焦星瑞，王 雪，陸 海

（1.吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；2.長(zhǎng)春科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

城市供水管網(wǎng)模型校核方法的比較

焦星瑞1，王 雪1，陸 海2

（1.吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；2.長(zhǎng)春科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

城市供水管網(wǎng)模型是對(duì)城市供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的分析和模擬，在管網(wǎng)模型應(yīng)用之前需對(duì)其精確性進(jìn)行檢驗(yàn)和校核。本文對(duì)供水管網(wǎng)模型校核的幾種常見(jiàn)方法進(jìn)行比較分析，這有助于更好地了解供水管網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，然后提出優(yōu)化的運(yùn)行控制方案，將為供水管網(wǎng)的改建擴(kuò)建提供科學(xué)合理的技術(shù)依據(jù)，并為供水管網(wǎng)事故分析提供決策依據(jù)。

供水管網(wǎng)；模型校核；模型比選

城市供水管網(wǎng)是城市給水工程中的重要組成部分，其深埋于地下,具有隱蔽性的特點(diǎn)，同時(shí)供水管網(wǎng)還具有年代跨度大、水力分析復(fù)雜等特點(diǎn)，因此對(duì)于供水管網(wǎng)的運(yùn)行控制存在很大的困難[1]。鑒于此，我國(guó)供水管網(wǎng)存在爆管頻發(fā)、漏失率高等弊端。為了更好地了解供水管網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，提出優(yōu)化的運(yùn)行控制方案，需要對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行建模，以此來(lái)模擬其運(yùn)行狀態(tài)，掌握供水管網(wǎng)中水壓、流量、壓降、水齡等信息，同時(shí)這也將為供水管網(wǎng)的改建擴(kuò)建提供科學(xué)合理的技術(shù)依據(jù)，并為供水管網(wǎng)事故分析提供決策依據(jù)[2]。

1 供水管網(wǎng)模型的校核

城市供水管網(wǎng)是一個(gè)具有時(shí)變性、隨機(jī)性和不確定性的復(fù)雜龐大系統(tǒng)，要對(duì)供水管網(wǎng)的流量、壓力等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行深入的了解并及時(shí)作出優(yōu)化調(diào)度，首先須建立城市供水管網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型[3]。對(duì)于初步建立的供水管網(wǎng)模型，雖然它包含了管段的長(zhǎng)度、管徑、管材等信息，以及節(jié)點(diǎn)的高程和水源的水量和壓力等基本信息，但若不以實(shí)際工況數(shù)據(jù)加以校核，則該模型往往不能真實(shí)地反映實(shí)際管網(wǎng)的運(yùn)行狀況。對(duì)最初建立的供水管網(wǎng)模型進(jìn)行水力分析模擬后，用實(shí)測(cè)的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)供水管網(wǎng)模型加以校核，即用分析模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)相比較，如果二者之間的差值較大，則調(diào)整與模型相關(guān)的管段、節(jié)點(diǎn)及水源等各類(lèi)信息。對(duì)經(jīng)過(guò)上述調(diào)整后的模型再次進(jìn)行水力分析模擬，分析模擬后所得結(jié)果再與實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)比較，如二者之間的差值仍然較大，則再次調(diào)整模型，直至分析模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)相近為止。因此，供水管網(wǎng)模型的校核是調(diào)整管網(wǎng)參數(shù)、反復(fù)平差、完善模型的一個(gè)過(guò)程。經(jīng)過(guò)校核的供水管網(wǎng)模型，可用于對(duì)實(shí)際城市供水管網(wǎng)進(jìn)行比較精確的模擬分析。

2 供水管網(wǎng)模型校核方法比較分析

2.1 靈敏度分析方法

1973年，Gilman提出一種重新分配計(jì)算節(jié)點(diǎn)流量的方法，這種方法是基于逆解原理而建立的，能夠達(dá)到分析模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)相接近的目的[4]。他的方法是基于“比例負(fù)荷”的假設(shè)而產(chǎn)生的，即假設(shè)節(jié)點(diǎn)流量隨著管網(wǎng)的流量變化而成一定的比例發(fā)生變化），這樣可以將供水管網(wǎng)分成幾個(gè)區(qū)域，在每一個(gè)區(qū)域之內(nèi)存在一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。在上述基礎(chǔ)上，計(jì)算每個(gè)區(qū)域的測(cè)壓點(diǎn)的水壓隨該區(qū)流量增量的靈敏系數(shù)，通過(guò)求解由此而產(chǎn)生的一個(gè)線性方程組，進(jìn)而確定每個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)流量的調(diào)整量。這種方法的弊端在于，靈敏度的計(jì)算受流量增量的影響較大，這是由于節(jié)點(diǎn)的壓力與節(jié)點(diǎn)流量不存在線性函數(shù)的關(guān)系[5]。

2.2 解析方法

解析方法是由Walski[6]于1983年提出的一種模型校核方法，并用于解決一些供水管網(wǎng)校核的實(shí)際問(wèn)題。該方法涉及到兩方面的問(wèn)題：一是將已知條件下模型計(jì)算壓力、流量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓力、流量進(jìn)行比較；二是調(diào)整模型的輸入?yún)?shù)值以改善模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的吻合程度。

2.3 解非線性方程組法

如要在某節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生所需壓力，可以采用調(diào)整某一管段的水力特性，如設(shè)置加壓泵或者減壓閥的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。Gofman根據(jù)研究結(jié)果提出，在原管網(wǎng)方程中添加虛環(huán)方程，同時(shí)把待調(diào)整管段的阻力系數(shù)當(dāng)作未知量來(lái)處理，用一定的方法求解所形成的非線性方程組。

2.4 最優(yōu)化方法

靈敏度分析方法、解析方法以及解非線性方程組法的共同缺點(diǎn)是，在未對(duì)被調(diào)整量施加約束，因此很難保證其解與實(shí)際測(cè)量值的一致性。經(jīng)過(guò)對(duì)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析比較和與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，可以獲得供水管網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)流量及管道阻力系數(shù)的取值范圍，也就是后續(xù)建模過(guò)程中的約束條件。如果上述數(shù)據(jù)中的某些量已經(jīng)能夠比較精確地知道，則不應(yīng)再繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整。除了Ormsbee和Wood提出的方法以外，其他方法對(duì)于有測(cè)流結(jié)果的情形都不能做出很好的處理，所以，最優(yōu)化方法的應(yīng)用對(duì)于供水管網(wǎng)模型的校核具有一定的狀態(tài)估計(jì)作用。

1 汪光壽，等.城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.

2 于靜潔，趙洪賓.城市給水管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的建立[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，33（3）：339-341.

3 韓德宏.配水管網(wǎng)的狀態(tài)估計(jì)的幾種方法[J].中國(guó)給水排水，1993，（1）：31-33.

4 Gilman H.D.Application Model for Water Distribution Control[J].AWWA，1973，（4）：27-29.

5 Sterling，etal.Parameter Turning for Simulation Models of Water Distribution Network[J].Engng Syst，1980，（13）：751-762.

6 Thomas M.Walski, Assuring Accurate Model Calibration[J].AWWA，1985，（12）：38-41.

Comparison of Urban Water Supply Network Model Checking Methods

Jiao Xingrui1, Wang Xue1, Lu Hai2
(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China; 2.Changchun Institute of Technology, Institute of Architectural Engineering, Changchun 130022, China)

The urban water supply pipe network model is the analysis and Simulation of the operation condition of the urban water supply network. Several common methods of water supply network model calibration are analyzed, which will contribute to a better understanding of the operation characteristics of the water supply network, the operation control scheme optimization, will provide technical basis for scientific and reasonable water supply network reconstruction, and provide decision-making basis for water supply pipeline accident analysis.

water supply network; model checking; model selection

TU991.33

A

1008-9500(2017)05-0118-02

2017-03-10

本文系吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201510191022）的階段性研究成果。

焦星瑞(1995-)，男，天津人，本科在讀，給排水科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)。

陸海，Email：haimm110@126.com