水力模型在智慧供水系统中的应用

吕达昕

摘  要：该文介绍了城市供水系统如何通过水力数学模型的智能分析能力，实现城市供水的高效规划和管理。以水力数学模型为基础及核心，综合运用各类数据挖掘技术，可以从历史积累的海量运营数据中识别并提取出更具价值的信息，更可结合供水系统外的其他领域数据信息进行更广泛层面的数据挖掘分析，进而为管理决策提供更多依据。

关键词：供水系统;水力模型;智慧供水

中图分类号：TU991    文献标志码：A

0 前言

供水管网是城市中一类大规模的网络系统，服务于成百上千用户。当直接对供水网管进行改变，或者管线内的水质发生变化时，将产生极高的成本，且会对公众的用水和健康有巨大隐患。供水管网的水力建模，将真实的供水管网简化和抽象，便于系统通过图形和数据表达与分析，从实验中对真实系统进行评价，可以预测系统中存在的问题，在实际工程投资前提出解决方法。智慧供水项目中需要建立水力数学模型，为供水的智能应用提供支撑。

1 水力建模原理

水力模型是真实系统的一种数学描述。为解释供水系统模型模拟产生的结果，本节对建模所涉及的数学原理进行简单介绍。

1.1 节点流量方程

进入管道的流体质量等于离开管道的流体质量，因为在供水系统中流体既不会被创造也不会被消灭，即质量守恒定律。对于管网模型中的任意节点j，可以表示为。

式中：Qi—管段i的流量;Qj—节点j的流量;Sj—节点j的关联集;N—管网模型中的节点总数。

联立所有节点的流量方程。若考虑延时模拟，水可在水箱中被存储和取用，则需要描述该节点处水的积累量。

1.2 管段能量方程

模型中，无论采取什么路径，2点间的能量差是一致的，即能量守恒定律。为便于分析，在忽略能量损失的情况下（如管壁摩擦、设备使流线改变引起的紊动等），该管网中相邻的任意2个节点的能量差（或水头），等于2个节点的压降，表示为：

式中：Fi、Ti—管段i相邻的2个端节点编号。HFi、HTi—管段i相邻2个端节点的水头。hi—管段i的压降。M—管网模型中的管段总数。联立所有管段的能量方程。

1.3 压降方程

压降方程即水头损失方程，水头损失分为沿程阻力损失和局部损失。

（1）沿程阻力损失：由管道沿程的摩擦阻力引起。

（2）局部水头损失。在阀门、三通、弯头以及其他附属设备统一存在水头损失，当水流过阀门和弯头时由于紊流而产生，称为局部损失。

局部损失用下式计算。

对供水模型而言，局部水头损失通常比摩擦阻力损失小很多，因此建模时往往可以忽略局部损失。但在某些情况下，如有更多设备和更高流速的泵站或是多种阀门集成的情况下，就必须考虑局部损失的影响。

1.4 求解管网问题

真实的供水系统不是由单一的管段组成，并且不能用单独的连续性方程和能量方程求解。管网系统中，对每个节点都可以列出一个流量方程;同样，对每个管段都可以列出一个能量方程。对某个真实系统而言，就有若干个此类方程。

由于能量方程是非线性的，所以方程不能依据流体的流量及水头值求解。然而计算机的运用使快速求解成为可能。之后不断改善直至解的误差缩小到指定范围内，则认为是获得了水力方程的解。

2 漳州开发区智慧供水系统设计

漳州开发区智慧供水系统，采用多层架构设计，分为6个层次：感知层、传输层、数据层、业务层、智能分析层、智能应用层。感知层作为信息采集、交换服务的基础，通过覆盖城市的监测设备、移动终端、传感器成为为智慧大脑提供外部信息的感官触角，在智慧供水系统建设中具有基础性地位。

传输层通过互联网、通信网等基础传输网络实现信息资源的高效共享和交换，针对互联网、移动无线专网等不同范围网络平台提供相应的隔离措施与安全保障。数据层实现对感知层所收集的数据、管网基础信息及其他平台所提供数据，进行整合、共享与更新维护。为业务层的各项子系统提供完整的基础数据和分析依据。业务层集供水各业务专题信息服务于一体，为基础快速构建供水综合运营服务體系。智能分析层和智能应用层是智慧供水系统应用的核心部分。智能分析层将数据挖掘、数学模型与业务应用相结合，在智能应用层中对供水行业管理、运营工作中各类事务特征和变化规律进行抽象描述和规律研究，用系统功能满足业务管理对智慧的需求。

3 漳州开发区智慧供水系统技术线路

借助管网建模软件（该项目使用MIKE URBAN）对供水管网进行水力动态分析，建立水力数学模型。建模软件的基本功能包括：视图功能、编辑功能、流量分配、水力分析、结果查看等，建模软件应能够与GIS平台无缝整合，象图形和属性之间的双向查询、属性数据的添加与修改等，以便于模型的维护操作。如前文所述，水力模型是真实系统的一种数学描述，模型的建立主要包括以下工作。

3.1 基础数据收集和整理

准确和完善地收集和整理描述管网的基础信息。基础信息主要包括：系统图、地形图、竣工图、生产运行数据和用户用水情况等。其中地形图和电子地图等与地理信息系统（GIS）相关的数据，依托于漳州开发区空间基础数据库。此外，系统如和生产运行数据等，均可以从当地的自来水公司和规划部门获得。

3.2 现场勘查与测量

供水管网水力模型建立和校核过程中，所有基本测量工作可以分为3类：即测流、测压、测距。具体的现场测量及勘察工作主要有管网压力、边界流量、高程和水泵特性等。

3.3 水力数学模型搭建

水力模型的搭建主要步骤为：输入管网基础信息，建立并求解管网方程组，就可以在一定条件下模拟和预测该供水系统的运行状态，包括节点压力、管段流量、流速、水头损失等水力参数。

3.4 模型率定

管网模型率定是管网建模项目中最为关键的工作之一。通过有效的管网模型率能够发现大量基础数据或实际管网中的问题。结合在供水管线上安装的各类流量计和压力计等传感器实时回传的监测数据，对这些问题进行修正，使模型模拟值逐步趋近于实际值，精度达到相应的指标。

3.5 实时滚动计算

模型率定后，根据实时变化的SCADA数据，每15 min驱动计算引擎，自动循环执行水力模拟，对模型实时数据进行后处理和数据挖掘分析。以热力图、数据列表、时间曲线等形式，将模拟结果与实测数据进行对比展示。

4 水力数学模型在供水管网安全系统的应用实现

4.1 供水管网现状分析和评估

项目实施的各类传感器，掌握了管网中流量、压力、流速等各种状态;而水力模型的建立，实现对供水管网的动态模拟，评估管网状态，发现管网运行中存在的问题，从而辅助水司和规划部门提出解决方案。通过管网水力模型模拟的结果，分析供水管网系统的状态，找出管网或某些管段存在的问题，提出改造方案。

4.2 管网规划设计

借助管网运行状态的动态监测，判断出各管段的负载情况，对于超负荷运转的管线，可以根据实际供水需求情况，给出管网改扩建的规划设计方案，以提高管网输水能力，保护供水设备，进而保证管网安全。

利用水力数学模型可以对不同规划方案进行评估与比较，包括压力控制点及关键点的压力比较、各管道流量及流速的比较等。模型能够对供水系统的规划进行模拟，从而辅助规划部门判断。另外，模型能够根据对用户水量的近期、中长期的预测与规划确定的各种用水模式，评估系统在各个时期的运行状况以及输水的能力及空间。从而对现有供水设施的改扩建设计，及对新水厂、水库、增压泵站、重要管线的规划安排进行模拟和验证，并从中比选出最经济、合理的规划方案。

在新增水厂、泵站等元素后，可模拟压力、流速、流向变化以及总费用等重要指标。通过模拟结果，对不同的规划方案进行对比， 以选择最优的规划方案。

4.3 辅助供水调度管理

通过模拟不同情况和条件下（象学校开学或放假期间、降雨等）的水泵运行方案，辅助供水调度管理;对拟建泵站的各种方案进行模拟，找出最有针对性的泵站建设方案;也可模拟各种突发事件对供水系统的影响，制定调度应急预案。

5 结语

利用水力建模和准确的城市空间基础数据，为供水管网的建设规划与管理提供辅助决策信息，可提高管线的管理和规划水平、减少因规划决策失误导致的经济损失;减少管线巡检人员的投入;降低能耗;分析消防用水保障情况;分析水质;提高各部门之间的协作能力;实现地下管线集中统一的现代化管理。未来，水力數学模型根据供水管网的实际运行情况不断校正;同时保持最新的、准确的城市空间数据，对系统是否能够向城市管理者提供准确、有效的决策依据，都是至关重要的。

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