基于水力模型的天津生態城管網運行狀態優化研究

祁振峰 林翊

【摘要】收集、分析、處理天津生態城供水管網的動態、靜態運行數據，在此基礎上，建立了生態城供水管網的水力模型并對其進行了校核。此外，運用管網模型，重點針對管網中低壓區的成因、管網壓力優化分布以及通過壓力管理實現的漏損控制效能進行了分析。

【關鍵詞】供水管網；水力模型；水力校核；管網分析

隨著計算機技術的發展，供水管網水力模型已經成為供水企業進行數據監測、優化調度、事故預警等工作的重要工具。水力模型是通過數學手段估計管網真實的行為、狀態的一種方法，具有管網靜態信息管理、管網水力平差、管網實時水力模擬等功能。通過管網模型，能實時的反應管網的運行情況，同時對管網中各個構成元素的功能進行分析，及時反饋、處理管網運行中遇到的問題，有利于管網維護、管網突發情況預測和管網系統的近期、長遠期升級改造和優化擴建。本文首先介紹了天津生態城供水系統的組成，以及生態城供水管網水力模型的建立及校核，最后運用水力模型對生態城供水管網的問題診斷與優化運行進行了案例應用。

1、背景介紹

中新天津生態城位于中國國家發展的重要的戰略區域——天津濱海新區范圍內，毗鄰天津經濟技術開發區、天津港、海濱休閑旅游區，地處塘沽區、漢沽區之間，距天津中心城區45公里，距北京150公里，總面積約31.23平方公里，規劃居住人口35萬，是中國、新加坡兩國政府戰略性合作項目。中新天津生態城運用生態經濟、生態人居、生態文化、和諧社區和科學管理的規劃理念，聚合國際先進的生態、環保、節能技術，造就自然、和諧、宜居的生活環境，致力于建設經濟蓬勃、社會和諧、環境友好、資源節約的生態城市。全面貫徹循環經濟理念，推進清潔生產，優化能源結構，大力促進清潔能源、可再生資源和能源的利用，加強科技創新能力，優化產業結構，實現經濟高效循環。生態城主城區供水系統目前供水人口約5萬人，服務面積30km2，主要由南部和北部兩個泵站通過外部輸水管道向生態城區供水。

目前生態城供水管網已經建立供水地理信息系統，同時也建成了SCADA、營業收費系統，基本實現了供水管網運行管理的信息化。但由于管網規劃規模與實際建設規模的差異，目前管網運行管理中尚存在管網壓力分布不均、運行管理不夠優化、漏損率有待進一步降低等問題。針對上述問題，生態城開展了供水管網動態水力模型的建設，并運用水力模型開展了一系列管網優化運行的案例研究。

2、水力模型的構建

生態城供水管網水力模型建設整過程可分為基礎數據準備、模型初步建立、模型校核三個階段。詳細流程如圖1所示。

2.1 管網數據收集與處理

供水管網的數據可以分為靜態數據和動態數據。靜態數據是指管網中長期不變動的屬性數據，如節點坐標、管道長度、管道材料，或變動非常緩慢可以作為不變處理的屬性數據，如管道摩阻系數等。動態數據是指管網日常運行中隨著時間經常性、大幅度變化的屬性數據，如用水量、管道流量、節點壓力等。供水管網日常運行中的供水量、營業收費數據、SCADA監測數據多屬于動態數據。

對于靜態數據收集，生態城目前已經建成地下管線系統的GIS平臺與CAD平臺。在GIS平臺中，除了節點和管段之間的空間關系信息外，還包括了節點坐標、地面高程、管段直徑、管段材料、管段埋深等關鍵數據，屬性信息豐富，但缺乏維護，圖形不完整，孤立節點、管段數量多，部分熔斷缺失。CAD平臺由工程人員保持維護更新，使得供水管網的CAD圖紙與實際情況保持一致，管網連接關系完整，管網圖上具有用戶變量、流量計等用水信息，但屬性信息不如GIS豐富、位置信息不如GIS準確。

為建立準確的供水管網水力拓撲模型，此處以GIS平臺供水管網數據為基礎，導入供水管網模型軟件，結合CAD平臺供水管網數據，對已有管網資料進行增補或刪減，最終得到模型的供水管網圖。供水管網模型由市政道路供水管段組成，不包括小區內部供水管道，模型建設至進小區的水表位置。結合GIS系統及CAD系統管網數據，刪除孤立節點，連接相應管網，增補刪除部分管段，得到最終的供水管網模型圖

生態城供水管網的動態數據主要包括供水調度臺賬、SCADA監測等提供的壓力、流量數據。管網中共有18個壓力流量監測節點，其中100個在市政道路管網中，8個在小區管網入口，南、北泵站也分別設置的壓力監測點。通過統計并導入用水節點流量及泵站出口壓力數據，建立了管網流量壓力的動態變化模式參數。

2.2 管網供水模型建立與校核

將2.1中所述的靜態數據及動態數據經過整理并導入到模型軟件中，初步構建得到生態城的供水模型，如圖2所示：

模型初步建立后，進一步進行模型準確度校核。即通過調整模型中預先設置的參數，使模型輸出值與觀測值匹配的過程。根據管網壓力初步模擬數據與實測數據的差值，結合現場對管段服役狀態的調查，對生態城管網模型中的部分管段的阻力系數進行調整，使壓力模擬數據盡可能接近真實數據。結果表明，市政道路管網中共有十個壓力監測點，除了漢北路的壓力為負值、中天和風路交口設備缺乏數據外，另八個正常運行運行的節點中，除動漫北路實測壓力低于模擬1m左右外，其余模擬誤差均低于0.5m（如圖3所示）。

圖4給出了北部泵站流量和市政道路監測點南部泵站出口流量的對比數據。從圖中可以看出，泵站及泵站附近的管道流量實測與模擬值的吻合度較高，作為管網的主干供水管道，平均流量誤差位于[-15%，15%]范圍內，模型能準確的反應管網的實際運行情況，模型建設精度符合使用的要求。

3、模型應用

3.1 低壓區診斷及分析

根據生態城運行狀況，南部泵站附近部分區域運行壓力較低，常出現水壓不足的情況。兩個低壓區域距南部泵站距離分別為1000m和2200m。在距離泵站較近的位置出現低壓情況，初步判定為管段出現堵塞或者漏損情況。為確定低壓區成因，使用水力模型對其進行模擬。通過對模型的分析可發現，動漫北路附近的壓力模擬值比壓力實測值要高1m左右，初步判定動漫北路壓力監測點附近管道產生了堵塞。對此，將動漫南路DN300管道關閉大部分模擬該管路堵塞狀態，所得的管網壓力模擬結果如圖5所示，可見壓力值模擬結果在用水高峰期下降了1m左右，與實際檢測情況符合。由此，可認為此段管道堵塞或閥門處于關閉狀態的可能性較高。

針對該段管路，進一步開展了沿線現場測壓，根據現場測試的情況，管網大部分水力坡度相差較小，為0.0008左右，而動漫南路的管道測壓點水頭損失偏大，接近0.0058，與模型模擬情況基本符合。

3.2 供水管網壓力分布優化與漏損控制效能分析

目前生態城供水管網的用水節點主要集中在南部區域，但南部泵站由于受到泵前輸水管道輸水能力的限制，在高峰供水時刻不能滿足南部管網的用水需求，需依靠北部泵站向南部管網補充供水，導致北部泵站的出口壓力高于南部泵站3m左右，浪費能量的同時，也增加了管網漏損的可能性。

針對此問題，生態城供水管理部門提出了優化管網供水運行壓力、進一步降低管網漏損率的技術方案。具體包括通過在中成大道鋪設600mm聯絡干管，增強北部泵站向南部管網補充供水的能力，同時降低北部泵站的運行壓力2m，減少管網漏損量。針對上述方案的實施效果，本研究利用建成的動態水力模型進行了模擬，具體如下：

由圖6可見，經過管網結構及泵站運行調控，南部區域壓力有較明顯的降低，經模擬計算，北部泵站的供水量較優化前有顯著提升，南北泵站的出水量由優化前的1.5：1.0變為0.25：1.0，極大緩解了南部泵站供水量瓶頸，同時在滿足控制點壓力需求的前提下，降低了管網整體運行壓力。

對于優化壓力運行后的漏損控制效果，計算分析如下：

根據文獻[4]，管網背景漏損量與運行壓力存在以下關系：

（1）

式中： 為管段ij的漏損量；α為漏損系數；β為漏損指數；、分別為管段ij起始節點的壓力；

管網總的背景漏損量可按下式計算：

（2）

根據供水及售水量統計數據，生態城管網整體產銷差率為6%，考慮到園林綠化等用水均實現了收費計量，可認為當前生態城漏損均為管道的真實背景漏損，根據式（1），結合管網水力計算的各節點壓力結果，可以反算確定生態城管網的背景漏損系數α以及漏損指數β。

根據式（1），變形可得：

（3）

兩邊同時取對數，得：

（4）

令，，，，則上式可化為形如的線性方程，可根據以下最小二乘法公式求出系數、的值。

（5）

假設管網背景漏損量按管網沿線為均勻分布，且單根管道的漏損量與管道壓力呈正相關關系，則單根管道的背景漏損量為

（6）

式中，表示單根管道的漏損率與其壓力的C次方成正線性關系。

通過計算，壓力優化前生態城管網背景漏損率為6%，平均每天漏損量為1189m3/d。將管網數據帶入上述最小二乘法公式，得，。

經過管網改造及泵站壓力調控運行后，管網漏損率降至5.2%，平均每天漏損量為1030.5m3/d，相比調壓運行前下降158.5 m3/d，每年可降低管網漏損量57852.5m3，若按照生態城購水成本3.5元/m3計算，可節省運行成本20萬元。

4、結論與建議

本文建立了天津生態城管網的水力模型，并依據水力模型進行了管網低壓區診斷與壓力分布優化的工作。從水力模型流量校核的情況來看，本水力模型可以較好的反映天津生態城管網的日常運行情況，并可以有效地輔助診斷管網低壓區的原因。特別低，管網水力模型對于生態城供水管網壓力優化及漏損控制效能評估起到了核心作用，有力支撐了管網優化運行的方案決策。未來水力模型對供水公司的管網維護、故障分析、應急情況處理等工作可進一步發揮重要的決策支持作用。

需要說明的是，天津生態城管網建模的工作仍有提升的空間。首先，應進一步提高水力模型的精度，以更進一步提升模型的準確性和有效性。其次，可在水力模型的基礎上建立管網水質模型，對生態城供水系統的水質進行模擬分析、監測，保障用戶的用水安全；最后，應進一步完善管網的智能化工作，增強SCADA設備維護，增加在線監測流量計，完善GIS系統數據，建立常態化數據分析體系，加強生態信息化平臺數據分析。

參考文獻：

[1] Walski T M， Chase D V， Savic D A. Water distribution modeling[J]. 2001.

[2] 信昆侖，劉遂慶. 城市給水管網水力模型準確度的影響因素[J].中國給水排水，2013，19（4）：52-55.

[3] 吳雙利. 城市供水管網水力模型校正技術研究[D].青島理工大學，2011.

[4] 陶濤，張俊，信昆侖，李樹平. 基于布谷鳥算法的給水管網調壓閥優化設計. 《同濟大學學報自然科學版》， 2016， 44（4）：600-604