張薇薇，薛 明，馮偲慜

(上海自來(lái)水市北有限公司，上海 200086)

隨著計(jì)算機(jī)和信息化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，供水管網(wǎng)水力模型(簡(jiǎn)稱(chēng)管網(wǎng)模型)已成為水司掌握管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、提高管理和服務(wù)水平的重要工具。管網(wǎng)模型功能強(qiáng)大，不僅能為管網(wǎng)規(guī)劃、改擴(kuò)建設(shè)計(jì)、泵站改造等重大投資建設(shè)項(xiàng)目提供科學(xué)的決策依據(jù)，還能為運(yùn)行調(diào)度、漏損控制、管網(wǎng)水質(zhì)分析等與水司管理和服務(wù)水平密切相關(guān)的業(yè)務(wù)提供科學(xué)的研究手段［1］。需引起注意的是，管網(wǎng)模型在實(shí)踐中應(yīng)用的可靠性與其精度密切相關(guān)。模型的精度不同，其適用范圍不同，如用于管網(wǎng)水質(zhì)分析的模型精度通常高于用于規(guī)劃設(shè)計(jì)的模型精度。因此，為最大限度地發(fā)揮管網(wǎng)模型的作用，需在建模完成后，做好模型更新維護(hù)工作，適時(shí)地進(jìn)行模型校核，以保證其具有滿(mǎn)意的精度和可靠性［2］。

管網(wǎng)模型是以管網(wǎng)數(shù)據(jù)為支撐的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，因此模型更新維護(hù)工作必然涉及模型數(shù)據(jù)的各個(gè)方面，其工作程序基本與建模過(guò)程類(lèi)似，通常包括管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢查與更新、水量數(shù)據(jù)更新、參數(shù)測(cè)定、控制數(shù)據(jù)更新、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)維護(hù)、模型校核等一系列內(nèi)容［3］。以市北水司供水管網(wǎng)模型［4，5］為例，對(duì)模型更新維護(hù)過(guò)程進(jìn)行論述，并通過(guò)模型校核考查更新后模型的精度，最后對(duì)模型工作提出相應(yīng)建議。

1 市北水司供水管網(wǎng)模型概況

市北水司供水范圍內(nèi)現(xiàn)有5座水廠，19座泵站(其中12座水庫(kù)泵站)，總供水能力306萬(wàn)m3/d，水庫(kù)調(diào)蓄能力30萬(wàn)m3，供水服務(wù)面積394 km2(不包括市北寶山自來(lái)水有限公司)，管網(wǎng)總長(zhǎng)度5 782 km，總服務(wù)人口逾600萬(wàn)人。市北供水管網(wǎng)模型采用英國(guó)Info Works WS模型軟件，現(xiàn)有模型(2009版模型)中包含管段64 173條，節(jié)點(diǎn)60 188個(gè)，水泵143臺(tái)。

2 模型的更新維護(hù)

2．1 管網(wǎng)更新維護(hù)

管網(wǎng)更新的主要數(shù)據(jù)來(lái)源為市北供水管網(wǎng)GIS系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)比GIS數(shù)據(jù)與現(xiàn)有模型數(shù)據(jù)，查詢(xún)DN300以上新增管線，并在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上添加新增管線。完成管線添加后，需檢查管網(wǎng)中可能存在的重復(fù)管線，并檢驗(yàn)管網(wǎng)的連通性。考慮到GIS系統(tǒng)維護(hù)工作中部分管線更新滯后的問(wèn)題，為得到與實(shí)際管網(wǎng)更接近的管線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模型維護(hù)工作中需參考供水管理所CAD管線圖及調(diào)度室管線并網(wǎng)閥門(mén)操作單，對(duì)實(shí)際增加而在GIS系統(tǒng)中未添加的DN300以上管線進(jìn)行手工添加，同時(shí)針對(duì)CAD圖與GIS系統(tǒng)中有出入的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步核實(shí)確認(rèn)。管網(wǎng)更新后，模型包含管段74 823條，節(jié)點(diǎn)70 821個(gè)，水泵143臺(tái)。對(duì)于新增管線，需結(jié)合建模經(jīng)驗(yàn)添加相應(yīng)屬性數(shù)據(jù)，如管道粗糙系數(shù)(市北模型采用柯?tīng)柌蹇?懷特水頭損失公式)。

2．2 水量更新維護(hù)

模型水量數(shù)據(jù)的更新涉及用戶(hù)點(diǎn)更新、水量數(shù)據(jù)的處理、靜態(tài)水量更新、用水模式更新及水量平衡分析等方面內(nèi)容。

2．2．1 用戶(hù)點(diǎn)的更新

用戶(hù)點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自GIS系統(tǒng)的水表信息，涉及的水表類(lèi)型共五類(lèi):非居民用戶(hù)水表、用戶(hù)接水點(diǎn)、非居民用戶(hù)接水點(diǎn)、消防監(jiān)視表、用戶(hù)水表。將GIS系統(tǒng)中這部分水表導(dǎo)出，并與原模型導(dǎo)出的用戶(hù)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)需要?jiǎng)h除的水表，直接在模型中刪除;對(duì)新增加的水表，在模型軟件中用“數(shù)據(jù)導(dǎo)入中心”更新。此外，根據(jù)需要手工添加一部分賬務(wù)系統(tǒng)中有而GIS中沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系的大用戶(hù)點(diǎn)。最后將用戶(hù)點(diǎn)數(shù)據(jù)按水表和接水點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)并保存。

2．2．2 水量數(shù)據(jù)的處理

模型的水量數(shù)據(jù)以2011年7月、8月兩個(gè)月的營(yíng)業(yè)抄表用水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并對(duì)存在的“特殊開(kāi)賬”情況進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理(如刪除表分類(lèi)為校對(duì)表的水量數(shù)據(jù))，最后將7、8兩個(gè)月的水量按賬號(hào)取平均值，得到各賬號(hào)日均水量。

2．2．3 靜態(tài)水量更新

靜態(tài)水量更新包括水量對(duì)應(yīng)、水量分配及水量連接三個(gè)步驟。靜態(tài)水量對(duì)應(yīng)是指將統(tǒng)計(jì)得到的靜態(tài)水量與用戶(hù)點(diǎn)(分水表和接水點(diǎn)兩種)或用水區(qū)塊建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，水表用戶(hù)按照CUST_ID對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行水量對(duì)應(yīng);接水點(diǎn)用戶(hù)按關(guān)鍵字GJZ對(duì)應(yīng)的賬號(hào)進(jìn)行水量的對(duì)應(yīng)和疊加;與用戶(hù)點(diǎn)無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系的賬號(hào)水量按用水區(qū)塊號(hào)C_KH進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。靜態(tài)水量分配是指運(yùn)用模型軟件提供的相關(guān)功能，將用戶(hù)點(diǎn)按一定的規(guī)則綁定到模型相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。水量連接是通過(guò)模型軟件的“數(shù)據(jù)導(dǎo)入中心”功能，將建立對(duì)應(yīng)關(guān)系的水量數(shù)據(jù)按“唯一區(qū)別符”更新到相應(yīng)用戶(hù)點(diǎn)上。此外，無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系的區(qū)塊統(tǒng)計(jì)水量，運(yùn)用模型軟件的“節(jié)點(diǎn)多邊形”功能將其分配到用水區(qū)塊內(nèi)DN300以上管道對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。

2．2．4 用水模式更新

市北供水范圍內(nèi)用戶(hù)按用水性質(zhì)分成20種用水類(lèi)型，如居民生活用水、辦公、商業(yè)等。通過(guò)遠(yuǎn)傳水表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取用戶(hù)一周水量變化數(shù)據(jù)，按照需要繪制不同類(lèi)型用戶(hù)的用水模式曲線，如圖1所示。

圖1 用水模式曲線Fig．1 Curve of Using Water Mode

2．2．5 水量平衡

通過(guò)上述水量分配，來(lái)自賬務(wù)系統(tǒng)的水量都已分配到管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上，其中包括與GIS系統(tǒng)中用戶(hù)點(diǎn)有對(duì)應(yīng)關(guān)系的水量、手動(dòng)添加的大用戶(hù)水量和按塊號(hào)分配的水量。但這部分水量往往小于管網(wǎng)供水量，兩者的差值即為無(wú)收益水量。因此，模型中需添加未計(jì)量用水類(lèi)型的水量。

市北管網(wǎng)模型為動(dòng)態(tài)水力模型，在進(jìn)行模型模擬時(shí)，除應(yīng)保證模型中日水量與實(shí)際日供水量一致外，還需保持各時(shí)刻水量的動(dòng)態(tài)平衡，即對(duì)于任一模擬時(shí)刻，模型分配水量與實(shí)際供水量相一致。在模型中，這種動(dòng)態(tài)的水量平衡可通過(guò)調(diào)整未計(jì)量用水曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)，模型軟件提供了相應(yīng)的功能模塊。

2．3 模型參數(shù)測(cè)定

水泵的特性曲線是影響模型模擬結(jié)果的重要數(shù)據(jù)，包括流量-揚(yáng)程、流量-效率、流量-功率曲線。由于水泵的特性會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間發(fā)生變化，特別是對(duì)于進(jìn)行葉輪切削的水泵，更需進(jìn)行水泵特性的測(cè)定。進(jìn)行水泵測(cè)試時(shí)，流量、壓力和功率數(shù)據(jù)應(yīng)同步獲取，以保證數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，具體操作流程應(yīng)按相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，如水泵流量的測(cè)定方法GB/T 3214和離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵試驗(yàn)方法GB/T 3216。

2．4 控制數(shù)據(jù)

模型的控制數(shù)據(jù)主要包括水泵的開(kāi)停狀態(tài)、變速泵控制規(guī)則(頻率、壓力、流量等)、管網(wǎng)調(diào)度閥門(mén)及水庫(kù)進(jìn)水閥門(mén)狀態(tài)、水庫(kù)初始水位、吸水井水位等。其中水泵的開(kāi)關(guān)、水庫(kù)進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)度、水庫(kù)及吸水井水位等數(shù)據(jù)可從調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出，并轉(zhuǎn)化為模型軟件所需格式(市北水司已開(kāi)發(fā)相應(yīng)接口工具);管網(wǎng)調(diào)度閥門(mén)開(kāi)度可查詢(xún)相關(guān)閥門(mén)操作單或調(diào)度令，對(duì)于一些記錄不詳?shù)拈y門(mén)，需與其所屬供水管理所聯(lián)系并確認(rèn)最終閥門(mén)狀態(tài)。對(duì)于變速泵，需向所屬水廠控制室或泵站管理所確認(rèn)其實(shí)際運(yùn)行控制方式，并在模型中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定(流量、壓力或頻率)，如月浦水廠4#泵按壓力控制，管網(wǎng)中途泵站變頻泵按頻率控制運(yùn)行。

2．5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

為建立與模型節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需在相應(yīng)的模型節(jié)點(diǎn)(測(cè)壓點(diǎn)和測(cè)流點(diǎn))添加控制信息。測(cè)壓點(diǎn)和測(cè)流點(diǎn)位置在調(diào)度系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)屬性資料中查找，并在GIS系統(tǒng)中進(jìn)一步核實(shí)確認(rèn)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)自調(diào)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(SCADA)，需轉(zhuǎn)化為模型軟件所需格式(市北已開(kāi)發(fā)相應(yīng)接口工具)。在模型中加載好實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，需注意實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)量單位與模型運(yùn)算單位的換算關(guān)系，設(shè)定相應(yīng)的流量和壓力系數(shù)。對(duì)于壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)添加相應(yīng)的儀表高程數(shù)據(jù)。

需注意，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加載到模型之前，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，如剔除異常數(shù)值以及缺失數(shù)據(jù)填充。

3 模型校核

通過(guò)模型數(shù)據(jù)更新和維護(hù)，提高了模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。模型校核可發(fā)現(xiàn)模型中的問(wèn)題，通過(guò)解決問(wèn)題，最終提高模型精度和可靠性。本次模型校核選擇2012年7月30日(日水量246．5萬(wàn)m3)作為模型校核日，進(jìn)行模型校核。針對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的誤差，可遵循從水廠到泵站再到管網(wǎng)的順序?qū)δＰ蛿?shù)據(jù)進(jìn)行逐步核查，其中重點(diǎn)檢查控制數(shù)據(jù)，其次是拓?fù)溥B接。對(duì)于一些壓力、流量誤差的突變點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。初步模擬結(jié)果顯示楊樹(shù)浦水廠出廠壓力偏高，通過(guò)核實(shí)相關(guān)控制數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，調(diào)度系統(tǒng)中楊樹(shù)浦水廠7#吸水井水位數(shù)據(jù)未轉(zhuǎn)化為吳淞高程;水庫(kù)水位模擬誤差較大，與水庫(kù)進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)度設(shè)定有關(guān)，因開(kāi)度初始值按經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，與實(shí)際情況有出入，需通過(guò)模擬值與實(shí)際值的誤差逐步調(diào)整開(kāi)度;水泵的開(kāi)停時(shí)間來(lái)自調(diào)度員手工輸入調(diào)度指令，與實(shí)際水泵開(kāi)停時(shí)間偶有出入，可根據(jù)水廠出廠流量或水庫(kù)水位數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行修正;通過(guò)對(duì)比流量?jī)x數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)寶山供水區(qū)域普遍存在流量?jī)x實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小于模擬值的情況，通過(guò)單獨(dú)統(tǒng)計(jì)分析該區(qū)域水量，發(fā)現(xiàn)該區(qū)塊分配的水量高于實(shí)際水量，需進(jìn)行水量調(diào)整。

模型校核的過(guò)程是認(rèn)識(shí)誤差，消除誤差的過(guò)程。經(jīng)過(guò)校核，模型的流量、壓力和水位模擬精度都有所提高，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，90%以上的測(cè)點(diǎn)壓力誤差在2 m以?xún)?nèi)，80%出廠流量的誤差在5%以?xún)?nèi)，80%管網(wǎng)流量誤差在15%以?xún)?nèi)。

4 模型維護(hù)工作建議

管網(wǎng)模型維護(hù)工作是一項(xiàng)煩冗的系統(tǒng)工作，建模人員不僅需要具有相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為提高模型的精度和實(shí)用性提出切實(shí)可行的改進(jìn)方案，還需從管理的角度，為保障模型發(fā)揮持續(xù)作用提出長(zhǎng)效的更新維護(hù)工作機(jī)制。

針對(duì)市北模型現(xiàn)狀，對(duì)模型更新維護(hù)工作總結(jié)并建議如下:

(1)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的更新維護(hù)，在保證以GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的前提下，根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際投入運(yùn)行情況進(jìn)行必要的手工添加，可參考管道并網(wǎng)單或相應(yīng)的竣工圖紙。使模型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)既源于GIS又優(yōu)于GIS，與此同時(shí)做好手工添加數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)工作，以便于GIS數(shù)據(jù)更新導(dǎo)入后模型重復(fù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的檢查。

(2)此次模型更新維護(hù)的靜態(tài)水量和用水模式曲線均以夏季用水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，若應(yīng)用于其他季節(jié)工況模擬，模型誤差較大。因此，應(yīng)選擇有代表性的用水季節(jié)，制定不同的用水模式，以適應(yīng)不同用水情況下的模型應(yīng)用需求。

(3)對(duì)于水泵的特性曲線，應(yīng)定期進(jìn)行測(cè)定(包括增壓及水庫(kù)泵站)。特別對(duì)于變速泵，應(yīng)分別測(cè)定其常用頻率下的特性曲線。

(4)對(duì)于管網(wǎng)調(diào)度控制閥門(mén)，不同供水管理所數(shù)據(jù)的管理程度不同。因此，可考慮將管網(wǎng)調(diào)度控制閥門(mén)納入調(diào)度實(shí)時(shí)信息管理系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度閥門(mén)的集中管理和展示。

(5)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是模型是否準(zhǔn)確的判斷依據(jù)，因此在線監(jiān)測(cè)和通信設(shè)備的維護(hù)和正常運(yùn)行是模型工作者不可忽視的重要問(wèn)題。

(6)為提高模型更新維護(hù)工作自動(dòng)化水平，可逐步開(kāi)發(fā)模型軟件與GIS系統(tǒng)、營(yíng)業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)的接口工具，使建模型人員從繁重的模型數(shù)據(jù)收集上解脫出來(lái)，而將工作的重心集中在模型數(shù)據(jù)的管理和模型精度的提高上。

(7)模型的更新維護(hù)工作不是一蹴而就的事，需建立一套切實(shí)可行的維護(hù)策略(實(shí)時(shí)維護(hù)、定期或不定期維護(hù))，并對(duì)更新維護(hù)工作的階段性成果做好備份記錄。

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