市北供水管网水力模型的更新维护

2014-03-16张薇薇冯偲慜

净水技术 2014年1期

张薇薇，薛明，冯偲慜

(上海自来水市北有限公司，上海 200086)

随着计算机和信息化技术的广泛应用，供水管网水力模型(简称管网模型)已成为水司掌握管网运行状态、提高管理和服务水平的重要工具。管网模型功能强大，不仅能为管网规划、改扩建设计、泵站改造等重大投资建设项目提供科学的决策依据，还能为运行调度、漏损控制、管网水质分析等与水司管理和服务水平密切相关的业务提供科学的研究手段［1］。需引起注意的是，管网模型在实践中应用的可靠性与其精度密切相关。模型的精度不同，其适用范围不同，如用于管网水质分析的模型精度通常高于用于规划设计的模型精度。因此，为最大限度地发挥管网模型的作用，需在建模完成后，做好模型更新维护工作，适时地进行模型校核，以保证其具有满意的精度和可靠性［2］。

管网模型是以管网数据为支撑的数学模型系统，因此模型更新维护工作必然涉及模型数据的各个方面，其工作程序基本与建模过程类似，通常包括管网拓扑结构检查与更新、水量数据更新、参数测定、控制数据更新、实时数据维护、模型校核等一系列内容［3］。以市北水司供水管网模型［4，5］为例，对模型更新维护过程进行论述，并通过模型校核考查更新后模型的精度，最后对模型工作提出相应建议。

1 市北水司供水管网模型概况

市北水司供水范围内现有5座水厂，19座泵站(其中12座水库泵站)，总供水能力306万m3/d，水库调蓄能力30万m3，供水服务面积394 km2(不包括市北宝山自来水有限公司)，管网总长度5 782 km，总服务人口逾600万人。市北供水管网模型采用英国Info Works WS模型软件，现有模型(2009版模型)中包含管段64 173条，节点60 188个，水泵143台。

2 模型的更新维护

2．1 管网更新维护

管网更新的主要数据来源为市北供水管网GIS系统。通过对比GIS数据与现有模型数据，查询DN300以上新增管线，并在现有模型基础上添加新增管线。完成管线添加后，需检查管网中可能存在的重复管线，并检验管网的连通性。考虑到GIS系统维护工作中部分管线更新滞后的问题，为得到与实际管网更接近的管线拓扑结构，模型维护工作中需参考供水管理所CAD管线图及调度室管线并网阀门操作单，对实际增加而在GIS系统中未添加的DN300以上管线进行手工添加，同时针对CAD图与GIS系统中有出入的管网结构进一步核实确认。管网更新后，模型包含管段74 823条，节点70 821个，水泵143台。对于新增管线，需结合建模经验添加相应属性数据，如管道粗糙系数(市北模型采用柯尔勃洛克-怀特水头损失公式)。

2．2 水量更新维护

模型水量数据的更新涉及用户点更新、水量数据的处理、静态水量更新、用水模式更新及水量平衡分析等方面内容。

2．2．1 用户点的更新

用户点数据来自GIS系统的水表信息，涉及的水表类型共五类:非居民用户水表、用户接水点、非居民用户接水点、消防监视表、用户水表。将GIS系统中这部分水表导出，并与原模型导出的用户点数据进行对比。对需要删除的水表，直接在模型中删除;对新增加的水表，在模型软件中用“数据导入中心”更新。此外，根据需要手工添加一部分账务系统中有而GIS中没有对应关系的大用户点。最后将用户点数据按水表和接水点进行分类统计并保存。

2．2．2 水量数据的处理

模型的水量数据以2011年7月、8月两个月的营业抄表用水量数据为基础，并对存在的“特殊开账”情况进行相应的数据处理(如删除表分类为校对表的水量数据)，最后将7、8两个月的水量按账号取平均值，得到各账号日均水量。

2．2．3 静态水量更新

静态水量更新包括水量对应、水量分配及水量连接三个步骤。静态水量对应是指将统计得到的静态水量与用户点(分水表和接水点两种)或用水区块建立对应关系。其中，水表用户按照CUST_ID对应关系进行水量对应;接水点用户按关键字GJZ对应的账号进行水量的对应和叠加;与用户点无对应关系的账号水量按用水区块号C_KH进行统计。静态水量分配是指运用模型软件提供的相关功能，将用户点按一定的规则绑定到模型相应的节点上。水量连接是通过模型软件的“数据导入中心”功能，将建立对应关系的水量数据按“唯一区别符”更新到相应用户点上。此外，无对应关系的区块统计水量，运用模型软件的“节点多边形”功能将其分配到用水区块内DN300以上管道对应的节点上。

2．2．4 用水模式更新

市北供水范围内用户按用水性质分成20种用水类型，如居民生活用水、办公、商业等。通过远传水表监测系统获取用户一周水量变化数据，按照需要绘制不同类型用户的用水模式曲线，如图1所示。

图1 用水模式曲线Fig．1 Curve of Using Water Mode

2．2．5 水量平衡

通过上述水量分配，来自账务系统的水量都已分配到管网节点上，其中包括与GIS系统中用户点有对应关系的水量、手动添加的大用户水量和按块号分配的水量。但这部分水量往往小于管网供水量，两者的差值即为无收益水量。因此，模型中需添加未计量用水类型的水量。

市北管网模型为动态水力模型，在进行模型模拟时，除应保证模型中日水量与实际日供水量一致外，还需保持各时刻水量的动态平衡，即对于任一模拟时刻，模型分配水量与实际供水量相一致。在模型中，这种动态的水量平衡可通过调整未计量用水曲线来实现，模型软件提供了相应的功能模块。

2．3 模型参数测定

水泵的特性曲线是影响模型模拟结果的重要数据，包括流量-扬程、流量-效率、流量-功率曲线。由于水泵的特性会随运行时间发生变化，特别是对于进行叶轮切削的水泵，更需进行水泵特性的测定。进行水泵测试时，流量、压力和功率数据应同步获取，以保证数据的有效性和可靠性，具体操作流程应按相关国家标准执行，如水泵流量的测定方法GB/T 3214和离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法GB/T 3216。

2．4 控制数据

模型的控制数据主要包括水泵的开停状态、变速泵控制规则(频率、压力、流量等)、管网调度阀门及水库进水阀门状态、水库初始水位、吸水井水位等。其中水泵的开关、水库进水阀门开度、水库及吸水井水位等数据可从调度系统数据库中导出，并转化为模型软件所需格式(市北水司已开发相应接口工具);管网调度阀门开度可查询相关阀门操作单或调度令，对于一些记录不详的阀门，需与其所属供水管理所联系并确认最终阀门状态。对于变速泵，需向所属水厂控制室或泵站管理所确认其实际运行控制方式，并在模型中进行相应的设定(流量、压力或频率)，如月浦水厂4#泵按压力控制，管网中途泵站变频泵按频率控制运行。

2．5 实时数据

为建立与模型节点的对应关系，需在相应的模型节点(测压点和测流点)添加控制信息。测压点和测流点位置在调度系统测点属性资料中查找，并在GIS系统中进一步核实确认。实时数据来自调度实时监测系统(SCADA)，需转化为模型软件所需格式(市北已开发相应接口工具)。在模型中加载好实时数据后，需注意实测数据计量单位与模型运算单位的换算关系，设定相应的流量和压力系数。对于压力监测数据，应添加相应的仪表高程数据。

需注意，将实测数据加载到模型之前，应对数据的有效性进行检验，如剔除异常数值以及缺失数据填充。

3 模型校核

通过模型数据更新和维护，提高了模型基础数据的准确性。模型校核可发现模型中的问题，通过解决问题，最终提高模型精度和可靠性。本次模型校核选择2012年7月30日(日水量246．5万m3)作为模型校核日，进行模型校核。针对模拟结果与实测值的误差，可遵循从水厂到泵站再到管网的顺序对模型数据进行逐步核查，其中重点检查控制数据，其次是拓扑连接。对于一些压力、流量误差的突变点，应结合调度数据进行分析。初步模拟结果显示杨树浦水厂出厂压力偏高，通过核实相关控制数据发现，调度系统中杨树浦水厂7#吸水井水位数据未转化为吴淞高程;水库水位模拟误差较大，与水库进水阀门开度设定有关，因开度初始值按经验设定，与实际情况有出入，需通过模拟值与实际值的误差逐步调整开度;水泵的开停时间来自调度员手工输入调度指令，与实际水泵开停时间偶有出入，可根据水厂出厂流量或水库水位数据对其进行修正;通过对比流量仪数据，发现宝山供水区域普遍存在流量仪实测数据小于模拟值的情况，通过单独统计分析该区域水量，发现该区块分配的水量高于实际水量，需进行水量调整。

模型校核的过程是认识误差，消除误差的过程。经过校核，模型的流量、压力和水位模拟精度都有所提高，经统计，90%以上的测点压力误差在2 m以内，80%出厂流量的误差在5%以内，80%管网流量误差在15%以内。