陶建科
上海市自來水公司

　　摘 要 計算機給水管網動態水力模型能為給水管網的規劃、設計、優化控制和科學管理提供可靠的信息來源；本文闡述了建立上海市計算機給水管網動態水力模型的研究方法，實踐證明是成功的，具有重大的實踐意義。
　　關鍵詞 給水管網 動態分析 水力模型 現場測試 校驗

　　上海市自來水公司供水系統是世界上最大的供水系統之一，由16座水廠、42座泵站和6300km的供水管線組成，供水區域為690km²，裝有220萬只水表。1998年日最高供水量為650.1×10⁴t。近年來，隨著上海市的高速發展，給水管網的改擴建及給水管網的日常操作管理引起人們的關注。
　　上海市給水管網的改擴建主要指由于上海市區向郊區延伸，原有的某些給水設施(泵站、水庫等)不合理性日益明顯，引起了宏觀規劃問題；由于大量的低層房屋被高層代替，局部用水量增加，引起了局部用水量的規劃問題。長期以來，上海市供水管網的日常操作(主要指水源調度、管網的維護和更新)主要是憑借經驗，而不是建立在科學的理論體系之上。
　　建立計算機給水管網動態水力模型(包括計算機給水管網宏觀動態水力模型和詳細動態水力模型)，是解決這個問題的最有效手段。宏觀動態水力模型主要用于上海市給水總體規劃活動的分析，包括優化現有的給水設施，規劃新給水設施，為上海市供水系統的改擴建提供宏觀的、總體的分析策略。詳細動態水力模型主要用于上海市供水系統的日常操作、維護和更新的活動分析，包括為管網的更新和維護提供科學的操作管理方法，為區域性的給水管網規劃、設計和更新的優先性評估提供科學依據。

1 研究方法

1.1 建立計算機供水管網圖形^{［1、2］}
　　計算機供水系統管網圖形應該包括供水系統中的所有供水設施及其圖形數據和屬性數據(如管道直徑、節點標高、位置坐標等)。一般有兩種方法建立計算機供水系統管網圖形，一種是用數字化板將供水設施數字化輸入管網建模軟件，形成點線結構的管網圖形；另一種是從供水地理信息系統(GIS)中按照一定的文件格式調用供水設施的圖形數據和屬性數據，使之在管網建模軟件里形成計算機供水系統管網圖形。
　　上海市供水設施的數目大，計算機供水系統管網圖形中節點數目過多，根據建立供水管網模型的用途不同，制定了取舍管線的原則：宏觀動態水力模型中應該包括直徑≥500mm的管道和部分水力條件重要的小管道；詳細動態水力模型中應該包括直徑≥300 mm的管道和部分水力條件重要的小管道。形成計算機供水系統管網圖形后，經“微誤差簡化”，建立起浦西地區計算機供水系統詳細模型管網圖形。
1.2 現場測試
　　現場測試的目的是為計算供水系統的用水量、節點流量及校驗管網動態水力模型提供數據。
　　建立上海市給水管網動態水力模型過程中的現場測試由三部分組成：測試供水系統壓力和流量值；大用戶用水調查及現場24h讀表實測；測試水泵的特性參數。要求前兩個部分的現場測試同時進行?？偣策M行了十次大規模的現場測試，第一次測試的目的是為了解給水管網當中水流的大致流動方向及壓力分布情況，為選擇模型現場測試點提供參考；后九次是為給水管網模型的校驗提供原始數據。由于受儀器數量的限制，在現場測試過程中，將浦西地區給水管網宏觀動態水力模型的測試分為南區、北區和中區分別進行，同時又將南區和中區各分為三個子區域進行現場測試，北區的管網結構比較簡單，只進行宏觀動態水力模型的現場測試。
　　以上海市1996年10月用戶用水量數據庫為依據，對用水量>15000t/月、占總用水量32.5%的972家大用戶進行同時現場24 h抄表，對用水量為5000～15000 t/月、占用水量15.9%的1826家工業用戶進行工作班制和用水特點調查，為計算不同工作班制工業用戶的用水模式曲線提供數據^［３］。
　　水泵使用的時間過長，原有水泵的水力特性參數會發生變化，建立管網動態水力模型時需要重新測試。建立上海市給水管網動態水力模型的過程中，共測試了209臺水泵。
1.3 節點流量的計算方法^{［3、4］}
　　上海市給水管網動態水力模型中節點流量的計算是基于大量的現場實測數據、大用戶現場讀表數據和用戶每月讀表抄見數數據庫。節點流量的計算方法見圖1。

1.4 管道阻力計算公式
　　管道阻力計算公式一般采用海曾-威廉(Hazen Williams)公式或柯爾勃洛克-魏特(Colebrook White)公式。流速范圍在0～0.9m/s時，兩公式的計算結果很接近^［5］；對于高雷諾數的高速水流，海曾-威廉公式的誤差增大，流速為1.5m/s時，水力坡降誤差有時超過20%^［６］。在用水高峰時，很多管道的流速超過1.5m/s，因此選用柯爾勃洛克-魏特公式計算管道的阻力。
1.5 管道絕對粗糙度
　　經整理分析，上海市大量的供水系統管道壁切片的絕對粗糙度數據見表1。

表1 上海市供水系統管道絕對粗糙度 管材 管道絕對粗糙度
（mm） 取樣年 每年增長比例 1980年前 1980年后 鋼筋混凝土管 2.55 1930 0.025 0.075 鑄鐵管 有內涂層 1.63 1930 0.025 0.075 無內涂層 16.40 1930 0.25 　 鋼管 有內涂層 1.54 1967 0.025 0.075 無內涂層 16.31 1930 0.25 　

1.6 模型校驗點的選擇和校驗結果
1.6.1 模型校驗點的選擇
　　對于大型供水系統管網模型而言，模型校驗點的選擇應遵循以下原則：?
　?、?模型校驗點的數目應占模型節點數目10%以上。上海市供水系統管網模型校驗點的數目占模型節點數目15%左右。?
　　② 模型校驗點要均勻地分布在管網模型中。?
　　③ 模型校驗點的水力參數值要有代表性，能夠控制管網模型在該校驗點局部的水流流動情況。?
1.6.2 校驗結果
　　上海市給水管網動態水力模型的計算值和現場測試值吻合很好，
　　表明該模型模擬了管網中水流在測試天的真實流動，見表2。

表2 上海市給水管網動態水力模型的校驗結果 項目 參數 參數的校驗標準 校驗結果 管段流量 流量大于用水量10%的管段 實測值的±5% 0.6% 流量小于用水量10%的管段 實測值的±10% 1.3% 節點壓力 100%的校驗節點 實測值的±39.21 kPa 100% 80%的校驗節點 實測值的±19.6kPa 97% 50%的校驗節點 實測值的±9.8kPa 82% 水庫 水庫水位 實測值的±5% 0.1%

1.7 水力模型的維護和更新
　　給水管網動態水力模型的維護和更新工作主要包括：在管網模型中增加新的或刪除廢棄的給水設施、更新節點流量和調度操作方案等。

2 實踐意義

　　上海市給水管網動態水力模型已投入應用，效益良好，具有重大的實踐意義：?
　?、?第一次將大型供水系統輸入計算機，并建立起管網動態水力模型。?
　　② 能夠指導管網系統的日常管理工作，如：避免出現管網中水打回籠，協助檢漏工作，尋找較優的季節性閥門開關狀態，指導管網改擴建工作等。?
　?、?能夠有效地分析用戶用水中存在的主要問題，有針對性地提出解決方案。?
　?、?通過模型掌握水流的真實流動狀況，以利于對大型供水系統進行管理和調度。?
　?、?為上海市自來水公司供水系統開發實時在線調度模型提供了基礎。管網動態水力模型與SCADA系統相接，實現實時在線優化調度，還有待進一步研究。

參考文獻

　　1 Anglian Water Services.Standard Methodology for Network Management.1994
　　2 陶建科等.建立計算機供水管網圖形和在地形圖上劃定節點流量區域的方法.給水排水，1997；23(6)：5～8
　　3 陶建科.建立給水管網動態模型中的水量分析方法.給水排水，1998；24(1)：26～30
　　4 Water Authorities Associates/WRC.Network Analysis?A Code of Practice.1989
　　5 Lamont P A.Common pipe flow formulas compared with the theory of roughness.Journal of AWWA,1981
　　6 Walski T M.How constant is the Hazen?Williams constant.In:Proceedings of the 1983 AWWA Distribution System Symposium

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　　作者簡介：陶建科 博士研究生 從事給水工程的設計和優化控制的研究
　　通訊處：200002 上海市江西中路484號 上海市自來水公司
　　(收稿日期 1998-09-09)