周克梅　　　　　　　劉遂慶
南京市自來水總公司 同濟大學

一、項目背景

　　南京市是江蘇省省會城市，現有水廠5座，主要增壓泵站7座，至98年底供水管道總長度達2343千米，98年最高日供水量達141萬立方米。
　　南京市自來水總公司歷來重視供水管網規劃及技術管理工作，80年代開始就使用同濟大學研制的水力平差軟件，對南京市的管網進行水力平差分析計算，并合作研究管網供水優化調度計算機方法。90年代后，隨著南京市供水規模的迅速擴大，上述軟件對管網節點計算數量的限制及軟件單一的計算功能已不能滿足需要，為做好管網規劃及改擴建工程，南京水司曾先后委托上海水司和同濟大學，運用他們的水力計算軟件對南京市的供水管網多次進行分析計算。隨著計算機技術的飛速發展及其在南京水司越來越廣泛的應用，以及社會的科技進步和市場經濟的發展需要，長期以來憑經驗進行供水調度、管網設計和改擴建規劃的傳統模式，已不能適應先進供水行業的發展要求，供水企業必須不斷提高管理及運行水平。使用計算機模擬技術，建立供水管網計算機動態水力模型是分析管網最為有效的手段。近幾年來南京水司先后建成了供水管網GIS系統、供水調度SCADA系統及營業抄收用戶管理系統，為建立管網模型所需的大量基礎數據的采集提供了優越的條件。因此，99年起南京水司立項開展供水管網計算機模擬軟件開發及應用工作。
　　對于供水企業來說，研究管網模擬技術及建立管網模型，選擇管網計算軟件及合作開發方至關重要，立項伊始，南京水司曾先后對美國Stone公司、美國AMPAC集團公司及同濟大學進行比選，經比較權衡認為，雖然國外軟件有成熟的版本及巨大的功能，但其開發適合的是歐美的國情，與我國的國情有較大的差距，國外軟件雖然功能完善，但國內水司不易在短期內完全發揮其效能，且操作界面多為英文，大多數技術人員難以熟練操作，日后軟件的維護費用也較高。而同濟大學在城市給水排水教育和科研方面，一直屬于國內領先水平，具備供水管網設計和運行管理計算機軟件開發的良好條件和基礎，因此，南京水司決定與同濟大學合作共同承擔南京市供水管網計算機模擬軟件（TJW1.0）開發與應用工作。

二、管網計算機軟件發展簡史

　　給水管網水力分析計算最早始于1936年，是由運用Hardy Cross平差求解方法對環狀管網進行水力計算而提出的，隨著計算機及其應用軟件的發展，給水管網水力計算也有很大的發展。國外在管網設計、計算和實現上經歷了三個階段：
　　第一階段：管網平差計算技術（1960年-1980年），計算和校核管網運行狀況，提高設計和管理水平。
　　第二階段 ：管網運行與優化調度計算和管理（1980年—1990年），利用優化設計、優化調度及數據庫技術，提高了運行效率和數據資料管理水平。
　　第三階段：自動化運行和管理（1990年—），由計算機總控系統通過遠程監控、遠程數據傳輸和程序控制，實現源水水質、水位監視、管網優化調度、系統運行核算等給水系統全過程運行模擬、控制和管理。
　　在國內，上海、廣州、深圳、杭州、中山等大中城市均在不同的程度上開始了信息監控系統（SCADA）、圖形信息系統（GIS）和管網建模系統的建設與應用，但大多數處于信息收集和數據管理階段，尚未能發揮對企業生產管理的作用，其原因主要是仍然缺乏與其配套的、符合生產實際需求的給水系統專業應用軟件及軟件應用的基礎數據和成熟經驗。

三、 軟件功能需求與實施

　　南京水司面臨的主要問題是如何科學、直觀地了解現有管網的運行狀況，找出其中的不合理之處，并進行管網的改擴建優化設計，節約工程造價；如何適應城市的發展，科學合理的制定供水規劃；如何對管網進行科學、合理的調度，既滿足用戶需求，又節約水泵電耗；如何在重大工程停水施工前作出科學的預測及調度方案，軟件設計就是針對上述使用要求，實現以下五大功能：
　　1、水力平差功能
　　建立管網水力平差模擬和計算程序，平差計算多水源管網水力運行狀況，進行包括最高時、消防時、事故時等多工況的計算，可計算包含多種管材、水泵、水塔、閥門等特殊設備的管網，并可對平差計算結果進行工程標注。
　　2、管網規劃及改擴建方案優化計算功能
　　對供水管網規劃設計及改擴建方案進行計算和比較，合理地確定管徑，使管網的建設和運行費用最低。管網優化計算采用了遺傳算法，不需要用戶進行預分配管段流量，軟件能根據實際情況進行管段流量、流速、管徑、節點水頭等多方面約束，計算出一定設計年限內，管網建造費用和運行費用之和為最小時的市場規格管徑和水頭損失。
　　3、管網水力狀態實時模擬計算功能
　　建立用水量動態分配模型和計算程序，進行實時水力模擬。實時模擬的基本方法是以管網水力平差計算為基礎，將分時段的用水量做為近似動態數據，對一定時期內的運行狀態連續模擬計算，反映供水系統運行管理質量，并進行長期運行狀態預測，為合理調度提供基礎依據。可模擬一天內各個時段的管段流量、流速、水力坡度、水頭損失、節點流量、壓力、水池水位、水泵工況點、功率和效率。
　　4、數據庫信息查詢及管理系統功能
　　建立城市背景地圖及管網圖形表達系統，運用動態數據庫提供數據報表功能，方便用戶快速瀏覽管網基礎數據和平差計算的結果。數據報表與管網基礎數據直接連結，可在數據報表上修改管網屬性，方便用戶使用。并能讀取SCADA數據庫中的壓力、流量等數據，讀取GIS數據庫中管網數據信息、讀取營業抄收數據庫中用戶水量信息。
　　5、圖形引擎功能
　　為將抽象的管網系統直觀地表達，本軟件子系統采用多窗口、多視圖的用戶界面，具有菜單、工具條、滾動條、狀態條，界面漢字化，提供超強縮放、移動引擎，實現實時無級圖形放縮、平移，提供豐富的標注功能。可根據管徑、流量、坡度、流速等設置顏色梯度，可引入AutoCAD的dxf文件格式，在管網背景圖上進行多種方式的成果表達。

　　軟件界面、等壓線分布、延時模擬曲線及平差成果見附圖。 附圖1 軟件界面圖 附圖2 等壓線分布圖

附圖3 延時模擬曲線圖 附圖4 平差成果圖

五、軟件應用

　　南京水司一直建有DN500以上管網模型，用于指導管網規劃及改擴建方案設計。結合這次軟件開發，去年對模型進一步維護、更新和擴展，特別是進一步核準了全市用戶與管段、節點的對應關系，應用TJW1.0軟件進行水力平差計算，水力計算公式采用海曾—威廉姆公式，通過調整管網摩阻系數和管網局部阻力系數，進行模擬校驗。計算結果表明：水力模擬計算結果與SCADA實測數據在2米誤差范圍內，延時模擬曲線與實測典線也能較好地吻合，證明軟件計算模式是可靠的，DN500以上管網模型精度也基本滿足要求。
　　2000年8月，南京市城北水廠一期工程（25萬噸/日）完工投產，并網供水前，利用該軟件進行多種出水量、管網閥門開關組合工況的預測，得出了較為合理的供水方案，并預測新水源并網后管網壓力及流速變化情況，采取有效措施成功地防止了由于管道水流方向改變而造成的渾水現象，使城北水廠輸配水管網順利并網供水，取得了良好的社會和經濟效益。
　　今年，南京水司配合市政道路改造工程，在北河口水廠DN1800、DN1500管道遷移工程中，也應用該軟件對工程實施期間的停水降壓范圍及調度可行方案進行模擬計算預測，科學地指導了供水系統的事故運行管理，取得了較好的效果。

六、結語

　　經過南京水司和同濟大學的共同努力，供水管網實時模擬軟件已完成第一階段開發工作，實現了平差計算、規劃與優化設計、實時模擬、數據庫及圖形引擎功能，今年已轉入第二階段的優化調度軟件研制工作。南京水司的技術人員與同濟大學的科研人員緊密配合，在整個軟件研制過程中，既提高了水司人員的理論水平，也使大學的科研工作，更注重于解決生產實際中的問題。水司人員在軟件開發研制全過程中的直接參與，對軟件日后的使用與維護有極大的幫助。我們渴望能得到大家的指導和幫助，以促進今后的版本升級與完善。