mikeurban軟件在水力計(jì)算中的應(yīng)用

mikeurban軟件在水力計(jì)算中的應(yīng)用

管道供水系統(tǒng)是系統(tǒng)的重要組成部分，是隱蔽、分散的工程，管理難度較大。陜西省是發(fā)展區(qū)域集中供水和水務(wù)一體化最早的省份。特別是國家“飲水安全”項(xiàng)目和我省“八大民生工程”實(shí)施以來,農(nóng)村集中供水工程規(guī)模越來越大,縣城供水系統(tǒng)硬件日趨先進(jìn),不少縣自來水公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控,但管網(wǎng)水力計(jì)算和水廠優(yōu)化調(diào)度仍然是各縣(區(qū))供水設(shè)計(jì)和管理中的薄弱環(huán)節(jié)。因此,引進(jìn)并應(yīng)用高性能的計(jì)算軟件,充分發(fā)揮自動(dòng)化程度相對(duì)較高的供水工程硬件設(shè)備的潛力,對(duì)促進(jìn)陜西省供水工程建設(shè)和管理實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展具有重要的意義。MIKEURBAN軟件是丹麥DHI公司經(jīng)過整合的城市GIS和管網(wǎng)建模軟件,其中MIKEURBANWD管網(wǎng)配水模型在國內(nèi)的實(shí)際工程中還沒有得到普遍應(yīng)用。本研究目的是通過對(duì)軟件的應(yīng)用總結(jié),分析其主要功能和使用條件,為軟件在陜西省的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。1高度統(tǒng)一的水力計(jì)算MIKEURBAN是丹麥DHI公司經(jīng)過整合的城市GIS和管網(wǎng)建模軟件。MIKEURBAN包括MIKEURBANMODELMANAGER、MIKEURBANWD和MIKEURBANCS等。MIKEURBAN的給水管網(wǎng)水力計(jì)算內(nèi)核為EPANET,它引進(jìn)了ESRI的地理數(shù)據(jù)庫技術(shù),把GIS與建模環(huán)境整合在一起,與數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(RTC)和決策支持系統(tǒng)(DSS)能達(dá)到較好的連接。MIKEURBAN具有完備GUI功能的高級(jí)模擬軟件工具;快速可靠的模擬引擎,確?？焖龠\(yùn)算;有支持軟件用于數(shù)據(jù)處理和分析;用于在第三方程序中(如MATLAB)處理模擬數(shù)據(jù)的GIS集成和工具;多種模塊及管網(wǎng)許可選擇確保用戶根據(jù)自身需求來選擇模型。WD工具模塊可模擬由于各種作用力的作用而產(chǎn)生的水位及水流變化。它包括了廣泛的水力現(xiàn)象。軟件可對(duì)配水系統(tǒng)模型進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn),對(duì)設(shè)計(jì)來講,主要用于現(xiàn)有、擬建或改建的輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)的水動(dòng)力設(shè)計(jì)的優(yōu)化和驗(yàn)證。2軟件應(yīng)用2.1水力計(jì)算公式恒定水力計(jì)算是對(duì)管網(wǎng)所有參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后進(jìn)行的水力計(jì)算。明確不同工況(管網(wǎng)水力狀態(tài))下枝狀網(wǎng)和環(huán)狀網(wǎng)的水力計(jì)算方法。給水管網(wǎng)中有兩類基本水力要素:流量與水頭,包括管段流量、管段壓降、節(jié)點(diǎn)流量、節(jié)點(diǎn)水頭等。它們之間的關(guān)系反映了給水管網(wǎng)的水力特性。當(dāng)給水管網(wǎng)各管段特性已知且處于恒定流狀態(tài)時(shí),流量與水頭兩類要素的關(guān)系由恒定流方程組確定。在這種情況下,只要適當(dāng)?shù)亟o出部分流量和水頭值,其他流量與水頭值可以由恒定流方程組解出。在恒定流狀態(tài)下,水力分析的數(shù)學(xué)含義就是解恒定流方程組,水力分析的工程意義就是已知給水管網(wǎng)部分水力參數(shù),求其余水力參數(shù)。給水管網(wǎng)水力分析是解決給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)、調(diào)度和管理等各種應(yīng)用問題的理論基礎(chǔ)。在給水管網(wǎng)水力分析中本軟件可應(yīng)用的水頭損失公式有:海曾-威廉公式、達(dá)西公式及曼寧公式。海曾-威廉公式適用于較光滑的圓滿管紊流計(jì)算,公式為:它適用于較光滑的管道,特別是當(dāng)e≤0.25mm(Cw≥130)時(shí),該公式較其他公式有較高的計(jì)算精度。達(dá)西公式適用于滿流圓管的計(jì)算,為管渠水力計(jì)算的經(jīng)典公式,已經(jīng)成為給水排水管網(wǎng)水力計(jì)算的基本公式。達(dá)西阻力系數(shù)λ的科學(xué)計(jì)算和應(yīng)用是管網(wǎng)水力計(jì)算正確性的關(guān)鍵,公式為:曼寧公式適用于明渠或較粗糙的管道計(jì)算,亦適用于較粗糙的管道,最佳適用范圍為0.5≤e≤4.0mm。公式為:正確選用沿程水頭損失計(jì)算公式,具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值和工程意義。實(shí)踐證明,不同的計(jì)算公式所產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果具有較大的差別。如果公式選用不當(dāng),可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)者選用不合理的管徑和水泵揚(yáng)程等,造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失,甚至降低工程效益。求管段流量一般采用逆推法,求節(jié)點(diǎn)水頭一般采用順推法。通過實(shí)例分析,明確了軟件水力計(jì)算的初始條件:(1)交叉點(diǎn)的初始條件:高程、流量;(2)管道的初始條件:管材、管長、管徑;(3)水塔(水池)的初始條件:底部高程,恒定的HGL;(4)泵站的初始條件:水力曲線;(5)閥門的初始條件:設(shè)置值(減壓閥的減水壓)。2.2初始條件的確定水擊所產(chǎn)生的增壓波和減壓波交替進(jìn)行,對(duì)管壁或閥門的作用有如錘擊一樣,故又稱為水錘。水流在慣性的作用下,對(duì)管道的壓力迅速達(dá)到最大,并產(chǎn)生破壞作用,這就是水力學(xué)當(dāng)中的“水錘效應(yīng)”,也就是正水錘;相反,關(guān)閉的閥門在突然打開后,也會(huì)產(chǎn)生水錘,叫負(fù)水錘,也有一定的破壞力,但其破壞力沒有正水錘產(chǎn)生的大,在水力管道建設(shè)中都要考慮這一因素。通過實(shí)例,對(duì)管網(wǎng)中無氣室或有氣室狀態(tài)下的管道進(jìn)行分析計(jì)算,并分析軟件計(jì)算結(jié)果的合理性及可行性。最后確定了軟件水錘分析的初始條件:(1)管道的初始條件:管材、管長、管徑;(2)水塔(水池)的初始條件:底部高程,恒定的HGL;(3)泵站的初始條件:水力曲線;(4)閥門的初始條件:設(shè)置值(減壓閥的減水壓);(5)半恒定時(shí)間設(shè)置參數(shù):分析歷時(shí)、水力計(jì)算時(shí)間步長、模式時(shí)間步長、記錄時(shí)間步長、記錄開始時(shí)間、開始計(jì)時(shí)時(shí)刻。2.3半恒力計(jì)算方法驗(yàn)證半恒定水力計(jì)算是對(duì)一個(gè)時(shí)段內(nèi)的管網(wǎng)水力情況進(jìn)行的一系列穩(wěn)態(tài)分析,包括水量分配和壓力分區(qū),每一次分析都要涉及時(shí)段。每個(gè)時(shí)刻假設(shè)管道流量恒定,并且在時(shí)段內(nèi)沒有外部條件變化。因此,每一個(gè)時(shí)段的計(jì)算結(jié)果是根據(jù)之前時(shí)段的計(jì)算結(jié)果得出的。由于在工程實(shí)際中恒定流只存在于有限的時(shí)段內(nèi),從長期來看,半恒定水力計(jì)算更能反映管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行過程。通過實(shí)例驗(yàn)證了MIKEURBAN軟件可對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行半恒定水力計(jì)算,且分析結(jié)果符合工程實(shí)際。同時(shí),明確了軟件進(jìn)行半恒定水力計(jì)算分析的初始條件:(1)交叉點(diǎn)的初始條件:高程、流量;(2)管道的初始條件:管材、管長、管徑;(3)水塔(水池)的初始條件:底部高程,恒定的HGL;(4)泵站的初始條件:水力曲線;(5)閥門的初始條件:設(shè)置值(減壓閥的減水壓)。(6)半恒定時(shí)間設(shè)置參數(shù):分析歷時(shí)、水力計(jì)算時(shí)間步長、模式時(shí)間步長、記錄時(shí)間步長、記錄開始時(shí)間、開始計(jì)時(shí)時(shí)刻。2.4半恒條件的分析水質(zhì)分析包括消防流量分析、水源水質(zhì)追蹤分析、水質(zhì)水齡分析、水質(zhì)余氯分析等,是對(duì)延長的時(shí)段進(jìn)行的一系列水質(zhì)分析,每一個(gè)分析都要涉及時(shí)段。用軟件對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行模擬得出各種元素在管網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)變化,如水齡、水質(zhì)、成分濃度等。使用MIKEURBAN軟件對(duì)管網(wǎng)的水質(zhì)進(jìn)行模擬,實(shí)時(shí)反饋管網(wǎng)實(shí)際狀況以指導(dǎo)管網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)、管道的及時(shí)維修和更換、調(diào)整管道布置和系統(tǒng)運(yùn)行科學(xué)調(diào)度來保護(hù)和改善管網(wǎng)水質(zhì),以保障管網(wǎng)水質(zhì)的安全。通過工程實(shí)例計(jì)算分析,明確了軟件進(jìn)行半恒定水質(zhì)計(jì)算分析的初始條件:(1)交叉點(diǎn)的初始條件:高程、流量;(2)管道的初始條件:管材、管長、管徑;(3)水塔(水池)的初始條件:底部高程,恒定的HGL;(4)泵站的初始條件:水力曲線;(5)閥門的初始條件:設(shè)置值(減壓閥的減水壓)。(6)半恒定時(shí)間設(shè)置參數(shù):分析歷時(shí)、水力計(jì)算時(shí)間步長、模式時(shí)間步長、記錄時(shí)間步長、記錄開始時(shí)間、水質(zhì)時(shí)間步長、開始計(jì)時(shí)時(shí)刻;(7)水源點(diǎn)初始條件:水質(zhì)成分的初始濃度。3優(yōu)化調(diào)度環(huán)境,完善初始條件通過對(duì)軟件的研究和分析,并結(jié)合實(shí)際供水情況,發(fā)現(xiàn)軟件具有兩大功能:一是具有較強(qiáng)的管網(wǎng)水力計(jì)算校核和各種工況的模擬