MIKE URBAN在供水管網設計和管理中的應用研究

杜小洲

（陜西省引漢濟渭領導小組辦公室 陜西 西安 710004）

供水管網是供水系統的重要組成部分，且是隱蔽、分散的工程，管理的難度較大。陜西省是發展區域集中供水和水務一體化最早的省份。特別是國家“飲水安全”項目和我省“八大民生工程”實施以來，農村集中供水工程規模越來越大，縣城供水系統硬件日趨先進，不少縣自來水公司已經實現網上遠程可視化監控，但管網水力計算和水廠優化調度仍然是各縣（區）供水設計和管理中的薄弱環節。因此，引進并應用高性能的計算軟件，充分發揮自動化程度相對較高的供水工程硬件設備的潛力，對促進陜西省供水工程建設和管理實現跨越式發展具有重要的意義。

MIKE URBAN軟件是丹麥DHI公司經過整合的城市GIS和管網建模軟件，其中MIKEURBANWD管網配水模型在國內的實際工程中還沒有得到普遍應用。本研究目的是通過對軟件的應用總結，分析其主要功能和使用條件，為軟件在陜西省的推廣應用奠定基礎。

1 軟件概況

MIKEURBAN是丹麥DHI公司經過整合的城市GIS和管網建模軟件。MIKE URBAN包括MIKEURBANMODEL MANAGER、MIKE URBAN WD和MIKE URBAN CS等。MIKE URBAN的給水管網水力計算內核為EPANET，它引進了ESRI的地理數據庫技術，把GIS與建模環境整合在一起，與數據采集與監視控制系統（SCADA）、實時控制系統（RTC）和決策支持系統(DSS)能達到較好的連接。

MIKEURBAN具有完備GUI功能的高級模擬軟件工具；快速可靠的模擬引擎，確?？焖龠\算；有支持軟件用于數據處理和分析；用于在第三方程序中（如MATLAB）處理模擬數據的GIS集成和工具；多種模塊及管網許可選擇確保用戶根據自身需求來選擇模型。

WD工具模塊可模擬由于各種作用力的作用而產生的水位及水流變化。它包括了廣泛的水力現象。軟件可對配水系統模型進行自動校驗，對設計來講，主要用于現有、擬建或改建的輸配水管網系統的水動力設計的優化和驗證。

2 軟件應用

2.1 在恒定水力計算中的應用

恒定水力計算是對管網所有參數進行設定后進行的水力計算。明確不同工況（管網水力狀態）下枝狀網和環狀網的水力計算方法。

給水管網中有兩類基本水力要素：流量與水頭，包括管段流量、管段壓降、節點流量、節點水頭等。它們之間的關系反映了給水管網的水力特性。當給水管網各管段特性已知且處于恒定流狀態時，流量與水頭兩類要素的關系由恒定流方程組確定。在這種情況下，只要適當地給出部分流量和水頭值，其他流量與水頭值可以由恒定流方程組解出。

在恒定流狀態下，水力分析的數學含義就是解恒定流方程組，水力分析的工程意義就是已知給水管網部分水力參數，求其余水力參數。給水管網水力分析是解決給水管網設計、調度和管理等各種應用問題的理論基礎。

在給水管網水力分析中本軟件可應用的水頭損失公式有：海曾-威廉公式、達西公式及曼寧公式。

海曾-威廉公式適用于較光滑的圓滿管紊流計算，公式為：

它適用于較光滑的管道，特別是當e≤0.25mm（Cw≥130）時，該公式較其他公式有較高的計算精度。

達西公式適用于滿流圓管的計算，為管渠水力計算的經典公式，已經成為給水排水管網水力計算的基本公式。達西阻力系數λ的科學計算和應用是管網水力計算正確性的關鍵，公式為：

曼寧公式適用于明渠或較粗糙的管道計算，亦適用于較粗糙的管道，最佳適用范圍為0.5≤e≤4.0mm。公式為：

正確選用沿程水頭損失計算公式，具有重要經濟價值和工程意義。實踐證明，不同的計算公式所產生的計算結果具有較大的差別。如果公式選用不當，可能導致設計者選用不合理的管徑和水泵揚程等，造成不應有的經濟損失，甚至降低工程效益。

求管段流量一般采用逆推法，求節點水頭一般采用順推法。

通過實例分析，明確了軟件水力計算的初始條件：

（1）交叉點的初始條件：高程、流量；

（2）管道的初始條件：管材、管長、管徑；

（3）水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

（4）泵站的初始條件：水力曲線；

（5）閥門的初始條件：設置值（減壓閥的減水壓）。

2.2 在水錘分析中的應用

水擊所產生的增壓波和減壓波交替進行，對管壁或閥門的作用有如錘擊一樣，故又稱為水錘。水流在慣性的作用下，對管道的壓力迅速達到最大，并產生破壞作用，這就是水力學當中的“水錘效應”，也就是正水錘；相反，關閉的閥門在突然打開后，也會產生水錘，叫負水錘，也有一定的破壞力，但其破壞力沒有正水錘產生的大，在水力管道建設中都要考慮這一因素。

通過實例，對管網中無氣室或有氣室狀態下的管道進行分析計算，并分析軟件計算結果的合理性及可行性。最后確定了軟件水錘分析的初始條件：

（1）管道的初始條件：管材、管長、管徑；

（2）水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

（3）泵站的初始條件：水力曲線；

（4）閥門的初始條件：設置值（減壓閥的減水壓）；

（5）半恒定時間設置參數：分析歷時、水力計算時間步長、模式時間步長、記錄時間步長、記錄開始時間、開始計時時刻。

2.3 在半恒定水力計算中的應用

半恒定水力計算是對一個時段內的管網水力情況進行的一系列穩態分析，包括水量分配和壓力分區，每一次分析都要涉及時段。每個時刻假設管道流量恒定，并且在時段內沒有外部條件變化。因此，每一個時段的計算結果是根據之前時段的計算結果得出的。由于在工程實際中恒定流只存在于有限的時段內，從長期來看，半恒定水力計算更能反映管網的實際運行過程。

通過實例驗證了MIKE URBAN軟件可對管網進行半恒定水力計算，且分析結果符合工程實際。同時，明確了軟件進行半恒定水力計算分析的初始條件：

(1)交叉點的初始條件：高程、流量；

(2)管道的初始條件：管材、管長、管徑；

(3)水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

(4)泵站的初始條件：水力曲線；

(5)閥門的初始條件：設置值（減壓閥的減水壓）。

(6)半恒定時間設置參數：分析歷時、水力計算時間步長、模式時間步長、記錄時間步長、記錄開始時間、開始計時時刻。

2.4 在水質模擬中的應用

水質分析包括消防流量分析、水源水質追蹤分析、水質水齡分析、水質余氯分析等，是對延長的時段進行的一系列水質分析，每一個分析都要涉及時段。用軟件對管網進行模擬得出各種元素在管網中的動態變化，如水齡、水質、成分濃度等。

使用MIKEURBAN軟件對管網的水質進行模擬，實時反饋管網實際狀況以指導管網的合理設計、管道的及時維修和更換、調整管道布置和系統運行科學調度來保護和改善管網水質，以保障管網水質的安全。通過工程實例計算分析,明確了軟件進行半恒定水質計算分析的初始條件：

①交叉點的初始條件：高程、流量；

②管道的初始條件：管材、管長、管徑；

③水塔（水池）的初始條件：底部高程，恒定的HGL；

④泵站的初始條件：水力曲線；

⑤閥門的初始條件：設置值（減壓閥的減水壓）。

⑥半恒定時間設置參數：分析歷時、水力計算時間步長、模式時間步長、記錄時間步長、記錄開始時間、水質時間步長、開始計時時刻；

⑦水源點初始條件：水質成分的初始濃度。

3 結語

通過對軟件的研究和分析，并結合實際供水情況，發現軟件具有兩大功能：一是具有較強的管網水力計算校核和各種工況的模擬功能。對供水行政主管部門審查供水工程設計非常適用，可以有效的提高工作效率。二是具有在水廠生產運行中優化調度功能，但對實際運用條件要求較高，需要供水公司有非常完善的自動化調控硬件設施，如大量的電動閥門、傳感器、地理信息系統、信息傳輸系統等。同時，明確了各種應用的初始條件的設定，為軟件的推廣應用奠定了基礎。陜西水利

[1]嚴煦世，劉遂慶.給水排水管網系統（第二版）[M].

[2]周建華，大規模城市給水管網系統優化運行模型研究，博士學位論文.哈爾濱：哈爾濱工業大學[D].