宏观水力模型和微观水力模型在节能降漏领域的应用与探讨

一、引言

随着社会的进步和经济的发展,供水系统的设备与技术更新很快。各类测量和监测手段也渐趋完善与先进，尤其是计算机及相应技术的迅速发展与普及，使供水系统的优化调度具有了可行性。城市供水管网具有拓扑结构复杂、规模庞大、用水随机性强、多目标控制等特点，特别是对地下给水管网，实验测试的难度很大，所以科学化管理十分困难，但在计算机技术的推动下，管网建模的出现为节能降漏提供了新的福音，特别是监测手段的改革，智能水表的应用，阀门的快速普及，能够保证数据采集的实时性，数据共享和数学分析应用的提高更是进一步促进了节能降漏的实现。

管网水力模型利用计算机技术对实际的地下管网进行数字化模拟，同时该模型能进行管网水力学数据的相关计算，模型能反映实际管网的水力状态，通过建模可以制定规划，调度的设计方案并优化，制定水泵、管道的更新改造方案，实施管网系统的科学管理，达到节能检降漏的目的。城市供水管网拓扑复杂、漏失点不易探查修复，因此以宏观水力模型和微观水力模型为基础，实现DMA分区压力优化运行，建立DMA分区压力优化控制系统是降低当前供水管道条件下漏损量的最佳办法。

二、宏观水力模型和微观水力模型的优缺点

当前我国常用的节能降漏方法包括两方面，一是从管理方面入手，加强供水管网使用期间的管理与维护，比如完善供水管网建设规划，落实管理维护责任，加快供水体制的改革与人才培养，另一方面采用新的节能降漏技术，比如宏观水力模型、微观水力模型、分区计量、分级计量、人工捡漏等方法。不同的节能降漏方法各有优缺点，应用场合和应用范围各不相同。

（1）宏观水力模型，是以水厂的供水压力和供水流量以及水塔水位与管网监测点压力的大量实测数据为基础，应用统计数学的方法建立经验数学表达式，从而提高了计算速度。具有建模速度快、整体把握管网能力强的优点，特别适用于指导实时调度，可快速建立管网压力控制模型，提供控制策略，但是需要足够多的测量点，并且要求有足够的实测数据和准确度，未建立优化子压力模型，远端压力控制精确度不高，节能效果不能令人满意。此外，宏观模型不能求得管段和节点的工况参数，多用于给水系统调度建模，不宜用于给水系统新建、改建和扩建建模。

（2）微观水力模型即按管网实际情况，包括管网所有元素（管段、阀门、水泵等），不做任何简化所建立的模型，相对于宏观模型和简化模型来说，称为详细模型。具有详观管网各个要素及其水力状况的优势，直接应用完整详细的管网信息数据库的资料，包括管网的全部信息建模，适于管网现状分析、规划设计与预案制定，但是无法自动实现或者简化计算目标单一等问题，比如不能够在节省管网水力平差计算时间的同时又很好的保存原始管网的拓扑信息，在管网优化改造、优化调度等优化计算方面力有不逮。

（3）分区计量是一种供水区域化管理的方法，是对管理区域内流进的自来水总量和贸易销售实际的水量实施量值的一种管理方法。可以了解和掌握各区域内需水量、供销差、漏失量、未收费水量等因素，降低供水企业供水运营中的经营管理风险，缺点是不能有效控制生产销差率。

（4）分级计量，当前分级计量通常分为两级，首级为出厂水量计量，计量点一般位于二级泵房后的出水管上；尾级为客户用水计量，计量点一般位于客户前的进水管上。可以有效控制供水产销差率、优化供水管理系统。

（5）人工检漏，通过人工方法，借助查漏工具检查管道的暗漏情况，主要优点是可靠性高，缺点是效率低。

三、宏观水力模型的建立和优化

基于宏观水力模型可以建立管网压力控制模型，提供了多水厂优化流量方法，但是未建立优化子压力模型，宏观水力模型和DMA技术结合，不但可以优化压力计算模型，确定各水厂供水范围，提供管线压力曲线，而且可以为管网状态评估、管网规划设计、优化运行及制定应急预案等提供科学的依据，最终达到节能降漏的作用。宏观水力模型建立优化包括以下步骤：（1）建立宏观水力模型；（2）基于宏观水力模型建立压力曲线；（3）修正宏观模型调度预案压力；（4）优化水泵实现节能；（5）与DMA分区法门联合减漏。

宏观水力模型以水厂的供水压力和供水流量以及水塔水位与管网监测点压力的大量实测数据为基础，应用统计数学的方法所建立的经验数学表达式，如下式：

其中，Q为各水厂流量，hk为各测点压力，Ci，Ajm，Bjp可以通过月流量计算得出，但是以上模型仅仅提供了供水系统运行现状的描述，需要对其优化，建立管网压力控制曲线模型，管网压力控制曲线模型需要满足管线流量、出厂流量和压力最优关系和远端测量点压力精度（通常绝对数小余等于0.001MPa）。根据优化的宏观模型调度预案压力方案设计水厂流量压力控制系统，优化水泵节能方案，结合DMA分区阀门进行联合减漏，具体流程如下图：

四、微观水力模型的建立和优化

微观水力模型以实际完整详细的管网信息数据库为基础信息建立模型，能够精确计算出全部关于供水管网的全部信息，可以概括为：（1）微观水力模型建立；（2）拓扑结构简化；（3）供水系统基础数据导入和节点流量分配；（4）管网水力计算与平差；（5）水力模型校核；（6）模型评估、更新和维护。其整体流程图如下：

微观模型对系统拓扑的变化和节点用水量模式的变化具有较强的适应性，可以获取所有管段、节点、水源的工况参数以及各小时的静态模拟工况和动态实时工况，以管网信息为基础建立微观模型，导入管段数据包括管长、标准管径、管材类型和粗糙度和供水方式，节点数据包括节点类型和节点标高等数据。

按照管网服务主功能不变和误差在允许范围两条原则，对管网网络拓扑结构进行简化，其后导入基础数据、分配节点流量，节点流量可分为四类：大用户用水量、普通用户、漏失水量、未计量水量，管网水力计算与平差过程通过节点连续性方程、管段压降方程和回路能量方程结合导入的管网信息进行。模型校核是一个不断完善、反复调整的过程。评价建立的管网水力模型是否满足建模要求，要考虑监测节点的压力实际值与模型压力计算值之差和监测管段的流量实际值与模型流量计算值误差小。

由于给水管网的运行工况不断变化，要保证建立的模型实时有效，能够为供水单位提供可靠的技术参考，必须定期对建立的模型更新维护。管网添加新建的管线，删除废弃的管线，并导入变化管线的属性信息。节点水量重新分配时及时更新大用户月度用水信息，重新对各节点水量进行分配，模型校核定期进行。

五、宏观水力模型和微观水力模型结合的优势

概括来说，宏观水力模型以供水厂的供水压力和供水流量作为输入量，压力监测点作为输出量，应用统计数学方法建立了经验数学表达式，微观水力模型直接应用完整详细的管网信息数据库的资料，不进行任何简化，可求解节点和管段的全部信息。两者相互结合，有以下优点：（1）可以将寻求“最优解”转化为寻求“满意解”，把优化调度和经验调度相结合，对预测结果进行了实时对比，预测结果可动态显示，实时刷新，达到实时监控的目的。（2）结合分时电价和实时调度经验，实现基于宏观模型的变频调速策略，即使调整管网压力，对给水管网节点和管段进行分区、分类型处理，使模型达到了较高的建模精度，可以满足工况分析和管网规划的要求。

六、总结

宏观水力模型和微观水力模型是两种在节能降漏领域常用的模型，两种模型各有优缺点，适用不同的范围领域， 两者相互结合，可以寻求城市供水调度的“满意解”，有效控制供水产销差率、优化供水管理系统，最终达到节能降漏的目的。