一種基于CAD圖紙的管網建模開發方法

阮 婷， 孫國勝， 趙 焱， 高金良， 王晶惠， 張昭君， 鄭成志

(1.廣東粵港供水有限公司， 廣東 深圳 518000； 2.廣東粵海水務股份有限公司， 廣東 深圳 518000； 3.哈爾濱工業大學， 黑龍江 哈爾濱 150090 )

給水管網系統建模是為模擬管網系統動態實時運行工況而建立數學模型的過程，通過管網模型可以掌握已建管網的實時運行狀況，發現存在的問題。同時，可預測管網維護和改造對整個系統的影響，從而為合理地制定近、遠期管網改造和擴建計劃提供科學依據。

1 管網建模流程

1.1 基礎資料收集

給水管網建模基礎資料的收集主要包括管網、水廠和用戶3個方面，其中管網資料包括主干管、配水管及管道附件情況、管道埋深、鋪設年代、管材等信息；水廠資料包括水廠設計及運行資料、二泵房基礎資料；用戶資料包括用戶水量、用戶分類、大用戶位置及水量等。

1.2 管網模型的初步建立

1.2.1 建立步驟

管網模型的初步建立分為4個步驟：建立管網模型數據庫、拓撲結構檢查、管網節點用水量分配和管網初步平差。

一般情況下，管網模型數據庫可根據所使用的建模軟件類型，應用3種基本數據輸入程序或其中幾種組合。常用的數據庫建立方法包括：

① 手動輸入數據，這是一項比較繁瑣耗時的工作，尤其對于規模比較大的系統。

② 在不同文件間轉換數據，某些情況下需要手動編輯，特定情況時必須考慮數據來源和類型，以確定最合適的數據轉換方法。

③ 利用各種文件建立模型，直接將GIS、水費數據庫和其他來源的數據導入模型。

1.2.2 采用CAD圖紙建立數據庫

對于某些基礎資料欠缺的供水企業，并無供水管網GIS系統和其他可以與建模軟件相互轉換的管網數據，僅有CAD圖紙。手動輸入管網資料工作繁瑣，且容易出錯。因此，基于CAD圖紙通過軟件處理建立管網模型數據庫，在無基礎資料的工程中顯得非常必要，其具體處理方法如下：利用dxf2epa軟件[2]將CAD圖的管段導入到EPANET管網建模中，自動形成管道長度和編號；圖紙中的水塔、水泵和閥門等可導入為連接節點或者管道，隨后被轉換或簡單加入。但是這種處理方法會因為CAD圖紙中管段位置距離較近、管段長度太短、管段未定義節點等原因，導致管段不易被dxf2epa軟件識別，后續需花費大量時間來檢查導入EPANET中管網的拓撲結構，例如管網孤立點及孤立管線、重疊管線、管網中存在相同端點的管線、管線的連通性等。

在管網形成數據庫的過程中，為了避免采用dxf2epa軟件形成數據庫的缺點，在進行管網落圖過程中，可采用專業管網設計平差的鴻業軟件。將管網信息落入到該軟件中，并對管網進行識別標高、重合節點檢查、節點與管段的連接情況檢查、節點流量初次分配等步驟，形成軟件能夠平差的管網圖。平差結果導出為Excel格式的文件，但管網節點的坐標不能同時導出，需另外重新導出。此后，將Excel格式的文件轉換為EPANET軟件能識別的txt格式的文件，可建立管網模型的基本數據庫，且不會改變管網的拓撲結構，其流程見圖1。

圖1 管網模型數據庫建立的流程Fig.1 Process of establishing pipeline network model database

建立管網模型數據庫后，對管網拓撲結構進行檢查、完善，并對水廠、大用戶和監測點等落圖、賦屬性。然后確定管網建模基準日，對管網進行水量分配和模擬平差計算，平差計算通過或沒有平差錯誤提示則說明管網模型基礎數據庫已建立。下一步需對管網模型進行校核，這是管網建模中的重要環節，未經校核的管網模型難以應用于實際生產中。

1.3 模型校核

管網校核一般采用4次預校核(主要為靜態校核)和最后精確校核(主要為動態校核)，具體校核流程如表1所示。

表1 供水管網模型校核流程Tab.1 Checking process of water supply network model

模型校核完畢后，還應對模型校核結果從時間和誤差種類兩個角度進行分析。時間角度分析，即對各測壓點以時間為主要目標，分析不同時刻誤差的大小，進而判斷動態魯棒性；誤差種類角度分析，即分析測壓點誤差種類，進而避免異常測壓點對整體計算結果的干擾。

2 應用實例

南方地區BY縣供水范圍為80 km2，DN100以上管網長度為410 km，供水能力約為9×104m3/d，供水用戶9萬余戶，管網基礎資料較差，僅有CAD圖紙。

2.1 管網模型初步建立

在BY縣僅有部分CAD圖紙的情況下完善CAD圖紙，形成管網模型數據庫。形成的管網基礎數據庫中有節點2103個、管段2172條、閥門1343個、消防栓805個，如圖2所示。

圖2 管網模型初步建模效果Fig.2 Preliminary modeling effect of pipe network model

2.2 管網模型的校核

形成管網模型數據庫后，對管網拓撲結構進行檢查。經過數據整理篩選，選取2013年11月30日為建模基準日，對模型進行校核。

2.2.1 第一次預校核

針對該項目將管網圖分成29張A0+圖紙進行現場實地校核。逐張圖紙校核管段的連接關系、管徑、管材、管長，同時盡可能統計、核實管段的敷設年代。經核實發現有誤管段221條，占總管道的4%以上。

2.2.2 第二次預校核

經過數據整理篩選，選取2013年11月30日最高時11：00和最低時2:00進行靜態校核，在靜態校核的基礎上對水廠水泵出口流量和壓力值進行24 h逐時動態校核。在靜態校核過程中需校核的靜態數據包括：各水廠的清水池池底標高、出廠壓力監測點地面標高、水泵特性曲線。需校核的動態數據包括：對應最高時和最低時的水泵開停狀況、變頻水泵開啟度、清水池水位、出廠流量及出廠壓力。

在校核過程中，水泵特性曲線、水泵開停狀況和變頻水泵開啟度的影響相互關聯，應通過經驗與數據分析擇優選擇，盡可能縮小出廠流量、壓力的誤差。模型24 h動態校核與靜態校核類似，一般24 h動態校核不需要調整靜態數據，主要對動態數據進行調整，以減小出廠流量、壓力誤差。

2.2.3 第三次預校核

該模型校核中，將每月用水量達到或超過1 000 m3的用水戶定義為大用戶，經用水量數據收集與分析得到BY縣總共有142個大用戶。該次校核與調整的參數有：校核大用戶在建模月(2013年11月)的用水量、大用戶落圖位置、用戶水表口徑、用戶用水類別、用戶用水24 h變化規律曲線等。

經校核得出大用戶落圖位置有誤的大用戶有28戶，用戶水表口徑有誤的用戶有5戶。用戶用水類別和用戶用水24 h變化規律曲線對后續校核影響較大，用戶用水類別根據大用戶情況分為商服、居民、工業、機關、醫院、學校、洗浴、區域供水及其他共9個類別。根據管網遠傳水表數據和其他城市已有的24 h變化規律曲線，分析形成BY縣管網建模用戶用水24 h變化規律曲線，如圖3所示。

圖3 大用戶24 h用水量變化Fig.3 Change of water consumption of large consumer in 24 hours

2.2.4 第四次預校核

該模型校核中包括28個在線壓力監測點和21個流量監測點。流量監測點的校核是將模型基準日的24 h流量數據作為管段流量,并將該管段以及與其相連的管段作為一個獨立區域，建模軟件自動分配獨立區域內的管網節點流量，通過該種方法處理可實現流量監測點無誤差校核。

在線壓力監測點校核分為靜態校核和動態校核，本次校核是對在線壓力監測點進行靜態校核，選取最高時11：00和最低時2：00進行校核。壓力監測點靜態校核需要核實與調整的參數有：壓力監測點地面標高、節點用水量、管段粗糙系數C值[1]。節點用水量的調整可通過用戶用水量變化曲線來調整，管段粗糙系數C值的調整會影響所有與其相連管段的水頭損失，因此需注意調整某條管段的C值后對其他相連管段上測壓點壓力的影響。

2.2.5 精確校核

校核管網中的壓力監測點，校核基準日24 h壓力監測值與真實值是否相符，即壓力監測點24 h動態校核。該校核中調整的主要參數與第四次預校核調整的參數類似。但本次校核需要保證測壓點24 h壓力監測值盡可能與真實值相符，某個時刻節點用水量調整同時會影響其他時刻用水量；某個時刻某條管段粗糙系數C的調整會影響其他時刻與之相連的管段的水頭損失。每條管段都有其管段粗糙系數C，校核中具體選擇調整哪條管段，需要綜合考慮和多次嘗試，這一系列因素增加了模型校核的復雜度。該次校核以調整管段粗糙系數C值為主，在一定情況下適當調整節點用水量，通過無數次反復調整與模擬，達到模型校核要求。

2.2.6 模型校核結果分析

首先以2013年11月30日11點作為模型校核基準點，調整模型各參數。然后以該日數據進行24 h動態校核，共有26個測壓點參與校核，管網壓力校核模型校核結果如圖4所示。

圖4 測壓點24 h計算值與實測值誤差分布情況Fig.4 Distribution of error of calculated value and measured value of pressure point in 24 h

分析可知：全天98%以上的整點時刻下測壓點計算誤差值滿足要求，其中包括管網最高時11：00和最低時2：00兩個特征點。關鍵時刻壓力計算值誤差較小，證明24 h壓力計算魯棒性較強[3-4]，符合管網壓力變化總趨勢。

3 結語

① 采用dxf2epa軟件將CAD圖紙管段信息導入至EPANET建模軟件中，會因為CAD圖紙中管段位置距離較近、長度太短、無定義節點等問題，導致管段不易被dxf2epa軟件識別，后續需投入大量時間來檢查管網的拓撲結構。

② 采用鴻業軟件并經過一系列步驟，可將CAD圖紙處理成Epanet軟件可識別的模型數據庫，且不會破壞管網的拓撲結構。

③ 通過對CAD圖紙進行處理并建立BY縣管網模型，采用26個測壓點數據進行全天24 h數據校核，98%以上的監測點數據誤差均在±2 m之內，模型魯棒性較強，符合管網壓力變化總趨勢。