给水管网设计和运行管理科技发展与技术应用

刘遂庆 王荣和
同济大学环境科学与工程学院

　　摘要：本文简要阐述给水管网设计和运行管理现代科学技术的进步和应用现状, 对我国的发展方向提出了作者的见解和设想。管网优化设计计算、管网水力与水质模拟、管网优化调度、信息化和智能化运行管理及科技交流信息网络构成了当前给水管网新理论和新技术研究和应用发展的基本方向，对于城市供水企业提高经济效益和企业科技水平将起到根本保证的作用。在给水行业内组织高科技研究和产业化，是给水行业科技进步的可行道路。
　　关键词：给水管网、科技发展、优化设计、优化调度、智能管理、科技信息网、行业高科技产业化

　　1　概述

　　给水管网系统是一个由各种管道、泵站、水塔、调节阀(阀门、减压阀、检查阀等)等多种设施构成的水输送系统，通过系统的合理设计及运行管理，可以节约大量工程投资，提高企业经济效益和现代化科学技术水平。管网系统的投资很大，同时涉及到的影响因素也很多，如何最优地确定这些设计参数，使系统在满足用户要求的前提下，达到投资及运行费用最省；如何在已知某些系统参数的情况下，分析系统的运行状况，以便进行优化调度自动化控制等，这些都是给水管网设计及管理人员迫切需要解决的实际问题。
　　随着计算机的出现及其应用软件的发展，给水管网水力计算有了很大的发展，在理论及算法上日趋完善。对于给水管网优化问题，国内外给水管网研究工作者已做了大量的研究和探索工作，并取得了丰硕的成果。计算机和计算技术的飞速发展，为管网设计与管理提供强有力的支持和推动。按照Lee Cesario如表1所示的分析，可以看出管网模型发展的显著变化。

表1 管网模型发展历史 30年代 Hardy-Cross 手工求解法 40年代 McElroy 电子分析器 50年代 室内模型，电子管计算机 60年代 院校开发程序系统，晶体管计算机 70年代 数学模型和计算方法发展，计算程序开发和应用阶段，小型计算机 80年代 用户界面、软件包及拟稳定状态模拟系统，大规模集成电路微机 90年代 软件接口、图形化软件集成设计、信息管理、智能化及自动化运行及水质模拟系统，大规模集成电路微机，PLC，SCADA，GIS

　　1970年代中，利用计算机进行给水管网水力计算的理论和方法在大学和研究机构得到了广泛而深入的研究，成功地开发了许多专业应用软件，如美国Kentucky大学Wood-Charles程序(1972)，美国Utah州立大学Jeppson程序(1976)，并由软件开发公司推出一些程序，如FAAST、WATSIM(1974)等。我国也随之开始从事这方面的研究，并推出一些实用程序，如给水管网水力计算程序747、749、7512、767等程序(同济大学杨钦教授等)，为我国给水行业计算机应用奠定了十分重要的基础。这一时期研究的重点在于水力分析和标准优化设计计算，形成拟稳定状态水力模拟的完成数据模型。80年代，软件开发走向商品化，并开始重视拟稳定状态水力模拟系统和GIS、CAD技术开发和应用。这一时期典型的程序系统如AQUA(Akron大学，1985)、WADISO(Gessler-Walski,1985)。90年代是软件系统蓬博发展的时期，出现了大量的商品化软件，如PIPE-FLO、WaterMap、FAAST-3、KYPIPE2、EPANET、WATNET、H2ONET、8M、STONER、SynerGEE等，在国内，同济大学开发完成的软件有HYPNW（1992）、WPNCAD（1994）、WDOC（1998）、WPNCAD（1998）等。各类应用软件向着智能化、图形化方向发展，并为用户提供方便的界面和强大的功能。以管径优选法(Loubser和Gessler,1990)和遗传算法(Murphy、Simpson和Dandy,1993)为代表的优化算法可能会是管网优化技术真正走向市场的途径，以拟稳定状态模拟技术(Gessler和Walski,1989)进行管网系统优化调度，也已开始了工程应用和软件商业化阶段。
　　应用计算机进行给水管网运行管理和优化调度科学技术在1990年代得到了快速发展，以信息技术和智能化、自动化控制为目标，运用PLC、SCADA和GIS技术，形成了完整的节约能量、节省人工、减少漏损、保护水质等的以计算机为中心的现代高科技管理系统，逐步形成了给水管网运行管理和自动优化调度高科技产业。

　　2　给水管网优化设计和经济管径

　　给水管网系统的水力平差设计计算，在算法上已十分成熟，在计算规模、计算速度和计算机精度上，随着计算机技术的发展，已不再是平差计算的约束问题。如WDOC、WatNET、STONER、SynerGEE等软件系统，都可方便地解决成千上万根管段的平差计算问题。
　　然而，目前经常遇到的问题是管网拓扑模型的简化、不同种类管道摩阻系数的确定需要与工程实际保持一致，才能使计算结果具有工程实用价值。当软件使用者缺乏工程认识和经验时，往往得出片面结果，甚至造成直接经济损失。在进行管网设计计算时，必须引起足够重视。具有扎实理论基础和工程经验的软件使用者，可以通过比较计算结果和实测数据发现管网中存在的设计或运行问题，诸如管道锈蚀、漏水、闸阀盲目关闭或水泵运行失常等，为管网合理运行和调度提出改造方案，满足合理管理和运行的要求。
　　管网优化设计计算，主要是为了进行新建或扩建管网的规划设计和初步设计，使其达到在投资(管径)及常年运行费用(水泵扬程)最小的情况下，满足用户对水量和水压的要求。优化设计计算方法是在建立经济模型和优化计算数学模型，并提出多个约束条件后，通过一定的数学算法，得出最经济的管径及水泵扬程。在经济管径条件下运行的流速称为经济流速。
　　经济管径或经济流速是管网优化设计的计算结果，也是用于检验一个管网设计或运行优劣的一个手段。如果管网水力平差计算结果表明管段流速均远离经济流速的范围，即应该对管网的设计或运行管理方法提出质疑，并寻求解决问题的办法。
　　根据历史纪录和经验，在一般情况下，给水管网中管段直径小于1m时，经济流速在0.5 -1.0m/s之间，对于大于1.0m的管径，经济流速在1.0 – 2.0m/s之间。近年来，作者对某些城市供水管网进行计算，发现管段流速普遍较低。这是近年来我国城市给水设施快步发展的结果，同时也出现了设施建设富余量过大的问题。我们需要针对当前的经济规律和状况，开展经济流速和经济管径的研究，确定各城市和地区的经济流速和经济管径，提高供水企业的经济效益和科学管理水平。

　　3　管网系统优化调度和水质模拟控制

　　给水管网系统的调度及管理，需要管网模型的建立、用水量预测预报以及自动控制及实施。管网模型的建立，在计算机硬件水平较低的年代，经历了自微观模型、宏观模型、集结模型、等价网络模型，随着计算机大容量、大内存、高运行速度的发展，最后又回到微观模型的过程。Robert Demoyer等首先提出基于“比例负荷”假定的“宏观模型”，只需要过去的运行数据就可以借助统计回归分析离线建模，采用渐消记忆算法也可以实现在线建模。同济大学于1988年在国内进一步提出基于“时段比例负荷”的“时段宏观模型”。配水控制问题，提的较多的是如何确定最佳的泵站调度方案，使供水能耗耗最省，也有以实现等压配水控制为目标的。
　　管网系统的优化调度是供水企业科学管理和科技进步的重要内容，是管网运行信息化、智能化和自动化运行和结合，需要建立以计算机网络为中心的梯级PLC网络系统，利用SCADA和GIS等提供管理信息，形成完整的节约能量、节省人工、减少漏损、保护水质等的的管理系统，实现给水管网优化调度。
　　给水管网水质模拟是计算跟踪管网水中溶解物质的传输与各时间内流经路线和分布。水质模型可分为稳态模型和准动态模型二种。
　　（1）稳态模型
　　假定管网处于水力稳定状态，在一定的运行负荷下，物质沿着流动路径和时间运行，达到水质稳定。数学模型为：

　　 　　　　　 　　　　　(1)

　　 　　　　　(2)

　　管段浓度方程：C_u,ji＝C_j
　　　　　　　　　C_l,ji=C_u,ji
　　　　　　　　　C_l,ji=C_u,jie^-KT

　　式中，j,k:分别表示节点j的上游和下游邻接点；q_ji，q_ik：管段流量；
　　　　　Q_s，C_s:水源供水量及进水浓度；C_u,ji:管段＜j, i>起端浓度；
　　　　　C_l,ji:管段＜j, i>末端浓度；K：管段＜j,i>中物质反应速率常数；
　　　　　K：管段＜j,i>中的流径时间。

　　保守物质沿管线流动过程中，浓度不发生变化，末端浓度等于起端浓度。非保守物质在流动过程中同时发生着反应，以一级反应为例，反应动力学方程为：

　　 　　　　　　　　(3)

　　物质沿管段流动过程中发生衰减，以不同于管段起端的浓度进入下游节点。
　　水源供水比例数学模型为：

　　 (4)

　　 (5)

　　 (6)

　　式中，j:节点I的上游邻接点；P_s,i,P_s,ji：水源S对节点i和管段＜j,i>的供水比例；

　　q_ji:管段流量； Q_s：水源供水量。
　　水在管网中流经时间的数学模型为：
　　式中，A_i,A_j:节点i和i的上游邻接点j的流经时间；t_ji：节点i的入流管段＜j，i＞中的流经时间；Q_s,A_s:水源供水量和时间。
　　（2）准动态模型
　　准动态模型的计算结果要比稳态模型的可信度高，因此，在实际工程中，大部分采用准动态模型。
　　1）对流扩散方程：
　　假设水中溶解物质在管段横截面上均匀分布，其运行规律和传输可用一维对流扩散方程来表示。
　　 (7)
　　式中，C_i(x,t):管段i中，t时刻x位置的浓度；D:扩散系数；S：源（或汇）在单位时间单位体积增加（或减少）的物质质量；K₀:零级肥应速率常数；K₁：一级肥应速率常数；C_E：反应达到平衡时的浓度。
　　2）节点混合方程
　　假设水流在节点处瞬时完全混合，所有以该节点为起端的管段起点处的浓度都相等。
　　 　　　　　　　　　　　　　(8)

　　式中，C_i(0,t):时刻t,以节点K为起端的管段i的起端浓度;C_i(L_j,t):时刻t,以节点K为终端的管段j的末端浓度;S：源（或汇）在单位体积内增加（或减少）的物质量；K：流入节点K的管段的集合。

　　4　给水管网系统科技进步方向和任务

　　随着计算机及控制管理科学技术的进步，给水管网设计、运行与管理科技水平有了很大的发展，国内外给水管网研究工作者已做了大量的研究和开发工作，并取得了丰硕的成果，为管网设计与管理提供强有力的支持和推动。经过我国的改革开放和技术引进，已经应用了大量先进的科学技术，提高了科技水平和效率。然而，与发达国家相比，我国还存在着较大差距。中国是一个大国，是一个十分广阔的科技市场，而且面临着加入WTO的形势和机遇，我们迫切需要加快步伐和力度，深入开展下列科学研究，形成适合中国国情和特点的高科技产品和市场。
　　1）管道材料：管材的品种和质量是决定给水管网设计和运行经济效率的重要保证，我们需要开发研制耐压、防漏、光洁度高和价格便宜的管道材料，以适应我国给水工程发展需求。
　　2）管道检漏及防漏技术：管道漏水供水系统中普遍存在的问题，是供水企业长期重视和需要解决的问题。检测漏水和防漏已经成为一项高科技应用技术，在我国具有显著社会及经济价值，具有重要开发价值和科技进步意义。
　　3）给水系统自动化控制和调度成套技术设备：给水系统自动化控制和调度具有明显的行业特点和市场广泛性，我国给水行业应具有自己的专业技术研究和成套设备开发及经营管理队伍，可以形成行业专门化成套产品和市场。
　　4）给水系统计算机技术和软件开发：根据我国市场需求，利用我国已有科技成果和科技力量，吸收国外先进经验和成果，开发我国自己的计算机应用技术和成套软件，将对我国给水行业科技进步和提高经济效益起到重要推动作用。

参考文献
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