建立上海市計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型

建立上海市計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型研究論文名稱：建立上海市計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型研究

作者：陶建科

摘要：計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型能為給水管網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制和科學(xué)管理提供可靠的信息來源；本文闡述了建立上海市計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型的研究方法，實(shí)踐證明是成功的，具有重大的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵字：給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)分析水力模型現(xiàn)場測試校驗(yàn)上海市自來水公司供水系統(tǒng)是世界上最大的供水系統(tǒng)之一，由16座水廠、42座泵站和6300km的供水管線組成，供水區(qū)域?yàn)?90km2，裝有220萬只水表。1998年日最高供水量為650.1×104t。近年來，隨著上海市的高速發(fā)展，給水管網(wǎng)的改擴(kuò)建及給水管網(wǎng)的日常操作管理引起人們的關(guān)注。

上海市給水管網(wǎng)的改擴(kuò)建主要指由于上海市區(qū)向郊區(qū)延伸，原有的某些給水設(shè)施(泵站、水庫等)不合理性日益明顯，引起了宏觀規(guī)劃問題；由于大量的低層房屋被高層代替，局部用水量增加，引起了局部用水量的規(guī)劃問題。長期以來，上海市供水管網(wǎng)的日常操作(主要指水源調(diào)度、管網(wǎng)的維護(hù)和更新)主要是憑借經(jīng)驗(yàn)，而不是建立在科學(xué)的理論體系之上。

建立計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型(包括計(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)宏觀動(dòng)態(tài)水力模型和詳細(xì)動(dòng)態(tài)水力模型)，是解決這個(gè)問題的最有效手段。宏觀動(dòng)態(tài)水力模型主要用于上海市給水總體規(guī)劃活動(dòng)的分析，包括優(yōu)化現(xiàn)有的給水設(shè)施，規(guī)劃新給水設(shè)施，為上海市供水系統(tǒng)的改擴(kuò)建提供宏觀的、總體的分析策略。詳細(xì)動(dòng)態(tài)水力模型主要用于上海市供水系統(tǒng)的日常操作、維護(hù)和更新的活動(dòng)分析，包括為管網(wǎng)的更新和維護(hù)提供科學(xué)的操作管理方法，為區(qū)域性的給水管網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和更新的優(yōu)先性評估提供科學(xué)依據(jù)。1研究方法1.1建立計(jì)算機(jī)供水管網(wǎng)圖形［1、2］

計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形應(yīng)該包括供水系統(tǒng)中的所有供水設(shè)施及其圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)(如管道直徑、節(jié)點(diǎn)標(biāo)高、位置坐標(biāo)等)。一般有兩種方法建立計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形，一種是用數(shù)字化板將供水設(shè)施數(shù)字化輸入管網(wǎng)建模軟件，形成點(diǎn)線結(jié)構(gòu)的管網(wǎng)圖形；另一種是從供水地理信息系統(tǒng)(GIS)中按照一定的文件格式調(diào)用供水設(shè)施的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，使之在管網(wǎng)建模軟件里形成計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形。

上海市供水設(shè)施的數(shù)目大，計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形中節(jié)點(diǎn)數(shù)目過多，根據(jù)建立供水管網(wǎng)模型的用途不同，制定了取舍管線的原則：宏觀動(dòng)態(tài)水力模型中應(yīng)該包括直徑≥500mm的管道和部分水力條件重要的小管道；詳細(xì)動(dòng)態(tài)水力模型中應(yīng)該包括直徑≥300mm的管道和部分水力條件重要的小管道。形成計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)管網(wǎng)圖形后，經(jīng)“微誤差簡化”，建立起浦西地區(qū)計(jì)算機(jī)供水系統(tǒng)詳細(xì)模型管網(wǎng)圖形。

1.2現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試的目的是為計(jì)算供水系統(tǒng)的用水量、節(jié)點(diǎn)流量及校驗(yàn)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型提供數(shù)據(jù)。

建立上海市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型過程中的現(xiàn)場測試由三部分組成：測試供水系統(tǒng)壓力和流量值；大用戶用水調(diào)查及現(xiàn)場24h讀表實(shí)測；測試水泵的特性參數(shù)。要求前兩個(gè)部分的現(xiàn)場測試同時(shí)進(jìn)行?？偣策M(jìn)行了十次大規(guī)模的現(xiàn)場測試，第一次測試的目的是為了解給水管網(wǎng)當(dāng)中水流的大致流動(dòng)方向及壓力分布情況，為選擇模型現(xiàn)場測試點(diǎn)提供參考；后九次是為給水管網(wǎng)模型的校驗(yàn)提供原始數(shù)據(jù)。由于受儀器數(shù)量的限制，在現(xiàn)場測試過程中，將浦西地區(qū)給水管網(wǎng)宏觀動(dòng)態(tài)水力模型的測試分為南區(qū)、北區(qū)和中區(qū)分別進(jìn)行，同時(shí)又將南區(qū)和中區(qū)各分為三個(gè)子區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場測試，北區(qū)的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較簡單，只進(jìn)行宏觀動(dòng)態(tài)水力模型的現(xiàn)場測試。

以上海市1996年10月用戶用水量數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，對用水量>15000t/月、占總用水量32.5%的972家大用戶進(jìn)行同時(shí)現(xiàn)場24h抄表，對用水量為5000～15000t/月、占用水量15.9%的1826家工業(yè)用戶進(jìn)行工作班制和用水特點(diǎn)調(diào)查，為計(jì)算不同工作班制工業(yè)用戶的用水模式曲線提供數(shù)據(jù)［3］。

水泵使用的時(shí)間過長，原有水泵的水力特性參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，建立管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型時(shí)需要重新測試。建立上海市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型的過程中，共測試了209臺水泵。

1.3節(jié)點(diǎn)流量的計(jì)算方法［3、4］

上海市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型中節(jié)點(diǎn)流量的計(jì)算是基于大量的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)、大用戶現(xiàn)場讀表數(shù)據(jù)和用戶每月讀表抄見數(shù)數(shù)據(jù)庫。節(jié)點(diǎn)流量的計(jì)算方法見圖1。1.4管道阻力計(jì)算公式

管道阻力計(jì)算公式一般采用海曾-威廉(HazenWilliams)公式或柯爾勃洛克-魏特(ColebrookWhite)公式。流速范圍在0～0.9m/s時(shí)，兩公式的計(jì)算結(jié)果很接近［5］；對于高雷諾數(shù)的高速水流，海曾-威廉公式的誤差增大，流速為1.5m/s時(shí)，水力坡降誤差有時(shí)超過20%［6］。在用水高峰時(shí)，很多管道的流速超過1.5m/s，因此選用柯爾勃洛克-魏特公式計(jì)算管道的阻力。1.5管道絕對粗糙度

經(jīng)整理分析，上海市大量的供水系統(tǒng)管道壁切片的絕對粗糙度數(shù)據(jù)見表1。沙表寬1悉競上諒海宅市傲供立水英系宏統(tǒng)獸管沫道血絕壘對亡粗探糙省度叫管衫材克管沒道家絕板對瀉粗疊糙吧度

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1.6.1模型校驗(yàn)點(diǎn)的選擇

對于大型供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型而言，模型校驗(yàn)點(diǎn)的選擇應(yīng)遵循以下原則：

①模型校驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)占模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目10%以上。上海市供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型校驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)目占模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目15%左右。

②模型校驗(yàn)點(diǎn)要均勻地分布在管網(wǎng)模型中。

③模型校驗(yàn)點(diǎn)的水力參數(shù)值要有代表性，能夠控制管網(wǎng)模型在該校驗(yàn)點(diǎn)局部的水流流動(dòng)情況。

1.6.2校驗(yàn)結(jié)果

上海市給水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型的計(jì)算值和現(xiàn)場測試值吻合很好，

表明該模型模擬了管網(wǎng)中水流在測試天的真實(shí)流動(dòng)，見表2。錫表鹽2姜迷上言海販?zhǔn)戌牻o芒水隔管俯網(wǎng)宣動(dòng)喪態(tài)倒水椅力考模瘋型餅的盲校當(dāng)驗(yàn)達(dá)結(jié)道果惜項(xiàng)衫目輸參敏數(shù)閘參英數(shù)模的吧校博驗(yàn)富標(biāo)肥準(zhǔn)災(zāi)校異驗(yàn)?zāi)嘟Y(jié)坡果贊管碗段拖流易量僅流該量輩大慌于枯用羊水侄量安1簽0均%勾的末管醬段芒實(shí)煉測降值朋的治±浴5鬼%堂0灑.虜6球%釣流牌量繡小墾于悅用影水山量聾1疑0珍%良的畢管山段掃實(shí)怕測紐值漲的之±理1曾0爛%逮1猾.明3截%悲節(jié)饅點(diǎn)群壓椒力熔1塑0漁0技%到的洞校宣驗(yàn)診節(jié)粒點(diǎn)夫?qū)嵞虦y緩值較的蒜±兇3慌9腔.科2緒1灣普k敢P崗a印1挨0幼0升%遭8自0北%晴的吊校堵驗(yàn)背節(jié)椅點(diǎn)懷實(shí)桐測盈值炎的業(yè)±森1叨9揀.衛(wèi)6悶k達(dá)P吧a于9想7豈%泉5飯0翁%嫩的析校公驗(yàn)竟節(jié)遭點(diǎn)褲實(shí)懇測窯值箭的穴±秀9姓.箱8對k搜P學(xué)a娃8探2助%惱水匹庫倚水中庫撲水胞位繩實(shí)鴉測愿值縮的沒±活5響%抖0粗.液1泳%典1褲.盡7蹄撓水妥力缺模幻型王的螞維嗚護(hù)印和儀更拴新

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