论文部分内容阅读
摘要：针对人们对城市供水安全性要求日益提高、供水系统的规模不断扩大、复杂性随之提高等问题，对城市供水管网仿真建模与软件开发技术进行了系统研究。首先，对供水管网参数测试分析技术进行研究，较为准确的掌握了整个供水管网的用水量负荷、用户用水模式及变化规律、压力分布规律及主要供水管段的实际过流能力等状况，建立供水管网仿真模拟数据库。在此基础上，以供水管网科学合理运行、保障供水水质等为目标，结合供水管网在线监测技术，以某城市开放式区域供水管网为例，建立了该区域供水管网微观水力模型，并开发了城市供水管网仿真模拟分析平台。该平台具有良好的扩展性及实用性，目前正在某城市进行应用。
关键词：开放式区域供水管网、仿真建模、参数测试、遗传算法、模型校核
中图分类号：TK284文献标识码： A
1．概述
随着工业生产能力的提高，城市人口的增加，以及人民生活水平的不断改善，对城市供水系统的要求也越来越高，供水系统的规模在不断扩大，复杂性也随之提高。建立供水管网水力、水质仿真模型，是了解管网工况特性，掌握管网存在问题的有效方法，可为供水管网调度决策、安全运行管理提供有力的技术支持[1]。
供水管网仿真建模作为一项集计算机、监测及供水工程专业的综合性技术在供水行业中的应用已有近二十余年的历史。在国外，管网建模工作的开展比较普及，建模技术及软件也比较成熟。然而在国内，这项工作的起步较晚。哈尔滨工业大学开发了《给水管网建模与分析平台 WNW》、上海三高计算机中心股份有限公司开发了《三高宏扬供水管网水力模拟软件 NetSimu》。然而，目前国内各城市供水管网基础设施差异较大，基础资料尚不完备，上述两款建模软件未能很好的在国内进行应用。
2．城市供水管网仿真建模基础研究
供水管网仿真建模是建立城市供水管网仿真模拟分析平台的关键与核心。所建立管网仿真模型的精度将直接关系到供水管网优化调度方案的可行性。由于微观模型能给出整个管网内部的工作状况，直观性强，不仅可以用来分析管网的运行工况，也可以作为扩建、改造、维护、调查出入口和预算花费等活动的重要依据[2]。因此，本文采用微观水力模型进行供水管网仿真建模。
2.1供水管网参数测试
城市供水管网运行过程中，随着时间的推移，一方面，工业生产和生活用水量在逐渐增长，供水能力逐渐不能适应用水量不断增长的需要；另一方面，由于水质不善等问题而使供水管道内壁结垢腐蚀严重，导致管道过水能力降低且水头损失不断增大[3]。因此，通过供水管网参数测试，较为准确的掌握供水管网用水负荷、用户用水模式及其变化规律、管道的实际阻力与实际过流能力等，对于提高供水管网仿真建模的精度具有非常重要的意义。
2.1.1 供水管网负荷测试
在多种因素影响下，城市用户用水量变化非常复杂，在供水管网运行过程中，用户用水具有随机性及动态变化性，给用水量变化规律研究带来一定的困难。因此，研究供水系统中用户用水模式及其变化规律，对供水管网负荷进行测试，是进行这项研究的重要技术手段。
通过对供水管网用水量基础数据资料的收集分析发现，用户的使用性质决定了各时段用水量的比例，具有一定的客观规律性。对某城市区域用水量及变化规律进行研究，按照不同用水性质，将用户分为办公、工业、生活、商业、医院、学校及服务等七大类。采用自主研发的供水管网智能负荷测试装置，在每类性质用户中选择2-3个典型大用户进行测试。其中工业类及总用水量变化规律测试分析结果分别见图1、2。
图1 某城市区域管网工业类用户用水量变化规律
图2 某城市区域管网总用水量变化规律
通过对测试数据的处理分析得知，测试区域供水管网平均日用水量约为3.5万m3/d，其中办公类约占总用水量的8.1%，工业类约占2.4%，生活类约占1.4%，学校类约占51.8%等等。该测试数据不仅可为供水管网仿真建模提供所必需的数据基础，而且能够有效的指导生产、调度运行，并且在保证用户用水安全性的同时，节省供水费用。
2.1.2 供水管网阻力系数测试
管道内壁的粗糙度对流体的传输能力有很大的影响，随时间的推移，不同管材、不同服务年限、不同传输介质管道的粗糙度是不同的。就供水管网而言，管道粗糙度的增加会使管道阻力增大，通水能力下降，影响用户服务水头，易发生管道破裂事故，严重了影响供水安全性[4]。因此，需对供水管网关键管段的实际阻力系数进行测试。
目前，国内对于供水管网阻力系数测试原理研究较多，其中“两点法”为测定管道阻力系数的最基本方法，由于其测试原理较为简单，因此通常实际工程项目中较常采用。在某城市区域供水管网中，选择6-7条典型供水管段，采用自主研发的供水管网管道阻力系数测试装置展开测试，测试原理见图3。
结合测试数据，采用管道阻力系数分析模型对该区域普通铸铁管阻力系数变化范围进行模拟计算，结果见表1。
图3 供水管网管道阻力系數测试原理
表1 测试区域供水管网管道阻力系数随敷设年代变化范围
序号 管段材质 敷设年代 阻力系数
1 普通铸铁管 1960-1970 40-58
2 普通铸铁管 1970-1980 46-64
3 普通铸铁管 1980-1990 59-78
4 普通铸铁管 1990-2000 72-88
5 普通铸铁管 2000-2010 80-95
6 普通铸铁管 2010- 92-105
通过对供水管网阻力系数的测试，分析计算了测试区域普通铸铁管阻力系数随敷设年代不同的变化范围，不仅掌握了该区域的实际通水能力，而且为供水管网仿真建模过程中各管道阻力系数的确定及供水管网的优化改造提供了重要依据。
2.2 供水管网仿真模型数据库的建立
准确获得供水管网信息，建立供水管网数据库，是供水管网仿真建模的基础[5]。在对供水管网参数进行测试，较为准确的掌握管网基础资料的基础上，采用操作简单、管理方便的ACCESS软件建立供水管网仿真模型数据库，用以存储管网分析计算的基础数据，同时收集各种方案的计算结果，进行分析比较和管理查询。
图4 供水管网仿真模型数据库框架图
所建立的供水管网仿真模型数据库由属性数据库、图形数据库、信息数据库及测试分析数据库四部分构成，原理框架见图4，包括管网图、管段信息、节点信息、水泵特性、水池或水塔的供水能力等主要管网数据信息，可自动转化为管网模拟分析计算所需的数据格式，进而建立供水管网仿真模型与优化调度模型，进行模拟分析计算。
3．城市供水管网仿真模拟分析平台的建立
以某城市区域管网为例，建立该区域供水管网仿真模型及仿真模拟分析平台，见图5。该平台采用Visual C#系统开发，实现了开放式区域供水管网的仿真建模，可进行供水管网模拟分析、模型校核及优化调度等。
图5 城市供水管网仿真模拟分析平台
3.1 供水管网模拟分析计算
在全面收集管网基础资料的基础之上，对该区域供水管网压力分布情况、用户用水模式与变化规律、管网用水负荷及典型供水管段阻力系数进行测试分析，建立管网节点用水量分配模型与管道阻力系数分析模型，进而构建该区域供水管网仿真建模数据库。以供水管网科学合理运行、保障供水水质等为目标，结合供水管网在线监测技术，建立了该区域供水管网微观水力模型，实现了该区域供水管网的仿真模拟，见图6。
图6 某城市区域供水管网仿真模拟计算
通过模拟分析计算，可全面了解整个供水管网压力分布情况以及各供水管段的流量、流速与水头损失，并可以动画与箭头两种方式动态模拟管网的水流方向，有助于用户较为准确的掌握当前供水管网的运行工况，进而更为科学、合理的管理供水管网运行，并在发生水质污染等突发状况时，做出快速、准确的处理措施。
3.2 管网仿真模型校核
给水管网系统模型与实际的管网运行工况往往不吻合，管网衍生状态量(管段流量、节点水压)的模拟值与监测值也往往不一致，为能仿真实际给水管网系统的工况，必须对其进行校核。目前，供水管网仿真模型的校核主要是针对节点流量及管道阻力系数等参数进行优化分析计算，使管网压力、流量计算值与实际监测值间的差值最小[6]。
采用智能化遗传算法对所建立的某城市区域供水管网微观模型进行校核计算，见图7。用户可根据管网实际情况增加、删除或修改校核所用的监测点信息，而校核所用的管段阻力信息则由2.1.2管网阻力系数测试及分析计算部分得出。
图7 某城市区域供水管网模型校核分析计算
4．结论
⑴ 在城市供水管网仿真建模过程中，对供水管网用水负荷及典型供水管段阻力系数进行测试，进而模拟分析整个供水管网的用水量负荷、用户用水模式及变化规律、压力分布规律及主要供水管段的实际过流能力等，对于供水管网仿真模型精度的提高与供水系统的安全合理化管理运行等都具有非常重要的意义。
⑵ 在建立包括供水管网属性、图形、信息及测试分析四个层次的供水管网仿真模型数据库的基础上，以供水管网科学合理运行、保障供水水质等为目标，结合供水管网在线监测技术，建立了某城市开放式区域供水管网的微观水力模型，实现了该区域供水管网压力、流量、水流方向等的模拟分析。
⑶ 以供水管网监测点压力监测值以及分析计算出的管段阻力系数随敷设年代的变化规律为依据，采用智能化遗传算法，对所建立的开放式区域供水管网微观水力模型进行校核，优化计算管网节点流量、管段阻力系数等参数，使所建立的仿真模型与实际管网运行工况更加吻合。
⑷ 在上述研究的基础上，所开发的城市供水管网仿真模拟分析平台已成功应用于某城市区域供水管网。该平臺可进一步集成在线工况数据管理查询、水质模拟分析与预警、优化调度及优化改扩建等技术，从而为保障城市供水管网安全、科学运行提供强有力的技术支持。
参考文献：
[1] 赵洪宾，严煦世．给水管网系统理论与分析[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003．
[2] 吕谋，高金良，赵洪宾．大规模供水系统工况的建模方法研究[J]．哈尔滨建筑大学学报，2004，34(2)：61-64．
[3] 陶建科，刘遂庆．建立给水管网微观动态水力模型标准方法研究[J]．给水排水，2000，26(5)：4-8．
[4] 许刚，张土乔，吕谋，洪贇．多工况的遗传算法校正管道摩阻系数[J]．中国给水排水，2004，20(8)：50-53．
[5] 于志强，赵新华，程曙初．基于EPANET与ArcEngine的供水管网建模软件[J]．计算机工程与应用，2009，45(6)：35-37．
[6] 袁一星，张杰，赵洪宾，周建华，曲世林．城市给水管网系统模型的校核[J]．中国给水排水，2005，21(12)：44-46．
关键词：开放式区域供水管网、仿真建模、参数测试、遗传算法、模型校核
中图分类号：TK284文献标识码： A
1．概述
随着工业生产能力的提高，城市人口的增加，以及人民生活水平的不断改善，对城市供水系统的要求也越来越高，供水系统的规模在不断扩大，复杂性也随之提高。建立供水管网水力、水质仿真模型，是了解管网工况特性，掌握管网存在问题的有效方法，可为供水管网调度决策、安全运行管理提供有力的技术支持[1]。
供水管网仿真建模作为一项集计算机、监测及供水工程专业的综合性技术在供水行业中的应用已有近二十余年的历史。在国外，管网建模工作的开展比较普及，建模技术及软件也比较成熟。然而在国内，这项工作的起步较晚。哈尔滨工业大学开发了《给水管网建模与分析平台 WNW》、上海三高计算机中心股份有限公司开发了《三高宏扬供水管网水力模拟软件 NetSimu》。然而，目前国内各城市供水管网基础设施差异较大，基础资料尚不完备，上述两款建模软件未能很好的在国内进行应用。
2．城市供水管网仿真建模基础研究
供水管网仿真建模是建立城市供水管网仿真模拟分析平台的关键与核心。所建立管网仿真模型的精度将直接关系到供水管网优化调度方案的可行性。由于微观模型能给出整个管网内部的工作状况，直观性强，不仅可以用来分析管网的运行工况，也可以作为扩建、改造、维护、调查出入口和预算花费等活动的重要依据[2]。因此，本文采用微观水力模型进行供水管网仿真建模。
2.1供水管网参数测试
城市供水管网运行过程中，随着时间的推移，一方面，工业生产和生活用水量在逐渐增长，供水能力逐渐不能适应用水量不断增长的需要；另一方面，由于水质不善等问题而使供水管道内壁结垢腐蚀严重，导致管道过水能力降低且水头损失不断增大[3]。因此，通过供水管网参数测试，较为准确的掌握供水管网用水负荷、用户用水模式及其变化规律、管道的实际阻力与实际过流能力等，对于提高供水管网仿真建模的精度具有非常重要的意义。
2.1.1 供水管网负荷测试
在多种因素影响下，城市用户用水量变化非常复杂，在供水管网运行过程中，用户用水具有随机性及动态变化性，给用水量变化规律研究带来一定的困难。因此，研究供水系统中用户用水模式及其变化规律，对供水管网负荷进行测试，是进行这项研究的重要技术手段。
通过对供水管网用水量基础数据资料的收集分析发现，用户的使用性质决定了各时段用水量的比例，具有一定的客观规律性。对某城市区域用水量及变化规律进行研究，按照不同用水性质，将用户分为办公、工业、生活、商业、医院、学校及服务等七大类。采用自主研发的供水管网智能负荷测试装置，在每类性质用户中选择2-3个典型大用户进行测试。其中工业类及总用水量变化规律测试分析结果分别见图1、2。
图1 某城市区域管网工业类用户用水量变化规律
图2 某城市区域管网总用水量变化规律
通过对测试数据的处理分析得知，测试区域供水管网平均日用水量约为3.5万m3/d，其中办公类约占总用水量的8.1%，工业类约占2.4%，生活类约占1.4%，学校类约占51.8%等等。该测试数据不仅可为供水管网仿真建模提供所必需的数据基础，而且能够有效的指导生产、调度运行，并且在保证用户用水安全性的同时，节省供水费用。
2.1.2 供水管网阻力系数测试
管道内壁的粗糙度对流体的传输能力有很大的影响，随时间的推移，不同管材、不同服务年限、不同传输介质管道的粗糙度是不同的。就供水管网而言，管道粗糙度的增加会使管道阻力增大，通水能力下降，影响用户服务水头，易发生管道破裂事故，严重了影响供水安全性[4]。因此，需对供水管网关键管段的实际阻力系数进行测试。
目前，国内对于供水管网阻力系数测试原理研究较多，其中“两点法”为测定管道阻力系数的最基本方法，由于其测试原理较为简单，因此通常实际工程项目中较常采用。在某城市区域供水管网中，选择6-7条典型供水管段，采用自主研发的供水管网管道阻力系数测试装置展开测试，测试原理见图3。
结合测试数据，采用管道阻力系数分析模型对该区域普通铸铁管阻力系数变化范围进行模拟计算，结果见表1。
图3 供水管网管道阻力系數测试原理
表1 测试区域供水管网管道阻力系数随敷设年代变化范围
序号 管段材质 敷设年代 阻力系数
1 普通铸铁管 1960-1970 40-58
2 普通铸铁管 1970-1980 46-64
3 普通铸铁管 1980-1990 59-78
4 普通铸铁管 1990-2000 72-88
5 普通铸铁管 2000-2010 80-95
6 普通铸铁管 2010- 92-105
通过对供水管网阻力系数的测试，分析计算了测试区域普通铸铁管阻力系数随敷设年代不同的变化范围，不仅掌握了该区域的实际通水能力，而且为供水管网仿真建模过程中各管道阻力系数的确定及供水管网的优化改造提供了重要依据。
2.2 供水管网仿真模型数据库的建立
准确获得供水管网信息，建立供水管网数据库，是供水管网仿真建模的基础[5]。在对供水管网参数进行测试，较为准确的掌握管网基础资料的基础上，采用操作简单、管理方便的ACCESS软件建立供水管网仿真模型数据库，用以存储管网分析计算的基础数据，同时收集各种方案的计算结果，进行分析比较和管理查询。
图4 供水管网仿真模型数据库框架图
所建立的供水管网仿真模型数据库由属性数据库、图形数据库、信息数据库及测试分析数据库四部分构成，原理框架见图4，包括管网图、管段信息、节点信息、水泵特性、水池或水塔的供水能力等主要管网数据信息，可自动转化为管网模拟分析计算所需的数据格式，进而建立供水管网仿真模型与优化调度模型，进行模拟分析计算。
3．城市供水管网仿真模拟分析平台的建立
以某城市区域管网为例，建立该区域供水管网仿真模型及仿真模拟分析平台，见图5。该平台采用Visual C#系统开发，实现了开放式区域供水管网的仿真建模，可进行供水管网模拟分析、模型校核及优化调度等。
图5 城市供水管网仿真模拟分析平台
3.1 供水管网模拟分析计算
在全面收集管网基础资料的基础之上，对该区域供水管网压力分布情况、用户用水模式与变化规律、管网用水负荷及典型供水管段阻力系数进行测试分析，建立管网节点用水量分配模型与管道阻力系数分析模型，进而构建该区域供水管网仿真建模数据库。以供水管网科学合理运行、保障供水水质等为目标，结合供水管网在线监测技术，建立了该区域供水管网微观水力模型，实现了该区域供水管网的仿真模拟，见图6。
图6 某城市区域供水管网仿真模拟计算
通过模拟分析计算，可全面了解整个供水管网压力分布情况以及各供水管段的流量、流速与水头损失，并可以动画与箭头两种方式动态模拟管网的水流方向，有助于用户较为准确的掌握当前供水管网的运行工况，进而更为科学、合理的管理供水管网运行，并在发生水质污染等突发状况时，做出快速、准确的处理措施。
3.2 管网仿真模型校核
给水管网系统模型与实际的管网运行工况往往不吻合，管网衍生状态量(管段流量、节点水压)的模拟值与监测值也往往不一致，为能仿真实际给水管网系统的工况，必须对其进行校核。目前，供水管网仿真模型的校核主要是针对节点流量及管道阻力系数等参数进行优化分析计算，使管网压力、流量计算值与实际监测值间的差值最小[6]。
采用智能化遗传算法对所建立的某城市区域供水管网微观模型进行校核计算，见图7。用户可根据管网实际情况增加、删除或修改校核所用的监测点信息，而校核所用的管段阻力信息则由2.1.2管网阻力系数测试及分析计算部分得出。
图7 某城市区域供水管网模型校核分析计算
4．结论
⑴ 在城市供水管网仿真建模过程中，对供水管网用水负荷及典型供水管段阻力系数进行测试，进而模拟分析整个供水管网的用水量负荷、用户用水模式及变化规律、压力分布规律及主要供水管段的实际过流能力等，对于供水管网仿真模型精度的提高与供水系统的安全合理化管理运行等都具有非常重要的意义。
⑵ 在建立包括供水管网属性、图形、信息及测试分析四个层次的供水管网仿真模型数据库的基础上，以供水管网科学合理运行、保障供水水质等为目标，结合供水管网在线监测技术，建立了某城市开放式区域供水管网的微观水力模型，实现了该区域供水管网压力、流量、水流方向等的模拟分析。
⑶ 以供水管网监测点压力监测值以及分析计算出的管段阻力系数随敷设年代的变化规律为依据，采用智能化遗传算法，对所建立的开放式区域供水管网微观水力模型进行校核，优化计算管网节点流量、管段阻力系数等参数，使所建立的仿真模型与实际管网运行工况更加吻合。
⑷ 在上述研究的基础上，所开发的城市供水管网仿真模拟分析平台已成功应用于某城市区域供水管网。该平臺可进一步集成在线工况数据管理查询、水质模拟分析与预警、优化调度及优化改扩建等技术，从而为保障城市供水管网安全、科学运行提供强有力的技术支持。
参考文献：
[1] 赵洪宾，严煦世．给水管网系统理论与分析[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003．
[2] 吕谋，高金良，赵洪宾．大规模供水系统工况的建模方法研究[J]．哈尔滨建筑大学学报，2004，34(2)：61-64．
[3] 陶建科，刘遂庆．建立给水管网微观动态水力模型标准方法研究[J]．给水排水，2000，26(5)：4-8．
[4] 许刚，张土乔，吕谋，洪贇．多工况的遗传算法校正管道摩阻系数[J]．中国给水排水，2004，20(8)：50-53．
[5] 于志强，赵新华，程曙初．基于EPANET与ArcEngine的供水管网建模软件[J]．计算机工程与应用，2009，45(6)：35-37．
[6] 袁一星，张杰，赵洪宾，周建华，曲世林．城市给水管网系统模型的校核[J]．中国给水排水，2005，21(12)：44-46．