呂達昕

摘? 要：該文介紹了城市供水系統(tǒng)如何通過水力數(shù)學(xué)模型的智能分析能力，實現(xiàn)城市供水的高效規(guī)劃和管理。以水力數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)及核心，綜合運用各類數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以從歷史積累的海量運營數(shù)據(jù)中識別并提取出更具價值的信息，更可結(jié)合供水系統(tǒng)外的其他領(lǐng)域數(shù)據(jù)信息進行更廣泛層面的數(shù)據(jù)挖掘分析，進而為管理決策提供更多依據(jù)。

關(guān)鍵詞：供水系統(tǒng);水力模型;智慧供水

中圖分類號：TU991? ? 文獻標(biāo)志碼：A

0 前言

供水管網(wǎng)是城市中一類大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，服務(wù)于成百上千用戶。當(dāng)直接對供水網(wǎng)管進行改變，或者管線內(nèi)的水質(zhì)發(fā)生變化時，將產(chǎn)生極高的成本，且會對公眾的用水和健康有巨大隱患。供水管網(wǎng)的水力建模，將真實的供水管網(wǎng)簡化和抽象，便于系統(tǒng)通過圖形和數(shù)據(jù)表達與分析，從實驗中對真實系統(tǒng)進行評價，可以預(yù)測系統(tǒng)中存在的問題，在實際工程投資前提出解決方法。智慧供水項目中需要建立水力數(shù)學(xué)模型，為供水的智能應(yīng)用提供支撐。

1 水力建模原理

水力模型是真實系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)描述。為解釋供水系統(tǒng)模型模擬產(chǎn)生的結(jié)果，本節(jié)對建模所涉及的數(shù)學(xué)原理進行簡單介紹。

1.1 節(jié)點流量方程

進入管道的流體質(zhì)量等于離開管道的流體質(zhì)量，因為在供水系統(tǒng)中流體既不會被創(chuàng)造也不會被消滅，即質(zhì)量守恒定律。對于管網(wǎng)模型中的任意節(jié)點j，可以表示為。

式中：Qi—管段i的流量;Qj—節(jié)點j的流量;Sj—節(jié)點j的關(guān)聯(lián)集;N—管網(wǎng)模型中的節(jié)點總數(shù)。

聯(lián)立所有節(jié)點的流量方程。若考慮延時模擬，水可在水箱中被存儲和取用，則需要描述該節(jié)點處水的積累量。

1.2 管段能量方程

模型中，無論采取什么路徑，2點間的能量差是一致的，即能量守恒定律。為便于分析，在忽略能量損失的情況下（如管壁摩擦、設(shè)備使流線改變引起的紊動等），該管網(wǎng)中相鄰的任意2個節(jié)點的能量差（或水頭），等于2個節(jié)點的壓降，表示為：

式中：Fi、Ti—管段i相鄰的2個端節(jié)點編號。HFi、HTi—管段i相鄰2個端節(jié)點的水頭。hi—管段i的壓降。M—管網(wǎng)模型中的管段總數(shù)。聯(lián)立所有管段的能量方程。

1.3 壓降方程

壓降方程即水頭損失方程，水頭損失分為沿程阻力損失和局部損失。

（1）沿程阻力損失：由管道沿程的摩擦阻力引起。

（2）局部水頭損失。在閥門、三通、彎頭以及其他附屬設(shè)備統(tǒng)一存在水頭損失，當(dāng)水流過閥門和彎頭時由于紊流而產(chǎn)生，稱為局部損失。

局部損失用下式計算。

對供水模型而言，局部水頭損失通常比摩擦阻力損失小很多，因此建模時往往可以忽略局部損失。但在某些情況下，如有更多設(shè)備和更高流速的泵站或是多種閥門集成的情況下，就必須考慮局部損失的影響。

1.4 求解管網(wǎng)問題

真實的供水系統(tǒng)不是由單一的管段組成，并且不能用單獨的連續(xù)性方程和能量方程求解。管網(wǎng)系統(tǒng)中，對每個節(jié)點都可以列出一個流量方程;同樣，對每個管段都可以列出一個能量方程。對某個真實系統(tǒng)而言，就有若干個此類方程。

由于能量方程是非線性的，所以方程不能依據(jù)流體的流量及水頭值求解。然而計算機的運用使快速求解成為可能。之后不斷改善直至解的誤差縮小到指定范圍內(nèi)，則認(rèn)為是獲得了水力方程的解。

2 漳州開發(fā)區(qū)智慧供水系統(tǒng)設(shè)計

漳州開發(fā)區(qū)智慧供水系統(tǒng)，采用多層架構(gòu)設(shè)計，分為6個層次：感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、智能分析層、智能應(yīng)用層。感知層作為信息采集、交換服務(wù)的基礎(chǔ)，通過覆蓋城市的監(jiān)測設(shè)備、移動終端、傳感器成為為智慧大腦提供外部信息的感官觸角，在智慧供水系統(tǒng)建設(shè)中具有基礎(chǔ)性地位。

傳輸層通過互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息資源的高效共享和交換，針對互聯(lián)網(wǎng)、移動無線專網(wǎng)等不同范圍網(wǎng)絡(luò)平臺提供相應(yīng)的隔離措施與安全保障。數(shù)據(jù)層實現(xiàn)對感知層所收集的數(shù)據(jù)、管網(wǎng)基礎(chǔ)信息及其他平臺所提供數(shù)據(jù)，進行整合、共享與更新維護。為業(yè)務(wù)層的各項子系統(tǒng)提供完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析依據(jù)。業(yè)務(wù)層集供水各業(yè)務(wù)專題信息服務(wù)于一體，為基礎(chǔ)快速構(gòu)建供水綜合運營服務(wù)體系。智能分析層和智能應(yīng)用層是智慧供水系統(tǒng)應(yīng)用的核心部分。智能分析層將數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)學(xué)模型與業(yè)務(wù)應(yīng)用相結(jié)合，在智能應(yīng)用層中對供水行業(yè)管理、運營工作中各類事務(wù)特征和變化規(guī)律進行抽象描述和規(guī)律研究，用系統(tǒng)功能滿足業(yè)務(wù)管理對智慧的需求。

3 漳州開發(fā)區(qū)智慧供水系統(tǒng)技術(shù)線路

借助管網(wǎng)建模軟件（該項目使用MIKE URBAN）對供水管網(wǎng)進行水力動態(tài)分析，建立水力數(shù)學(xué)模型。建模軟件的基本功能包括：視圖功能、編輯功能、流量分配、水力分析、結(jié)果查看等，建模軟件應(yīng)能夠與GIS平臺無縫整合，象圖形和屬性之間的雙向查詢、屬性數(shù)據(jù)的添加與修改等，以便于模型的維護操作。如前文所述，水力模型是真實系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)描述，模型的建立主要包括以下工作。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集和整理

準(zhǔn)確和完善地收集和整理描述管網(wǎng)的基礎(chǔ)信息?；A(chǔ)信息主要包括：系統(tǒng)圖、地形圖、竣工圖、生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)和用戶用水情況等。其中地形圖和電子地圖等與地理信息系統(tǒng)（GIS）相關(guān)的數(shù)據(jù)，依托于漳州開發(fā)區(qū)空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。此外，系統(tǒng)如和生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)等，均可以從當(dāng)?shù)氐淖詠硭竞鸵?guī)劃部門獲得。

3.2 現(xiàn)場勘查與測量

供水管網(wǎng)水力模型建立和校核過程中，所有基本測量工作可以分為3類：即測流、測壓、測距。具體的現(xiàn)場測量及勘察工作主要有管網(wǎng)壓力、邊界流量、高程和水泵特性等。

3.3 水力數(shù)學(xué)模型搭建

水力模型的搭建主要步驟為：輸入管網(wǎng)基礎(chǔ)信息，建立并求解管網(wǎng)方程組，就可以在一定條件下模擬和預(yù)測該供水系統(tǒng)的運行狀態(tài)，包括節(jié)點壓力、管段流量、流速、水頭損失等水力參數(shù)。

3.4 模型率定

管網(wǎng)模型率定是管網(wǎng)建模項目中最為關(guān)鍵的工作之一。通過有效的管網(wǎng)模型率能夠發(fā)現(xiàn)大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或?qū)嶋H管網(wǎng)中的問題。結(jié)合在供水管線上安裝的各類流量計和壓力計等傳感器實時回傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對這些問題進行修正，使模型模擬值逐步趨近于實際值，精度達到相應(yīng)的指標(biāo)。

3.5 實時滾動計算

模型率定后，根據(jù)實時變化的SCADA數(shù)據(jù)，每15 min驅(qū)動計算引擎，自動循環(huán)執(zhí)行水力模擬，對模型實時數(shù)據(jù)進行后處理和數(shù)據(jù)挖掘分析。以熱力圖、數(shù)據(jù)列表、時間曲線等形式，將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比展示。

4 水力數(shù)學(xué)模型在供水管網(wǎng)安全系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)

4.1 供水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析和評估

項目實施的各類傳感器，掌握了管網(wǎng)中流量、壓力、流速等各種狀態(tài);而水力模型的建立，實現(xiàn)對供水管網(wǎng)的動態(tài)模擬，評估管網(wǎng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)運行中存在的問題，從而輔助水司和規(guī)劃部門提出解決方案。通過管網(wǎng)水力模型模擬的結(jié)果，分析供水管網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)，找出管網(wǎng)或某些管段存在的問題，提出改造方案。

4.2 管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計

借助管網(wǎng)運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測，判斷出各管段的負(fù)載情況，對于超負(fù)荷運轉(zhuǎn)的管線，可以根據(jù)實際供水需求情況，給出管網(wǎng)改擴建的規(guī)劃設(shè)計方案，以提高管網(wǎng)輸水能力，保護供水設(shè)備，進而保證管網(wǎng)安全。

利用水力數(shù)學(xué)模型可以對不同規(guī)劃方案進行評估與比較，包括壓力控制點及關(guān)鍵點的壓力比較、各管道流量及流速的比較等。模型能夠?qū)┧到y(tǒng)的規(guī)劃進行模擬，從而輔助規(guī)劃部門判斷。另外，模型能夠根據(jù)對用戶水量的近期、中長期的預(yù)測與規(guī)劃確定的各種用水模式，評估系統(tǒng)在各個時期的運行狀況以及輸水的能力及空間。從而對現(xiàn)有供水設(shè)施的改擴建設(shè)計，及對新水廠、水庫、增壓泵站、重要管線的規(guī)劃安排進行模擬和驗證，并從中比選出最經(jīng)濟、合理的規(guī)劃方案。

在新增水廠、泵站等元素后，可模擬壓力、流速、流向變化以及總費用等重要指標(biāo)。通過模擬結(jié)果，對不同的規(guī)劃方案進行對比， 以選擇最優(yōu)的規(guī)劃方案。

4.3 輔助供水調(diào)度管理

通過模擬不同情況和條件下（象學(xué)校開學(xué)或放假期間、降雨等）的水泵運行方案，輔助供水調(diào)度管理;對擬建泵站的各種方案進行模擬，找出最有針對性的泵站建設(shè)方案;也可模擬各種突發(fā)事件對供水系統(tǒng)的影響，制定調(diào)度應(yīng)急預(yù)案。

5 結(jié)語

利用水力建模和準(zhǔn)確的城市空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為供水管網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃與管理提供輔助決策信息，可提高管線的管理和規(guī)劃水平、減少因規(guī)劃決策失誤導(dǎo)致的經(jīng)濟損失;減少管線巡檢人員的投入;降低能耗;分析消防用水保障情況;分析水質(zhì);提高各部門之間的協(xié)作能力;實現(xiàn)地下管線集中統(tǒng)一的現(xiàn)代化管理。未來，水力數(shù)學(xué)模型根據(jù)供水管網(wǎng)的實際運行情況不斷校正;同時保持最新的、準(zhǔn)確的城市空間數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)是否能夠向城市管理者提供準(zhǔn)確、有效的決策依據(jù)，都是至關(guān)重要的。

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