張芹藻，王如琦

(上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計研究院，上海 200233)

城市原水輸水系統(tǒng)具有供水管網(wǎng)系統(tǒng)的所有特征，區(qū)別在于用戶(用水節(jié)點)數(shù)量少、管道輸水距離長、管徑規(guī)模大等。上海城市原水輸水系統(tǒng)情況復(fù)雜，輸送方式不僅有壓力流，也有重力流；形狀不僅有圓形輸水管，還有矩形斷面輸水渠道；材質(zhì)上不僅有鋼管，還有鋼筋混凝土[3]。因此，應(yīng)用傳統(tǒng)供水水力模型軟件分析上海城市原水輸水系統(tǒng)存在不足之處[4]。Infoworks系列軟件中的ICM水力模型軟件可以真實地模擬矩形管、明渠、自重力流等傳統(tǒng)供水模型軟件難以模擬的“疑難雜癥”[5]。基于此，本文在Infoworks WS Pro供水水力模型軟件基礎(chǔ)上，選用Infoworks ICM水力模型軟件在上海城市原水系統(tǒng)水力模型中進行實踐和應(yīng)用，以期為規(guī)劃設(shè)計方案的編制和運行調(diào)度方案的制定提供最優(yōu)計算成果。

1 上海城市水源地原水系統(tǒng)現(xiàn)狀概況

上海城市水源地原水系統(tǒng)由黃浦江上游水源地金澤原水系統(tǒng)、長江水源地青草沙原水系統(tǒng)、陳行原水系統(tǒng)和東風(fēng)西沙原水系統(tǒng)組成。

1.1 黃浦江上游水源地及原水系統(tǒng)

黃浦江上游水源地原水系統(tǒng)由金澤水庫、松江中途提升泵站、松浦大橋泵站、連通管(金澤水庫-松浦大橋泵站)、引水渠道(松浦大橋泵站-主城區(qū)水廠)等主體設(shè)施組成。金澤水庫供水規(guī)模為351萬m3/d，松江中途提升泵站規(guī)模為240萬m3/d，松浦大橋泵站為500萬m3/d。連通管自金澤水庫至松浦大橋泵站，長度約為42 km，管徑由DN4000漸縮至DN3000，輸水方式為壓力流；引水主渠自松浦大橋泵站經(jīng)臨江-嚴橋等調(diào)節(jié)設(shè)施至浦東陸家嘴分水點，渠道斷面尺寸由3.75 m×3.25 m四孔漸縮至2.80 m×2.50 m三孔，輸水方式為重力流，長度約為38 km。

1.2 長江水源地青草沙原水系統(tǒng)

青草沙原水系統(tǒng)由青草沙水庫，五號溝、金海等6座輸水泵站，以及DN5500～DN1200輸水管系統(tǒng)組成。青草沙水庫供水規(guī)模為731萬m3/d，出水有兩個方向，分別向長興島和陸域。其中，長興島方向供水規(guī)模為23萬m3/d，采用2根DN1200鋼管壓力流輸水，長度約為4.7 km；陸域方向供水規(guī)模為708萬m3/d，采用2根圓形DN5500管重力流輸水至五號溝泵站，長度約為7.5 km。五號溝泵站為陸域輸水樞紐泵站，規(guī)模為708萬m3/d，泵站出水后向3個方向輸送，分別為凌橋方向、嚴橋方向以及金海川沙南匯方向[1]。

1.3 長江水源地陳行原水系統(tǒng)

陳行原水系統(tǒng)由陳行水庫、泰和路中途提升泵站，以及DN2700～DN1200輸水管系統(tǒng)組成。陳行水庫供水規(guī)模為206萬m3/d，始端出水向3個方向輸送原水。其中，嘉定方向為2根DN2000鋼管，供水規(guī)模為40萬m3/d；主城區(qū)方向為DN2700和DN2400圓形鋼管，供水規(guī)模為126萬m3/d，中途有泰和路提升泵站；月浦方向為2根DN1200圓形鋼管，供水規(guī)模為40萬m3/d[1]。

1.4 長江水源地東風(fēng)西沙原水系統(tǒng)

東風(fēng)西沙原水系統(tǒng)由東風(fēng)西沙水庫、城橋和堡鎮(zhèn)兩座中途提升泵站，以及DN1400～DN600輸水管系統(tǒng)組成。東風(fēng)西沙水庫供水規(guī)模為21.5萬m3/d，始端出水向兩個方向輸送原水。其中，崇西方向為2根DN600管，供水規(guī)模為5萬m3/d，長度約為0.6 km；城橋堡鎮(zhèn)陳家鎮(zhèn)方向為1根DN1400～DN900圓形鋼管，供水規(guī)模為16.5萬m3/d，中途有城橋和堡鎮(zhèn)2座提升泵站，長度約為56 km[2]。

2 上海城市原水系統(tǒng)水力模型

2.1 模型軟件特點

Infoworks WS Pro擅長模擬計算傳統(tǒng)供水壓力管網(wǎng)，基于各節(jié)點間較近的距離，忽略節(jié)點間的水流時間差，由需水量驅(qū)動的平差計算。但特大城市多水源原水系統(tǒng)工程特征更似排水系統(tǒng)，其管道形態(tài)、控制調(diào)度復(fù)雜、工程節(jié)點間的距離往往較遠，導(dǎo)致的管道內(nèi)流態(tài)變化和水流時間差影響不容小覷。Infoworks ICM排水系統(tǒng)模型軟件具有模擬原水系統(tǒng)的功能，不僅考慮了水流在管道中的流行時間，而且具有以下優(yōu)勢：(1)能更真實模擬除壓力型圓管以外的原水輸水系統(tǒng)，例如方管、自重力管段、明渠等；(2)可同時在非滿管流和滿管流之間自由切換，計算更加精確；(3)可精準模擬管線沿程的過江管、上/下倒虹管；(4)強大的方案管理模塊可大大提升多方案比選效率。

2.2 模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料

模型所收集的基礎(chǔ)資料涵蓋青草沙、陳行和金澤3座水庫及各原水輸水系統(tǒng)中途提升泵站(含調(diào)壓池和調(diào)節(jié)池)尺寸、標高和運行水位，所有原水輸水系統(tǒng)管(渠)管徑、管位、上下游管底標高、斷面規(guī)模、關(guān)鍵閥門，各水廠進水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)尺寸、進水流量、水位標高，各主要原水增壓泵站所有機泵揚程、流量參數(shù)等。以模型涉及的各水庫、提升泵站、原水受水廠、分水點為邊界，采用2017年和2018年高峰日、低峰日SCADA實測數(shù)據(jù)，主要涵蓋各水庫各方向出水流量、水壓，各提升泵站調(diào)節(jié)池、調(diào)壓池水位、各泵流量及運行調(diào)度情況，各水廠進水水位及流量等。

2.3 模型建立和校驗

ICM模型校驗選取了原水系統(tǒng)22個關(guān)鍵節(jié)點，并以2017年和2018年高峰日、低峰日SCADA各管道上游流量、水壓及下游水位或水壓數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)模型邊界，對模型進行率定驗證。模型率定得出了比較好的成果。為了從關(guān)鍵節(jié)點大量率定成果中提取便于研究和比較，考慮選用關(guān)鍵節(jié)點水頭(已全部校核到吳淞標高)的模擬平均值、監(jiān)測平均值、誤差百分比和誤差均方根等4項指標。誤差百分比和均方根的計算如式(1)和式(2)[6]。

(1)

(2)

其中：S(t)——在時刻t模型的模擬結(jié)果；

L(t)——在時刻t監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果；

n——模擬時段內(nèi)時間步長的個數(shù)。

模型校核成果表明，ICM模型高峰日、低峰日兩個典型工況中95%左右的關(guān)鍵節(jié)點平均誤差百分比小于8%，校核結(jié)果優(yōu)于WS Pro模型相關(guān)節(jié)點模擬結(jié)果。表1為各模型高峰日、低峰日模擬結(jié)果統(tǒng)計比較。

表1 WS Pro與ICM模型高峰日、低峰日模型關(guān)鍵節(jié)點結(jié)果比較Tab.1 Comparison of Key Notes Results of WS Pro and ICM between High Peak and Low Peak Days

注：WS Pro模型校驗選取了原水系統(tǒng)24個關(guān)鍵節(jié)點，并以2013年高峰日、低峰日SCADA各管道上游流量、水壓及下游水位或水壓數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)模型邊界，對模型進行率定驗證[2]

3 研究案例

3.1 案例范圍

基于WS Pro和ICM模型的計算原理及建模數(shù)據(jù)要求，結(jié)合上海城市原水各系統(tǒng)特點，選取黃浦江上游水源地原水系統(tǒng)中的引水渠道(松浦大橋泵站-曹行)段進行微觀模型案例分析。對數(shù)據(jù)排摸、篩查、概化后的基礎(chǔ)模型情況為：自金澤水庫方向來水輸送至閔行分水點并入DN3600-DN3000-DN3600鋼管直接輸送至大橋泵站東、西切換井，經(jīng)西切換井2根3.75 m×3.25 m矩形混凝土管輸送至曹行7根DN2100圓形鋼管，再經(jīng)東面2根3.75 m×3.25 m矩形混凝土管輸送至箱涵，經(jīng)由DN3600-DN3000-DN2600-DN3200鋼管輸送管至閔行受水點，如圖1所示。

圖1 閔奉分水點-曹行-閔行受水點管段系統(tǒng)Fig.1 Layout of Pipeline System of Minfeng Water Distribution Point/Caohang/Minhang Water Receiving Points

3.2 模型數(shù)據(jù)

WS Pro原水系統(tǒng)模型粗略地概化了曹行-大橋泵站的管段，如圖2所示，與ICM可建立的精細化模型差別較大。WS Pro在建立微觀模型時需對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，進而近似模擬各管段管底標高及關(guān)鍵節(jié)點部分參數(shù)。ICM模型基于管道GIS資料、插值模型、竣工圖資料及其他相關(guān)設(shè)計資料，能夠較為真實地模擬各自重力方管和關(guān)鍵節(jié)點。插值模型數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)主要區(qū)別在于：插值模型管道坡度約為2.857 X10-4，沿程的管底標高為根據(jù)上下游節(jié)點的管底標高利用ArcGIS插值算法插入各個節(jié)點的近似值，GIS數(shù)據(jù)管道坡降相對平緩(坡度約為1.07X10-4)，以及更為真實的上下倒虹管錄入。GIS數(shù)據(jù)模型概化了473個節(jié)點和492個管段，插值模型概化了289個節(jié)點和307個管段，WS Pro模型如圖3、圖4所示，ICM模型如圖5、圖6所示。(注：為了進行WS Pro和ICM各個模型算法的橫向比較，本文將在兩種軟件中使用了一樣的邊界條件，即上游使用流量，下游使用水位進行模型的運行，上游使用水頭進行模擬值和實測值的校核)。

圖2 概化模型系統(tǒng)平面Fig.2 Layout of Generalized Model System

圖3 WS Pro概化模型一條管渠剖面(GIS數(shù)據(jù)模型)Fig.3 Sectional View of WS Pro Generalized Model (GIS Data Model)

圖4 WS Pro概化模型一條管渠剖面(插值模型)Fig.4 Sectional View of WS Pro Generalized Model (Interpolation Data Model)

圖5 ICM概化模型一條管渠剖面(GIS數(shù)據(jù)模型)Fig.5 Sectional View of ICM Generalized Model (GIS Data Model)

圖6 ICM概化模型一條管渠剖面(插值模型)Fig.6 Sectional View of ICM Generalized Model (Interpolation Data Model)

3.3 計算結(jié)果

選用2018年2月16日SCADA數(shù)據(jù)上下游流量、水位、水頭作為邊界條件，在其他模型參數(shù)和求解方程基本相同的設(shè)置下，選取不同的糙率模型，分別對兩種軟件的兩種建模數(shù)據(jù)模型進行率定及驗證。經(jīng)過反復(fù)試算獲得各糙率模型最佳糙率變量值，各模型閔奉分水點水頭測評結(jié)果，如表2所示。

表2 閔奉分水點水頭各糙率模型最優(yōu)值測評結(jié)果Tab.2 Optimized Results of Minfeng Water Distribution Point for Different Roughness Models

注：DW指達西-維斯巴赫；HW指海曾-威廉；CW指柯列勃洛克-魏特；N指曼寧

4 結(jié)論

(1)在相同的邊界條件下，對于WS Pro，GIS數(shù)據(jù)模型模擬結(jié)果略差于插值模型模擬結(jié)果，可知WS Pro對于管渠沿程的坡度、上下倒虹管敏感度小。

(2)3個糙率模型中，柯列勃洛克-魏特(CW)糙率模型可獲得最優(yōu)解，符合預(yù)期。因此，在WS Pro建模中推薦采用柯列勃洛克-魏特(CW)糙率模型進行計算。對于ICM模型，管道數(shù)據(jù)更貼近現(xiàn)實的GIS數(shù)據(jù)。因此，模型模擬結(jié)果普遍優(yōu)于省略了諸多上下倒虹管的插值數(shù)據(jù)模型模擬結(jié)果。

(3)3個糙率模型中，海曾-威廉(HW)糙率模型在ICM中只能設(shè)定為壓力求解模型，其模擬結(jié)果與其他兩個糙率模型差距較大，柯列勃洛克-魏特(CW)糙率模型可獲得最優(yōu)解，但由于其糙率變量不夠敏感，故推薦ICM采用曼寧(N)糙率模型。

(4)就本段原水系統(tǒng)的特殊性，ICM模型模擬結(jié)果普遍優(yōu)于WS Pro模型模擬結(jié)果。

故在能夠獲得較為精細的管道數(shù)據(jù)前提下，推薦采用ICM軟件，糙率模型推薦采用曼寧(N)糙率模型；對難以獲得精細數(shù)據(jù)的原水系統(tǒng)，可以考慮使用WS Pro模型的CW糙率模型。