基于微观管网水力模型绘制供水服务等水压线

林朝阳

LIN Chao-yang

（厦门水务集团有限公司）

(Xiamen Water Group Co.,Ltd.)

1 供水管网微观水力模型优点分析

供水管网微观水力模型是借助管网运行压力、水量数据和营销服务系统的水量数据，利用数学公式、逻辑准则和数学算法，描述供水管网中节点和管段水流运动和水质变化状态，以实现对管网的水力运行状态的在线仿真模拟，指导管网优化运行。

供水管网的服务压力是衡量服务质量的重要指标，也是指导节能降耗工作的重要指标。管网压力偏低，满足不了用户的用水需求要求，导致投诉矛盾；管网压力偏高，导致用户端水龙头、热水器等设施设备损坏，造成水厂过度的耗能生产成本增加，且会引发爆管增加管网漏损。配置合理的供水服务压力，既能保障舒适优质的供水服务，又是供水企业节能降耗的关键[1]。

基于微观水力模型按一定的水压差在管网平面图上绘制出等水压线，直观展示用户的用水服务压力。等压线最好是均匀分布，若等压线过密，用水负荷大，管网存在瓶颈；若等压线过疏，表示用水负荷小，可适当降低区域供水压力。

2 微观水力模型建立的基本过程

2.1 微观水力模型的计算基础

管网水力计算基础方程包括节点连续性方程和水头损失计算方程。供水管网中的水流运动都是遵循物质及其运动的基本规律，质量、能量和动量守恒定律。

1）质量守恒定律主要是体现在节点处流量的分配，具体反映为节点连续性方程：供水管网中每一个节点的进水流量、出水流量的代数和为0，见式（1）。

式（1）中： qi为节点i的流量，m3/s；qij为节点i连接的各管段流量，m3/s；i、j分别为起、止节点编号。

2）能量守恒定律主要是体现在节点处压力的分布，具体体现为能量（环）方程组：在供水管网的每一个环中，其每个管段的水头损失的代数和为0，见式（2）。

式（2）中：hij为节点i连接的各管段水头损失，MP，j为起节点编号；i为止节点编号。

3）管段水头损失方程：沿程水头损失加上局部水头损失，见式（3）。

式（3）中：hm为水头损失，MP；sm为管段摩阻；q为管段流量，m3/h。

在目前比较常用的是牛顿·拉夫森节点法、哈代·克罗斯法以及混合节点-环方法、线性理论法等来求解方程组。

2.2 供水管网水力模型建设基本流程

1）基础资料收集

基础资料收集包括供水管网、供水量、用水量、管网压力、泵站资料等。

2）数据检查与评估

①对供水管网、供水量、用水量、SCADA实时运行数据等的完整性、准确性和及时性进行评估。

②检查管网拓扑结构、管网连通性、孤立管线和节点等[2]。

③检查用水量数据，通过查表营业收费系统的查表数据、总表查表数据、绿化和道路浇洒水量调查、产销分析等多种手段获取。

④评估用水模式，覆盖普通居民、医院、学校、商场、工厂企业、写字楼等各类用水户。

⑤检查SCADA，自控实时监测数据，确保检测设备和数据传输系统处于正常工作状态，对监测数据中的异常部分应结合实际运行状况进行分析处理[3]。

数据评估是对数据进行理解、分类、筛选、连接检查、分析和格式化的过程。通过数据分析工作，能明确缺失的数据，从而为现场测试提供依据。充分理解数据结构和数据流逻辑关系及入库规则，对数据进行格式化。测试模型数据接口，以方便模型数据的导入更新。指定查表营业收费数据中的大用户，分析用水构成组份，归纳用水量在日、月、季、年的变化趋势以及供水格局的变化规律，同时选择用水规模测试用户。

3）现场调查

基础资料处理和评估后，对于存在的问题需要作现场调查核实，包括异常的管道、阀门、水表（流量计）等。

4）现场测试

建模需要的现场测试包括供水管网压力、各类用水模式、管道粗糙系统、水泵特性测试等。

5）初步建模

应用建模软件建模，主要步骤包括数据导入、管网拓扑简化、模型对象的属性配置、节点水量分配、用水模式确定、水泵特性配置等。

建模过程中发现的问题通过步骤3）现场调查相结合，修正各种存在的错误。

初步模型的建立应在数据收集和评估后进行的，其所有数据均来自数据评估时收集到的原始数据。水力模型建立工作在数据收集工作完成后进行。由于数据评估时已对数据进行分类、整理和格式化，模型生成过程应为平台软件标准接口将这些数据批量导入的过程，建模过程均为标准操作。

6）模型校验

选择压力检验节点、流量校验管线、水质校验节点和模型校验日，确定模型校验数据。

应用建模软件的模型校验功能，做模型误差计量，调整模型对象的相关参数，再计算，反复进行直至模型精度达到要求。

7）模型试运行

运用模型模拟多种应用方案，包括供水管网规划、管网改建设计、供水管网现状模拟、供水管网水龄分析等[4]。

8）评价指标

建立管网工况评价指标体系，将不同预测水量条件下是否会对正常的城镇供水管网造成影响进行评估，并进行影响程度分析，最终将不同影响程度进行分级预警，并制定相应的紧急调度预案，使调度预案的启用和解除条件更为清晰、细致、可操作性强。

3 工程案例

3.1 建模区域概况

某区，独立供水区域，单一水厂水源供水，无市政加压泵站，36个在线压力实时监控点平均分布在供水区域内，管网长度366km（DN100及以上），平均日供水量13.5万t，漏损率12%，用户数量约5万户。

3.2 模型计算水量分配

统计8月～9月共2个月的水厂出厂时流量数值，取平均数寻找供水量变化规律。早上11点的时候为最用水量最高值。

选择用水状况正常、稳定的各类型用户，安装实时远传的流量设备（流量计或机械表远传装置）采集实时的各类型用户的用水量变化规律。采用8月～9月的营销抄收的水量数据平均日，根据变化系数分配至节点。

例：某用水量大的医院市政直接供水与二次供水水池联合供水，24h的用水量变化规律见图1。

11时的用水量为最高峰用水量，占全天的比例为7.63，该医院的用水变化规律选作为医院用户的代表，即市政直接供水联合二次供水水池供水的医院用户11时的系数为7.63。每个相同供水规律的医院用户的水量分配计算，见式（4）。

其他类型的用户用水变化规律也采用类型的同比方法计算，计算结果如下：医院计算系数为7.63；居民计算系数为6.98；工业计算系数为5.21；商业计算系数为8.09；基建计算系数为8.65；事业单位计算系数为5.21；特种行业计算系数为5.46；学校计算系数为9.87；酒店计算系数为8.90；公园计算系数为5.21。

图1 某医院时流量变化图

3.3 管网数据导入

1）将DN200mm及以上供水管道CAD版全部导入模型计算，进行管网合并与简化，检查连通关系；2）节点配置水量及高程值、用户信息等属性数据；3）管道配置管径数据及摩擦系数；4）将管网漏失水量平摊到每个节点[5]。

3.4 计算成果验证

模型计算成果：各节点高程及绝对压力，各管段的水流方向及管道流速及流量，将成果数据自动生成等压线图，并与地形图匹配。

模型验收成果验收：

1）关键节点压力精度校核：通过比对实测管网压力数据与模型计算的压力数据做比较，校验模型精度 0≤误差绝对值≤0.02MPa，100%；0≤误差绝对值≤0.005MPa，92%，符合相关标准，且与现场数据相吻合。

2）等水压线绘制：将区域中的各等水压点连线。连线无交点，且分布合理符合实际情况。

3）等水压线与用户分布情况结合表达：准确的将等水压线与供水管网分布图、用户分布情况整合绘制成图。

4）建模结果可评价整个区域的管网运行情况，有部分区域的等压线过于密集，用户负荷大，亟待改造；N48节点的现场压力数据与模型模拟的计算数据偏差较大，判断该节点周边存在大的漏水点，经过现场验证。

4 结语

综上所述，微观管网模型是在压力数据、用户用水量、基础地形、管网分布等管网运行数据的基础上完成的，并绘制等压线。以科学依据判断管网瓶颈、水压薄弱等用水紧张区域，判断大漏水点位置，水质薄弱区域等。挖掘管网的服务能力，避免盲目投资及改造，提升供水服务水平，降低产销差率，提高水费回收率。