A3：科技智慧总第3404期 >2024-03-09编印

阐述管网水力模型构建流程，建立供水管网水力模型。通过数据录入生成管网基本拓扑结构及物理信息，在模型简化之后利用监测数据进行模型校核，保障管网模型满足精度要求。利用管网模型进行管网工况分析，掌握管网内压力分布与管道流速分布状态，提出管网运行薄弱环节。

给水工程是城市基础设施的重要组成部分，是城市发展的重要保证，城市给水工程规划的先进性、合理性、可行性及经济性对于给水系统运行管理具有重要意义。计算机技术的飞速发展促进了供水管网建模技术的完善与应用，为城市给水工程规划设 计提供了有效工具。我国供水管网规模庞大，拓扑结构复杂，为大型城市给水工程规划设计带来巨大的挑战。供水管网水力模型利用计算机技术对城市供水管网运行参数进行模拟计算，分析管网运行工况，发现管网的低压区及薄弱环节，为改扩建提供技术依据。本文以管网规划设计为研究背景，建立了K市供水管网水力模型，对其现状管网进行科学评价。

一、K市供水管网概况

K市市区总人口约为340万人，建成区面积330km²。现状管网中DN300以上管道总长约457km，最大日供水量80万m³／d。目前，k市共有公共供水厂11座，设计供水能力190万m³／d，常规日供水能力111万m³／d，储备地下水供水能力79万m³／d。k市地形高差较大，南北最大高差超过100ｍ，规划区内现有主要加压站有25座，设计加压能力为110.8m³／d，总调节能力41600m³，调节率约为３％，由于部分泵站已经停用，实际加压能力为 101.5万m³／d。

二、供水管网水力模型的建立

模型以数据为基础。供水管网水力模型包含管网静态信息与动态信息。本文首先建立k市供水管网数据模型，录入搜集的管网静态信息与动态信息，生产管网拓扑结构。然后，利用监测数据对数据模型进行校核，形成管网水力模型，指导管网规划设计。管网建模流程如图１所示。

图１  供水管网建模流程

2.1  基础数据录入

根据GIS数据及东区（k市某供水区域）CAD图形文件进行现状供水管网拓扑信息录入，将整理后的CAD图形文件导入WaterGEMS建模软件中。管网节点和管线导入的同时，生成节点高程、管长、管径、管材及管道敷设年限等信息。通过对k市营收大用户表调查，确定79个大用户，大用户水量占总用水量的24.4%。通过水量调查，获得大用户、普通用户、未计量用水特性曲线。

2.2  模型简化

对复杂庞大的供水管网进行简化可以加速管网分析计算速度，计算出宏观管网图形，有利于在宏观层面指导管网规划设计与运行。k市通过GIS数据及东区CAD图形文件建立的管网数据模型包含241111个节点，245977个管段，管网结构复杂。为满足管网规划设计需求，对现状供水管网进行水力等效性简化。管网简化方法包含管网省略、合并、分解。管网简化步骤如下：（１）清除管径小于DN300的支状管；（２）合并两节点之间并行的管线，根据并行管线的流量、压力及供水区域，确定合并后管线的管径及供水区域；（３）删除支状管线，对于供水系统中分离出来的支状管线进行删除，其供水流量及供水范围等效到支状管线起始节点处。简化后管网节点数为3243，管段数为3918。k市现状管网拓扑结构如图２所示。

图２  k市现状管网简化

2.3  加压泵站模拟

k市供水区域东南高西北低，最大标高差为140ｍ左右，现状供水管网运行加压泵站25座。通过对k市各水厂及加压泵站进行充分调研，搜集各水厂、加压泵站运行信息，确定各加压泵站附近管线拓扑连接情况，录入管网模型。建模过程中确定 两种加压泵站模拟方式。①通过大用户模拟；②通过水塔模拟。通过大用户模拟加压泵站示意如图３（ａ）所示，该方法将加压泵站简化成大用户，模拟方法简单，但是将管网隔断，对管网动态模拟过程带来障 碍。通过水塔模拟加压泵站示意如图３（ｂ）所示，该方法能够准确模拟加压泵站物理拓扑结构，但是在模型校核过程需要对水塔水位进行准确校核，增加了模型校核的难度。为实现管网动态模拟分析，本文采用第二种方法模拟加压泵站。

图３  加压泵站拓扑结构

三、管网模型校核

在水力模拟计算过程中，一般采用新管的海曾－威廉Ｃ值，即新铸铁管采用120。由于给水系统经多年运行，导致管道内壁腐蚀、粗糙度增加，致使管道的过水面积减小，实际Ｃ值大大降低；同时由于给水管 道逐年敷设，年代、施工质量、管材、管径、水质等都对Ｃ值产生影响，使各管段的Ｃ值差异很大。采用新管Ｃ值或经统一调整的Ｃ值通常都会使模型失真。考虑到影响Ｃ值的主要因素是管径和年代，采用理论与实践相结合的方法，结合其他城市管段阻力系数实测结果，通过管网模型校核过程确定现状管段海曾－威廉Ｃ值。

3.1  模型校核目标函数

管网模型校核以压力、流量监测值与模拟计算值方差最小为目标，如式（１）所示。

式中NH——压力监测点总数；

NF——流量监测点总数；

Hsim_nh——第nh个压力监测点模拟值；

Hobs_nh——第nh个压力监测点监测值；

Fsim_nf——第nf个流量监测点模拟值；

Fobs_nf——第nf个流量监测点监测值；

Hp_nt——压力校核目标值；

Fp_nt——流量校核目标值。

目标函数约束条件如下：

RF_min＜RF＜RF_max                                              （2）

DWmin＜DW＜DWmax                              （3）

式中RF_min——管道阻力系数最小值；

RF_max——管道阻力系数最大值；

RF——管道阻力系数；

DW_min——流量调整系数最小值；

DW_max——流量调整系数最大值；

DW——流量调整系数。

3.2  模型校核标准

模型校核增加了管网模型的可信性，为管网工况分析、现状管网改扩建、规范方案设计提供决策支持。管网模型校核工作在整个管网建模工作流程中占有很大比 例。评价管网模型是否符合实际，国内和国际上都没有出台相应的技术标准或行业标准。哈尔滨工业大学和英国Exeter大学根据多年科研和工程经验，提出管 网模型校核标准，如表１和表２所示。这两个标准均提出管网压力分布、供水分界线以及水厂供水范围要与实际管网保持一致。

表１  压力校核标准

表２  流量校核标准

管网模型校核标准与模型应用目的相关，受管网基础数据质量限制。k市供水管网水力模型用于指导管网规划，管网压力校核标准采用50kPa，流量校核标准采用15％。

3.3 模型校核结果

通过模型校核，各水厂出厂流量、加压泵站进站压力及压力监测点处模型计算值与监测值比较结果如图４所示。

图４ 模型校核结果曲线

可以看出，管网模型中流量、压力校核结果满足校核要求。节点压力计算结果与监测结果差值均小于５ｍ，模拟计算的流量校核结果基本都在10%以内。

四、模型应用

通过建立管网水力模型，本文对k市现状管网压力、流量、供水范围等运行工况进行分析，掌握管网运行现状。

４.1  管网压力分布分析

现状管网最大自由压力为87.17ｍ；最小自由压力为５.35ｍ；供水管网平均自由压力为３7.81ｍ；管网自由水压标准偏差为14.96ｍ。压力超过15ｍ 的节点占节点总数的 95.16％。管网压力分布如图5所示。

图５  节点压力分布等值线

由模型管网压力分布情况可知，供水管网节点压力呈现较为明显的分区，市区西北地区地势平坦，且靠近主要供水厂，节点压力分布均匀，大部分节点 自由水压位于28ｍ～50ｍ；市区东南部随着地面标 高的增长，加压站随之密集建设，且南部山区水厂地势较高，故此区域压力普遍偏高，出现多处50ｍ以上的高压区域；市区东部地区由于缺乏可靠的供水水源，需长距离调水，因而呈现诸多区域节点压力偏 低的现象。

４.2  管网流速分布分析

管网最大管道流速为3.65m/s，流速标准偏差为0.58m/s，平均流速为0.5m/s，管道流速分布如图６所示。由图６可以看出，管网中大部分管段流 速大于0.4m/s，个别管段流速大于２m/s。计算结果表明：现状管网运行负荷较低，管段沿程水头损失较小。

图６  管网流速分布

4.3  水厂供水范围分析

通过管网水力计算，绘制管网内两个主要水厂供水范围，如图７所示。可以看出，两座主要水厂供水范围基本覆盖整个城区（其余9座水厂供水量较小）。经核实，模拟结果与水厂实际供水趋势一致。

图７  主要水厂供水范围分布

五、结语

本文建立了k市供水管网水力模型，通过模型校核，保证模型模拟结果与管网实际运行结果接近。利用管网模型，对管网进行工况分析，掌握管网内压力分布与管道流速分布状态，绘制出管网内两座主要水厂供水范围。管网水力模型为既有管网的给水工程专项规划提供充分的管网运行现状信息，为给水工程规划设计提供有力支持。

 （熵澜水务研究）