天津市供水管網(wǎng)信息管理及分析系統(tǒng)
摘要：介紹了已建立的天津市供水管網(wǎng)信息管理及 分析 系統(tǒng)，實(shí)踐證明該系統(tǒng)是成功的，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，能為供水管網(wǎng)的現(xiàn)狀分析、事故分析、優(yōu)化改擴(kuò)建工程和 科學(xué) 管理提供可靠的信息來源。
關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng) 動(dòng)態(tài)分析 信息管理
天津市自來水集團(tuán)有限公司是集自來水生產(chǎn)、銷售、服務(wù)和多元化經(jīng)營(yíng)為一體的國(guó)有大型 企業(yè) ，至今已有上百年的 歷史 。 目前 ，設(shè)計(jì)供水能力為203×104m3/d，DN300以上的供水管網(wǎng)總長(zhǎng)為3 439km，擔(dān)負(fù)著市區(qū)419萬人口、323×104km2面積的供水工作。長(zhǎng)期以來，天津市供水管網(wǎng)的日常操作(主要指水源調(diào)度、管網(wǎng)維護(hù)和更新)主要憑經(jīng)驗(yàn)，而不是建立在科學(xué)的管理體系之上。建立天津市供水管網(wǎng)信息管理及分析系統(tǒng)是解決這個(gè) 問題 的最有效手段，主要用于天津市供水系統(tǒng)的日常操作、維護(hù)和更新的活動(dòng)分析，包括為水源調(diào)度、管網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)提供科學(xué)的操作管理 方法 ，為區(qū)域性的供水管網(wǎng)規(guī)劃、優(yōu)化改擴(kuò)建工程提供科學(xué)的依據(jù)。
1 實(shí)施方法
1.1建立 計(jì)算 機(jī)供水管網(wǎng)圖文數(shù)據(jù)庫(kù)
計(jì)算機(jī)供水管網(wǎng)圖文數(shù)據(jù)庫(kù)包括供水系統(tǒng)中的所有供水設(shè)施及其圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。天津市供水管網(wǎng)圖形采用數(shù)字化儀錄入，以600多張1∶2 000的管線竣工圖為基礎(chǔ)，選擇DN300以上(包括DN300)的管線和部分DN300以下對(duì)管網(wǎng)水力條件 影響 較大的管線，經(jīng)過系統(tǒng)拼接而成。它包括3615個(gè)節(jié)點(diǎn)(水流狀態(tài)發(fā)生較大變化的點(diǎn))、4731條管段(兩節(jié)點(diǎn)間的管線)，還包括地理信息、大用戶信息和管網(wǎng)附件等。
1.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的目的是為建立供水管網(wǎng)模型、計(jì)算供水系統(tǒng)的用水量、節(jié)點(diǎn)流量及校驗(yàn)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型提供數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試由四部分組成：大用戶用水量調(diào)查及用水量變化曲線的測(cè)試;管道阻力系統(tǒng)的測(cè)試;水泵特性曲線的測(cè)試;供水系統(tǒng)的壓力和流量值的測(cè)試。
按照用水 規(guī)律 ，將用水量為500m3/d以上的大用戶分為10種用水類型，從每一種類型中選擇有代表性的用戶進(jìn)行連續(xù)48h的讀表實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果經(jīng)過整理分析得到每一種類型大用戶的用水量變化曲線。
管道阻力計(jì)算公式采用海曾——威廉(Hazen-Williams)公式[1]，用“四點(diǎn)法”或“五點(diǎn)法”對(duì)不同年代、不同管徑的典型管段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，取得了滿意效果。由k=[(Δh1/l1)0.5-(Δh2/l2)/q]2和k=10.667/C1.852D4.87求C值。
為了提高模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，優(yōu)化調(diào)節(jié)水泵，實(shí)現(xiàn)“減耗增效”的需要，對(duì)三個(gè)水廠的水泵特性曲線進(jìn)行實(shí)測(cè)。在保證不影響生產(chǎn)和安全供水的前提下，讀取水泵在不同工況下的流量、出口壓力、吸入真空度以及高程差，以水泵的流量為橫坐標(biāo)，揚(yáng)程為縱坐標(biāo)繪制曲線而成。
管網(wǎng)測(cè)壓對(duì)209處集中測(cè)壓點(diǎn)、21處自計(jì)量測(cè)壓點(diǎn)、34處遙測(cè)測(cè)壓點(diǎn)，100處LOGGER臨時(shí)測(cè)壓點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。管網(wǎng)測(cè)流對(duì)60處測(cè)流井、8處大用戶、13處水廠出水干管進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布整個(gè)管網(wǎng)，數(shù)目占管網(wǎng)主要節(jié)點(diǎn)數(shù)目的10%以上，流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于主要干管。
1.3供水管網(wǎng)模型的建立[2]
天津市管網(wǎng)模型為簡(jiǎn)化模型，主要 應(yīng)用 于信息管理、現(xiàn)狀分析(供水路徑、管道負(fù)荷、供水區(qū)域)、事故處理分析(最優(yōu)關(guān)閘方案)、優(yōu)化改擴(kuò)建工程。模型準(zhǔn)確模擬供水管網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息，包括圖形、屬性、參數(shù)以及狀態(tài)信息，建立供水管網(wǎng)模型的技術(shù)流程如圖1。
1.4節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算方法和水力模擬計(jì)算[3]
天津市供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型是在大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、大用戶讀表現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和大用戶每月讀表抄見數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上完成。節(jié)點(diǎn)流量由大用戶、小用戶以及漏失量三部分組成。大用戶是整個(gè)管網(wǎng)中比較確定的量，根據(jù)其位置以及實(shí)測(cè)得到的變化曲線計(jì)算而成;小用戶按權(quán)值分配到整個(gè)管網(wǎng);漏失部分考慮管徑、鋪設(shè)年代、壓力等因素按不同權(quán)值計(jì)算。
通過對(duì)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息的模擬，就可以進(jìn)行水力模擬計(jì)算，即平差。
聯(lián)立(1)連續(xù)性方程Qi+∑qij=0、(2)壓降方程qij=(hij/sij)1/n=(Hi-Hj/Sij)1/n、(3)水泵特性曲線方程H=A+BQ+CQ2求解。
水力模擬計(jì)算是整個(gè)管網(wǎng)建模的核心，各個(gè)分析模塊都以平差計(jì)算為基礎(chǔ)。為提高計(jì)算速度，采用了節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化、枝狀管簡(jiǎn)化、步長(zhǎng)因子的動(dòng)態(tài)調(diào)整等優(yōu)化方法。
1.5模型校核結(jié)果
天津市供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型的計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值吻合很好，表明該模型模擬了管網(wǎng)中水流的真實(shí)流動(dòng)(見表1、2、3)。
| 誤差 | ＜1 m | ＜2 m | ＜4 m |
| 百分比(%) | 64.0 | 88.0 | 100 |
| 誤差 | ＜5%管段流量 | ＜10%管段流量 | ＜12%管段流量 |
| 百分比(%) | 60.0 | 99.0 | 100 |
| 計(jì)算值與測(cè)量值的差值 | ＜1%水廠出水量 | ＜2%水廠出水量 | ＜6%水廠出水量 |
| 一水廠 | 41.7% | 79.2% | 100% |
| 二水廠 | 37.5% | 75.0% | 100% |
| 三水廠 | 45.8% | 83.3% | 100% |
1.6模型的維護(hù)和更新
天津市供水管網(wǎng)系統(tǒng)每年都新增大量的管線，更新一些舊管線，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化必須及時(shí)地反應(yīng)到模型中。另外，水源的變化、大用戶位置的變化、用戶用水模式的變化、管網(wǎng)操作條件的變化等都應(yīng)在模型中做相應(yīng)的修改。當(dāng)模型運(yùn)行一段時(shí)間后，如果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)量與模擬量之間的差值超出允許精度范圍時(shí)，應(yīng)重新校核模型。
1.7供水管網(wǎng)信息管理及分析系統(tǒng)的功能
包括管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的錄入、編輯、修改及查詢等功能。另外，在圖形和文字信息數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)加入了一系列給水管網(wǎng)水力計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)給水管網(wǎng)系統(tǒng)的模擬，并進(jìn)一步集成了現(xiàn)狀分析系統(tǒng)、事故分析、優(yōu)化改擴(kuò)建工程等功能模塊，使整個(gè)系統(tǒng)成為進(jìn)行供水系統(tǒng)管理和分析的功能齊全的軟件包。
2 實(shí)踐意義
天津市供水管網(wǎng)信息管理及 分析 系統(tǒng)已投入 應(yīng)用 ，效果良好，具有重大的實(shí)踐意義：
?、賹⑻旖蚴泄┧芫W(wǎng)系統(tǒng)輸入 計(jì)算 機(jī)，建立起管網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)水力模型，可以進(jìn)行給水管網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工況分析;
?、诮o水管網(wǎng)圖文數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，方便了資料的日常管理工作以及管網(wǎng)的維護(hù)工作等;
?、劢o水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析系統(tǒng)的建立，使得調(diào)度人員、管理人員可以定性、定量地了解管網(wǎng)在不同工況下的運(yùn)行情況;
?、芙o水管網(wǎng)事故處理分析系統(tǒng)可以迅速地給出最優(yōu)關(guān)閥方案，準(zhǔn)確地指出管網(wǎng)應(yīng)該關(guān)閉的閥門，用以指導(dǎo)搶修、維護(hù);
?、輰?shí)用優(yōu)化改擴(kuò)建工程系統(tǒng)能夠有效地幫助和指導(dǎo)管網(wǎng)改擴(kuò)建工作。
參考 文獻(xiàn) ：
[1]Lamont P A.Commom pipe flow formulas compared with the theory of roughness[J].AWWA,1989.
[2]趙洪賓.城市給水管網(wǎng)建?，F(xiàn)狀及 發(fā)展 [J].吉林建工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000.
[3]Bragiela.Pressure and Flow Uncertainty in Water System[J].J Water Res Plan Man,1989，115(2).
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