杜小洲

（陜西省引漢濟(jì)渭領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室 陜西 西安 710004）

供水管網(wǎng)是供水系統(tǒng)的重要組成部分，且是隱蔽、分散的工程，管理的難度較大。陜西省是發(fā)展區(qū)域集中供水和水務(wù)一體化最早的省份。特別是國家“飲水安全”項(xiàng)目和我省“八大民生工程”實(shí)施以來，農(nóng)村集中供水工程規(guī)模越來越大，縣城供水系統(tǒng)硬件日趨先進(jìn)，不少縣自來水公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，但管網(wǎng)水力計(jì)算和水廠優(yōu)化調(diào)度仍然是各縣（區(qū)）供水設(shè)計(jì)和管理中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，引進(jìn)并應(yīng)用高性能的計(jì)算軟件，充分發(fā)揮自動(dòng)化程度相對(duì)較高的供水工程硬件設(shè)備的潛力，對(duì)促進(jìn)陜西省供水工程建設(shè)和管理實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展具有重要的意義。

MIKE URBAN軟件是丹麥DHI公司經(jīng)過整合的城市GIS和管網(wǎng)建模軟件，其中MIKEURBANWD管網(wǎng)配水模型在國內(nèi)的實(shí)際工程中還沒有得到普遍應(yīng)用。本研究目的是通過對(duì)軟件的應(yīng)用總結(jié)，分析其主要功能和使用條件，為軟件在陜西省的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 軟件概況

MIKEURBAN是丹麥DHI公司經(jīng)過整合的城市GIS和管網(wǎng)建模軟件。MIKE URBAN包括MIKEURBANMODEL MANAGER、MIKE URBAN WD和MIKE URBAN CS等。MIKE URBAN的給水管網(wǎng)水力計(jì)算內(nèi)核為EPANET，它引進(jìn)了ESRI的地理數(shù)據(jù)庫技術(shù)，把GIS與建模環(huán)境整合在一起，與數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)（RTC）和決策支持系統(tǒng)(DSS)能達(dá)到較好的連接。

MIKEURBAN具有完備GUI功能的高級(jí)模擬軟件工具；快速可靠的模擬引擎，確?？焖龠\(yùn)算；有支持軟件用于數(shù)據(jù)處理和分析；用于在第三方程序中（如MATLAB）處理模擬數(shù)據(jù)的GIS集成和工具；多種模塊及管網(wǎng)許可選擇確保用戶根據(jù)自身需求來選擇模型。

WD工具模塊可模擬由于各種作用力的作用而產(chǎn)生的水位及水流變化。它包括了廣泛的水力現(xiàn)象。軟件可對(duì)配水系統(tǒng)模型進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)來講，主要用于現(xiàn)有、擬建或改建的輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)的水動(dòng)力設(shè)計(jì)的優(yōu)化和驗(yàn)證。

2 軟件應(yīng)用

2.1 在恒定水力計(jì)算中的應(yīng)用

恒定水力計(jì)算是對(duì)管網(wǎng)所有參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后進(jìn)行的水力計(jì)算。明確不同工況（管網(wǎng)水力狀態(tài)）下枝狀網(wǎng)和環(huán)狀網(wǎng)的水力計(jì)算方法。

給水管網(wǎng)中有兩類基本水力要素：流量與水頭，包括管段流量、管段壓降、節(jié)點(diǎn)流量、節(jié)點(diǎn)水頭等。它們之間的關(guān)系反映了給水管網(wǎng)的水力特性。當(dāng)給水管網(wǎng)各管段特性已知且處于恒定流狀態(tài)時(shí)，流量與水頭兩類要素的關(guān)系由恒定流方程組確定。在這種情況下，只要適當(dāng)?shù)亟o出部分流量和水頭值，其他流量與水頭值可以由恒定流方程組解出。

在恒定流狀態(tài)下，水力分析的數(shù)學(xué)含義就是解恒定流方程組，水力分析的工程意義就是已知給水管網(wǎng)部分水力參數(shù)，求其余水力參數(shù)。給水管網(wǎng)水力分析是解決給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)、調(diào)度和管理等各種應(yīng)用問題的理論基礎(chǔ)。

在給水管網(wǎng)水力分析中本軟件可應(yīng)用的水頭損失公式有：海曾-威廉公式、達(dá)西公式及曼寧公式。

海曾-威廉公式適用于較光滑的圓滿管紊流計(jì)算，公式為：

它適用于較光滑的管道，特別是當(dāng)e≤0.25mm（Cw≥130）時(shí)，該公式較其他公式有較高的計(jì)算精度。

達(dá)西公式適用于滿流圓管的計(jì)算，為管渠水力計(jì)算的經(jīng)典公式，已經(jīng)成為給水排水管網(wǎng)水力計(jì)算的基本公式。達(dá)西阻力系數(shù)λ的科學(xué)計(jì)算和應(yīng)用是管網(wǎng)水力計(jì)算正確性的關(guān)鍵，公式為：

曼寧公式適用于明渠或較粗糙的管道計(jì)算，亦適用于較粗糙的管道，最佳適用范圍為0.5≤e≤4.0mm。公式為：

正確選用沿程水頭損失計(jì)算公式，具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值和工程意義。實(shí)踐證明，不同的計(jì)算公式所產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果具有較大的差別。如果公式選用不當(dāng)，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)者選用不合理的管徑和水泵揚(yáng)程等，造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失，甚至降低工程效益。

求管段流量一般采用逆推法，求節(jié)點(diǎn)水頭一般采用順推法。

通過實(shí)例分析，明確了軟件水力計(jì)算的初始條件：

（1）交叉點(diǎn)的初始條件：高程、流量；

（2）管道的初始條件：管材、管長、管徑；

（3）水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

（4）泵站的初始條件：水力曲線；

（5）閥門的初始條件：設(shè)置值（減壓閥的減水壓）。

2.2 在水錘分析中的應(yīng)用

水擊所產(chǎn)生的增壓波和減壓波交替進(jìn)行，對(duì)管壁或閥門的作用有如錘擊一樣，故又稱為水錘。水流在慣性的作用下，對(duì)管道的壓力迅速達(dá)到最大，并產(chǎn)生破壞作用，這就是水力學(xué)當(dāng)中的“水錘效應(yīng)”，也就是正水錘；相反，關(guān)閉的閥門在突然打開后，也會(huì)產(chǎn)生水錘，叫負(fù)水錘，也有一定的破壞力，但其破壞力沒有正水錘產(chǎn)生的大，在水力管道建設(shè)中都要考慮這一因素。

通過實(shí)例，對(duì)管網(wǎng)中無氣室或有氣室狀態(tài)下的管道進(jìn)行分析計(jì)算，并分析軟件計(jì)算結(jié)果的合理性及可行性。最后確定了軟件水錘分析的初始條件：

（1）管道的初始條件：管材、管長、管徑；

（2）水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

（3）泵站的初始條件：水力曲線；

（4）閥門的初始條件：設(shè)置值（減壓閥的減水壓）；

（5）半恒定時(shí)間設(shè)置參數(shù)：分析歷時(shí)、水力計(jì)算時(shí)間步長、模式時(shí)間步長、記錄時(shí)間步長、記錄開始時(shí)間、開始計(jì)時(shí)時(shí)刻。

2.3 在半恒定水力計(jì)算中的應(yīng)用

半恒定水力計(jì)算是對(duì)一個(gè)時(shí)段內(nèi)的管網(wǎng)水力情況進(jìn)行的一系列穩(wěn)態(tài)分析，包括水量分配和壓力分區(qū)，每一次分析都要涉及時(shí)段。每個(gè)時(shí)刻假設(shè)管道流量恒定，并且在時(shí)段內(nèi)沒有外部條件變化。因此，每一個(gè)時(shí)段的計(jì)算結(jié)果是根據(jù)之前時(shí)段的計(jì)算結(jié)果得出的。由于在工程實(shí)際中恒定流只存在于有限的時(shí)段內(nèi)，從長期來看，半恒定水力計(jì)算更能反映管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行過程。

通過實(shí)例驗(yàn)證了MIKE URBAN軟件可對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行半恒定水力計(jì)算，且分析結(jié)果符合工程實(shí)際。同時(shí)，明確了軟件進(jìn)行半恒定水力計(jì)算分析的初始條件：

(1)交叉點(diǎn)的初始條件：高程、流量；

(2)管道的初始條件：管材、管長、管徑；

(3)水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

(4)泵站的初始條件：水力曲線；

(5)閥門的初始條件：設(shè)置值（減壓閥的減水壓）。

(6)半恒定時(shí)間設(shè)置參數(shù)：分析歷時(shí)、水力計(jì)算時(shí)間步長、模式時(shí)間步長、記錄時(shí)間步長、記錄開始時(shí)間、開始計(jì)時(shí)時(shí)刻。

2.4 在水質(zhì)模擬中的應(yīng)用

水質(zhì)分析包括消防流量分析、水源水質(zhì)追蹤分析、水質(zhì)水齡分析、水質(zhì)余氯分析等，是對(duì)延長的時(shí)段進(jìn)行的一系列水質(zhì)分析，每一個(gè)分析都要涉及時(shí)段。用軟件對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行模擬得出各種元素在管網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)變化，如水齡、水質(zhì)、成分濃度等。

使用MIKEURBAN軟件對(duì)管網(wǎng)的水質(zhì)進(jìn)行模擬，實(shí)時(shí)反饋管網(wǎng)實(shí)際狀況以指導(dǎo)管網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)、管道的及時(shí)維修和更換、調(diào)整管道布置和系統(tǒng)運(yùn)行科學(xué)調(diào)度來保護(hù)和改善管網(wǎng)水質(zhì)，以保障管網(wǎng)水質(zhì)的安全。通過工程實(shí)例計(jì)算分析,明確了軟件進(jìn)行半恒定水質(zhì)計(jì)算分析的初始條件：

①交叉點(diǎn)的初始條件：高程、流量；

②管道的初始條件：管材、管長、管徑；

③水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

④泵站的初始條件：水力曲線；

⑤閥門的初始條件：設(shè)置值（減壓閥的減水壓）。

⑥半恒定時(shí)間設(shè)置參數(shù)：分析歷時(shí)、水力計(jì)算時(shí)間步長、模式時(shí)間步長、記錄時(shí)間步長、記錄開始時(shí)間、水質(zhì)時(shí)間步長、開始計(jì)時(shí)時(shí)刻；

⑦水源點(diǎn)初始條件：水質(zhì)成分的初始濃度。

3 結(jié)語

通過對(duì)軟件的研究和分析，并結(jié)合實(shí)際供水情況，發(fā)現(xiàn)軟件具有兩大功能：一是具有較強(qiáng)的管網(wǎng)水力計(jì)算校核和各種工況的模擬功能。對(duì)供水行政主管部門審查供水工程設(shè)計(jì)非常適用，可以有效的提高工作效率。二是具有在水廠生產(chǎn)運(yùn)行中優(yōu)化調(diào)度功能，但對(duì)實(shí)際運(yùn)用條件要求較高，需要供水公司有非常完善的自動(dòng)化調(diào)控硬件設(shè)施，如大量的電動(dòng)閥門、傳感器、地理信息系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)等。同時(shí)，明確了各種應(yīng)用的初始條件的設(shè)定，為軟件的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。陜西水利

[1]嚴(yán)煦世，劉遂慶.給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)（第二版）[M].

[2]周建華，大規(guī)模城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型研究，博士學(xué)位論文.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)[D].