基于水力模型的天津生态城管网运行状态优化研究

祁振峰 林翊

【摘要】收集、分析、处理天津生态城供水管网的动态、静态运行数据，在此基础上，建立了生态城供水管网的水力模型并对其进行了校核。此外，运用管网模型，重点针对管网中低压区的成因、管网压力优化分布以及通过压力管理实现的漏损控制效能进行了分析。

【关键词】供水管网；水力模型；水力校核；管网分析

随着计算机技术的发展，供水管网水力模型已经成为供水企业进行数据监测、优化调度、事故预警等工作的重要工具。水力模型是通过数学手段估计管网真实的行为、状态的一种方法，具有管网静态信息管理、管网水力平差、管网实时水力模拟等功能。通过管网模型，能实时的反应管网的运行情况，同时对管网中各个构成元素的功能进行分析，及时反馈、处理管网运行中遇到的问题，有利于管网维护、管网突发情况预测和管网系统的近期、长远期升级改造和优化扩建。本文首先介绍了天津生态城供水系统的组成，以及生态城供水管网水力模型的建立及校核，最后运用水力模型对生态城供水管网的问题诊断与优化运行进行了案例应用。

1、背景介绍

中新天津生态城位于中国国家发展的重要的战略区域——天津滨海新区范围内，毗邻天津经济技术开发区、天津港、海滨休闲旅游区，地处塘沽区、汉沽区之间，距天津中心城区45公里，距北京150公里，总面积约31.23平方公里，规划居住人口35万，是中国、新加坡两国政府战略性合作项目。中新天津生态城运用生态经济、生态人居、生态文化、和谐社区和科学管理的规划理念，聚合国际先进的生态、环保、节能技术，造就自然、和谐、宜居的生活环境，致力于建设经济蓬勃、社会和谐、环境友好、资源节约的生态城市。全面贯彻循环经济理念，推进清洁生产，优化能源结构，大力促进清洁能源、可再生资源和能源的利用，加强科技创新能力，优化产业结构，实现经济高效循环。生态城主城区供水系统目前供水人口约5万人，服务面积30km2，主要由南部和北部两个泵站通过外部输水管道向生态城区供水。

目前生态城供水管网已经建立供水地理信息系统，同时也建成了SCADA、营业收费系统，基本实现了供水管网运行管理的信息化。但由于管网规划规模与实际建设规模的差异，目前管网运行管理中尚存在管网压力分布不均、运行管理不够优化、漏损率有待进一步降低等问题。针对上述问题，生态城开展了供水管网动态水力模型的建设，并运用水力模型开展了一系列管网优化运行的案例研究。

2、水力模型的构建

生态城供水管网水力模型建设整过程可分为基础数据准备、模型初步建立、模型校核三个阶段。详细流程如图1所示。

2.1 管网数据收集与处理

供水管网的数据可以分为静态数据和动态数据。静态数据是指管网中长期不变动的属性数据，如节点坐标、管道长度、管道材料，或变动非常缓慢可以作为不变处理的属性数据，如管道摩阻系数等。动态数据是指管网日常运行中随着时间经常性、大幅度变化的属性数据，如用水量、管道流量、节点压力等。供水管网日常运行中的供水量、营业收费数据、SCADA监测数据多属于动态数据。

对于静态数据收集，生态城目前已经建成地下管线系统的GIS平台与CAD平台。在GIS平台中，除了节点和管段之间的空间关系信息外，还包括了节点坐标、地面高程、管段直径、管段材料、管段埋深等关键数据，属性信息丰富，但缺乏维护，图形不完整，孤立节点、管段数量多，部分熔断缺失。CAD平台由工程人员保持维护更新，使得供水管网的CAD图纸与实际情况保持一致，管网连接关系完整，管网图上具有用户变量、流量计等用水信息，但属性信息不如GIS丰富、位置信息不如GIS准确。

为建立准确的供水管网水力拓扑模型，此处以GIS平台供水管网数据为基础，导入供水管网模型软件，结合CAD平台供水管网数据，对已有管网资料进行增补或删减，最终得到模型的供水管网图。供水管網模型由市政道路供水管段组成，不包括小区内部供水管道，模型建设至进小区的水表位置。结合GIS系统及CAD系统管网数据，删除孤立节点，连接相应管网，增补删除部分管段，得到最终的供水管网模型图

生态城供水管网的动态数据主要包括供水调度台账、SCADA监测等提供的压力、流量数据。管网中共有18个压力流量监测节点，其中100个在市政道路管网中，8个在小区管网入口，南、北泵站也分别设置的压力监测点。通过统计并导入用水节点流量及泵站出口压力数据，建立了管网流量压力的动态变化模式参数。

2.2 管网供水模型建立与校核

将2.1中所述的静态数据及动态数据经过整理并导入到模型软件中，初步构建得到生态城的供水模型，如图2所示：

模型初步建立后，进一步进行模型准确度校核。即通过调整模型中预先设置的参数，使模型输出值与观测值匹配的过程。根据管网压力初步模拟数据与实测数据的差值，结合现场对管段服役状态的调查，对生态城管网模型中的部分管段的阻力系数进行调整，使压力模拟数据尽可能接近真实数据。结果表明，市政道路管网中共有十个压力监测点，除了汉北路的压力为负值、中天和风路交口设备缺乏数据外，另八个正常运行运行的节点中，除动漫北路实测压力低于模拟1m左右外，其余模拟误差均低于0.5m（如图3所示）。

图4给出了北部泵站流量和市政道路监测点南部泵站出口流量的对比数据。从图中可以看出，泵站及泵站附近的管道流量实测与模拟值的吻合度较高，作为管网的主干供水管道，平均流量误差位于[-15%，15%]范围内，模型能准确的反应管网的实际运行情况，模型建设精度符合使用的要求。

3、模型应用

3.1 低压区诊断及分析

根据生态城运行状况，南部泵站附近部分区域运行压力较低，常出现水压不足的情况。两个低压区域距南部泵站距离分别为1000m和2200m。在距离泵站较近的位置出现低压情况，初步判定为管段出现堵塞或者漏损情况。为确定低压区成因，使用水力模型对其进行模拟。通过对模型的分析可发现，动漫北路附近的压力模拟值比压力实测值要高1m左右，初步判定动漫北路压力监测点附近管道产生了堵塞。对此，将动漫南路DN300管道关闭大部分模拟该管路堵塞状态，所得的管网压力模拟结果如图5所示，可见压力值模拟结果在用水高峰期下降了1m左右，与实际检测情况符合。由此，可认为此段管道堵塞或阀门处于关闭状态的可能性较高。

针对该段管路，进一步开展了沿线现场测压，根据现场测试的情况，管网大部分水力坡度相差较小，为0.0008左右，而动漫南路的管道测压点水头损失偏大，接近0.0058，与模型模拟情况基本符合。

3.2 供水管网压力分布优化与漏损控制效能分析

目前生态城供水管网的用水节点主要集中在南部区域，但南部泵站由于受到泵前输水管道输水能力的限制，在高峰供水时刻不能满足南部管网的用水需求，需依靠北部泵站向南部管网补充供水，导致北部泵站的出口压力高于南部泵站3m左右，浪费能量的同时，也增加了管网漏损的可能性。

针对此问题，生态城供水管理部门提出了优化管网供水运行压力、进一步降低管网漏损率的技术方案。具体包括通过在中成大道铺设600mm联络干管，增强北部泵站向南部管网补充供水的能力，同时降低北部泵站的运行压力2m，减少管网漏损量。针对上述方案的实施效果，本研究利用建成的动态水力模型进行了模拟，具体如下：

由图6可见，经过管网结构及泵站运行调控，南部区域压力有较明显的降低，经模拟计算，北部泵站的供水量较优化前有显著提升，南北泵站的出水量由优化前的1.5：1.0变为0.25：1.0，极大缓解了南部泵站供水量瓶颈，同时在满足控制点压力需求的前提下，降低了管网整体运行压力。

对于优化压力运行后的漏损控制效果，计算分析如下：

根据文献[4]，管网背景漏损量与运行压力存在以下关系：

（1）

式中： 为管段ij的漏损量；α为漏损系数；β为漏损指数；、分别为管段ij起始节点的压力；

管网总的背景漏损量可按下式计算：

（2）

根据供水及售水量统计数据，生态城管网整体产销差率为6%，考虑到园林绿化等用水均实现了收费计量，可认为当前生态城漏损均为管道的真实背景漏损，根据式（1），结合管网水力计算的各节点压力结果，可以反算确定生态城管网的背景漏损系数α以及漏损指数β。

根据式（1），变形可得：

（3）

两边同时取对数，得：

（4）

令，，，，则上式可化为形如的线性方程，可根据以下最小二乘法公式求出系数、的值。

（5）

假设管网背景漏损量按管网沿线为均匀分布，且单根管道的漏损量与管道压力呈正相关关系，则单根管道的背景漏损量为

（6）

式中，表示单根管道的漏损率与其压力的C次方成正线性关系。

通过计算，压力优化前生态城管网背景漏损率为6%，平均每天漏损量为1189m3/d。将管网数据带入上述最小二乘法公式，得，。

经过管网改造及泵站压力调控运行后，管网漏损率降至5.2%，平均每天漏损量为1030.5m3/d，相比调压运行前下降158.5 m3/d，每年可降低管网漏损量57852.5m3，若按照生态城购水成本3.5元/m3计算，可节省运行成本20万元。

4、结论与建议

本文建立了天津生态城管网的水力模型，并依据水力模型进行了管网低压区诊断与压力分布优化的工作。从水力模型流量校核的情况来看，本水力模型可以较好的反映天津生态城管网的日常运行情况，并可以有效地辅助诊断管网低压区的原因。特别低，管网水力模型对于生态城供水管网压力优化及漏损控制效能评估起到了核心作用，有力支撑了管网优化运行的方案决策。未来水力模型对供水公司的管网维护、故障分析、应急情况处理等工作可进一步发挥重要的决策支持作用。

需要说明的是，天津生态城管网建模的工作仍有提升的空间。首先，应进一步提高水力模型的精度，以更进一步提升模型的準确性和有效性。其次，可在水力模型的基础上建立管网水质模型，对生态城供水系统的水质进行模拟分析、监测，保障用户的用水安全；最后，应进一步完善管网的智能化工作，增强SCADA设备维护，增加在线监测流量计，完善GIS系统数据，建立常态化数据分析体系，加强生态信息化平台数据分析。

参考文献：

[1] Walski T M， Chase D V， Savic D A. Water distribution modeling[J]. 2001.

[2] 信昆仑，刘遂庆. 城市给水管网水力模型准确度的影响因素[J].中国给水排水，2013，19（4）：52-55.

[3] 吴双利. 城市供水管网水力模型校正技术研究[D].青岛理工大学，2011.

[4] 陶涛，张俊，信昆仑，李树平. 基于布谷鸟算法的给水管网调压阀优化设计. 《同济大学学报自然科学版》， 2016， 44（4）：600-604