建立上海市計算機給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型

建立上海市計算機給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型研究論文名稱：建立上海市計算機給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型研究

作者：陶建科

摘要：計算機給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型能為給水管網(wǎng)的規(guī)劃、設計、優(yōu)化控制和科學管理提供可靠的信息來源；本文闡述了建立上海市計算機給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型的研究方法，實踐證明是成功的，具有重大的實踐意義。

關鍵字：給水管網(wǎng)動態(tài)分析水力模型現(xiàn)場測試校驗上海市自來水公司供水系統(tǒng)是世界上最大的供水系統(tǒng)之一，由16座水廠、42座泵站和6300km的供水管線組成，供水區(qū)域為690km2，裝有220萬只水表。1998年日最高供水量為650.1×104t。近年來，隨著上海市的高速發(fā)展，給水管網(wǎng)的改擴建及給水管網(wǎng)的日常操作管理引起人們的關注。

上海市給水管網(wǎng)的改擴建主要指由于上海市區(qū)向郊區(qū)延伸，原有的某些給水設施(泵站、水庫等)不合理性日益明顯，引起了宏觀規(guī)劃問題；由于大量的低層房屋被高層代替，局部用水量增加，引起了局部用水量的規(guī)劃問題。長期以來，上海市供水管網(wǎng)的日常操作(主要指水源調度、管網(wǎng)的維護和更新)主要是憑借經(jīng)驗，而不是建立在科學的理論體系之上。

建立計算機給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型(包括計算機給水管網(wǎng)宏觀動態(tài)水力模型和詳細動態(tài)水力模型)，是解決這個問題的最有效手段。宏觀動態(tài)水力模型主要用于上海市給水總體規(guī)劃活動的分析，包括優(yōu)化現(xiàn)有的給水設施，規(guī)劃新給水設施，為上海市供水系統(tǒng)的改擴建提供宏觀的、總體的分析策略。詳細動態(tài)水力模型主要用于上海市供水系統(tǒng)的日常操作、維護和更新的活動分析，包括為管網(wǎng)的更新和維護提供科學的操作管理方法，為區(qū)域性的給水管網(wǎng)規(guī)劃、設計和更新的優(yōu)先性評估提供科學依據(jù)。1研究方法1.1建立計算機供水管網(wǎng)圖形［1、2］

計算機供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形應該包括供水系統(tǒng)中的所有供水設施及其圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)(如管道直徑、節(jié)點標高、位置坐標等)。一般有兩種方法建立計算機供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形，一種是用數(shù)字化板將供水設施數(shù)字化輸入管網(wǎng)建模軟件，形成點線結構的管網(wǎng)圖形；另一種是從供水地理信息系統(tǒng)(GIS)中按照一定的文件格式調用供水設施的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，使之在管網(wǎng)建模軟件里形成計算機供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形。

上海市供水設施的數(shù)目大，計算機供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形中節(jié)點數(shù)目過多，根據(jù)建立供水管網(wǎng)模型的用途不同，制定了取舍管線的原則：宏觀動態(tài)水力模型中應該包括直徑≥500mm的管道和部分水力條件重要的小管道；詳細動態(tài)水力模型中應該包括直徑≥300mm的管道和部分水力條件重要的小管道。形成計算機供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形后，經(jīng)“微誤差簡化”，建立起浦西地區(qū)計算機供水系統(tǒng)詳細模型管網(wǎng)圖形。

1.2現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試的目的是為計算供水系統(tǒng)的用水量、節(jié)點流量及校驗管網(wǎng)動態(tài)水力模型提供數(shù)據(jù)。

建立上海市給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型過程中的現(xiàn)場測試由三部分組成：測試供水系統(tǒng)壓力和流量值；大用戶用水調查及現(xiàn)場24h讀表實測；測試水泵的特性參數(shù)。要求前兩個部分的現(xiàn)場測試同時進行?？偣策M行了十次大規(guī)模的現(xiàn)場測試，第一次測試的目的是為了解給水管網(wǎng)當中水流的大致流動方向及壓力分布情況，為選擇模型現(xiàn)場測試點提供參考；后九次是為給水管網(wǎng)模型的校驗提供原始數(shù)據(jù)。由于受儀器數(shù)量的限制，在現(xiàn)場測試過程中，將浦西地區(qū)給水管網(wǎng)宏觀動態(tài)水力模型的測試分為南區(qū)、北區(qū)和中區(qū)分別進行，同時又將南區(qū)和中區(qū)各分為三個子區(qū)域進行現(xiàn)場測試，北區(qū)的管網(wǎng)結構比較簡單，只進行宏觀動態(tài)水力模型的現(xiàn)場測試。

以上海市1996年10月用戶用水量數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，對用水量>15000t/月、占總用水量32.5%的972家大用戶進行同時現(xiàn)場24h抄表，對用水量為5000～15000t/月、占用水量15.9%的1826家工業(yè)用戶進行工作班制和用水特點調查，為計算不同工作班制工業(yè)用戶的用水模式曲線提供數(shù)據(jù)［3］。

水泵使用的時間過長，原有水泵的水力特性參數(shù)會發(fā)生變化，建立管網(wǎng)動態(tài)水力模型時需要重新測試。建立上海市給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型的過程中，共測試了209臺水泵。

1.3節(jié)點流量的計算方法［3、4］

上海市給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型中節(jié)點流量的計算是基于大量的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)、大用戶現(xiàn)場讀表數(shù)據(jù)和用戶每月讀表抄見數(shù)數(shù)據(jù)庫。節(jié)點流量的計算方法見圖1。1.4管道阻力計算公式

管道阻力計算公式一般采用海曾-威廉(HazenWilliams)公式或柯爾勃洛克-魏特(ColebrookWhite)公式。流速范圍在0～0.9m/s時，兩公式的計算結果很接近［5］；對于高雷諾數(shù)的高速水流，海曾-威廉公式的誤差增大，流速為1.5m/s時，水力坡降誤差有時超過20%［6］。在用水高峰時，很多管道的流速超過1.5m/s，因此選用柯爾勃洛克-魏特公式計算管道的阻力。1.5管道絕對粗糙度

經(jīng)整理分析，上海市大量的供水系統(tǒng)管道壁切片的絕對粗糙度數(shù)據(jù)見表1。沙表寬1悉競上諒海宅市傲供立水英系宏統(tǒng)獸管沫道血絕壘對亡粗探糙省度叫管衫材克管沒道家絕板對瀉粗疊糙吧度

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1.6.1模型校驗點的選擇

對于大型供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型而言，模型校驗點的選擇應遵循以下原則：

①模型校驗點的數(shù)目應占模型節(jié)點數(shù)目10%以上。上海市供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型校驗點的數(shù)目占模型節(jié)點數(shù)目15%左右。

②模型校驗點要均勻地分布在管網(wǎng)模型中。

③模型校驗點的水力參數(shù)值要有代表性，能夠控制管網(wǎng)模型在該校驗點局部的水流流動情況。

1.6.2校驗結果

上海市給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型的計算值和現(xiàn)場測試值吻合很好，

表明該模型模擬了管網(wǎng)中水流在測試天的真實流動，見表2。錫表鹽2姜迷上言海販市鐮給芒水隔管俯網(wǎng)宣動喪態(tài)倒水椅力考模瘋型餅的盲校當驗達結道果惜項衫目輸參敏數(shù)閘參英數(shù)模的吧校博驗富標肥準災校異驗泥結坡果贊管碗段拖流易量僅流該量輩大慌于枯用羊水侄量安1簽0均%勾的末管醬段芒實煉測降值朋的治±浴5鬼%堂0灑.虜6球%釣流牌量繡小墾于悅用影水山量聾1疑0珍%良的畢管山段掃實怕測紐值漲的之±理1曾0爛%逮1猾.明3截%悲節(jié)饅點群壓椒力熔1塑0漁0技%到的洞校宣驗診節(jié)粒點夫實奶測緩值較的蒜±兇3慌9腔.科2緒1灣普k敢P崗a印1挨0幼0升%遭8自0北%晴的吊校堵驗背節(jié)椅點懷實桐測盈值炎的業(yè)±森1叨9揀.衛(wèi)6悶k達P吧a于9想7豈%泉5飯0翁%嫩的析校公驗竟節(jié)遭點褲實懇測窯值箭的穴±秀9姓.箱8對k搜P學a娃8探2助%惱水匹庫倚水中庫撲水胞位繩實鴉測愿值縮的沒±活5響%抖0粗.液1泳%典1褲.盡7蹄撓水妥力缺?；眯屯醯奈浘S嗚護印和儀更拴新

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