给排水管网生命周期内及模型应用策略探讨.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除给排水管网生命周期内的模型应用策略探讨王荣和1 李平2 张烽1（1清华大学深圳研究生院,广东 深圳 5180552深圳职业技术学院，广东 深圳 518055） 提要从给排水管网发展与计算机模型应用的角度，分析了国内外计算机软件开发及模型发展的历史；提出了给排水管网生命周期的概念，并给出生命周期内各项工作的内容及模型在工作中的作用；从工作经验出发，提出管网建模的工具与方法，分析了数据源及数据处理；从模型应用的角度，提出了模型校核、优化设计、事故应急处理、节水节能和日常维护与管理的模型应用技术。Strategies of Modeling Application in the Lifecycle of Water Supplyand Sewerage NetworksRonghe Wang1， Ping Li2, Feng Zhang1(1Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen, Guangdong, 518055, China2Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong, 518055, China)ABSTRACT: From the development of water distribution and sewerage collection systems, and the application of computer modeling, this paper analyzed the development history of computer software and modeling in China and abroad, raised the concept of water supply and sewerage engineering lifecycle and the tasks and model functions in the lifecycle, presented the tools and methods for building the models based on the authors working experiences. It also gives out the analysis results of data sources and data processing. From the point of view on application of modeling, the paper presents the techniques on model calibration, optimal design, criticality, energy and water saving, and daily maintenance and management. 关键词 给排水管网 模型 管网生命周期 危险程度分析 消防分析 水锤Key Words: Water Supply and Sewerage Network, Modeling, Pipe Network Lifecycle，Criticality, Fire Flow, Hammer 一、 国内外模型应用历史与现状分析人类文明的发展是与给排水科技发展密切相关的，不管是古埃及、古罗马，还是几千年前的中国，给排水科技发展史都是其历史发展的一个重要组成部分。蒸汽机的发明，是为了排出矿井水1；计算机的最早应用之一，就是给水管网系统模拟。自上世纪四十年代发明ENIAC计算机以及Hardy Cross2 1935建立以他名字命名的水力计算方法以来，给排水模型系统一直在随计算机科技的发展而发展，从未停止。1965年Don J. Wood 提出数字模型方法3，并开发出KYPIPE系统，从此开启了现代给排水管网系统模拟技术。1974年9月，杨钦教授编写的“749”计算程序，开始了我国在这一领域的研究，最有影响的“7512”计算程序，成为我国的里程碑。给排水管网模拟技术从科研到商品化，也经历了一个漫长的过程。从1965年到1983年，在世界范围内，发表了数百篇有影响的论文，在给排水管网的各个领域，提出各种各样的计算方法、优化理论和实际应用成果等，最为有影响的就是节点计算法和有限元分析优化技术。1983年，美国Bentley公司Haestad中心，利用KYPIPE计算引擎，开发了世界上第一个IBM-PC商业软件，并在随后的几十年里把Window界面、AutoCAD集成、ArcGIS无缝连接、MicroStation空间分析等引入，引领了管网软件的行业标准4。2000年，美国国家环保局开发了世界上最有影响的EPANET5，从此建立了的给水管网软件计算标准。因为专业软件系统的发展，企业模型应用技术也随之提高。目前，专业软件系统已经成为美国、欧洲等发达国家给排水企业不可缺少的工具，不管是设计、日常运行与维护，还是管理与技术监督，都是在模型的基础上进行。在我国，自1974年至1993年间，其研究主要是在大学里进行，同时与自来水公司也时有联合。1993年，青岛市高科技工业园区的给排水管网规划67，就是利用模型应用和优化设计计算技术，开始了我国模型应用的初级阶段：建模、校核与优化设计。1996年起，提出的给水管网高速公路布置理论和多工况优化设计技术，WDOC软件系统89，以及2000年笔者与刘遂庆和赵洪宾教授等人共同成立上海同济宏扬软件有限公司，从而开始了国产软件商业化的开发之路。这个时期，国外软件，如PipeNet, 8M, Stoner, Mike Net等，也开始进入中国。在2000年之后，中国给排水软件市场是在国产与国外软件共存的形式下发展的。二、 管网生命周期给排水管网系统是现代城市的根本，只要城市存在，给排水管网系统就要工作。因此，无论规划、设计，还是运行管理，都必须考虑到其生命期内的全过程。不考虑全生命期的任何工作，都会在以后的过程中，以不同的方式付出代价。如口径过大的给水管线，水的流速必然过小，就会造成水龄长和二次污染，在管道冲洗过程中会浪费水量等问题。所以，了解给排水管网生命周期的九个组成部分，是管网软件应用所必须的410。1. 项目规划：规划有近期和远期规划之分，有区域和城市之分，还有认识性和实践性规划等，有时还要考虑到百年以后的发展。无论是土地规划还是人口规划，无论是工业规划还是商业规划，都必须在城市规划的大盘下考虑1112。但给排水管网规划，则必须考虑到城市规划的变化、城市重心的变化以及城市无限扩张的变化等。这是给排水管网生命周期中的一个环节，须通过软件系统分析与模拟而实现。 2. 信息分析与管理13：在项目规划的基础上，要收集各种各样的信息，如地理信息、现有给排水管网、水表、窨井、人口分布、土地利用、商业布局等，还要把这些信息以不同的方式存贮于计算机系统中，从而可以达到一次工作，多次重复利用的目的。这也是模型软件建模的功能之一。 3. 改扩建方案分析：是在城市和给排水管网总体规划的指导下，在管网现状模型校核的基础上进行详细规划、优化计算与分析、多方案技术比较等，并制定实施计划。4. 工程设计：在方案分析和实施计划的指导下，进行工艺图与施工图设计。这是管网CAD软件的重要功能14。5. 工程审核：软件系统利用一定的验证标准，对工程的每一阶段，如材料、造价、进度、施工队伍等，进行审核，从而避免人工审核的各种弊端。6. 施工建设：在施工阶段，软件系统要对资金的利用周期、材料的进出、人员的安排、施工进度控制等一系列具体工作，进行计划与管理。 7. 资产入库与管理：把从规划至施工阶段完成的工作进行总结，把管线、配件、构筑物等输入GIS和模型系统，把水表录入收费系统，把相应的材料、工具、仪器等录入数据库系统，从而实行统一管理。8. 运行管理：对水泵站调度、阀门启闭、水厂运行、事故处理等，在实时监测和预测的基础上，在管网模拟的指导下，通过调度预案进行实现。9. 日常维护：给水管冲洗、污水管清污、消火栓维护、检漏防渗等日常工作，在模型的指导下进行。这九个阶段是循环进行，永不停止的。三、 管网建模的方法1. 数据源模型数据源也是随着计算机技术的发展而不断变化的，从最初的数据文件输入、到施工图纸处理、卡片输入，再到现在的CAD图转化、GIS数据、航空照片、GoogleMap、GoogleEarth等数据源。由于大多地区与城市都建立了相应的GIS系统，现在的主流数据源是ArcGIS。2. 数据处理与应用 建模过程的数据处理就是把各种数据源的信息，通过专业的分析与综合，在管网模型中反应表达出来。1） 地理信息：能够把地理地貌的信息，通过数字化处理，转化成管网模型节点数据的地面标高；把管线图形信息，转化成模型中的管线；把管配件信息转化成模型相应的元素。所有这些数据的处理都是一次连接，永远受益。例如，要把GIS数据库中的水塔点元素，转化成给水管网模型的水塔，只需要把二个数据库的相应的字段一一相连，系统就可以把GIS数据转化成模型数据。GIS和模型可以独立维护，既可以在GIS中修改任何数据，也可以在模型中增减任何信息，在需要的情况下，二者只要一体化操作，数据即可共享，不需要进行二次数据字段的连接。2） 供/汇水区面积分配：把模型中成千上万的节点或窨井，人工划分供/汇水区是个十分复杂的事。通过泰森多边形法，可以把城市中所有地区的面积，全部分配到节点上去。这种分配方法尽管不是很准确，但对于节点流量或汇水量的计算，其精度远比人工估计高许多。3） 节点流量分配15：对于不同工作目标的模型，其节点流量分配方法也不同。常用的是水表数据源。对给水系统，直接把水表分配的节点上去，这样可以随抄表周期而自动更新节点流量；对于污水系统，也可以把给水抄表数据，以一定的损耗系数，按给水系统的方式计算污水量。其它节点流量分配方法，还有土地规划法、人口规划法、沿线流量法等。4） 模型简化：按照GIS数据的全面程度、管网规模、和应用目标，要对管网系统进行一定程度的简化，从而达到提高计算速度和减少工作强度的目的。模型简化按应用目的的不同而采用不同的简化方式，但一个总原则是水力条件不变。常用的简化方式有切除支管法、节点合并法、管线合并法等5。5） 实测数据的连接：管网监测数据，包括水量、水质、水压、水泵运行、水库水位等，是十分珍贵的，在现实工作中如何应用，存在很多问题。原因之一就是没有与模型系统有效的结合。模型系统要按一定的原则，把实测数据与系统连接。其它一些数据源的数据，如事故记录、维修记录等，也要以一定的原则，与模型相连接，从而为模型生命期内的任务而服务。四、 模型应用策略 如同认字的人可以读报纸和小说，但并不是每个识字的人都可以写红楼梦一样，模型软件提供了各种功能，如何应用则需要一定的专业知识、工作经验和创造性，而不是每个人都可以用好软件。这就需要各模型应用单位，注意专业人员的培养。下面只是从模型应用的角度，提出几种可能的模型应用情况，起抛砖引玉的作用。1. 模型校核 模型校核是模型应用成功与否的关键1016，如果模型与现实存在很大的差距，则在模型基础上所做的一切工作，其指导性和可靠性都将受到质疑。但要达到使模型与现实完全吻合，则又几乎是不可能的。在实际工作中，要利用工作经验，调整各个参数，使模拟结果与实测数据尽可能的接近。由于现实中，许多城市的管网设计不尽合理，有的地区管网管径过小，而有的地区管径过大，使校核工作变的复杂。2. 优化设计1) 现状分析：利用校核过的模型，对模拟结果进行分析，找出系统的薄弱环节和瓶颈点，如管径太小和摩阻系数超出正常范围的管，水压太低和可能存在漏耗的点、出水量和水压与特性曲线差不一致的泵等，并提出实地勘察和测量的地区和范围，以及改造方案和措施等。2) 多方案比较：对规划、设计、施工等生命周期内的不同阶段，都要从技术、经济、管理、社会效益等不同角度，进行多方案比较，以选择最优方案。软件的方案管理功能是选择软件的一个重要指标。3. 事故应急处理1) 危险程度分析：通过模型系统，把所有管网元素按是否可控制的方式，进行管网孤立分区分析，从而定位每个区域的控制元素（如阀门），确定每个孤立区的影响程度和影响范围，对隐患区域提出经济合理的改造方案等。2) 消防分析：设计消防水量及起火点的概念，是基于管网规划及设计对城市的消防保险能力，对实际消防的指导作用不大。管网的消防分析，是确定每个消火栓在正常工况和消防工况下的供水能力，以及区域消防能力、消防车的消防能力等，从而为消防调度和定位确定方案。3) 水锤分析：在我们的观念中，水锤对环状管网影响较小11，可以忽略不计。但实际情况是，大多数的爆管，都是由水锤引起的。解决方法是，按照各个控制元素的控制规则或设计的工作方式，通过水锤计算，逐个分析其对系统的影响，利用系统中的最大正压区和最大负压区，判断系统爆管或水质污染的可能性，并提出消除水锤的方案，从而达到安全供水的目的。4. 节水节能1) 漏耗分析：漏耗是供水企业最为关心的，解决漏耗的方法也多种多样，有听漏、超声波检漏、DMA等，模型分析也是大范围检测漏耗的方法之一。因为对实测数据要求高，以及模拟计算量大等原因，模型检漏并不是非常成功。模型检漏的方法，简单来说是把实测数据与模拟结果进行比较，对节点流量或管道摩阻超出正常范围的地方进行量化分析，从而判断漏耗的方法。2) 分区供水：有压力分区、水质分区、管理分区、行政分区等，不管何种分区方法，在现实情况下不容易做到，但在模型中，实现非常方便与容易。方法有把所属区域的节点，通过人工的方法赋予一定的区名，或通过阀门等控制元素，运行管网孤立分区分析，或通过DMA技术技术分区等。分区后，通过模型分析系统，可以方便地进行水压和水量控制、管线及贮水量等计算1718。3) 调度预案分析：计算机模型实时调度系统，在现实世界中不容易做到，其原因就是由于模型与现实的差距，例如模型节点流量与现实不一致。另外，模型校核的精度也达不到实时调度的要求。模型的优势在于进行调度预案分析，可以帮助确定在不同工况下的最优预案，从而利用实测流量和水压，为实时控制提供依据。5. 日常维护与管理1） 管道冲洗：常用的管道冲洗方法有消火栓开启法与单向流法。从节水与减轻工作量的角度，单向流冲洗法，更为科学有效。通过模型分析和一系列的阀门操作，确定管道的冲洗流速和冲洗时间，达到不但把管道内的沉积物和管壁附着物清除，还把冲洗废水全部排出的目的。2） 水质控制：通过模型系统，可以确定水在不同地区的水龄、余氯浓度以及水的混合程度等，从而判断水质状态，确定水质控制方案。五、 结论与建议前面从给排水管网及模型技术发展的角度，介绍了管网的生命期内的主要工作内容，管网建模的方法与工具，模型应用的方法示例。通过前面的分析，可以得出，在给排水管网生命周期的每一个阶段，模型都会从科学、经济和社会效益的角度，以及从全局范围内，考虑各种工况，为我们的工作提供技术支持。管网建模与模型校核是关键，成功与否关系到其生命周期内的各项工作的准确度与合理性。模型的作用不仅仅是调度与检漏，而且还包括规划、设计、应急处理、日常维护等用途。建模工作是一个逐步完善的过程，要长期维护下去。我们模型工作者，不应夸大模型的作用，更不应该因为模型粗糙、不准确等原因而产生的诸如设计偏差，或达不到节能节水要求而贬低模型的作用。模型应用不是一个简单的如何使用程序的过程，而是一个应用软件技术，在给排水管网生命周期内，进行系统研究、创造和发挥的过程。模型应用专业人员的培训也是模型事业发展的关键。建议各模型应用单位要把模型维护当成一个长久的工作，在管网生命期的各项工作中充分应用。六、参考文献1. 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