给水排水990206

深圳市给水管网水力计算模型的建立
孙文深　黄宇阳　韩德宏
提要　从深圳市给水管网实践出发，介绍了建立管网水力计算模型的管段、节点简化原则、模型建立方法及使用效果，并对模型改进及维护提出了设想。
关键词　给水管网　水力计算模型　简化原则　管段　节点
Mathematical Model for Hydraulic Calculation of Water Distributing Network in Shenzhen
Sun Wenshen
Abstract: The Mathematical Model for Hydraulic Calculation of Water Distributing Network in Shenzhen has been established. The method to establish and the usage of this model including the principle to simplify the nods and sections of pipeline are presented. Also some assumes to improve and maintain the model are described.
深圳市自来水(集团)有限公司负责特区范围内绝大部分地区的供水工作，现有水厂5座，供水能力达162万m3/d，300mm以上的输配水管网总长近800km，实际供水量125万m3/d左右。
多年以来，公司一直重视管网技术工作，1994年建立了管网的计算机管理系统并不断完善，现管网图及用户用水接管资料较为齐全。同时，公司在管网中设置了相当数量的测压点、测流点、水质点，这些测点的运行数据可及时传送至公司供水调度中心。因此，建立一个实际运行的管网水力模型、分析管网运行状态、预测各类操作对供水管网运行状况的影响既十分必要，也具备了条件。目前，我们已建立了一个具有1220条管段620个节点的管网水力模型，并在多项实际工作中得到应用，精度及应用效果良好。本文就我们建立管网水力模型的工作作一介绍。
1　管网简化原则
实际的给水管网通常都是很复杂的，管径大到1m以上，小到十几mm，管道的走向错综复杂，相互间的连接关系多种多样，管段长短不一，必须经过一定的简化，即略去次要的管线，保留主要的管线，才能建立起既真实反映管网水力状况，又能保证计算速度的管网水力模型。
1.1　管段
给水管网的几何图形可以抽象地认为是由管段和节点构成的有向图，所以管段是给水管网的基本元素，进行给水管网简化，首先要对管段简化。具体简化原则如下：
a.管网水力模型中只保留管径在200mm以上的管段。在给水管网中，管径较大的管段对管网水力条件的影响较大，相反管径小则影响小，所以管网简化的第一步是省略管径较小的管段。结合深圳市的实际情况，将管径在200mm以下的管段省略。
b.省略管径大于400mm，管长小于30m的过路管，将其视为节点。对于供水规模较大的城市，许多市政道路下的给水管线都不只一条，通常位于道路的两侧，相互间通过过路管道连接，这些过路管管径通常与主干管管径相同或相近，长度较小，对道路两侧管线的水力条件基本不造成影响，过路管两端的水力参数基本相同，所以可将这种管段作为一个节点。
c.道路两侧的平行管线不予合并。
d.对管长大于1000m或管线的转角大于60°的管段，在长度为1000m处或转角处增设节点，管段相应增加。给水管网图形中有些管段很长，或沿途有较大局部阻力，根据给水管网理论，这样的管段不适合作为一条管段处理，应予以适当分解。经过反复实践，认为按以上原则增设节点和管段较为适宜。增设节点和管段似乎与管网简化背道而驰，但管网简化的目的是建立管网水力模型，应该说这里的简化是广义的，是针对给水管网模型化而言的。
1.2　节点
节点在管网图形中起着连接两条或多条管段的作用，在水力计算中同时起着分配管网流量的作用，所以这里讲的节点应具有以下含义：①不同管径或不同材质的管段相连接的点；②管段相交的点；③用水量较大用户的用户管与市政管相交点；④给水水源与市政管网的连接点。在进行管网简化时，应按以上原则设置节点。
2　管网水力模型的建立
2.1　管段及节点的编号
城市给水管网的管段及节点的数量通常很大，而且随着城市给水事业的发展，不断有新的管线出现，也不断有旧的管线被废除，管网随时都在变化。为便于管理和查找，根据管段和节点所在的图幅，进行分区编号：管段编号为六位，即××G×××，其中前两位为图幅代码，后三位为管段的编号：节点编号为五位，即×J×××，第一位为图幅代码，后三位为节点的编号。经过反复地数据校正，最终完成对1220条管段、620个节点的编号。考虑到管网规模较大，水力计算较复杂，在水力计算之前，根据节点编号优化的原则，将节点编号进行优化［1］，以减少计算的不稳定性，提高计算速度。对所有管段和节点进行编号后，在建立相应的数据库时，按照各管段和节点所在的供水管理区域，在各数据库中设立“所属工区”的字段，以便于计算沿线流量和节点流量。
2.2　节点流量的计算
深圳市现有四个主要供水区域：罗湖供水区、上步供水区、福田供水区及南山供水区。各区的管网完善情况和用水情况都不同，随着特区的建设和发展，每个区域的供水结构都发生了较大的变化，但发展速度和方向各不相同。深圳是一座年轻而又充满生机的城市，在今后几年内，每个区域的用水结构还会不断变化，而且随着城市发展规划的落实，各区的发展速度将有较大差别。例如，罗湖区发展较早，城市建设已基本成形，今后的用水增长速度不会很快。因此，在根据现有管网的用水情况计算节点流量时，要按照各节点所在的供水区域，分区进行。
深圳市的给水管网已基本建成并投入使用，要计算管网中各节点的节点流量，必须首先对现有管网中的流量分布情况进行调查了解，作为给水管网建模的基础。从1997年的统计数据分析，月用水量在1000m3的用户约有3000多个，其总用水量约占全市总用水量的90%，分布于管网的各个位置，基本反映管网的流量分布情况。通过对这3000多个用户用水资料的调查，可在给水管网图上确定出各用户的具体用水位置，总体分为三类：自市政管网的管段上接出支管用水；自市政管网的节点附近接出支管用水；自市政管网的支管开口用水。针对这三种情况，将管段上和支管上的用户归为管段用户，将节点上的用户归为节点用户，建立相应的数据库。有了以上数据，我们采用VisualFoxPro的编程语言，对数据进行了一系列处理，具体步骤如下：
a.确定以某月份的用户水量为基准，统计该月各用户、各供水区域的总用水量及全市总供水量。
b.按管段累加大用户流量，得该管段的大用户流量Gd11；或按节点累加，得该节点的大用户流量Jd11。
c.计算各供水区域的总用水量与该区域内总的大用户流量之差，以此作为该供水区域的总沿线流量，按管长比例分摊至该区域的所有管段，得各管段的沿线流量Gd12。
d.将各管段的总流量(Gd11+Gd12)平均分配到管段的起、终节点上，得节点流量Jd12。则(Jd11+Jd12)为该月月用水量所对应的节点流量Jd11。
e.将各节点的节点流量Jd11乘以一定的日变化系数和时变化系数，深圳市的日变化系数为1.227，时变化系数为1.29，转换成基准月的最高日最高时节点流量h-jd11,节点流量总和Σh-jd11记为s-jd11。
f.按照“比例负荷”的原理，选取需计算的最高日最高时的实际供水量为总计算流量，将总计算流量与s-jd11之差按节点流量的比例分配至各节点，得总计算流量对应的节点流量。
2.3　特殊节点的处理
在管网模型中的特殊节点包括水厂、控制点、高位水池、加压泵站等，深圳市管网只包括前两种特殊节点，它们分别位于不同的节点处。在建模时将水厂的出水流量视为已知数，出水压力视为未知数，不考虑管网和水泵联合工作的情况，以水厂出水压力的计算与实际值的差，校核模型的精度，将控制点的水头和节点流量均视为已知。
完成管网建模的准备工作后，根据已有的管网运行经验，合理确定各水厂的出水流量及压力控制点的水头，就可对现有给水管网进行现状分析，采用的水力分析计算程序是我们自己独立开发并经建设部组织鉴定的［2，3］。从计算结果可看出，模型所模拟出的管网运行状态在节点水头、管道流速及水厂出水压力等方面，都不同程度地存在与实际不符的情况，表明管网模型在建立之初与实际管网模型有一定误差，需要调整。通过反复校对管道的管径、长度、连接关系及用户的位置，模型的误差逐渐减小，水厂出水压力的误差范围在30kPa(3mH2O)以内，压力监测点的水头误差基本符合要求，且计算趋于稳定，收敛速度明显有所改善，在普通586微机上，每完成一次计算约需1min。
3　管网水力模型的应用
建立给水管网的水力模型之所以受到人们的广泛重视，就因为它具有极大的应用价值。首先，通过建立管网的水力模型，对现有管网的运行状态做出正确评价，提出今后一年或几年的管网改造计划，便于给水工程的投资管理；其次，通过对管网的分析计算，核定各水厂的布局合理性；第三，结合给水系统优化调度模型的建立，对各水厂的出水流量、出水压力进行合理调配，以满足管网的需要；第四，在供水系统发生重大事故时，利用管网水力模型对配水管网运行状态的模拟，分析事故时管网中存在的供水问题，以便采取合理的调度策略，尽可能减少事故的影响范围。
深圳市给水管网水力模型建成后，首先用于现状管网的水力分析。根据管网计算所得管段的流速、节点水头、水厂出水流量和压力等水力参数，分析管网的运行状态，发现现有给水管网基本处于经济运行状态，管段流速普遍低于1.2m/s，节点的自由水头在250kPa(25mH2O)左右，管网布局基本合理。但也发现一些问题：诸如爱国路上东湖水厂出厂管，红荔、上步南等路段上的管道管径偏小，导致管道流速较高，水头损失较大；东湖水厂、笔架山水厂向南供水能力不足；东门路老城区的部分管段负荷过重，等等。针对这些问题提出近期的管网改造计划，其中新增管线的管径都是通过严格的计算分析来确定，不同于以往的“拍脑袋”计划。东湖水厂近期将进行改造，届时供水能力将大幅下降，为保证供水安全，事先必须做好供水计划，为此，我们利用水力计算模型，模拟水厂改造时管网的运行状态，并根据计算结果，制定出新的供水调度方案。经过反复研究，认为方案可行，现已将准备工作落实，相信在水厂减产改造时，能够保障安全供水。
4　模型的完善
通过深圳市给水管网建模的实践，进一步了解到管网水力模型的精度受诸多因素的影响，有待于进一步提高，同时随着管网的不断使用和发展，模型也需要不断完善。在管网的水力模型中，管道的摩阻系统是一个很重要的参数，也是一个难以精确确定的参数。我们在建模时是通过估算来确定摩阻系数，与实际管网的摩阻系数有一定误差，今后还需要加以完善。初步设想是，对管网中所有管道按其埋设年代、管材、管径进行分类，通过抽样试验确定管道的摩阻系数。
节点流量的计算必须随着管网负荷(用户接管用水)的变化而变化，即建立给水管网图形管理系统，将管网中用户的增加或减少直接反映到管网模型中，便于模型的维护。目前我们正着手开展这方面的工作。相信结合管网状态估计方法的应用［1］，管网模型对实际管网运行状态的反映将更加准确。
参考文献
1　韩德宏.城市输配水系统的优化调度.湖南大学硕士论文，1985
2　姜乃昌，韩德宏.管网系统计算的矩阵方法.湖南大学，1986
3　深圳市自来水公司.“城市供水管网计算机图形管理系统”鉴定材料，1994
4　韩德宏.配水管网状态估计的几种方法.中国给水排水，1993，9(1)
作者单位：518031深圳市深南中路19号万德大厦　深圳市自来水公司供水调度中心
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