an Anhui 237012, China;2. Shaanxi Reoonnaissance Design and Research Institute, Xi′an 710018, China)

Abstract:Combined with the highest measured water consumption change in a certain city, this paper expounds how to use EPANETH software to simulate the multi period network operation. The results obtained node free water pressure-pipe flow graph, node free water pressure-pipe segment flow graph and each node free pressure graph, and checked free water pressure and the tower transfer condition. The result also showed that the determinged water pump in the highest point can not meet the requirements of other time pressures. Through repeated adjustment of individual pipe diameter and appropriate increase of the pump head, finally each node satisfies the requirements of free water pressure.

Key words:EPANETH; clean water tank; water tower; simulation

收稿日期：2015-11-24

基金项目：安徽省高等学校省级自然科学基金项目“不同混凝剂处理低温低浊淠河水对比实验研究”( KJ2013B336)；皖西学院2014年度本科教学工程项目“皖西学院 — 六安市排水有限公司合作工程实践”(2014XQ04)

作者简介：贾如升(1978 — )，男，硕士，讲师，研究方向为给水工程。

中图分类号：TU991.3：TP391

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)02-0121-03