H市供水管网水力模型拓扑结构的建立与修正

郑蓓蓓，刘培青，蒋白懿

（1．沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168；2．天津三博水科技有限公司，天津 300041）

1 前言

供水管网系统是保证城市安全运行和人民正常生活的基础设施，也成为了城市现代化的标志［1］。目前，我国大多城市供水企业的供水管网信息系统管理滞后，使得系统较多处于“数字孤岛”状态，常以个人经验指导日常生产管理。为使供水管网系统更好地向着供水企业期望的方向运行，提高供水的安全可靠性，就需要建立供水管网水力模型，而完善的管网模型拓扑结构则是模型建立的基础。本文以企业供水调度决策科学化为目的，建立H市供水管网水力模型拓扑结构，对管网管理现状提出合理建议。

2 城市供水概况

H市为县级市，中等规模城市，约有人口64万。该市供水管网以环状和支状结合呈现，市区以环状管网为主，郊区为支状管网。管段总长约1417km。DN100及以上约1010km，DN300及以上约426km。管径从15mm至1400mm不等，管材主要有球墨铸铁、铸铁、砼、PE等。管网中水表等级分为一级、二级、三级和组级表。目前有水厂甲和水厂乙两座，加压泵站三个，均处于停用状态。

应供水企业要求，对水厂乙供水区域的管网系统进行水力建模。该水厂设计产水量19万m3/d，实际供水量15.87万m3/d，包括A，B，C，D，E，F，G7个营业所的供水区域，有着较完善的供水调度系统。

3 管网水力模型拓扑结构的建立

建立和完善管网水力模型拓扑结构是建模的首要步骤，也是建模的基础［6］。而拓扑结构的准确性和附件属性的完善性直接影响到模型的精度及后续管网水力模拟校核效果。根据H市现有不同类型管网静态数据——GIS数据、Auto CAD文件及Google地理信息系统数据，采用数据转换模块、数字化软件和人工录入等手段将这些数据信息录入到模型中生成初始模型拓扑结构。

3.1 利用GIS数据

GIS系统具有图档管理、数据统计、查询、数据输出等功能。可以根据各种要求，利用数据转换模块输出属性信息或者空间信息，实现与建模软件数据格式的互通以及输出各种常用数据格式［4］。

H市管网建模工程采用了GIS系统的SHP文件数据作为初始数据，从中提取相应节点、管道、消火栓和阀门等信息和属性，通过模型软件的数据导入接口导入建模软件中，生成初步的管网模型拓扑结构。需要导入的GIS数据如表1。

表1 导入模型中对应GIS字段

利用GIS数据导入模型后对模型中的管道和节点进行统计，分别有16250根和17105个。水力模型基于GIS系统，实现了GIS管理平台与模型间数据的共享和数据整合。

3.2 利用CAD数据

模型中缺失B营业所部分主干管数据，其提供的数据形式为CAD。将CAD管网文件利用数字化软件转换成DXF文件导入模型中作为背景图后，建模人员根据背景图补全缺失管网。另外还需要人工手动输入各字段的相应属性，主要有管道的管长、管径、管材、所属营业所、铺设年代，节点的埋深、高程。

3.3 利用Google地理信息数据

E营业所管网系统主要以Google地理信息平台管理，该形式的管网数据无法直接导入模型中被利用，因此建模人员需结合Google地理信息管网图和已建立的拓扑结构模型，将该部分数据信息在模型中补全。

4 模型拓扑结构的修正

由于H市供水企业的GIS系统更新不及时，导致模型生成后出现管网拓扑结构连通性不完整，管道未连接，附件属性不齐全的情况。同时还存在管道改造后属性未更新及大量废弃管道的问题。为提高后续模型校核精度，缩短校核时间，需对生成的初始模型拓扑结构进行人工的修正［5-6］。

（1）管道信息更新滞后。实际管网中已废除或新铺设的管道信息并未录入到GIS系统中；某些管道属性如管材、管径等信息的改变也未在GIS中体现。建模人员需收集相应信息并录入模型，添加要素属性，删除废弃管道。

图1、图2分别为C营业所修正前和修正后的部分管网拓扑结构。通过对比，可以清晰看到修正前管网中部分管道处于孤立状态和某些管道的缺失。而修正后的管网有较好的连通性和完整性。

图1 修正前拓扑结构

图2 修正后拓扑结构

（2）管道连贯性出错。对模型中管道和节点进行连通性排查，出现部分管道上下节点未连接和孤立节点的错误。对这类问题解决方式是基于实际管网的铺设，并利用软件中相应功能将该部分错误更正，以保证管网的连贯性。

通过软件中排查工具排查未连接管道，发现有3021根孤立管道。其中节点P_Connect-2244及下游管道L_FlowPipe-6724与上游管道L_FlowPipe-6702呈断开状态，如图3。经过修正，使得节点与管道L_FlowPipe-6702保持连通，保证了上、下游管道的连贯性。如图4。

图3 管道6724与6702断开状态

图4 管道6724与6702连通状态

阀门作用及开关不明确。该市管网中阀门按其作用分为三类，分别有应急、切换水源和控制流量。在对模型中阀门的作用及开启情况进行调查和询问工作人员，发现存在作用分类不明确、开启或关闭状况与实际不符等情况。与营业所工作人员核实信息后，在模型中更进这部分阀门信息并做好记录。

更进后的阀门现状，按开启度分为：14个关闭，16个全开，18个半开；按作用分为：7个应急，3个切换水源，38个控制流量。

5 结语

利用不同形式的管网数据信息，通过一定的方式将其录入水力模型中完成H市管网水力模型拓扑结构的建立，并对拓扑结构进行修正使其更加完善。鉴于此次管网模型拓扑结构的建立，为使模型更好运用于长期实践需要对其进行维护，给出以下建议：

（1）建模过程中各营业所提供的数据格式与数据水平不一，应使用统一的管网信息管理平台，如GIS系统，方便后期模型的管理和更新维护工作。

（2）导入模型中的GIS数据信息滞后，可以设立专门的管网信息管理部门，做好GIS数据信息及时更新和维护工作。

（3）管网中水表和阀门的名称、地理位置、属性的更改应做好相应记录，统一各营业所和水司一体化平台中水表信息，方便日后查询。

（4）成立水力模型实时更新和维护部门，使模型时刻保持新鲜力和活力。

［1］谢秋向.城市给水管网优化运行模型的探讨［J］.黑龙江科技信息，2012，11：20.

［2］段焕丰.城市供水系统动态建模技术研究［D］.上海：同济大学，2006.

［3］鲁旭.给水管网动态水力建模数据分析与管理［D］.上海：同济大学，2006.

［4］寿利冰.GIS系统在给水管网数据资料采集中的重要性［J］.科技创新导报，2011，3：98.

［5］陈明吉，邓涛，耿为民，等.上海市自来水市北公司供水管网信息化建设与展望［J］.给水排水，2008，9：117-121.

［6］张玺杨，张蕊，施银焕.大型供水企业管网水力模型建立和校核过程研究［J］.城镇供水，2013，5：71-79.