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水力模型在海宁供水管网运行管理中的应用
摘要：供水管网水力模型在供水企业中日益得到重视和应用。海宁自来水有限公司建立供水管网水力模型，利用水力模型实现区块化管理，降低漏失率、降低产销差、改善水质、节能降耗、提高供水安全可靠性;在线实时监控供水管网水量、压力和水质情况；发生事故时,能够及时制定应急方案；提出规划改造和优化调度方案等,可有效的提高管网管理的科学性、安全性和经济性，避免了盲目性。从而,实现“数字化”供水和“智能化"水务.
关键词：供水管网水力模型区块化管理模型应用在线实时监控
1 前言
随着海宁市供水规模的扩大和供水安全要求的提高,供水企业需要全面掌握和分析供水管网的运行状态，这样对供水系统的管理工作提出了新的要求。近年来，供水企业管理水平日益提高、科技投入的力度日益增强、企业信息化的建设日益成熟。海宁自来水有限公司提出“数字供水"概念，建成了数字化供水系统,全面应用于生产、经营、服务工作。“数字化"供水搭建信息技术平台，打造“智能水务”，实现科技全方位支撑运营服务。水务建立营业一体化平台、供水管网地理信息系统、供水设施综合监测系统和供水管网水力模型系统.“十二五"计划提出:降低漏损率，降低产销差，节能降耗，提高供水管网安全可靠性。建立供水管网水力模型是管网优化设计和运行工况分析重要的手段之一,有效地提高供水系统的科学化管理水平，提高供水系统的运行稳定性、可靠性，为水务带来良好的经济效益和社会效益。
2 海宁市供水现状
海宁市地处长江中下流域，四季分明,气候温和.全市共有两座水厂,现有供水计能力30万m3/d,供水面积668平方公里,服务人口约80万。全市DN75mm以上的管道长度为1075km，管材以球墨铸铁、铸铁、钢、PE等为主。
3 水力模型项目前期调研
上海、深圳、佛山、天津等城市已经建立供水管网水力模型，并将其成功的应用于供水系统生产管理中。如，管网运行管理、水厂优化调度、规划改扩建等，发生事故时，系统即时报警,并提出应急解决方案,提高供水安全可靠性。
天津自来水集团已建立C/S结构和B/S结构水力模型系统。C/S结构的水力模型应用于技术生产部和管网部，主要用于管网运行管理、水厂调度和规划改扩建方案比较，要求技术人员具有较高的专业素养.B/S结构的水力模型应用于调度中心、管网部、科技信息部和各营销公司，主要用于大屏幕使用，在线实时监控及预警、现场水厂调度、管网故障分析系统、爆管分析、水量平衡图等。适应部门广泛,要求技术人员具有一般的专业素养。
天津市供水管网水力模型系统是基于水司现有的GIS系统、SCADA系统和营业收费系统,是与现有供水管网管理系统共享，构建供水管网智能化管理平台。该平台的建立有助于水司供水管网管理系统的统一管理,实现水司科学化管理，提高供水安全可靠性，节能降耗。天津水司的工作人员定期参加水力模型系统的培训,培训内容包括：供水管网基础理论知识、水力模型基本应用、中级应用、高级应用等。同时，供水管网智能化管理平台的建立,提高水司工作人员专业素养和业务能力，有助于工作的展开，提高工作效率。
4 海宁市供水管网水力模型
海宁自来水有限公司为了实现“数字化"、“智能化”的科学化管理供水管网，并能提高水务工作人员的专业素质,建立海宁市供水管网水力模型。
海宁市供水管网水力模型分为C/S结构和B/S结构。C/S结构水力模型以GIS系统为运行平台，管网水力模型系统能直接读取GIS的管网原始数据，并作为水力模型的管网基础数据。C/S结构应用WNW6。0版水力模型软件，包含水力模型的全部功能，可用于水力模型的建立、校核、模型更新维护以及水力模型的高级应用,适用于专业技术人员使用。B/S结构基于C/S结构、GIS系统、SCADA系统和营业收费系统，可以实现实时动态水力计算，而且功能设计依据供水管网运行管理的具体业务流程，大部分功能是“一键式”操作，使用简单，适合普通技术人员使用。水务根据使用人员和应用内容的不同，使用适合的水力模型应用平台，确保水力模型能够在海宁水务得到更加广泛的应用.
4.1 海宁水务供水管网区块化管理
区块化,即DBS，将复杂的管网系统分成若干个相对独立的区域或子系统，实现区块化供水。
根据海宁市城市的特点，供水管网水力模型要解决的问题是平衡供水管网的压力,降低管网漏失,降低产销差，节能降耗,改善水质,提高管网供水安全可靠性，实现科学化管理。海宁市供水管网已划分区块,可利用分区水力模型实现区块化管理。实现区块化供水是降低电耗、降低漏耗、保障管网水质、提高供水效益的重要途径。
（1） 节能降耗
应用水力模型模拟计算，提出最优的水厂和加压泵站压力分区运行模式，降低配水系统电耗，同时，使管网压力均衡，减少爆管事故的发生和管道的漏失，减少水资源的浪费。增加企业效益，满足低碳、环保型社会的要求.
（2） 管网漏失分析
由于管网的漏失量与管网压力是成指数关系，管网压力越高，管道漏失量将成指数增长。可以在水力计算分析平台上动态模拟管网漏损点的范围,然后利用检漏设备进行现场漏损点探测，提高检漏工作效率。
（3） 降低漏损率
通过优化管网的压力分区运行模式，使管网在一天24小时中的管网压力均衡。通过水力模型对各个时段的模拟计算，在满足用户用水压力需求的前提下，降低区域的供水压力,达到降低漏耗的作用。
（4） 降低产销差
改善水量管理，对各区块的进行流量管理.通过对分区流量的计量,使用水量平衡原理，对区块的流量进行合理的控制，掌握产和销的差量，从而降低产销差。
（5） 改善水质
区块化可以缩短管网水龄，使氯的消耗减少、投氯量减少和消毒副产物减少。在水力计算分析平台上动态模拟管网水龄和管道余氯浓度,合理提出投氯量，解决管网末梢和死水区余氯浓度低、管网前端余氯过高的问题.
（6） 提高管网安全性
优化管网供水方式，降低管网供水压力，不仅能够降低漏耗，还可以有效地减少管道爆管事故，提高管网的运行安全性。改善管网水力工况，保障管网水质，减少二次污染，可以提高管网的运行安全性.
4.2 应用实例
4.2.1 爆管分析
水力模型的爆管分析功能主要是分析当管道发生爆管时,能够快速制定管道需要关闭的阀门方案，提供受影响的范围、管道和用户信息等，如图1所示.若提供的关阀方案中某个阀门在现场中发现已损坏,可以重新制定方案,如图2所示。
图1爆管分析方案图2 重新制定爆管分析方案
4.2.2 夜间最小流量分析
水力模型的夜间最小流量分析功能主要提供区块发生夜间最小流量时刻的异常信息，夜间最小流量代表计量区域的漏失水平,正常情况下变化不大，若连续三次发生异常增大现象，该区域可能发生了新的漏水,系统便会报警,如图3和图4所示。
图3 夜间最小流量监控曲线

图4夜间最小流量监控系统报警信息
图4中蓝色对话框表示流量计计量水量没有变化,红色对话框表示流量计计量水量增加,绿色对话框表示流量计计量水量减少.下图右边的对话框显示的是流量计变化水量,若流量计计量水量增加时，土黄色条形向右增长，若计量水量减少时,绿色条形向左增长。
4.2.3 管网低压区分析
水力模型的管网低压区分析功能主要实时监控管网压力情况，当管网出现低压时，能自动报警。利用供水路径分析功能可以查出水头损失过大的原因，如图5所示。
图5管网低压分析
由图5可以得到，低压区的供水源头,可以查看供水路径中总水头损失为17。65m，起端压力为29。23m，末端压力为11。58m.
图6 供水路径断面图
由图6可得，当滑动图5中供水路径断面图中的位置线时，在管网中会显示管道水头损失的具体情况,方便查找管网处于低压的原因.该管网处于低压是因为管道上的阀门处于关状态,所以水头损失过大,造成出现低压现象.
4.2.4 水质分析
水力模型能够提供水在管网中停留时间的计算、水厂供水跟踪及管网中余氯浓度计算等功能,用来研究和预测管网的水质变化。
（1)化学药剂浓度分析
可以模拟消毒药剂在管道中的运动和衰减过程，也可以分析管网中任意位置的余氯浓度等参数。
（2）水厂供水路径跟踪分析
当某管段发生水质污染事故时，可以正反方向追踪。可以追踪污染源头，扩散的路径,扩散速度,受影响的范围和用户，确定关闭的阀门。
对于多水源供水系统,能够分析出管网中每一个节点处的用水量来自于各个水厂的供水比例，从而划分出整个供水管网的供水区域分界线，可以用于水质混合和污染的分析。
发现污染处
发现污染处

图7 污染物不同时刻扩散路径
由图7可看出，管网中发现污染物，经过供水路径追踪，发现污染物的源头是水厂，随着时间的变化，受影响的范围逐步增大.及时制定关阀方案，将受影响范围和程度降到最低.
(3）管道水龄分析
水在管网中的停留时间决定着管网中的水质变化。水力模型能够计算管网中任意位置的水龄，同时考虑管网中各水池对停留时间的影响。
4.2.5 管网改扩建规划
由于城市不断地发展，供水范围不断扩展，旧管道应不断更新,城市供水管网必须适应这种变化。利用模型可以对供水系统进行多目标优化设计规划,能够建立多个规划方案，并对各方案进行评估与比较可提供的管网改扩建优化方案，制定近期和远期的管网改扩建计划.管网改扩建包括新管道的铺设和旧管网的改造。新管道的铺设规划可以用来分析管道的最优管径选择,制定最优新铺设管道的定线方案及优先铺设管道方案等。旧管网的改造方案包括优化的管道除垢方案，管网的更换方案等,即在一定改造预算前提下,如何最大限度地改善旧管网的水力条件。
以水厂更换出厂干管为例,将DN1400管道更换DN1800管道,查看该出厂干管供水范围变化情况。经水力模拟计算后，供水范围变化如图8和图9所示。
水厂
水厂

图8 出厂干管改造前供水范围图9 出厂干管改造后供水范围
4.2.6 优化调度
优化调度是水行业一个比较重要和突出的难题.海宁水务采用两级调度的方法来解决管网的优化调度问题，同时还要做到节能,所以也提出“节能调度”.首先通过水量预测功能预测下一阶段的总供水量，第一级调度为各水厂出水量的优化分配,第二级调度为针对各水厂的出水量，对水厂内部的水泵进行优化组合。然后建立管网优化调度水力模型，通过管网优化运行工具对各水厂的供水量进行优化，提出节能的水泵优化组合和调速泵设定方案。调度中心的技术人员可以在水力模型上模拟各种工况的节能运行方案,掌握应急调度的方法，提高调度人员的应变能力。
4.2.7 在线实时监控及预警
在线实时监控系统可以将管网水力模型的分析结果以多种图形形式在调度中心大屏幕上显示。包括水量预测结果、实时水量平衡结果、实时的模型计算误差曲线、整个管网的压力分布区域图,管网用水量分布图和管网余氯分布图等。由于模型与SCADA系统实时连接，模型可以实时地监控管网运行的状态,感知管网系统运行异常情况的发生。当发生管网压力非正常下降，管网需水量非正常变化以及管道水质发生异常变化等情况时,模型系统能够即时地在管网图上以醒目的方式发出报警信息。并帮助技术人员快速定位故障发生的位置和原因，可及时地制定解决问题的方案。
在调度中心的大屏幕上动态显示各水厂水泵的开停状态,水泵出水量、出厂压力、电机功率、水泵效率等水厂的运行信息。可保证各水厂机组正常的运行，保证全市安全供水.
为了直观方便地了解水厂优化调度系统的工作情况，在调度中心的大屏幕上将动态显示各时段水厂优化调度的方案，并动态显示预期的调度结果与实际结果的差别，即时了解模型优化调度系统运行的效果.这些动态曲线包括预测水量与实际水量对比曲线，测压点压力实测值与模拟值的对比曲线等。
4.2.8 管网可靠性分析
管网可靠度分析是一项复杂的工作.海宁市供水管网的可靠性分析主要基于三个方面，管网结构可靠性、管网水力可靠性和水质可靠性。结构可靠性指因管网爆管、阀门失灵等管网结构发生故障导致供水的不安全性。水力可靠性指由于管道结垢、水泵效率下降、用水量增加等因素导致管网水力条件发生变化而引起的供水不安全性。水质可靠性指因老旧管网腐蚀、局部地区余氯低、二次供水管理不善，水池清洗不规范、爆管维修时杂质进入管网、为保证余氯量投加消毒剂过多，而产生消毒副产物污染等导致供水水质的不安全性。
通过多种手段来提高管网的安全可靠性。提高管网结构可靠性的方法有：通过管网规划设计提高新建管网的结构可靠性；通过二次开发建立管网故障分析系统和管道历史故障检修记录数据进行分析，建立管道故障率和维修率数据库;通过建立一定的规则,制定管网及设备更新维护计划，以提高现有管网的结构可靠性。提高管网水力可靠性的方法有:通过管网低压区控制和泵站调度来制定更合理的管网运行方案。提高管网水质可靠性的方法有：通过建立全管网水质模型来监控管网的水质变化，并在发生水质污染事故时，通过水力模型制定应急处理预案.
5 更新维护及管理
5.1 更新维护
海宁市供水管网每年新增管道，改造更换旧管道或者在GIS系统中补录的农村管道，大用户位置的变化、用户用水量规律的变化、管网阀门开关状态、水泵特征曲线变化等，都应在模型中做相应的修改,所以需要水务的技术人员对水力模型进行更新维护，保证水力模型在管网中长期、有效的应用于管网运行管理中。
管网拓扑结构方面的更新:以三个月或半年为周期，将GIS数据中新增加的组件数据或者属性改变的组件导入模型中。若GIS系统中新增或改造的管道对模型计算结果产生显著的影响时,需要即时在模型中做修改。
节点流量方面的更新：由于水力模型与营业收费系统搭建接口,营业数据可以直接导入模型中.同时，以一年为周期，重新制定用水规律变化曲线。上述工作使节点流量分配更加准确和缩短更新维护的时间，提高模型的准确度。
水泵特征曲线方面的更新:水泵投入使用后,由于长期运行磨损以及技术改造等原因，致使实际的水泵特性曲线偏离样本特征曲线。为了提高模型模拟计算的准确度,需利用水力模型的水泵特征曲线校正器进行校核。
管道粗糙系数方面的更新:在水力计算中，新增管道或旧管道更换新管道的C值设定为130.由于管道经过多年运行，管道内壁腐蚀、结垢,其过水断面积减小，导致C值变小，需利用水力模型的达尔文校正器校核管道C值，提高模型的校核精度。
5.2 模型管理
海宁市供水管网水力模型建立成功后,将正式投入供水系统日常生产管理中.为了使水力模型发挥其真正的作用,从如下几方面进行模型管理工作:
（1） 建立专职的水力模型工作小组，负责水力模型应用、更新维护等工作。工作小组人员分工明确，并建立部门规章制度。
（2） 根据公司员工使用不同结构的水力模型系统,即C/S结构或B/S结构,组织员工定期参与相关水力模型内容的培训,提高人员的业务能力。
（3） 统一水务各部门的管理系统。如,各营业所使用GIS系统、谷歌地图或CAD作为日常管网管理系统，这样对模型更新工作带来不便，增加工作时间，降低工作效率。
（4） 及时更新GIS系统的数据，作好管网测试工作,为模型更新维护工作奠下基础。
（5） 建立完善的水力模型系统与其他现有管理系统的接口。保证水力模型系统即时读取最新更新数据,保障水务日常管理工作。
6 结语
海宁市供水管网水力模型能够实现实时动态模拟计算,能够分析管网运行工况,预测水量，制定应急预案处理方案,在线实时监控，发现异常现象即时报警和预警，制定合理的管网改扩建规划方案，制定优化调度方案等，对海宁水务的科学管理供水、安全供水、降低能耗、提高效益有着重要的意义.
供水管网水力模型是基于GIS系统数据建立，在一定时间范围内反映管网的真实运行工况.为了使水力模型能够长期有效的应用于生产管理中，需要专业的技术人员进行管网水力模型的更新维护工作.