陶建科¹ 毛幫虎² 魏壽廷² 余盛¹
(1 上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司，上海 201203；2 濰坊市自來水總公司，濰坊 261041)

　　摘要：文中闡述濰坊市供水管網(wǎng)在線實時水力模擬系統(tǒng)的建立方法，并通過SCADA系統(tǒng)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對管網(wǎng)動態(tài)水力模型進(jìn)行校核和試運行驗證。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于濰坊市供水系統(tǒng)運行分析和調(diào)度管理過程中，實踐證明是成功的，具有較大的應(yīng)用價值。
　　關(guān)鍵詞：濰坊市 供水管網(wǎng) 在線 實時水力模擬 WaterSimu for GIS 建立 應(yīng)用

Study on Building and Application for On-line and Real-time Hydraulic Models of Weifang City Water Distribution Systems

Tao Jianke¹ Mao Banghu² Wei Shouting² Yu Sheng¹
(1 Shanghai Ganchuang Information Technology Co. Ltd.，Shanghai 201203；2 Weifang City Waterworks General Company，Weifang 261041)

Abstract：In this article methods to establish on-line and real-time hydraulic models of Weifang city water distribution systems are described . The dynamic hydraulic models are calibrated and validated during the course of testing run with SCADA system field test data. Practice states these methods are successful and suitable to be used for running analysis and operational control management of Weifang city water distribution systems.
Keywords: Weifang city Water distribution　 On-line　 Real-time hydraulic simulation WaterSimu for GIS　 Building　　 Application

0 引言

　　濰坊市自來水總公司供水系統(tǒng)由兩座水廠、一座水庫泵站和370Km（DN100以上）供水管線組成。近年來隨著濰坊城市的迅速發(fā)展，一方面地區(qū)原有管網(wǎng)需要不斷地向周邊和新開發(fā)區(qū)延伸，引出宏觀規(guī)劃問題，新工廠和投資開發(fā)商在新開發(fā)區(qū)落戶，引起局部用水量規(guī)劃問題，另一方面為了滿足濰坊城市用戶用水的需要和市政道路建設(shè)，供水管網(wǎng)在迅速的改擴(kuò)建過程中，供水系統(tǒng)中原有的相對穩(wěn)定的供水工況發(fā)生了較大的變化，為供水系統(tǒng)安全的、經(jīng)濟(jì)的和合理的調(diào)度帶來了較大的挑戰(zhàn)。
　　文中利用敢創(chuàng)管網(wǎng)建模軟件WaterSimu for GIS實現(xiàn)了濰坊市供水管網(wǎng)在線實時水力模擬系統(tǒng)的建立和應(yīng)用，較好地解決了以上問題。這一實踐研究成果為在我國進(jìn)一步開展供水系統(tǒng)微觀模型優(yōu)化調(diào)度實踐應(yīng)用研究奠定了堅實的基礎(chǔ)，具有實用價值。

1 濰坊市供水管網(wǎng)在線實時水力模擬系統(tǒng)的建立

　　實現(xiàn)供水系統(tǒng)在線實時水力模擬的關(guān)鍵在于建立供水系統(tǒng)運行分析與調(diào)度管理數(shù)據(jù)平臺^[1]，它為實現(xiàn)供水系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)在線實時更新和調(diào)用創(chuàng)造條件。濰坊市供水管網(wǎng)系統(tǒng)運行分析與調(diào)度管理平臺數(shù)據(jù)流見圖1。

圖1：運行分析與調(diào)度管理數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)流

1.1 濰坊市供水管網(wǎng)微觀動態(tài)水力模型的建立^[2]
1.1.1 建立管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　根據(jù)濰坊城市供水的實際應(yīng)用需求，建立DN100或以上管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。濰坊市供水管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的生成是通過敢創(chuàng)管網(wǎng)建模軟件和濰坊市供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)軟件接口設(shè)計實現(xiàn)的，管網(wǎng)建模軟件直接調(diào)用供水設(shè)施的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。濰坊市供水管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（DN100）見圖2。

圖2：濰坊市供水管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.1.2 現(xiàn)場測試
　　現(xiàn)場測試的目的是為了計算供水系統(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)。現(xiàn)場測試之前，需進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查和收集一些基礎(chǔ)資料為現(xiàn)場測試做準(zhǔn)備。
　　濰坊市給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型建立過程中，現(xiàn)場測試由三部分組成：（1）測試供水系統(tǒng)壓力和流量值；（2）大用戶用水方式和規(guī)律調(diào)查及現(xiàn)場24 h讀表實測；（3）測試水泵的特性參數(shù)。第一部分內(nèi)容需要在管網(wǎng)模型校驗日24小時內(nèi)同時進(jìn)行，用于模型校驗。
　　壓力采集點均勻分布在供水系統(tǒng)中，共9個，它們是濰坊啤酒廠、濰坊商校、化肥廠、第一職專、港華煤氣廠、建校、沈濰變壓器、東環(huán)壓力和櫻北壓力，管道流量校驗點4個，分別為櫻北水廠和東環(huán)配水廠各兩根出廠管。以濰坊市2004年5月份用戶用水量數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，對用水量>5600 t/月、占總用水量28.7%的59家大用戶進(jìn)行現(xiàn)場24 h抄表，并進(jìn)行工作班制和用水特點調(diào)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)。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，需要重新測試；先結(jié)合歷史SCADA系統(tǒng)采集的在各不同工況條件下水泵機(jī)組出水參數(shù)，求解出各水泵水力特性參數(shù)，后到現(xiàn)場校核，共測試了7臺水泵。
1.1.3 節(jié)點流量計算^[3]濰坊市給水管網(wǎng)微觀動態(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。營業(yè)收費系統(tǒng)中用戶用水性質(zhì)有八類：辦公樓、二十里、基建、民用樓、綠化用水、生產(chǎn)經(jīng)營、特種用水、學(xué)校用水，2003年1至12月份各類用戶用水所占比例分別為27.318%、2.738%、10.900%、33.448%、0.451%、14.388%、0.444%和10.314%，在制定用水模式時，分為六類：辦公樓、基建、民用樓、生產(chǎn)經(jīng)營、學(xué)校用水和無計量用水。節(jié)點流量的計算方法見圖3。

1.1.4 確定管道阻力系數(shù)
　　管道水力模擬公式采用海曾-威廉(Hazen Williams)公式。在現(xiàn)場應(yīng)用“三點法”^[6]測試，計算出2000年埋設(shè)的管道阻力系數(shù)值為117，其它年代埋設(shè)管道的阻力系數(shù)值通過GIS系統(tǒng)記錄該管道埋設(shè)年代初步估算確定，在模型校驗階段需要進(jìn)一步調(diào)整。
1.1.5校驗結(jié)果^[2][4]濰坊市給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型校驗日為2004年11月5日，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，管網(wǎng)模型校驗結(jié)果見表1。

表1：濰坊市供水管網(wǎng)微觀動態(tài)水力模型校驗結(jié)果

1.2 濰坊市供水管網(wǎng)在線實時水力模擬系統(tǒng)的建立
1.2.1 時段總水量預(yù)測及節(jié)點流量的計算^[5]時段總水量預(yù)測采用自回歸滑動平均ARIMA(p,d,0)模型，時段間隔為15分鐘，歷史數(shù)據(jù)樣本采用每日同時段數(shù)據(jù)。時段總水量的分配：時段總水量中六類型用戶（辦公樓、基建、民用樓、生產(chǎn)經(jīng)營、學(xué)校用水和無計量用水）每日用水所占比例取供水系統(tǒng)中各類用水性質(zhì)的用戶上一年同月平均水量所占比例。每半月更新一次用水量節(jié)點與抄表簿對應(yīng)關(guān)系，特大用水量的用戶及時更新。
1.2.2 軟件接口設(shè)計
　　供水管網(wǎng)GIS系統(tǒng)和供水系統(tǒng)運行分析與調(diào)度管理數(shù)據(jù)平臺接口設(shè)計，實現(xiàn)了管網(wǎng)數(shù)據(jù)及時更新，保證了管網(wǎng)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及時更新和準(zhǔn)確性。供水SCADA系統(tǒng)和供水系統(tǒng)運行分析與調(diào)度管理數(shù)據(jù)平臺接口設(shè)計，實現(xiàn)了管網(wǎng)模型在線實時調(diào)用動態(tài)水量數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)作為模型的計算值或?qū)Ρ戎担ＷC了管網(wǎng)模型在線實時運行。營業(yè)收費系統(tǒng)和供水系統(tǒng)運行分析與調(diào)度管理數(shù)據(jù)平臺接口設(shè)計，實現(xiàn)節(jié)點流量的及時更新。
1.3 試運行分析與結(jié)論
　　完成管網(wǎng)動態(tài)水力模型校驗工作后，經(jīng)過了一周左右的時間進(jìn)行在線實時模擬系統(tǒng)的調(diào)試，于2004年11月15日進(jìn)行試運行階段。取2004年11月15日至2004年12月14日的濰坊市供水系統(tǒng)SCADA采集數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)作為試運行分析對象。管網(wǎng)系統(tǒng)中測壓點有7個，其中測壓點“化肥廠”通訊故障，6個測壓點分別是：濰坊啤酒廠、濰坊商校、第一職專、港華煤氣廠、建校、沈濰變壓器。試運行結(jié)果分析見表2。

表2：濰坊市供水管網(wǎng)在線實時水力模擬系統(tǒng)試運行結(jié)果

　　從表2中可以看出：濰坊市供水管網(wǎng)在線實時水力模擬系統(tǒng)仿真計算結(jié)果滿足工程實際應(yīng)用的要求。

2 應(yīng)用

2.1 供水系統(tǒng)改擴(kuò)建^[6]濰坊市自來水現(xiàn)有日供水能力17萬噸，地勢自南向北傾斜，平均海拔26.0米。近期位于城市南部興建一座12萬噸/日白浪河水廠，對現(xiàn)有供水系統(tǒng)進(jìn)行改擴(kuò)建方案設(shè)計。
　　根據(jù)《濰坊市給水發(fā)展規(guī)劃》和近期關(guān)閉自備井資料進(jìn)行水量需求分配，沿現(xiàn)狀道路和近期規(guī)劃道路鋪設(shè)管線，進(jìn)戶總表自由水頭控制值為24.0米，建立最高日供水管網(wǎng)水力模型。現(xiàn)狀管網(wǎng)圖見圖1，供水管網(wǎng)改擴(kuò)建方案圖見圖4。

圖4：供水管網(wǎng)改擴(kuò)建方案圖

　　通過管網(wǎng)動態(tài)水力模擬和工況分析：原現(xiàn)狀供水系統(tǒng)中水流流速處于經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)的管道數(shù)從676根提升到762根，新規(guī)劃主干管道水流流速均處于經(jīng)濟(jì)流速范圍之內(nèi)，事故、最大轉(zhuǎn)輸時和消防時工況均能滿足要求，同時計算出新建白浪河水廠出廠所需壓力，為二泵房選泵提供參數(shù)。
2.2 在線實時工況模擬
　　在線實時水力模擬系統(tǒng)在濰坊市自來水總公司供水調(diào)度室24小時運行，調(diào)度員通過該系統(tǒng)可隨時了解整個管網(wǎng)當(dāng)前的工作狀況，大大地增強(qiáng)了調(diào)度員作出調(diào)度決策的自信心，必要時可及時調(diào)整運行方案，實現(xiàn)在線優(yōu)化調(diào)度。
2.3 開展經(jīng)濟(jì)調(diào)度工作
　　濰坊市供水管網(wǎng)在線實時水力模擬系統(tǒng)提供多方案費用比較功能，為調(diào)度員開展供水系統(tǒng)的優(yōu)化運行管理提供了很好的工具。調(diào)度技術(shù)人員先通過該系統(tǒng)預(yù)測明天的需水量，制定滿足需水量的多個經(jīng)驗調(diào)度方案，設(shè)置控制點壓力值，然后通過模型動態(tài)模擬計算，找到即滿足控制點壓力，運行費用又是最低的調(diào)度方案。

3 實踐意義

　　濰坊市供水管網(wǎng)在線實時水力模擬系統(tǒng)已投入應(yīng)用，效益良好，具有重大的實踐意義：
　　① 在我國水司第一次建立了供水系統(tǒng)在線實時水力模擬系統(tǒng)，并成功的投入使用。
　　② 培訓(xùn)調(diào)度員，提高調(diào)度員實現(xiàn)科學(xué)調(diào)度管理、調(diào)度決策的能力。
　　③通過在線實時水力模擬掌握水流的真實流動，以利于對供水系統(tǒng)進(jìn)行管理和調(diào)度，是給水系統(tǒng)運行管理人員的得力助手。
　　④ 為在我國進(jìn)一步開展供水系統(tǒng)微觀模型優(yōu)化調(diào)度實踐研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

1 B M A Brdys & B Ulanicki. Operational Control of Water Systems：Structures， Algorithms and Applications. Prentice Hall International(UK) Ltd, 1994.
2 陶建科，建立給水管網(wǎng)動態(tài)模型中的水量分析方法. 給水排水，1998,24(1):26-30.
3 陶建科，等.建立給水管網(wǎng)微觀動態(tài)水力模型標(biāo)準(zhǔn)方法研究. 給水排水， 2000,26(5):4-8.
4 Water Authorities Associates/WRC. Network Analysis—A Code of Practice. 1989.
5 陶建科，信昆侖，等. 給水管網(wǎng)微觀模型中節(jié)點流量在線預(yù)測計算方法研究. 給水排水，2001,27(8):25-32.
6 趙洪賓著，給水管網(wǎng)系統(tǒng)理論與分析，中國建筑出版社，2003年9月第一版。

作者通訊地址： 陶建科 201203 上海市浦東張江高科技園區(qū)郭守敬路498號浦東軟件園3202座
（國家軟件產(chǎn)業(yè)基地和出口基地上海浦東軟件園133信箱）
上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司　 博士　 高級工程師
電話：（21）51314368
E-mail: taojianke@china.com
毛幫虎 261041 山東省濰坊市自來水總公司　　 副總經(jīng)理、院長　 高級工程師
魏壽庭 261041 山東省濰坊市自來水總公司技術(shù)科　 科長　　　 高級工程師
余 盛 201203 上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司　　　　 碩士　　　　 工程師