水力模型在海寧供水管網(wǎng)運行管理中的應(yīng)用

1、水力模型在海寧供水管網(wǎng)運行管理中的應(yīng)用摘要：供水管網(wǎng)水力模型在供水企業(yè)中日益得到重視和應(yīng)用。海寧自來水有限公司建立供水管網(wǎng)水力模型，利用水力模型實現(xiàn)區(qū)塊化管理，降低漏失率、降低產(chǎn)銷差、改善水質(zhì)、節(jié)能降耗、提高供水安全可靠性；在線實時監(jiān)控供水管網(wǎng)水量、壓力和水質(zhì)情況；發(fā)生事故時，能夠及時制定應(yīng)急方案；提出規(guī)劃改造和優(yōu)化調(diào)度方案等，可有效的提高管網(wǎng)管理的科學(xué)性、安全性和經(jīng)濟性，避免了盲目性。從而，實現(xiàn)“數(shù)字化”供水和“智能化”水務(wù)。關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng)水力模型 區(qū)塊化管理 模型應(yīng)用 在線實時監(jiān)控1 前言隨著海寧市供水規(guī)模的擴大和供水安全要求的提高，供水企業(yè)需要全面掌握和分析供水管網(wǎng)的運行狀態(tài)，這樣對供

2、水系統(tǒng)的管理工作提出了新的要求。近年來，供水企業(yè)管理水平日益提高、科技投入的力度日益增強、企業(yè)信息化的建設(shè)日益成熟。海寧自來水有限公司提出“數(shù)字供水”概念，建成了數(shù)字化供水系統(tǒng)，全面應(yīng)用于生產(chǎn)、經(jīng)營、服務(wù)工作?！皵?shù)字化”供水搭建信息技術(shù)平臺，打造“智能水務(wù)”，實現(xiàn)科技全方位支撐運營服務(wù)。水務(wù)建立營業(yè)一體化平臺、供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)、供水設(shè)施綜合監(jiān)測系統(tǒng)和供水管網(wǎng)水力模型系統(tǒng)?！笆濉庇媱澨岢觯航档吐p率，降低產(chǎn)銷差，節(jié)能降耗，提高供水管網(wǎng)安全可靠性。建立供水管網(wǎng)水力模型是管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計和運行工況分析重要的手段之一，有效地提高供水系統(tǒng)的科學(xué)化管理水平，提高供水系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、可靠性，為水務(wù)帶來

3、良好的經(jīng)濟效益和社會效益。2 海寧市供水現(xiàn)狀海寧市地處長江中下流域，四季分明，氣候溫和。全市共有兩座水廠，現(xiàn)有供水計能力30萬m3/d，供水面積668平方公里，服務(wù)人口約80萬。全市DN75mm以上的管道長度為1075km，管材以球墨鑄鐵、鑄鐵、鋼、PE等為主。3 水力模型項目前期調(diào)研 上海、深圳、佛山、天津等城市已經(jīng)建立供水管網(wǎng)水力模型，并將其成功的應(yīng)用于供水系統(tǒng)生產(chǎn)管理中。如，管網(wǎng)運行管理、水廠優(yōu)化調(diào)度、規(guī)劃改擴建等，發(fā)生事故時，系統(tǒng)即時報警，并提出應(yīng)急解決方案，提高供水安全可靠性。 天津自來水集團已建立C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)水力模型系統(tǒng)。C/S結(jié)構(gòu)的水力模型應(yīng)用于技術(shù)生產(chǎn)部和管網(wǎng)部，主要

4、用于管網(wǎng)運行管理、水廠調(diào)度和規(guī)劃改擴建方案比較，要求技術(shù)人員具有較高的專業(yè)素養(yǎng)。B/S結(jié)構(gòu)的水力模型應(yīng)用于調(diào)度中心、管網(wǎng)部、科技信息部和各營銷公司，主要用于大屏幕使用，在線實時監(jiān)控及預(yù)警、現(xiàn)場水廠調(diào)度、管網(wǎng)故障分析系統(tǒng)、爆管分析、水量平衡圖等。適應(yīng)部門廣泛，要求技術(shù)人員具有一般的專業(yè)素養(yǎng)。 天津市供水管網(wǎng)水力模型系統(tǒng)是基于水司現(xiàn)有的GIS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)和營業(yè)收費系統(tǒng)，是與現(xiàn)有供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)共享，構(gòu)建供水管網(wǎng)智能化管理平臺。該平臺的建立有助于水司供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)水司科學(xué)化管理，提高供水安全可靠性，節(jié)能降耗。天津水司的工作人員定期參加水力模型系統(tǒng)的培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容包括：供水管

5、網(wǎng)基礎(chǔ)理論知識、水力模型基本應(yīng)用、中級應(yīng)用、高級應(yīng)用等。同時，供水管網(wǎng)智能化管理平臺的建立，提高水司工作人員專業(yè)素養(yǎng)和業(yè)務(wù)能力，有助于工作的展開，提高工作效率。4 海寧市供水管網(wǎng)水力模型海寧自來水有限公司為了實現(xiàn)“數(shù)字化”、“智能化”的科學(xué)化管理供水管網(wǎng)，并能提高水務(wù)工作人員的專業(yè)素質(zhì)，建立海寧市供水管網(wǎng)水力模型。海寧市供水管網(wǎng)水力模型分為C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)。C/S結(jié)構(gòu)水力模型以GIS系統(tǒng)為運行平臺，管網(wǎng)水力模型系統(tǒng)能直接讀取GIS的管網(wǎng)原始數(shù)據(jù)，并作為水力模型的管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。C/S結(jié)構(gòu)應(yīng)用WNW6.0版水力模型軟件，包含水力模型的全部功能，可用于水力模型的建立、校核、模型更新維護以及水力

6、模型的高級應(yīng)用，適用于專業(yè)技術(shù)人員使用。B/S結(jié)構(gòu)基于C/S結(jié)構(gòu)、GIS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)和營業(yè)收費系統(tǒng)，可以實現(xiàn)實時動態(tài)水力計算，而且功能設(shè)計依據(jù)供水管網(wǎng)運行管理的具體業(yè)務(wù)流程，大部分功能是“一鍵式”操作，使用簡單，適合普通技術(shù)人員使用。水務(wù)根據(jù)使用人員和應(yīng)用內(nèi)容的不同，使用適合的水力模型應(yīng)用平臺，確保水力模型能夠在海寧水務(wù)得到更加廣泛的應(yīng)用。4.1 海寧水務(wù)供水管網(wǎng)區(qū)塊化管理區(qū)塊化，即DBS，將復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)分成若干個相對獨立的區(qū)域或子系統(tǒng)，實現(xiàn)區(qū)塊化供水。根據(jù)海寧市城市的特點，供水管網(wǎng)水力模型要解決的問題是平衡供水管網(wǎng)的壓力，降低管網(wǎng)漏失，降低產(chǎn)銷差，節(jié)能降耗，改善水質(zhì)，提高管網(wǎng)供水安

7、全可靠性，實現(xiàn)科學(xué)化管理。海寧市供水管網(wǎng)已劃分區(qū)塊，可利用分區(qū)水力模型實現(xiàn)區(qū)塊化管理。實現(xiàn)區(qū)塊化供水是降低電耗、降低漏耗、保障管網(wǎng)水質(zhì)、提高供水效益的重要途徑。（1） 節(jié)能降耗應(yīng)用水力模型模擬計算，提出最優(yōu)的水廠和加壓泵站壓力分區(qū)運行模式，降低配水系統(tǒng)電耗，同時，使管網(wǎng)壓力均衡，減少爆管事故的發(fā)生和管道的漏失，減少水資源的浪費。增加企業(yè)效益，滿足低碳、環(huán)保型社會的要求。（2） 管網(wǎng)漏失分析由于管網(wǎng)的漏失量與管網(wǎng)壓力是成指數(shù)關(guān)系，管網(wǎng)壓力越高，管道漏失量將成指數(shù)增長?？梢栽谒τ嬎惴治銎脚_上動態(tài)模擬管網(wǎng)漏損點的范圍，然后利用檢漏設(shè)備進行現(xiàn)場漏損點探測，提高檢漏工作效率。（3） 降低漏損率通過優(yōu)化

8、管網(wǎng)的壓力分區(qū)運行模式，使管網(wǎng)在一天24小時中的管網(wǎng)壓力均衡。通過水力模型對各個時段的模擬計算，在滿足用戶用水壓力需求的前提下，降低區(qū)域的供水壓力，達(dá)到降低漏耗的作用。（4） 降低產(chǎn)銷差改善水量管理，對各區(qū)塊的進行流量管理。通過對分區(qū)流量的計量，使用水量平衡原理，對區(qū)塊的流量進行合理的控制，掌握產(chǎn)和銷的差量，從而降低產(chǎn)銷差。（5） 改善水質(zhì)區(qū)塊化可以縮短管網(wǎng)水齡，使氯的消耗減少、投氯量減少和消毒副產(chǎn)物減少。在水力計算分析平臺上動態(tài)模擬管網(wǎng)水齡和管道余氯濃度，合理提出投氯量，解決管網(wǎng)末梢和死水區(qū)余氯濃度低、管網(wǎng)前端余氯過高的問題。（6） 提高管網(wǎng)安全性優(yōu)化管網(wǎng)供水方式，降低管網(wǎng)供水壓力，不僅能夠

9、降低漏耗，還可以有效地減少管道爆管事故，提高管網(wǎng)的運行安全性。改善管網(wǎng)水力工況，保障管網(wǎng)水質(zhì)，減少二次污染，可以提高管網(wǎng)的運行安全性。4.2 應(yīng)用實例4.2.1 爆管分析水力模型的爆管分析功能主要是分析當(dāng)管道發(fā)生爆管時，能夠快速制定管道需要關(guān)閉的閥門方案，提供受影響的范圍、管道和用戶信息等，如圖1所示。若提供的關(guān)閥方案中某個閥門在現(xiàn)場中發(fā)現(xiàn)已損壞，可以重新制定方案，如圖2所示。圖1 爆管分析方案 圖2 重新制定爆管分析方案4.2.2 夜間最小流量分析水力模型的夜間最小流量分析功能主要提供區(qū)塊發(fā)生夜間最小流量時刻的異常信息，夜間最小流量代表計量區(qū)域的漏失水平，正常情況下變化不大，若連續(xù)三次發(fā)生異

10、常增大現(xiàn)象，該區(qū)域可能發(fā)生了新的漏水，系統(tǒng)便會報警，如圖3和圖4所示。圖3 夜間最小流量監(jiān)控曲線圖4 夜間最小流量監(jiān)控系統(tǒng)報警信息圖4中藍(lán)色對話框表示流量計計量水量沒有變化，紅色對話框表示流量計計量水量增加，綠色對話框表示流量計計量水量減少。下圖右邊的對話框顯示的是流量計變化水量，若流量計計量水量增加時，土黃色條形向右增長，若計量水量減少時，綠色條形向左增長。4.2.3 管網(wǎng)低壓區(qū)分析水力模型的管網(wǎng)低壓區(qū)分析功能主要實時監(jiān)控管網(wǎng)壓力情況，當(dāng)管網(wǎng)出現(xiàn)低壓時，能自動報警。利用供水路徑分析功能可以查出水頭損失過大的原因，如圖5所示。圖5管網(wǎng)低壓分析由圖5可以得到，低壓區(qū)的供水源頭，可以查看供水路徑中

11、總水頭損失為17.65m，起端壓力為29.23m，末端壓力為11.58m。圖6 供水路徑斷面圖由圖6可得，當(dāng)滑動圖5中供水路徑斷面圖中的位置線時，在管網(wǎng)中會顯示管道水頭損失的具體情況，方便查找管網(wǎng)處于低壓的原因。該管網(wǎng)處于低壓是因為管道上的閥門處于關(guān)狀態(tài)，所以水頭損失過大，造成出現(xiàn)低壓現(xiàn)象。4.2.4 水質(zhì)分析水力模型能夠提供水在管網(wǎng)中停留時間的計算、水廠供水跟蹤及管網(wǎng)中余氯濃度計算等功能，用來研究和預(yù)測管網(wǎng)的水質(zhì)變化。（1）化學(xué)藥劑濃度分析可以模擬消毒藥劑在管道中的運動和衰減過程，也可以分析管網(wǎng)中任意位置的余氯濃度等參數(shù)。（2）水廠供水路徑跟蹤分析當(dāng)某管段發(fā)生水質(zhì)污染事故時，可以正反方向追蹤

12、?？梢宰粉櫸廴驹搭^，擴散的路徑，擴散速度，受影響的范圍和用戶，確定關(guān)閉的閥門。對于多水源供水系統(tǒng)，能夠分析出管網(wǎng)中每一個節(jié)點處的用水量來自于各個水廠的供水比例，從而劃分出整個供水管網(wǎng)的供水區(qū)域分界線，可以用于水質(zhì)混合和污染的分析。發(fā)現(xiàn)污染處 發(fā)現(xiàn)污染處 圖7 污染物不同時刻擴散路徑由圖7可看出，管網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)污染物，經(jīng)過供水路徑追蹤，發(fā)現(xiàn)污染物的源頭是水廠，隨著時間的變化，受影響的范圍逐步增大。及時制定關(guān)閥方案，將受影響范圍和程度降到最低。（3）管道水齡分析水在管網(wǎng)中的停留時間決定著管網(wǎng)中的水質(zhì)變化。水力模型能夠計算管網(wǎng)中任意位置的水齡，同時考慮管網(wǎng)中各水池對停留時間的影響。4.2.5 管網(wǎng)改擴建

13、規(guī)劃由于城市不斷地發(fā)展，供水范圍不斷擴展，舊管道應(yīng)不斷更新，城市供水管網(wǎng)必須適應(yīng)這種變化。利用模型可以對供水系統(tǒng)進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計規(guī)劃，能夠建立多個規(guī)劃方案，并對各方案進行評估與比較可提供的管網(wǎng)改擴建優(yōu)化方案，制定近期和遠(yuǎn)期的管網(wǎng)改擴建計劃。管網(wǎng)改擴建包括新管道的鋪設(shè)和舊管網(wǎng)的改造。新管道的鋪設(shè)規(guī)劃可以用來分析管道的最優(yōu)管徑選擇，制定最優(yōu)新鋪設(shè)管道的定線方案及優(yōu)先鋪設(shè)管道方案等。舊管網(wǎng)的改造方案包括優(yōu)化的管道除垢方案，管網(wǎng)的更換方案等，即在一定改造預(yù)算前提下，如何最大限度地改善舊管網(wǎng)的水力條件。以水廠更換出廠干管為例，將DN1400管道更換DN1800管道，查看該出廠干管供水范圍變化情況。經(jīng)水

14、力模擬計算后，供水范圍變化如圖8和圖9所示。水廠水廠圖8 出廠干管改造前供水范圍 圖9 出廠干管改造后供水范圍4.2.6 優(yōu)化調(diào)度優(yōu)化調(diào)度是水行業(yè)一個比較重要和突出的難題。海寧水務(wù)采用兩級調(diào)度的方法來解決管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問題，同時還要做到節(jié)能，所以也提出“節(jié)能調(diào)度”。首先通過水量預(yù)測功能預(yù)測下一階段的總供水量，第一級調(diào)度為各水廠出水量的優(yōu)化分配，第二級調(diào)度為針對各水廠的出水量，對水廠內(nèi)部的水泵進行優(yōu)化組合。然后建立管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度水力模型，通過管網(wǎng)優(yōu)化運行工具對各水廠的供水量進行優(yōu)化，提出節(jié)能的水泵優(yōu)化組合和調(diào)速泵設(shè)定方案。調(diào)度中心的技術(shù)人員可以在水力模型上模擬各種工況的節(jié)能運行方案，掌握應(yīng)急調(diào)度的

15、方法，提高調(diào)度人員的應(yīng)變能力。4.2.7 在線實時監(jiān)控及預(yù)警在線實時監(jiān)控系統(tǒng)可以將管網(wǎng)水力模型的分析結(jié)果以多種圖形形式在調(diào)度中心大屏幕上顯示。包括水量預(yù)測結(jié)果、實時水量平衡結(jié)果、實時的模型計算誤差曲線、整個管網(wǎng)的壓力分布區(qū)域圖，管網(wǎng)用水量分布圖和管網(wǎng)余氯分布圖等。由于模型與SCADA系統(tǒng)實時連接，模型可以實時地監(jiān)控管網(wǎng)運行的狀態(tài)，感知管網(wǎng)系統(tǒng)運行異常情況的發(fā)生。當(dāng)發(fā)生管網(wǎng)壓力非正常下降，管網(wǎng)需水量非正常變化以及管道水質(zhì)發(fā)生異常變化等情況時，模型系統(tǒng)能夠即時地在管網(wǎng)圖上以醒目的方式發(fā)出報警信息。并幫助技術(shù)人員快速定位故障發(fā)生的位置和原因，可及時地制定解決問題的方案。在調(diào)度中心的大屏幕上動態(tài)顯示各

16、水廠水泵的開停狀態(tài)，水泵出水量、出廠壓力、電機功率、水泵效率等水廠的運行信息?？杀ＷC各水廠機組正常的運行，保證全市安全供水。為了直觀方便地了解水廠優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的工作情況，在調(diào)度中心的大屏幕上將動態(tài)顯示各時段水廠優(yōu)化調(diào)度的方案，并動態(tài)顯示預(yù)期的調(diào)度結(jié)果與實際結(jié)果的差別，即時了解模型優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)運行的效果。這些動態(tài)曲線包括預(yù)測水量與實際水量對比曲線，測壓點壓力實測值與模擬值的對比曲線等。4.2.8 管網(wǎng)可靠性分析管網(wǎng)可靠度分析是一項復(fù)雜的工作。海寧市供水管網(wǎng)的可靠性分析主要基于三個方面，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)可靠性、管網(wǎng)水力可靠性和水質(zhì)可靠性。結(jié)構(gòu)可靠性指因管網(wǎng)爆管、閥門失靈等管網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生故障導(dǎo)致供水的不安全性

17、。水力可靠性指由于管道結(jié)垢、水泵效率下降、用水量增加等因素導(dǎo)致管網(wǎng)水力條件發(fā)生變化而引起的供水不安全性。水質(zhì)可靠性指因老舊管網(wǎng)腐蝕、局部地區(qū)余氯低、二次供水管理不善，水池清洗不規(guī)范、爆管維修時雜質(zhì)進入管網(wǎng)、為保證余氯量投加消毒劑過多，而產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物污染等導(dǎo)致供水水質(zhì)的不安全性。通過多種手段來提高管網(wǎng)的安全可靠性。提高管網(wǎng)結(jié)構(gòu)可靠性的方法有：通過管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計提高新建管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可靠性；通過二次開發(fā)建立管網(wǎng)故障分析系統(tǒng)和管道歷史故障檢修記錄數(shù)據(jù)進行分析，建立管道故障率和維修率數(shù)據(jù)庫；通過建立一定的規(guī)則，制定管網(wǎng)及設(shè)備更新維護計劃，以提高現(xiàn)有管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可靠性。提高管網(wǎng)水力可靠性的方法有：通過管網(wǎng)低壓

18、區(qū)控制和泵站調(diào)度來制定更合理的管網(wǎng)運行方案。提高管網(wǎng)水質(zhì)可靠性的方法有：通過建立全管網(wǎng)水質(zhì)模型來監(jiān)控管網(wǎng)的水質(zhì)變化，并在發(fā)生水質(zhì)污染事故時，通過水力模型制定應(yīng)急處理預(yù)案。5 更新維護及管理5.1 更新維護海寧市供水管網(wǎng)每年新增管道，改造更換舊管道或者在GIS系統(tǒng)中補錄的農(nóng)村管道，大用戶位置的變化、用戶用水量規(guī)律的變化、管網(wǎng)閥門開關(guān)狀態(tài)、水泵特征曲線變化等，都應(yīng)在模型中做相應(yīng)的修改，所以需要水務(wù)的技術(shù)人員對水力模型進行更新維護，保證水力模型在管網(wǎng)中長期、有效的應(yīng)用于管網(wǎng)運行管理中。管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的更新：以三個月或半年為周期，將GIS數(shù)據(jù)中新增加的組件數(shù)據(jù)或者屬性改變的組件導(dǎo)入模型中。若GIS系

19、統(tǒng)中新增或改造的管道對模型計算結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響時，需要即時在模型中做修改。節(jié)點流量方面的更新：由于水力模型與營業(yè)收費系統(tǒng)搭建接口，營業(yè)數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入模型中。同時，以一年為周期，重新制定用水規(guī)律變化曲線。上述工作使節(jié)點流量分配更加準(zhǔn)確和縮短更新維護的時間，提高模型的準(zhǔn)確度。水泵特征曲線方面的更新：水泵投入使用后，由于長期運行磨損以及技術(shù)改造等原因，致使實際的水泵特性曲線偏離樣本特征曲線。為了提高模型模擬計算的準(zhǔn)確度，需利用水力模型的水泵特征曲線校正器進行校核。管道粗糙系數(shù)方面的更新：在水力計算中，新增管道或舊管道更換新管道的C值設(shè)定為130。由于管道經(jīng)過多年運行，管道內(nèi)壁腐蝕、結(jié)垢，其過水?dāng)嗝娣e減小，導(dǎo)