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摘要：目前市场上出现的排水给水管材的规格和类别非常多，这给水力计算带来了很大的麻烦。以往管理给水管网时基本属于经验式管理，存在科学性差。随着测流点、测压点在市政给水管网中的设置，管网建模逐渐进入了实用化阶段。通过介绍给水管网模型，介绍管网水力计算方程的研究问题。
关键词：水力计算；市政给排水；建模
中图分类号： S276文献标识码：A 文章编号：
在市政给水管网的设计中，水力计算是管网设计的计算基础。根据管网形状和管材不同，采用的参数或公式就不同。随着管材市场的不断发展，目前市场上出现的给水排水水管的规格和类别越来越多，这给水力计算带来了很大的麻烦。虽然有设计给水排水管道的相关设计手册中规定了针对各种管材的水力计算公式，但是还是不能够满足日益增多的管材规格，另外在查算时也非常不方便。在目前的管网设计中，通常通过建立微观管网模型来获取动态水力信息，进而进行水力计算，但是由于技术限制，这种方法在使用过程中受到限制。因此探究市政给水管网水力计算研究问题具有非常重要的意义。
供水管网模型
就目前研究的供水管网模型类型来看，管网模型的类型包括了宏观和微观两种管网模型。建立管网宏观模型时运用回归计算的方法，运用此方法的前提是基于大量的運行数据以及模型服从管网流量“比例负荷”。通过这种计算方法，能够建立控制点压力分布以及在管网中各个水厂的供水压力的函数关系。由于建立宏观模型是建立在统计的回归模型上，它的计算速度非常快，所以这种建模方法通常用在给水系统模块调度中，而在扩建、改建或者新建给水管网模块中并不适合。根据实际的管网情况，管网中的管段、水泵以及阀门等全部的元素，不通过简化处理而建立的模型即为微观模型。通过解环方程、解节点方程以及解管段方程能够将管网中节点以及管段的信息。通过建立微观模型能够将给水管网中水力的全部运行状态准确表达出来，其重点表达的是水力实时状态和信息。由于受到技术限制，一些管道的基础参数和拓扑关系的完整性很难获取，尤其是受到设备的限制，不能准确地将管网节点流量的动态数据准确获取。所以不能直接建立微观模型，必须将管网通过简化处理，利用简化后的管网进行水利计算。
管网水力计算方程
在管网设计中，水力计算是基础，也是分析管网中动态工况以及模拟管网系统的基础。进行管网水力计算的基础任务是在已知管网管径以及水管流量的前提下，求出各个管段的流量，用qij表示，并计算出水压（H）、流量（Q），同时各个节点的水压也需要计算出来。计算管网的基础方程包括回路方程、压降方程以及节点方程等。
回路方程。该方程是闭合环能量平衡方程，该方程表示的是在市政管网中任意一个闭合环内，管段的全部水头损失的代数和为零。方程可表示为,这里将基环k的水头损失表示为；是基环k的减压和增所形成的水压差。在管网中每一环都存在一个回路方程，在该方程中规定水头损失的正负号时可以设定为：如果环的方向和管段的流向相同，那么符号为正，相反则为负。
压降方程。该方程在管网设计中又被称作损失方程，它是各个管段的水头损失和管段两端的流量和水压的关系。如果只考虑水头损失时可以将方程表示为其中表示的是管段两端的两个节点的水压，表示的是管段的流量，表示的是管段的摩擦阻力，n设定为1.852-2.管段数即为方程数。
节点方程。每一个节点的流入和流出量的代数和都等于零，这是满足该方程的条件。用公式表示为：，这里将i点的流量表示为，将和节点i连接的每个管段的流量设定为，其中ij表示的是管段的起点和止点编号。
水力计算的简化原则
（1）简化管段。由于市政给水管网的铺设非常复杂，管材型号繁多，因此在进行水力计算时非常麻烦，所以为了方便计算通常在建立管网模型时通常需要在某一个已知的管径以上规模上建立，将小于该已知管径的管段进行删减或者合并，然后建立简化模型。但是要注意当某个比较小的管径对下游的管段压力分布有十分重要的影响作用时，该小管径不能进行简化处理，这样能够保证建立简化模型的计算准确度。在进行简化的过程中必定会对管段节点处的流量的分配造成一定的影响，另外经过简化后管网节点的流量也会因为不同的分配方法而造成模型中管网节点流量的不同。实际上，管网中的任何一个节点处的流量的分配方案都必须按照实际的管网情况而不断进行调整，只有这样才能够使简化后的模型的计算结果和实际管网的水力情况尽可能地吻合。
（2）简化流量。由于设计管网水力模型需要对管网进行简化，因此管段中的流量也必须进行相应的简化调整。简化后的管网流量设定为在连接管段处的管道节点处的流量。虽然这样设定是具有一定的必须要性和合理性，但是其也存在着一定的不确定性和主观性。例如在实际建模过程中我们遇到这样的情况，由于某大用户流量在分配时出现失误，将其分配到了错误节点上，最后导致建立的管网模型和实际的管网压力分布有很大的出入，计算结果不具备参考价值。
（3）简化局部阻力系数。由于在给水管网中，局部产生的水头损失比沿程损失相比非常小，所以为了简便计算，在建立管网模型时我们通常将局部水头损失忽略。
4、管网水力计算方法
（1）流量法。流量法进行水力计算的基础方程包括：节点方程、回路方程以及压降方程。流量法的原理是：把压降方程和回路方程联立可以得到下面的方程：
这个式子和节点方程联立后能够得到和管段数相同的方程组。通过解方程后就能够将各个管段的流量计算出来。通常求解时经常用逐步近似法求解。环状网在进行流量初分后就能够满足节点方程的求解条件，但是无法满足回路方程，所以需要将j-i个连续性方程进行联立，并将L个非线性回路方程进行联立，这样就能够求出能够满足回路和节点方程的管段流量。
（2）水压法。该法是利用水头损失流量表示的管网计算方法。该方法的基础方程主要有：一，N个用h（水头损失）表示q（管段流量）成为压降方程的关系式；二，J-M个节点方程，J表示节点数目，M表示配水源数量；三，E个回路方程，E是环数。用水压法求解的计算方程为：
将节点水压作为求解量，对J-M个方程进行求解，这样就能
够将各个节点的水压计算出来。求解方法和上文叙述的流量法求解方法相似，这里不作过多叙述。
结语
总之，通过建立简化管网模型可以有效地、方便地对市政管网中存在的供水问题进行实时分析。在建立管网模型时必须要根据系统的实际情况设计和实际情况的吻合度最高的水力模型，科学分析各类操作对市政供水管网运行产生的影响，从而对管网水系统进行科学的调度。
参考文献
[1]高延纲,张莉莉.缺水状态下给水管网水力计算方法分析[J].硅谷,2009，19（9）：44-45.
[2]许余亮,叶跃忠.市政给水管网水力计算问题探析[J].科技信息,2012,26(33):221-222.
[3]周毅,陈永祥,李曦.压力决定的给水管网需水量计算方法[J].武汉大学学报（工学版）,2011,6(1):36-37.
[4]储诚山,张宏伟,高飞亚等.基于改进混合遗传算法的给水管网优化设计[J].天津大学学报,2006,12(10):59-70.
关键词：水力计算；市政给排水；建模
中图分类号： S276文献标识码：A 文章编号：
在市政给水管网的设计中，水力计算是管网设计的计算基础。根据管网形状和管材不同，采用的参数或公式就不同。随着管材市场的不断发展，目前市场上出现的给水排水水管的规格和类别越来越多，这给水力计算带来了很大的麻烦。虽然有设计给水排水管道的相关设计手册中规定了针对各种管材的水力计算公式，但是还是不能够满足日益增多的管材规格，另外在查算时也非常不方便。在目前的管网设计中，通常通过建立微观管网模型来获取动态水力信息，进而进行水力计算，但是由于技术限制，这种方法在使用过程中受到限制。因此探究市政给水管网水力计算研究问题具有非常重要的意义。
供水管网模型
就目前研究的供水管网模型类型来看，管网模型的类型包括了宏观和微观两种管网模型。建立管网宏观模型时运用回归计算的方法，运用此方法的前提是基于大量的運行数据以及模型服从管网流量“比例负荷”。通过这种计算方法，能够建立控制点压力分布以及在管网中各个水厂的供水压力的函数关系。由于建立宏观模型是建立在统计的回归模型上，它的计算速度非常快，所以这种建模方法通常用在给水系统模块调度中，而在扩建、改建或者新建给水管网模块中并不适合。根据实际的管网情况，管网中的管段、水泵以及阀门等全部的元素，不通过简化处理而建立的模型即为微观模型。通过解环方程、解节点方程以及解管段方程能够将管网中节点以及管段的信息。通过建立微观模型能够将给水管网中水力的全部运行状态准确表达出来，其重点表达的是水力实时状态和信息。由于受到技术限制，一些管道的基础参数和拓扑关系的完整性很难获取，尤其是受到设备的限制，不能准确地将管网节点流量的动态数据准确获取。所以不能直接建立微观模型，必须将管网通过简化处理，利用简化后的管网进行水利计算。
管网水力计算方程
在管网设计中，水力计算是基础，也是分析管网中动态工况以及模拟管网系统的基础。进行管网水力计算的基础任务是在已知管网管径以及水管流量的前提下，求出各个管段的流量，用qij表示，并计算出水压（H）、流量（Q），同时各个节点的水压也需要计算出来。计算管网的基础方程包括回路方程、压降方程以及节点方程等。
回路方程。该方程是闭合环能量平衡方程，该方程表示的是在市政管网中任意一个闭合环内，管段的全部水头损失的代数和为零。方程可表示为,这里将基环k的水头损失表示为；是基环k的减压和增所形成的水压差。在管网中每一环都存在一个回路方程，在该方程中规定水头损失的正负号时可以设定为：如果环的方向和管段的流向相同，那么符号为正，相反则为负。
压降方程。该方程在管网设计中又被称作损失方程，它是各个管段的水头损失和管段两端的流量和水压的关系。如果只考虑水头损失时可以将方程表示为其中表示的是管段两端的两个节点的水压，表示的是管段的流量，表示的是管段的摩擦阻力，n设定为1.852-2.管段数即为方程数。
节点方程。每一个节点的流入和流出量的代数和都等于零，这是满足该方程的条件。用公式表示为：，这里将i点的流量表示为，将和节点i连接的每个管段的流量设定为，其中ij表示的是管段的起点和止点编号。
水力计算的简化原则
（1）简化管段。由于市政给水管网的铺设非常复杂，管材型号繁多，因此在进行水力计算时非常麻烦，所以为了方便计算通常在建立管网模型时通常需要在某一个已知的管径以上规模上建立，将小于该已知管径的管段进行删减或者合并，然后建立简化模型。但是要注意当某个比较小的管径对下游的管段压力分布有十分重要的影响作用时，该小管径不能进行简化处理，这样能够保证建立简化模型的计算准确度。在进行简化的过程中必定会对管段节点处的流量的分配造成一定的影响，另外经过简化后管网节点的流量也会因为不同的分配方法而造成模型中管网节点流量的不同。实际上，管网中的任何一个节点处的流量的分配方案都必须按照实际的管网情况而不断进行调整，只有这样才能够使简化后的模型的计算结果和实际管网的水力情况尽可能地吻合。
（2）简化流量。由于设计管网水力模型需要对管网进行简化，因此管段中的流量也必须进行相应的简化调整。简化后的管网流量设定为在连接管段处的管道节点处的流量。虽然这样设定是具有一定的必须要性和合理性，但是其也存在着一定的不确定性和主观性。例如在实际建模过程中我们遇到这样的情况，由于某大用户流量在分配时出现失误，将其分配到了错误节点上，最后导致建立的管网模型和实际的管网压力分布有很大的出入，计算结果不具备参考价值。
（3）简化局部阻力系数。由于在给水管网中，局部产生的水头损失比沿程损失相比非常小，所以为了简便计算，在建立管网模型时我们通常将局部水头损失忽略。
4、管网水力计算方法
（1）流量法。流量法进行水力计算的基础方程包括：节点方程、回路方程以及压降方程。流量法的原理是：把压降方程和回路方程联立可以得到下面的方程：
这个式子和节点方程联立后能够得到和管段数相同的方程组。通过解方程后就能够将各个管段的流量计算出来。通常求解时经常用逐步近似法求解。环状网在进行流量初分后就能够满足节点方程的求解条件，但是无法满足回路方程，所以需要将j-i个连续性方程进行联立，并将L个非线性回路方程进行联立，这样就能够求出能够满足回路和节点方程的管段流量。
（2）水压法。该法是利用水头损失流量表示的管网计算方法。该方法的基础方程主要有：一，N个用h（水头损失）表示q（管段流量）成为压降方程的关系式；二，J-M个节点方程，J表示节点数目，M表示配水源数量；三，E个回路方程，E是环数。用水压法求解的计算方程为：
将节点水压作为求解量，对J-M个方程进行求解，这样就能
够将各个节点的水压计算出来。求解方法和上文叙述的流量法求解方法相似，这里不作过多叙述。
结语
总之，通过建立简化管网模型可以有效地、方便地对市政管网中存在的供水问题进行实时分析。在建立管网模型时必须要根据系统的实际情况设计和实际情况的吻合度最高的水力模型，科学分析各类操作对市政供水管网运行产生的影响，从而对管网水系统进行科学的调度。
参考文献
[1]高延纲,张莉莉.缺水状态下给水管网水力计算方法分析[J].硅谷,2009，19（9）：44-45.
[2]许余亮,叶跃忠.市政给水管网水力计算问题探析[J].科技信息,2012,26(33):221-222.
[3]周毅,陈永祥,李曦.压力决定的给水管网需水量计算方法[J].武汉大学学报（工学版）,2011,6(1):36-37.
[4]储诚山,张宏伟,高飞亚等.基于改进混合遗传算法的给水管网优化设计[J].天津大学学报,2006,12(10):59-70.