供水管网水力模型校核标准及精度分析

供水管网水力模型校核标准及精度分析

1管网水力模拟计算校核对自来水网络微观模型的研究建议包括比较监测点的监测值和模型计算值之间的差异，确定差异的原因，改进、修改模型，消除或减小差异，直到模型计算值和测量值之间的误差在允许范围内。管网模型具复杂性,结合实际建模经验,将模型校核分为预校核和微观校核。预校核是指当管网模型计算的模拟量与监测量差异过大时,通过管网水力模拟计算,核实基础资料的准确性、查找错误的过程,主要包括以下步骤:①进行管网水力模拟计算,查找管段信息和节点信息错误,核实网络拓扑结构的正确性等;②分析各节点水压的计算值,判断水泵特性曲线偏差、水池运行条件、边界条件和水泵开启情况的准确性;③核实阀门操作条件是否正确。微观校核是指当模型计算得到的结果与现场监测点数据相差不大时,通过调整模型中的节点流量和阻力系数,减小模拟值与监测值之间的差异,使其在允许精度范围之内。管网模型校核是一个调整模型参数直至模型在一定精度范围内与实际管网特征相吻合的过程,也是一个完善模型、调整参数、反复进行水力模拟计算的过程。1.1管网模型校核供水管网系统模型用于现状分析、优化改扩建、优化调度以及水质分析等之前,必须确保其在一定精度范围内与实际管网运行特征相吻合,这一过程称为模型校核。校核包括两步:比较已知运行条件下(包括水泵运行工况、水池水位、减压阀的状态)压力和流量的模拟值与测量值;调整模型输入数据,使得模拟值与观测值在一定精度范围内吻合,模型准确性的判断依据是监测点的模拟值和观测值之间的偏差。1.2管网系统模型的可信性通过管网模型校核,可以提高模型的可信性,并可获得管网系统的运行知识或运行机理,为管网研究提供依据。模型可信性是非常重要的,因为管网系统的长远规划以及运行费用分析等都依赖于模型的计算结果。若模型未达到规定精度而误差过大,则基于模型的分析结果将误导最终决策。1.3影响模型精度的因素数据准确性给水管网系统动态模型的数据非常庞大,来自不同部门,经过逐级的归纳、统计、分析和处理,其中难免出现错误。影响水力条件的因素大型配水管网系统包括成千上万条管段,一般忽略小管径管线。但管径小的管段不一定对水力条件影响小,而按管径的大小取舍的模型若去掉过多的关键性小管段,将影响到水力条件。Egger和Polkwski对Menamonie市的管网进行了研究,发现将水源和大用户附近的小管纳入模型时,模型的准确度将提高。2泵特性曲线的影响水泵长期运转引起的磨损以及技术改造等因素,导致水泵样本曲线与实际情况不符,试验绘制的水泵曲线存在测量误差。节点配水情况节点流量是一个计算量,沿管线配水简化为节点配水,与实际情况存在差异;且管网中不确定性因素很多,影响小量户以及漏失量的部分因素按权值分配,不一定完全合理。管道阻力系数的不确定性管道阻力系数的变化受铺设年代、管径、管材、流速以及管道内壁腐蚀等影响,导致阻力系数呈不确定性。操作条件的不确定性对管网的操作运行条件特别是一些阀门的开启度、甚至管线等了解不甚清楚等。测量设备造成的测量误差任何测量设备都有仪器误差,还有人为误差以及随机误差等。2管网水力模型校核模型校核是费时费力的工作,需要到现场寻找可能的原因,如核对拓扑结构、管道属性等基础资料以及水泵、阀门运行状态是否真实可靠。模型至少需要两种流量加以校验,通常为平均日用水量和最高时用水量。限于种种原因,不一定能完全找出问题所在,因此允许有残差存在。校核后的模型必须达到一定精度,模型的精度是由实际测量值和模拟值的差值衡量的。不论模型精度是在模型校核之前定义的,还是根据模型校核过程的结果来定义,模型仅能在参数可调整的范围内根据实际情况进行校核,不能超出范围随意调整参数。评价管网模型是否符合实际,国内和国际上都没有出台相应的技术标准或行业标准,但是一些研究机构根据多年的科研和工程经验,给出了相应的建议值。英国水研究中心的(WRC)校核标准包括:①流量监测点。当主干管流量大于总用水量的10%时,误差取测量值的±5%;否则,误差取测量值的±10%。②压力监测点。85%的监测点的压力偏差在±5kPa或整个系统最大水头损失的±5%内;95%的监测点在±7.5kPa或整个系统最大水头损失的±7.5%内;100%的监测点在±20kPa或整个系统最大水头损失的±15%内。③分界线。模拟计算得到的管网压力分界线应与实际情况相吻合。④供水趋势。模拟计算得到的供水趋势应与实际情况相吻合。⑤压力分布。模拟计算得到的各节点水压分布情况应与实际情况相吻合,计算得到的高压区和低压区等应与实际情况相吻合。国内供水管网专家赵洪宾教授在十多个城市供水管网系统建模的工程实践基础上,提出了符合中国实际情况的管网水力模型校核精度的建议值。①计算出的各水源出厂供水量、供水压力与实测记录相吻合。②计算出的各压力监测点水压与实测记录的吻合程度:100%监测点的压力实测值与计算值之差≤±40kPa;80%监测点的压力实测值与计算值之差≤±20kPa;50%监测点的压力实测值与计算值之差≤±10kPa。③计算出的各流量监测点流量与实测记录的吻合程度:对于管段流量占管网总供水量的1%以上的管段,误差<±5%;对于管段流量占管网总供水量的0.5%以上的管段,误差<±10%。④计算得到的各节点水压分布情况应与实际情况相吻合,计算得到的低压区应与实际情况相吻合。以上标准,也不是一成不变的,应根据实际情况决定。建模工程师可以在一种或多种工况下校核模型,为取得良好效果,一般校核的模拟时段至少应为连续24h。显然,完成校核所用的工况越多,则模型越能反映出实际情况,但难度也越大。总体来说,模型校核标准取决于建模的目的。不同用途的模型所需的精度是不同的。如果所建的水力模型用于指导管网规划,那么100%的监测点压力实测值与计算值之差在50kPa内都是可以接受的。如所建的水力模型是用于优化调度的,那么要求的精度就相应比较高。由于模型是对真实系统的一个近似模拟,其中含有仪器等误差,因此特别高的精度很难做到,也是没有必要的。3模型校核精度按照模拟系统的水力状态,供水管网水质模型可分为稳态水质模型和动态水质模型;按照研究所涉及的水质参数,可分为余氯衰减模型、消毒副产物模型和微生物学模型等。目前余氯模型和THM模型已经在天津等城市得到初步应用。由于微生物模型中存在着大量的未知参数,故未能在更大范围内应用。不同类型的管网水质模型应该有不同的模型校核标准。国内和国际上目前都还没有任何管网水质模型校核标准的相关资料。对于余氯衰减模型,最新颁布的于2007年7月1日实施的《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)规定,出厂水中氯气及游离氯制剂(游离氯)≥0.3mg/L,一氯胺(总氯)≥0.5mg/L,管网末梢余氯≥0.05mg/L。余氯模型的校核精度(δ)建议采用计算值(x)与实测值(X)差值的绝对值与出厂水余氯浓度(λ)的比值:δ=|x−X|λ×100%(1)δ=|x-X|λ×100%(1)对于THM模型,《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)规定,三卤甲烷(三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷的总和)中各种化合物的实测浓度与其各自限值的比值之和≤1。其中,三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷的限值分别为0.06、0.1、0.06、0.1mg/L。THM模型的校核精度建议采用计算值与实测值差值的绝对值与《生活饮用水卫生标准》中规定的限值(κ)的比值:δ=|x−X|κ×100%(2)δ=|x-X|κ×100%(2)由于目前管网水质建模的实