摘 要：主要介绍了银川市多水源供水管网水力模型的建立过程，分别就建模过程中的拓扑结构建立、用水量分配、现场测试、模型校验等环节进行了重点阐述，建模过程和成果表明，充分利用供水企业已有的信息管理系统，可有效提高管网水力建模的效率，通过丰富在线监控设备，可以有效提高水力模型的精度。
关键词：供水管网；水力模型；多水源系统；计算机仿真
1 引言
建立给水管网的计算机动态水力模型和水质模型是当前国内外给水管网优化设计和运行工况分析最有效的手段。在发达国家如欧、美等国自80年代起开始使用这项技术，用计算机给水管网动态水力模型进行实际的供水管网系统各种工况的模拟分析，显著地提高自来水行业的管理和运行水平，并取得可观的经济效益和社会效益。目前，供水管网建模在国内的部分城市的供水企业中的应用已经取得了初步的成效，还有一些城市的供水企业也正在积极的调研准备中，预期在未来的五到十年见，供水管网建模将在供水企业中普遍开展，这是供水企业发展的必然趋势，也是科学管理的必然选择。
随着银川市城市经济的高速发展，城市给水设施建设和管理得到了迅速的发展，目前银川中铁水务集团有限公司服务人口70多万，供水服务区域覆盖三区两县一市，服务面积达到70平方公里。目前银川市的供水水源由地面水厂和直供井构成，全市有六个水厂和十九个直供井。全市分西夏区、金凤区和兴庆区等三个区独立供水。全市供水能力近30万m3/d。随着供水规模不断扩大，提高供水领域的科技含量受到了领导层的极大的重视，特别是在水务集团公司信息化管理、计算机应用技术发展等方面，已经建立了集团营业抄表计算机管理系统、给水管网地理信息系统（GIS）、管网压力分布实时采集和监测系统（SCADA）。在此基础上，开展了给水管网动态实时水力模拟计算机软件开发项目，为进一步提高管网的运行管理水平和优化调度奠定了良好的现代化技术基础。
2 模型的建立
通过市场选择比较，最终选定上海三高宏扬供水管网模拟软件作为软件系统平台，依托上海三高计算机有限公司和同济大学的技术力量完成建模。银川市供水管网水力模型的建立过程包括拓扑结构建立、用水量分配、现场测试等几大步骤。
2.1 拓扑结构的建立
由于已经建立了完善的地理信息系统（GIS），且可提供拓扑数据的shape文件格式导出，因此管网水力模型的拓扑结构建模主要通过建立于GIS的平台接口，通过软件的拓扑结构导入功能自动实现。对于银川供水区域模型，按如下依据选择管道：
（1）考虑选择所有100mm及以上的管道用于提供水力连续性。
（2）在某些系统区域内，输水管口径较小，但水力条件较重要， 因此该地区选择100mm以下的管道进入模型。
（3）与大口径总管平行的管道也包括在模型中，因为它们起着重要的输水作用，在地区配水总管中也起着重要作用。
（4）通常不选择与供水系统分离的100mm的管道或其它管道。
（5）在少数情况下，选择小于100mm的管道用于提供水力连续性。
结合GIS中的管道属性ID对照表（表1），通过读取GIS相应图层的属性数据，完成管网模型中管道管径、长度等属性的赋值。建立后的银川市管网模型拓扑结构如图1所示。
2.2 用水量的分配
节点流量是供水系统管网模型计算的必须条件，节点流量的雏形是管网中的用户，节点用水量是模型运行基础且必须精确表示，在进行节点流量计算之前需要充分了解以下信息：
（1）系统中的总需水量；（2）需水量的地理分配，包括未计量用水量；（3）用水量的不同类型；（4）不同用户类型的各种日需水量形式；（5）由于大量用水或非常规用水对管网产生明显影响的大工业用户。
银川供水总公司收水费的数据包括抄表的上月的用水量、本月的用水量、每一用户的ID号、所属的册号、用户的地址以及用户的用水性质等，这些营收数据为用水量的计算提供了良好的数据来源。这也是模型成功最重要的因素，因为没有可靠的用水量数据，就很少有机会获得可接受的模型校验成果。
首先用抄表簿区域作为用水量单位分配归入节点。该资料结合为项目开发的用水量数据库通过用户种类用以产生平均节点用水量。需水量类型为不同类型的非民用用户所建立且应用于从数据库中平均节点用水量来产生一总非民用用水量类型。同时也估计了未计量用水量。现场测试中为每一个管网模型测定的系统需水量减去上述水量用以计算民用需水量。所有资料而后转换成宏扬管网建模软件能接受的正确格式，输入宏扬供水管网模拟软件，建立完整的银川供水系统管网模型水量数据。具体转换过程如图2所示。
2.3 现场测试
针对管网模型运行中的动态数据主要通过现场测试等手段获取。动态数据控制着模型所有时间变化及运行过程。它包含所测得的压力、流量、水泵运行和阀门状态的变化过程。这些资料由多种途径获得，或用数据采集仪和传感器设备，或用人工读数。在所有的情况下，数据在输入宏扬供水管网模拟软件前转换成宏扬供水管网模拟软件能接受的格式，输入银川给水管网模型。
2.3.1 压力
采用Date logger通过为期7天的在消火栓、水厂、泵站以及流量点测试获得项目所需的压力数据。Date logger采集的每个点的数据将以数据表格的形式存储在计算机中。从7天中选出的用来校验模型的某一天的数据再从数据表中抽出，制成另一数据表。所测的压力数据还要加上所在地点地面标高，变成模型中所需要的节点绝对标高，并将其输入到模型中。
2.3.2 流量
在现场测试期间，水厂流量每间隔15分钟手工记录一次。采用Date logger通过为期7天的在沿模型边界的流量点和配水系统中重要的测试点测试。并把这些数据转换为单位是m3/s的数据存入电脑。同时这些数据将用来计算系统的水量需求和对每个水厂的水量进行校核。
2.3.3 运行状态
在现场测试期间，记录了水泵和阀门的运行状态。在调度中心也记录了泵站和水厂的水泵的运行情况，并有详细的表格加于记录。
3 模型的校验
所有静态和动态数据成功地输入后，在此模型上则可进行校验工作。模型的校验工作是指用现场测试值与给水管网模型计算出的值进行对比，对比的值为流量和压力值，不断地改进错误，修正模型的误差，以及调整模型值，直到现场测试值和模型计算值之间的差异符合指定的标准。校验采用的现场测试数据首先是应用校验进行分析数据的合理性，摒弃了一些无用的明显不合理的数据。在运行24小时的计算模型前，最初的分析建立了模型并为避免出错作了核查。运行24小时中产生的问题已解决且在开始校验前作了一系列进一步的核查。校验过程包括调整模型用以逐步减少模型和所测数据之间的差异，首先从差异大的开始。调整包括修改管道间的连接、在水力影响大的地方增加口径较小的管道、增加图纸上未标明的遗漏管道、调整水泵特性曲线、增加并修改阀门状态以及调整管道粗糙度。对某些用水量也要进行相应的调整，主要是节点流量的再分配，但通常需水量数据和分配是较精确的。
模型校验所采用标准如表2、表3所示。
银川供水区域的管网动态模型，总共分三个区进行建模，分别为金凤区模型、西夏区模型、兴庆区模型，共选取67个测压点；部分压力校验结果如图3、图4所示。总体校验效果如表4所示。从上面校验的结果可以看出，本次模型校验结果良好。这是因为模型校核结果的保证一方面来源于充分的基础技术资料，另一方面需要建模技术人员的经验与技巧。
4 模型的维护与应用
由于供水系统在不停地进行着改扩建，用户也在不断的发展和变迁，供水系统的操作方案也在不停变化，给水管网模型只有随着变化，才有可能真实模拟供水系统中水流的真实流动，因此，供水管网模型的维护工作非常重要。供水管网模型维护主要包括以下几方面：
（1）更新管网模型的结构及相应数据：供水设施（管线、阀门、水泵、水库等）的增加、删除，添加相应的属性数据和空间数据等；（2）更新节点流量：利用营业水费数据库进行节点流量的计算，更新节点流量的供水区域（用水册号），新增大用户的添加和大用户的变迁移动等；（3）更新操作方案：修改阀门开关状态，修改水泵的开关状态等。
建立供水管网模型是了解供水系统如何运行的最有效手段之一，供水系统管网模型能应用于供水系统技术管理的全过程，这次建立的银川供水系统管网模型可应用于以下方面：
（1）供水系统的操作管理：分析现有调度方案，提出合理化的操作建议；为事故调度、应急调度和工程调度提供方案；寻找合理的季节性阀门调度方案；帮助调度员分析、了解供水状况，培训调度员；为开展供水系统优化调度工作提供基础；（2）提高供水系统服务水平：模拟、分析工程（供水系统中）对用户用水的影响程度；调查用户用水困难（用水压力抱怨）的原因；为供水系统漏水分析提供工具；（3）供水系统的设计和规划：选择最适合的管道尺寸，可节约资金的支出，提供管线更新计划，提供供水系统改扩建方案；为供水系统总体规划服务。
在目前银川供水系统管网模型的基础上，可进一步建立水质模型，和GIS系统、SCADA系统相接，对整个银川供水管网压力和流量进行实时监控和数据分析，为开展供水系统优化调度工作提供更广泛的应用前景。
参考文献
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