基于管网水力模型的供水量优化调度研究

马 悦

(哈尔滨供水集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨150010)



基于管网水力模型的供水量优化调度研究

马 悦

(哈尔滨供水集团有限责任公司，黑龙江哈尔滨150010)

给水工程是城市基础设施的重要组成部分，是保障社会生产和人民生活的重要物质基础。在水资源日益紧缺的今天，国民经济的快速发展、人民生活水平的日益提高促使城市日需水量不断增加，反之，供水管网基础设施老旧、管线发展滞后于城市建设促使水量经营受限，导致漏损率、产销率等矛盾日益突出。本文基于保护水资源和提高供水企业经济效益为目的，以哈尔滨供水集团现有的水力模型为基础，根据区域用水量需求，结合模型计算结果及压力监测点实测数据，对异常管段或阀门及时进行调整，实现优化调度的目标。

水力模型; 运行工况; 计算; 优化调度

1 背景

《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》中，对给水管网系统总的要求是：安全供水，提高供水水质，降低电耗、漏耗。哈尔滨供水集团有限责任公司本着科学决策、高效管理的服务宗旨，于2004年7月建设了《哈尔滨供水管网数字化与优化分析系统》，通过给水管网水力模型的建立及模型参数调整，尽可能真实准确地模拟管网实际运行工况，根据水力特性分析结果辅助调度系统调控水量、水压，并有效给出经济合理的改扩建方案。

2 模型与应用系统

给水管网作为典型的地下隐蔽工程，不仅受到季节、温度、地形、地貌等环境的客观因素影响，还受水厂、泵站、减压阀、控制阀等人为调控的主观因素影响。建立完善的供水管网水力模型，深入了解管网运行状态，不但可以快速解决因低压区管网压力过低导致无法满足用户用水需求和高压区压力过高导致管网漏损率增加或引发爆管等突发性事件的安全隐患问题，而且可以通过虚拟用户完成改扩建工程最优发展方案。

由于供水管网具有复杂性、随机性和动态不完全确定性，结合国内外专家历年来的研究结果，集成宏观模型及微观模型的优点，建立了符合哈尔滨区域独有的水力模型系统。利用宏观模型统计分析等数学方法，建立起各有关参数间的经验性数学表达式，再将供水调度中涉及管网运行的几个主要变量(也称为宏观变量，如各水厂供水压力、供水量及监测点压力等)，通过大量实际运行数据的回归分析和计算，建立起宏观变量之间的回归方程式。从而可在已知各水厂供水量的情况下，快速求得各水厂的供水压力和监测点的压力，而不必进行繁琐的平差计算。然而，由于宏观模型根据管网中所设的监测点、测压点来建立，其输出量只能是极少数节点的压力及管段流量，无法了解管网中非测压点的压力和非侧流点的流量[1]。充分利用微观模型的特点，利用管网的动态水力特性，从物理管网的基本组成元件的水力行为出发，以给水管网网络分析的平衡方程为基础，描述管网元件及其相互作用和边界条件，并通过求解方程来获取关于观测点状态的解，给水管网系统微观建模进入了实用化的阶段[2]。

2.1 模型与调度应用

为了建立一个完善的、能更好地指导生产调度运营工作的管网水力模型，哈尔滨供水集团通过两年的时间对管网基础信息资料进行了全面整理，利用管网图形属性编辑转换器(PDG)软件将CAD图纸直接转换成供水管网模型的拓扑结构图，建立了静态管网模型系统。为了能保证管网模型的计算速度，便于科学规划和指导调度，模型只保留了DN100以上主要管线，略去了次要管线，涵盖了2 240条管段、4 562个节点、3 971台阀门和57台水泵。

表1 哈尔滨市管网拓扑结构信息

结合城市用水量规律及压力分布情况，对模型涉及的参数进行了大量实测工作，以实测数据为基础，建立了供水管网规划模型系统(见图1)。采用DCPM-FGA算法对模型进行校核，因其具有结合多种算法的优点，克服了单独采用某种算法无法回避的问题，较好地解决了对于边界条件约束的求解，且求解模型结果令人比较满意。

2.1.1 正向求解辅助调度系统

建立供水管网水力模型，进行水力平差计算。通过计算得出各种工况下的管网中所有节点、管段、水泵的流量和压力，从而了解管网压力分布，同时可以获得管网模型中的每一组件的水力状态情况。城市供水管网连接错综复杂、数量庞大，建立的模型规模也就庞大，其模型校核工作量也就相对繁重。为了能更真实准确地模拟管网运行实际工况，需要多选择几组工况进行校核，且模拟时段应尽量选择在24 h以上，并将计算结果与实际监测数据进行比较，反复校核，直至误差满足需要，得到最终可用模型。在载入净水厂所有出厂管线水量值后(见图2)，进行管网水力模拟计算。用最小化目标函数法求解校核参数，将自变量取值约束在可行解范围内。目标函数通常为水压和管段流量的计算值与实际监测值之差的平方和最小，参数变量可设为x(阻力系数、流量、运行工况)，该函数的约束条件包括隐含的水力条件、已知的初始条件和边界条件。从而供水管网优化校核问题也就是根据x的初始估计值x(0)以及所有监测点的测量，估计x的真实值，进而通过管网水力模拟计算推求整个管网的工作运行状态。假设一个供水系统中包含nn个压力监测点，mm个流量监测点，则建立如下校核数学模型。

图1 供水管网规划模型系统Fig.1 Planning model system of water network

(1)

式中 f′——最小化的目标函数；

λHi—— 反映第i个压力监测点重要性的权系数，i∈Ω1；

λQi——反映第j个流量监测点重要性的权系数，j∈Ω2；

Ω1——供水管网系统中压力监测点集合；

Ω2——供水管网系统中流量监测点集合；

nn，mm——分别为测压点和测流点数目；

L——待校核的管网运行工况数目；

图2 各净水厂出厂水量Fig.2 Water capacities of waterworks

在满足管网水力条件的约束下，在允许的调幅范围内，通过对模型参数的调整使管网中测压点量测压力与计算压力的偏差以及测流管段量测流量与计算流量的偏差降至最小，使模型更接近管网真实运行工况，从而获取各节点压力及流量数据。再通过水力特性分析，根据水流方向、供水路径、自由水头满足区及运行负荷等计算结果和实际情况，将压力超限及未达标点筛选出，结合实际工作经验对关联阀门进行调整，直至自由水头满足区恢复正常情况。

2.1.2 反向求解辅助调度系统

在实际工作中，经常会遇到不明原因的节点压力突然降低，管理人员一般会通过常规管理经验对节点上游阀门进行全盘梳理，查看是否有调整、关闭等情况发生。而通过管网水力模型系统，可以反向逆推导致该节点压力降低的几种可能性。即正常模拟管网运行工况，校核模型，在所有在线测压点压力值与模拟节点压力值近似时，可推断该工况下模拟计算结果近似管网实际运行情况。此时，查看模型中异常节点压力值，一般情况，该节点模拟数值应在正常值范围内。手工输入该节点异常值，重新进行后台数据计算分析，系统将根据计算结果给出关联阀门或管段存在异常情况的范围，管理人员则可直接有针对性地进行阀门或管段调整，不必再盲目进行大范围排查工作，实现科学管控的目的。

2.2 模型与工程应用

近年来，城市建设发展迅速，老城区管网老旧、新城区管网改扩建依据经不住推敲，严重制约着供水企业的发展，尤其在厂站布局不合理的情况下，发展管线的合理化显得尤为关键。建设管网水力模型系统，进行管网规划发展水力模拟计算(见图3)，成为解决该问题的核心所在。

图3 供水管网规划模拟系统Fig.3 Planning simulation system of water network

一般对于一座城市来说，中心城区大面积拆迁的可能性很小，所以拆迁前后用水状态的改变对于原有供水格局并不会产生太大影响，在水力计算中，可忽略不计。而大的小区、工厂等大用水户基本都向城市外围空间发展，新发展的管线短期内可能无法实现环状供水，枝状管线的管径、管材、瞬时流量、流速、水头、水压等关键参数就需要通过水力平差计算给出科学合理的结果，以保证用户端水质安全问题。在水力模型系统中可解决该问题。可假设新的小区或工厂等大用户现已存在，将规划敷设的新管径、管线长度录入VGE拓扑图中，校核管网拓扑结构图，并在管网水力计算中将目标用户的年最高日用水量输入计算。根据水力特性分析结果，快速得出由于产生新的大用户而敷设的管线，对周边用户的管线压力影响、节点自由水头影响及管网负荷影响，并可根据计算结果得出规划敷设管线各参数的合理性。

3 结束语

本文以哈尔滨供水集团“管网数字化与优化分析系统”水力模型为基础，通过建立微观模型对整个供水管网运行工况进行模拟，主要从水流方向、供水路径、运行负荷、等压线及自由水头满足区等方面对管网运行实现状态模拟。通过平差计算及水力特性分析结果，有效辅助供水调度系统调度工作及工程改扩建发展管线工作，实现管网信息化管理目标，为科学决策提供有力依据，并为管网智能化发展奠定坚实基础。

[1] 吴学伟,赵洪宾. 给水管网状态估计模型的研究[J].哈尔滨建筑大学学报,1998,31(2):57-62.

[2] K.Ulanicka, B. Ulanicki, J.P.Rance.B.Coulbeck, R.Powell, C.Wang. Benchmarks for Water Network Modeling[C]. Proceedings of the Hydro Informatics 98 International Conference. Copenhagen,1998:126-134.

Study on water supply optimal scheduling based on network hydraulic model

Ma Yue

(HarbinWaterSupplyGroupCo.,Ltd.,Harbin150010,China)

Water supply engineering is an important part of urban infrastructure and material basis that ensure social production and civil life. Today the shortage of water resources, rapid development of national economy and improvement of civil living standards lead to the increasing of urban water demand. In contrast, the old water supply network infrastructure, pipeline development lagging behind the urban construction results in the limit to the water supply sales and management, leading to the increasing prominent of leakage rate, sales and other contradictions. In this paper, based on the existing hydraulic model of Harbin Water Supply Group as the foundation, for the purpose of the protection of water resources and improvement of economic benefit, according to the regional water demand,and combining with the model calculation results and the measured data of pressure monitoring points, the abnormal sections or valves were adjusted in time to achieve optimal scheduling.

hydraulic model; operational status; calculation; optimal scheduling

TU991.56

A

1673-9353(2016)05-0016-04

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.05.004

马 悦(1975- )，女，黑龙江哈尔滨人， 硕士学位， 高级工程师，主要从事市政给排水技术工作。E-mail：001mayue@163.com

2016-07-26