供水管网水力模型建设及在供水规划中的应用

2020-10-13王天元

供水技术 2020年3期

张皓，何通，王天元，时超

(苏州智品信息科技有限公司，江苏常熟215500)

随着智慧水务的推进，作为重要组成部分的水力模型也吸引了供排水企业的关注，目前国内已有部分水务公司建立水力模型并取得良好应用[1]。水力模型作为实现智慧水务及精细化管理的重要工具，在未来必将发挥更大的作用[2]。水力模型主要用于规划、调度、设计等多方面，但是其建设过程尚无统一规范。笔者以江苏省常熟市水力模型建设为背景，采用WaterGEMS建模软件，开展了水力模型建设及其在供水规划方面的研究。

1 模型建设

水力模型建设的基本步骤包括数据处理、数据导入、模型校核。

1.1 拓扑数据处理

模型建立的过程需要众多的数据支撑，包括管网拓扑数据、水量数据和SCADA数据。

1.1.1 拓扑数据处理

管网拓扑数据来自GIS，详细数据说明如表1所示。水力模型最基础的拓扑数据是GIS中的管线、节点、阀门数据，其准确性直接影响模型精度，在管线数据处理方面首先需要梳理GIS中的管线数据，最主要的工作为确定管线之间的连接管线，完善拓扑数据。此外，还需要根据地面高程数据对节点进行高程赋值，梳理阀门启闭情况等。

表1 拓扑数据说明Tab.1 Description of topology data

原始GIS数据中含有多种类型节点，首先将所有节点图层合并为1个图层，然后在ArcMap软件中建立管线与节点之间的拓扑关系。

在拓扑关系建立过程中，重点为拓扑关系的设定，主要设定的5条拓扑规则包括：不能有节点重叠；管线不能自我交叉；管线不能自我重叠；节点必须与管线连接；管线末端必须与节点连接。

通过设定拓扑关系，可以自动修正拓扑关系，其次再通过查找Network管网连接关系找到孤立管线与孤立节点，便于GIS数据的核对。在此基础之上，通过创建DEM和栅格数据赋值，为节点进行高程数据的赋值。

1.1.2 水量数据处理

水量数据主要来源为营业收费系统，需获取的数据包括：

① 用水点位置、用水类型(居民、工业或其他等)、抄表时间、抄表模式(单月或双月)、用水量；

② 大用户贸易水表位置、计量类型(工业、商业等)、实时水量数据；

③ 其他统计数据，包括产销差水量统计以及绿化、管道冲洗等非计量水量收费方式等。

各地的水务公司通常存在双月抄和单月抄两种模式，季抄比较少。进行水量处理时，对连续2个月的数据取平均值作为单月水量，然后再平均到每日作为每个用户的单日用水量。如果能实现水表定位，可在模型中根据各个水表的位置将其水量挂接到最近的节点上。如果未能实现水表定位，则需要进行一定的水量定位工作，至少需要将大用户(用水量> 1 000 m3/d)进行水量定位。对于漏损、绿化等水量，可将其统一处理为未计量水量，采用比流量法进行水量分配，均匀分配到管网中。

1.1.3 SCADA数据处理

SCADA数据对比模型校核至关重要，主要包括：

① 所有泵站水泵的开停记录；

② 泵站总流量、总压力、用电量、泵站效率；

③ 各泵站每台水泵的单泵流量、压力、用电量、效率；

④ 各水库液位变化记录，包括清水池水库和管网中泵站水库；

⑤ 管网测压点、测流点的运行数据，测压点需包含压力计标高信息。

在获取SCADA数据后，需要进行数据清洗，剔除噪点数据。SCADA数据既是模型建立的数据支撑，也是模型校核的标准，应选取上述数据中前4项作为基础数据，第5项作为校核数据；需要说明的是，如果模型采用水源压力控制模式，则水厂流量应作为模型的校核数据；采用水源流量控制模式，则水厂总压力应作为校核数据；如果采用水泵模式，流量和压力都应作为模型校核数据。下一步将处理好的SCADA数据放入模型中，作为模型建立和校核的重要依据。

1.2 数据导入

在完成数据处理之后，模型的建立过程可以看作数据导入的过程。通过WaterGEMS的各个导入功能，将处理好的数据导入模型中。

1.2.1 管网数据导入

将GIS中的管线、节点、阀门数据导入水力模型中，形成水力模型的管网框架，通过Model Builder导入管线数据如图1所示。

图1 通过Model Builder导入管线数据Fig.1 Importing pipe data via Model Builder

1.2.2 水厂数据录入

将水厂的清水池、水泵、管线、阀门录入水力模型，同时与外管网连接好，确保连接正确。同时需要将水厂的运行数据导入模型中，例如水池液位的变化、水泵的启停以及水泵的频率等。在WaterGEMS中既可以通过编写控制语句的方式，又可以通过设置pattern的形式设置水厂运行数据。

1.2.3 水量分配

根据供水量数据，对水力模型进行节点上的初始流量分配，如果可进行水表定位，直接进行水量挂接。当不具备水表定位的条件时，则首先进行大用户位置定位，录入大用户水量信息，然后可采用管线比流量分配方法进行水量的分配。通过Load Builder进行水量分配，如图2所示。

图2 通过Load Builder进行水量分配Fig.2 Water demand allocation via Load Builder

1.2.4 建立用水模型

根据远传水表和流量仪的水量数据，通过数据处理形成不同的用水模式，录入到水力模型中并赋予到相应的节点上，如图3所示。

图3 建立用水模式Fig.3 Building of water demand pattern

1.3 模型精度控制

1.3.1 压力精度要求

管网压力监控点的压力计算结果相对于实际监测值的误差，是水力模型压力计算精确程度的判定指标。根据管网的复杂程度、压力监控点仪表的精度、地面标高的准确程度以及压力监控点的分布位置，水力模型计算的压力值与实测的压力值之间的均方差，要满足以下要求：

① 压力计算值与实测值之间的均方差应不大于1～1.5 m；

② 压力计算值与实测值之间的均方差不大于1 m的实测点数量，应占总实测点数量的80%以上；

③ 当管网较复杂、测试条件不理想或测点分布不能满足水力模型校验的需要时，误差范围取上限值；当管网较简单、测试条件比较理想时，误差范围取下限值。

1.3.2 流量精度要求

管网流量监控点流量计算结果相对于实际监测值的误差，是水力模型流量计算精确程度的判定指标。根据管网的复杂程度、流量监控点仪表的精度以及流量监控点的分布位置，水力模型计算的流量值与实测的流量值之间的均方差，需满足以下要求：

① 当测流管线水量占管网总水量的比例大于1%时，均方差必须在5%～10%；

② 当测流管线水量占管网总水量的比例大于0.5%时，均方差必须在10%～15%；

③ 当管网较为复杂、测点仪表的精度比较低或测点分布不能满足水力模型校验的需要时，误差范围取上限值；当管网较为简单、测试条件比较理想时，误差范围取下限值。

1.4 模型校核

完成上述工作后，即可运算水力模型，此阶段的计算结果会与实际情况存在较大的误差，需进行水力模型的校核工作。

水力模型基本的校核方法主要分为检查、校验和验证，始终贯穿于水力模型建设项目的全过程。在水力模型建设的不同阶段，这3种方法的使用各有侧重，整个过程就是发现问题—假设模拟—问题锁定—确认更正的过程。总的来说，水力模型的校核内容主要包括以下几个方面。

1.4.1 基础数据检查

将收集到的基础数据和现场测试数据进行汇总分析，通过统计分析方法评估数据的准确性和可用性，对不正常的基础数据进行讨论确认并重新收集、整理，以降低由于基础数据不准确而造成的偏差。

1.4.2 管线及其连接关系检查

根据管线数据和管网运行数据对管网进行初步建模，通过初步水力模型的建立，通常会出现管线之间的连接关系错误和其它数据错误。通过检查与沟通确认，基本要求达到管线连接关系和阀门开度与实际相符，同时主干管网的连接情况、管径大小与实际一致。

1.4.3 水力模型相关参数修正

运行水力模型，与压力监控点、流量监控点的实测数据进行比较，根据误差值合理调整影响水力模型准确度的关键参数，使水力模型的计算结果与实测值的误差逐步控制在要求的范围之内。相关的参数包括节点流量及其用水曲线、管道摩阻系数、阀门启闭、地面标高等。

1.4.4 水力模型验证

水力模型的建立与校核工作完成后，需要采用不同供水方式下的数据进行验证。使用其他供水方式下的基础数据重新输入水力模型并运行计算，验证其结果是否符合实际。若符合则表示该模型准确度较高，若不符合则应继续校核与调整水力模型，使水力模型适用于实际不同的供水方式，体现实际的运行情况。

2 供水规划中的应用

供水企业经常要开展管网改扩建、维修关阀、区域水量增加等多方面的规划，以往的粗放式管理仅凭经验做出判断，缺乏科学性、系统性，无法保障用水安全。因此需要结合水力模型进行定量化分析，提出科学合理的建议与方案。

2.1 管网改扩建模拟

常熟市辛庄区域一直以来是低压供水区域，为了缓解低压状况，分别对3种新增管线方案进行模拟，最终提出新增管线布设建议，管线位置如图4所示。

方案一：从东始村路口至227省道铺设DN800管道，南部沿东西方向铺设DN600管道。

方案二：从南环至227省道铺设DN800管道，南部沿东西方向铺设DN600管道。

方案三：从南环至227省道铺设DN1000管道，南部沿东西方向铺设DN600管道。

图4 3种方案新增管线位置Fig.4 Locations of new pipe in three schemes

根据测压点各方案模拟结果及当前压力值统计结果，该区域24 h压力变化曲线如图5所示。可以看出，3种方案对辛庄镇压力较低状况都有一定的改善。以最低压力为例，方案一、方案二和方案三的最低压力能分别提升23.47%、31.16%和33.06%。方案三较方案二而言，虽然管径由DN800增大至DN1000，但压力提升不大，因此建议使用方案二。

图5 3种方案模拟结果Fig.5 Simulation results of three schemes

2.2 维修关阀模拟

当进行管网维修需要关阀时，往往会带来区域压力下降、水流反向等问题，模拟关阀操作对压力的影响。如图6所示，圆框内虚线所示的管道代表此次需要关闭的管段，管道关闭后的压力影响分析如图7所示。

图6 关阀管道Fig.6 Pipe of closing valves

图7 关阀前后压力变化Fig.7 Pressure change before and after valve closing

从图7可以看出，部分地区压力变化不大，部分区域压力有所上升，部分区域压力有所下降。港区、辛庄镇区、张桥镇区、练塘镇区、莫城镇区压力变化不大，仅为0～1 m；周行镇区压力上升最大，达到4～6 m；海虞镇区压力上升2～3 m。其余地区压力均有所下降，其中市区压降最大，达到了10 m以上。测压点管道关闭前后压力变化曲线表明，市区平均压降为11 m。该关阀操作会带来较大的影响，因此建议在凌晨2：00—5：00进行。

2.3 区域供水量增加模拟

当管网中新增用水户需要铺设管道时，管径的选取尤为重要。若管径选取不合适，不但不能满足用水需求，还会因为水流损失过大不能提供足够的压力。模拟沈张路新增管道分别为DN300，DN400及DN500情况下新增用水点的压力情况，新增用水点位于图8圆点位置，用水量为6 240 m3/d。

图8 新增水量位置与管线Fig.8 Location of new water demand and pipe

在不同管径下，新增用水点压力模拟结果如图9所示。可以看出，管径为DN300时新增用水点压力仅在10 m左右，远低于供水服务压力；当新增管道管径为DN400时，新增用水点压力在19 m左右，刚好满足服务压力。当新增管道管径为DN500时，新增用水点压力在21 m左右，满足供水服务压力，因此推荐新增管道采用DN500口径。