深圳市給水管網(wǎng)水力計算模型的建立
孫文深 黃宇陽(yáng) 韓德宏
提要 從深圳市給水管網(wǎng)實(shí)踐出發(fā)，介紹了建立管網(wǎng)水力計算模型的管段、節點(diǎn)簡(jiǎn)化原則、模型建立方法及使用效果，并對模型改進(jìn)及維護提出了設想。
關(guān)鍵詞 給水管網(wǎng) 水力計算模型 簡(jiǎn)化原則 管段 節點(diǎn)
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.
深圳市自來(lái)水(集團)有限公司負責特區范圍內絕大部分地區的供水工作，現有水廠(chǎng)5座，供水能力達162萬(wàn)m3/d，300mm以上的輸配水管網(wǎng)總長(cháng)近800km，實(shí)際供水量125萬(wàn)m3/d左右。
多年以來(lái)，公司一直重視管網(wǎng)技術(shù)工作，1994年建立了管網(wǎng)的計算機管理系統并不斷完善，現管網(wǎng)圖及用戶(hù)用水接管資料較為齊全。同時(shí)，公司在管網(wǎng)中設置了相當數量的測壓點(diǎn)、測流點(diǎn)、水質(zhì)點(diǎn)，這些測點(diǎn)的運行數據可及時(shí)傳送至公司供水調度中心。因此，建立一個(gè)實(shí)際運行的管網(wǎng)水力模型、分析管網(wǎng)運行狀態(tài)、預測各類(lèi)操作對供水管網(wǎng)運行狀況的影響既十分必要，也具備了條件。目前，我們已建立了一個(gè)具有1220條管段620個(gè)節點(diǎn)的管網(wǎng)水力模型，并在多項實(shí)際工作中得到應用，精度及應用效果良好。本文就我們建立管網(wǎng)水力模型的工作作一介紹。
1 管網(wǎng)簡(jiǎn)化原則
實(shí)際的給水管網(wǎng)通常都是很復雜的，管徑大到1m以上，小到十幾mm，管道的走向錯綜復雜，相互間的連接關(guān)系多種多樣，管段長(cháng)短不一，必須經(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)化，即略去次要的管線(xiàn)，保留主要的管線(xiàn)，才能建立起既真實(shí)反映管網(wǎng)水力狀況，又能保證計算速度的管網(wǎng)水力模型。
1.1 管段
給水管網(wǎng)的幾何圖形可以抽象地認為是由管段和節點(diǎn)構成的有向圖，所以管段是給水管網(wǎng)的基本元素，進(jìn)行給水管網(wǎng)簡(jiǎn)化，首先要對管段簡(jiǎn)化。具體簡(jiǎn)化原則如下：
a.管網(wǎng)水力模型中只保留管徑在200mm以上的管段。在給水管網(wǎng)中，管徑較大的管段對管網(wǎng)水力條件的影響較大，相反管徑小則影響小，所以管網(wǎng)簡(jiǎn)化的第一步是省略管徑較小的管段。結合深圳市的實(shí)際情況，將管徑在200mm以下的管段省略。
b.省略管徑大于400mm，管長(cháng)小于30m的過(guò)路管，將其視為節點(diǎn)。對于供水規模較大的城市，許多市政道路下的給水管線(xiàn)都不只一條，通常位于道路的兩側，相互間通過(guò)過(guò)路管道連接，這些過(guò)路管管徑通常與主干管管徑相同或相近，長(cháng)度較小，對道路兩側管線(xiàn)的水力條件基本不造成影響，過(guò)路管兩端的水力參數基本相同，所以可將這種管段作為一個(gè)節點(diǎn)。
c.道路兩側的平行管線(xiàn)不予合并。
d.對管長(cháng)大于1000m或管線(xiàn)的轉角大于60°的管段，在長(cháng)度為1000m處或轉角處增設節點(diǎn)，管段相應增加。給水管網(wǎng)圖形中有些管段很長(cháng)，或沿途有較大局部阻力，根據給水管網(wǎng)理論，這樣的管段不適合作為一條管段處理，應予以適當分解。經(jīng)過(guò)反復實(shí)踐，認為按以上原則增設節點(diǎn)和管段較為適宜。增設節點(diǎn)和管段似乎與管網(wǎng)簡(jiǎn)化背道而馳，但管網(wǎng)簡(jiǎn)化的目的是建立管網(wǎng)水力模型，應該說(shuō)這里的簡(jiǎn)化是廣義的，是針對給水管網(wǎng)模型化而言的。
1.2 節點(diǎn)
節點(diǎn)在管網(wǎng)圖形中起著(zhù)連接兩條或多條管段的作用，在水力計算中同時(shí)起著(zhù)分配管網(wǎng)流量的作用，所以這里講的節點(diǎn)應具有以下含義：①不同管徑或不同材質(zhì)的管段相連接的點(diǎn)；②管段相交的點(diǎn)；③用水量較大用戶(hù)的用戶(hù)管與市政管相交點(diǎn)；④給水水源與市政管網(wǎng)的連接點(diǎn)。在進(jìn)行管網(wǎng)簡(jiǎn)化時(shí)，應按以上原則設置節點(diǎn)。
2 管網(wǎng)水力模型的建立
2.1 管段及節點(diǎn)的編號
城市給水管網(wǎng)的管段及節點(diǎn)的數量通常很大，而且隨著(zhù)城市給水事業(yè)的發(fā)展，不斷有新的管線(xiàn)出現，也不斷有舊的管線(xiàn)被廢除，管網(wǎng)隨時(shí)都在變化。為便于管理和查找，根據管段和節點(diǎn)所在的圖幅，進(jìn)行分區編號：管段編號為六位，即××G×××，其中前兩位為圖幅代碼，后三位為管段的編號：節點(diǎn)編號為五位，即×J×××，第一位為圖幅代碼，后三位為節點(diǎn)的編號。經(jīng)過(guò)反復地數據校正，最終完成對1220條管段、620個(gè)節點(diǎn)的編號?？紤]到管網(wǎng)規模較大，水力計算較復雜，在水力計算之前，根據節點(diǎn)編號優(yōu)化的原則，將節點(diǎn)編號進(jìn)行優(yōu)化［1］，以減少計算的不穩定性，提高計算速度。對所有管段和節點(diǎn)進(jìn)行編號后，在建立相應的數據庫時(shí)，按照各管段和節點(diǎn)所在的供水管理區域，在各數據庫中設立“所屬工區”的字段，以便于計算沿線(xiàn)流量和節點(diǎn)流量。
2.2 節點(diǎn)流量的計算
深圳市現有四個(gè)主要供水區域：羅湖供水區、上步供水區、福田供水區及南山供水區。各區的管網(wǎng)完善情況和用水情況都不同，隨著(zhù)特區的建設和發(fā)展，每個(gè)區域的供水結構都發(fā)生了較大的變化，但發(fā)展速度和方向各不相同。深圳是一座年輕而又充滿(mǎn)生機的城市，在今后幾年內，每個(gè)區域的用水結構還會(huì )不斷變化，而且隨著(zhù)城市發(fā)展規劃的落實(shí)，各區的發(fā)展速度將有較大差別。例如，羅湖區發(fā)展較早，城市建設已基本成形，今后的用水增長(cháng)速度不會(huì )很快。因此，在根據現有管網(wǎng)的用水情況計算節點(diǎn)流量時(shí)，要按照各節點(diǎn)所在的供水區域，分區進(jìn)行。
深圳市的給水管網(wǎng)已基本建成并投入使用，要計算管網(wǎng)中各節點(diǎn)的節點(diǎn)流量，必須首先對現有管網(wǎng)中的流量分布情況進(jìn)行調查了解，作為給水管網(wǎng)建模的基礎。從1997年的統計數據分析，月用水量在1000m3的用戶(hù)約有3000多個(gè)，其總用水量約占全市總用水量的90%，分布于管網(wǎng)的各個(gè)位置，基本反映管網(wǎng)的流量分布情況。通過(guò)對這3000多個(gè)用戶(hù)用水資料的調查，可在給水管網(wǎng)圖上確定出各用戶(hù)的具體用水位置，總體分為三類(lèi)：自市政管網(wǎng)的管段上接出支管用水；自市政管網(wǎng)的節點(diǎn)附近接出支管用水；自市政管網(wǎng)的支管開(kāi)口用水。針對這三種情況，將管段上和支管上的用戶(hù)歸為管段用戶(hù)，將節點(diǎn)上的用戶(hù)歸為節點(diǎn)用戶(hù)，建立相應的數據庫。有了以上數據，我們采用VisualFoxPro的編程語(yǔ)言，對數據進(jìn)行了一系列處理，具體步驟如下：
a.確定以某月份的用戶(hù)水量為基準，統計該月各用戶(hù)、各供水區域的總用水量及全市總供水量。
b.按管段累加大用戶(hù)流量，得該管段的大用戶(hù)流量Gd11；或按節點(diǎn)累加，得該節點(diǎn)的大用戶(hù)流量Jd11。
c.計算各供水區域的總用水量與該區域內總的大用戶(hù)流量之差，以此作為該供水區域的總沿線(xiàn)流量，按管長(cháng)比例分攤至該區域的所有管段，得各管段的沿線(xiàn)流量Gd12。
d.將各管段的總流量(Gd11+Gd12)平均分配到管段的起、終節點(diǎn)上，得節點(diǎn)流量Jd12。則(Jd11+Jd12)為該月月用水量所對應的節點(diǎn)流量Jd11。
e.將各節點(diǎn)的節點(diǎn)流量Jd11乘以一定的日變化系數和時(shí)變化系數，深圳市的日變化系數為1.227，時(shí)變化系數為1.29，轉換成基準月的最高日最高時(shí)節點(diǎn)流量h-jd11,節點(diǎn)流量總和Σh-jd11記為s-jd11。
f.按照“比例負荷”的原理，選取需計算的最高日最高時(shí)的實(shí)際供水量為總計算流量，將總計算流量與s-jd11之差按節點(diǎn)流量的比例分配至各節點(diǎn)，得總計算流量對應的節點(diǎn)流量。
2.3 特殊節點(diǎn)的處理
在管網(wǎng)模型中的特殊節點(diǎn)包括水廠(chǎng)、控制點(diǎn)、高位水池、加壓泵站等，深圳市管網(wǎng)只包括前兩種特殊節點(diǎn)，它們分別位于不同的節點(diǎn)處。在建模時(shí)將水廠(chǎng)的出水流量視為已知數，出水壓力視為未知數，不考慮管網(wǎng)和水泵聯(lián)合工作的情況，以水廠(chǎng)出水壓力的計算與實(shí)際值的差，校核模型的精度，將控制點(diǎn)的水頭和節點(diǎn)流量均視為已知。
完成管網(wǎng)建模的準備工作后，根據已有的管網(wǎng)運行經(jīng)驗，合理確定各水廠(chǎng)的出水流量及壓力控制點(diǎn)的水頭，就可對現有給水管網(wǎng)進(jìn)行現狀分析，采用的水力分析計算程序是我們自己獨立開(kāi)發(fā)并經(jīng)建設部組織鑒定的［2，3］。從計算結果可看出，模型所模擬出的管網(wǎng)運行狀態(tài)在節點(diǎn)水頭、管道流速及水廠(chǎng)出水壓力等方面，都不同程度地存在與實(shí)際不符的情況，表明管網(wǎng)模型在建立之初與實(shí)際管網(wǎng)模型有一定誤差，需要調整。通過(guò)反復校對管道的管徑、長(cháng)度、連接關(guān)系及用戶(hù)的位置，模型的誤差逐漸減小，水廠(chǎng)出水壓力的誤差范圍在30kPa(3mH2O)以?xún)?，壓力監測點(diǎn)的水頭誤差基本符合要求，且計算趨于穩定，收斂速度明顯有所改善，在普通586微機上，每完成一次計算約需1min。
3 管網(wǎng)水力模型的應用
建立給水管網(wǎng)的水力模型之所以受到人們的廣泛重視，就因為它具有極大的應用價(jià)值。首先，通過(guò)建立管網(wǎng)的水力模型，對現有管網(wǎng)的運行狀態(tài)做出正確評價(jià)，提出今后一年或幾年的管網(wǎng)改造計劃，便于給水工程的投資管理；其次，通過(guò)對管網(wǎng)的分析計算，核定各水廠(chǎng)的布局合理性；第三，結合給水系統優(yōu)化調度模型的建立，對各水廠(chǎng)的出水流量、出水壓力進(jìn)行合理調配，以滿(mǎn)足管網(wǎng)的需要；第四，在供水系統發(fā)生重大事故時(shí)，利用管網(wǎng)水力模型對配水管網(wǎng)運行狀態(tài)的模擬，分析事故時(shí)管網(wǎng)中存在的供水問(wèn)題，以便采取合理的調度策略，盡可能減少事故的影響范圍。
深圳市給水管網(wǎng)水力模型建成后，首先用于現狀管網(wǎng)的水力分析。根據管網(wǎng)計算所得管段的流速、節點(diǎn)水頭、水廠(chǎng)出水流量和壓力等水力參數，分析管網(wǎng)的運行狀態(tài)，發(fā)現現有給水管網(wǎng)基本處于經(jīng)濟運行狀態(tài)，管段流速普遍低于1.2m/s，節點(diǎn)的自由水頭在250kPa(25mH2O)左右，管網(wǎng)布局基本合理。但也發(fā)現一些問(wèn)題：諸如愛(ài)國路上東湖水廠(chǎng)出廠(chǎng)管，紅荔、上步南等路段上的管道管徑偏小，導致管道流速較高，水頭損失較大；東湖水廠(chǎng)、筆架山水廠(chǎng)向南供水能力不足；東門(mén)路老城區的部分管段負荷過(guò)重，等等。針對這些問(wèn)題提出近期的管網(wǎng)改造計劃，其中新增管線(xiàn)的管徑都是通過(guò)嚴格的計算分析來(lái)確定，不同于以往的“拍腦袋”計劃。東湖水廠(chǎng)近期將進(jìn)行改造，屆時(shí)供水能力將大幅下降，為保證供水安全，事先必須做好供水計劃，為此，我們利用水力計算模型，模擬水廠(chǎng)改造時(shí)管網(wǎng)的運行狀態(tài)，并根據計算結果，制定出新的供水調度方案。經(jīng)過(guò)反復研究，認為方案可行，現已將準備工作落實(shí)，相信在水廠(chǎng)減產(chǎn)改造時(shí)，能夠保障安全供水。
4 模型的完善
通過(guò)深圳市給水管網(wǎng)建模的實(shí)踐，進(jìn)一步了解到管網(wǎng)水力模型的精度受諸多因素的影響，有待于進(jìn)一步提高，同時(shí)隨著(zhù)管網(wǎng)的不斷使用和發(fā)展，模型也需要不斷完善。在管網(wǎng)的水力模型中，管道的摩阻系統是一個(gè)很重要的參數，也是一個(gè)難以精確確定的參數。我們在建模時(shí)是通過(guò)估算來(lái)確定摩阻系數，與實(shí)際管網(wǎng)的摩阻系數有一定誤差，今后還需要加以完善。初步設想是，對管網(wǎng)中所有管道按其埋設年代、管材、管徑進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)抽樣試驗確定管道的摩阻系數。
節點(diǎn)流量的計算必須隨著(zhù)管網(wǎng)負荷(用戶(hù)接管用水)的變化而變化，即建立給水管網(wǎng)圖形管理系統，將管網(wǎng)中用戶(hù)的增加或減少直接反映到管網(wǎng)模型中，便于模型的維護。目前我們正著(zhù)手開(kāi)展這方面的工作。相信結合管網(wǎng)狀態(tài)估計方法的應用［1］，管網(wǎng)模型對實(shí)際管網(wǎng)運行狀態(tài)的反映將更加準確。
參考文獻
1 韓德宏.城市輸配水系統的優(yōu)化調度.湖南大學(xué)碩士論文，1985
2 姜乃昌，韓德宏.管網(wǎng)系統計算的矩陣方法.湖南大學(xué)，1986
3 深圳市自來(lái)水公司.“城市供水管網(wǎng)計算機圖形管理系統”鑒定材料，1994
4 韓德宏.配水管網(wǎng)狀態(tài)估計的幾種方法.中國給水排水，1993，9(1)
作者單位：518031深圳市深南中路19號萬(wàn)德大廈 深圳市自來(lái)水公司供水調度中心
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