供水管网水力模型的建立与应用研究现状*

吴雅楠 徐悦 赵萌 杜孟翔 李珺 王琦玮

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

供水管网水力模型是目前分析供水管网水力状态的有效方法，其本质是一种数学工具，可以模拟供水管网的水力运行状况，即利用管网的基础信息库和计算机技术来完成水力计算的过程[1]。该模型的建立有如下几个优点：①可以实时了解当前管网运行的水力状况，实时收集管道的基础水力信息，如压降、流速、流量和用户及水厂节点的压力等。②为实现管网系统的水力、水质模拟及优化调度提供可靠实用的依据，为后期管网系统的优化决策奠定良好的基础。③可以对水厂进行信息化管理，以此提高供水公司的运营管理水平，获得更好的效益。

当前，管网系统信息化和管网水力模型软件的多样化已经成为管网系统管理和运行的主要趋势，且向智能化发展的趋势越来越明显。因此，发展更加先进的管网水力模型软件，建立更加精确可靠的水力模型，不仅是对管网系统的运行维护管理等有关工作的可靠技术支持，也是加快管网系统信息化和智能化进程的有效途径。

1 供水管网水力模型国内外研究现状

1.1 供水管网水力模型国外发展历程及研究现状

国外的许多学者和专家在20世纪 60 年代就已经开始了供水管网水力模型的研究与实践，并在此过程中发展了一系列按水力学理论建立的管网水力模型软件(国外供水管网水力模型发展历程(部分)见表1)[2-3]。近年来，由于供水管网系统的智能化建设需求，供水管网水力模型的开发成为许多学者的研究重点，与此同时，各种模型软件也不断涌现。其中，丹麦DHI公司开发的MIKE系列软件成为全球专业人员研究水和环境的热门软件，并在许多国家得到广泛的应用。

1.2 供水管网水力模型国内发展历程及研究现状

国内供水管网水力模型的研究从20世纪70年代开始[4]，且主要在高校里进行研究(国内供水管网水力模型发展历程(部分)见表2)[5-10]。在1970年代到2000年期间，PipeNet、8M、Stoner、Mike Net 等国外软件开始进入中国市场[11-12]。在 2000 年之后，中国给水排水软件市场是在国产与国外软件共存的形式下发展的[13]。此后，随着计算机技术的不断发展，国内供水模型的建设也在高速发展。2010 年，天津市自来水集团有限公司(即天津水司)投资建设了水力模型系统 (HM)[14]，在其生产运行管理中具有重要的作用。2015年，天津三博科技有限公司先后开发的供水管网水力模型供水路径分析软件(简称供水路径分析软件)和供水管网水力模型爆管分析软件，分别用于管网供水路径的优化和供水管网爆管应急事故处理的分析。近年来，更多类似的软件相继涌现，为供水管网的便捷建立与应用提供了一定的技术支撑。

表1 国外供水管网水力模型软件发展历程

表2 国内供水管网水力模型软件发展历程

1.3 供水管网水力模型软件应用现状

水力模型软件系统已经成为给排水企业不可或缺的工具，供水管网的设计、日常运行与维护管理等工作都是在模型的基础上进行。由于供水模型软件的不断发展，当前供水管网水力模型的研究已日渐成熟，模型应用范围也日渐广泛。目前国内外常用的几种水力模型软件对比如表3[15-21]。这些软件也常与Matlab、SCADA、ArcGIS等专业性软件相结合，根据需要建立水量预测模型、水力计算模型和水力优化模型等[22]，解决实际问题。

表3 国内外常用的几种水力模型软件对比

2 供水管网水力模型的建立方法

目前国内较多的供水管网水力模型主要基于管网地理信息系统(Geographic Information System，GIS)、客户营销系统、数据采集与监控系统(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)系统[23]。供水管网水力模型建立的步骤主要包括：收集整理基础数据、数据导入及模型建立、模型校核。

2.1 收集整理基础数据

(1)收集数据。模型建立的过程需要收集大量的管网拓扑数据、水源数据、用户用水量数据等[24]。水力模型最基础的管网拓扑数据是 GIS 中的节点、管线、阀门数据[25]以及SCADA 数据。水量数据主要来源为营业收费系统，基础数据包括用水点位置、用水类型、实时用水量、产销差水量统计等。

(2)数据清洗。管网水力模型的基础数据库建设完成后需利用数据处理工具对数据进行清洗[26]和归一化处理。

(3)管网简化。管网简化的目的是提高模型的精度和分析能力，通过简化管网，管网的水力状态能够得到更加真实的反馈，为后期管网的优化设计和供水调度等工作提供更好的指导[27]。供水管网水力模型可以通过各种简化方法对现状供水管网进行水力等效性简化[28]。常用的简化方法中主要有3种：枝状管简化、串联管道合并以及并联管道合并[29]。在实际应用中，进行管网简化时可根据需求灵活选择简化方法。

2.2 供水管网水力模型建立

(1)数据导入。水力模型的管网框架由 GIS 中的管线、节点、阀门数据组成，同时将水厂的清水池、水泵、管线、阀门等数据和水厂的运行数据导入模型中。处理好的管网拓扑数据和数据表可以利用GIS工具[30]和计算机技术导入模型，即可实现数据大批量导入模型。相较于手动输入基础数据，这会使数据导入工作大幅度简化，同时提高建模效率，加快建模进度。此外，还可以利用建模软件的导入功能[25]导入数据。

(2)用水量分配。将用水量进行分配，通过SCADA系统导入大用户和普通用户数据以及产销差水量，并进行用水量模式的研究。根据水量数据，通过数据处理形成不同的用水模式，录入到水力模型中并分配到相应的节点上。

2.3 模型校核

通过检查基础数据和管线、校验管网模型的相关参数和验证水力模型等基本方法对建立的水力模型进行校核，使实测压力、流量数据与计算数据之间的误差在合理的允许范围内。

国内外的学者已经研究了不同的校核方法，如英国WRC校核标准主要校核的内容有5个部分：流量监测点、压力分布、压力监测点、分界线、供水趋势。根据国内的给水管网的特点，赵洪宾[31]分别从测压点水压、管段流量和节点水压3个方面提出适用于我国的水力模型校核标准。林英姿等[1]也总结了几类具有代表性的模型校核方法及其优缺点。当然，根据不同的情况可结合实际情况选择不同的校核方法。

3 供水管网水力模型的应用

目前，仍有许多学者致力于水力模型的建立与应用研究和分析。

第一，通过水力模型可以实时掌握管网中的基础运行参数，分析和评估管网运行现状，及时发现管网运行中存在的问题和缺陷，以进行系统模拟，找出合理有效的解决方案。

第二，利用水力模型对不同的规划方案进行评估和比较，可以对现有系统进行改建、扩建设计，同时根据用户的用水量进行近期和远期预测与规划。

第三，根据供水管网水力模型可以对供水管网进行模拟分析。模拟不同条件下的泵站运行方案，进行日常辅助调度管理与协调，通过分析现有水泵的运行工况，提高泵站的运行效率；在旧管网改造，或在现状管网的中长期规划设计中，可利用水力模型模拟更新方案，以分析不同方案管网运行情况的差别；模拟可能发生的各种事故情况及其对供水系统的影响，制定应急调度预案。

第四，通过建立的供水管网水力模型，可以对水质进行监测和分析，为决策调度等提供依据。可以将水龄作为水质指标，水龄即某个单位的水在管网中存在的时间长度，利用水力模型计算出管网中任一节点和管线中的最大水龄和平均水龄，从而发现出现水质问题的地点，并进行及时反馈与处理。

近年来，在智慧水务快速发展的背景下，供水管网水力模型的发展也得到了大力推动，除上述应用之外，供水管网水力模型还广泛应用于管网漏损、爆管分析、产销差控制等方面。

4 结语

供水管网水力模型是供水管网优化运行决策的有效手段。建立一个精确可靠的水力模型，并将其应用于管网系统建设与管理的各方面，可以为决策者参与决策提供参考。同时，随着信息技术和数据分析处理技术的快速发展，具有高精度的水力模型软件研究将成为未来水力模型发展的重点，水力模型在今后的日常供水运营管理中也将具有更广泛的应用，发挥更大的作用。

随着“智慧水务”概念的提出，将GIS、BIM、大数据和人工智能等技术与水力模型相结合可以对供水管网进行高效精准建模，通过水力模型分析，可以给市政工程管理提供最优化的辅助解决方案。这给城市供水管网水力模型的建立、验证和优化提供了新的思路，也对未来智慧水务建设中的辅助分析、自动控制技术发展与应用具有重要的意义。