基于AQUIS的供水管网水力模型建立与校核的应用案例.pdf

2023 年第 3 期 7 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备基于 AQUIS 的供水管网水力模型建立与校核的应用案例李睿（同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）摘要：介绍了 A 自来水公司的供水管网水力模型的建立与校核的过程。该模型基于 AQUIS 软件建立，并结合多种技术与方法，通过流量和压力监测点的实测值对模型模拟结果进行校验和修正，使压力和流量校验点的相对误差均在允许范围内。该水力模型的成功建立可实现对管网的多维度仿真，帮助自来水公司对管网的运行状态做出科学的评估与决策，提升自来水公司的运维管理能力和经济效益。关键词：供水管网；水力模型建立；模型校核；仿真评估1.概述随着城市化进程的建设发展，供水管网也逐年扩建，为公众带来用水便利的同时,供水管网的运行问题也逐步暴露了出来。近年来，供水管道陈旧化、跑、冒、滴、漏，管网运行调度不明朗等问题都困扰着众多供水企业。大面积的管道修复、更新不仅受制于城市建设，施工难度大，并且所需的费用极高。大多数水力调度方案拟定同样过于依赖老员工的从业经验。面对结构复杂、规模庞大的城市地下管网系统，供水企业亟需建立一套科学的供水管网水力模型为水力调度、管网改扩建提供智能的技术支持和科学决策支撑。通过建立水力模型，可以帮助供水企业优化管网水力性能、保障供水质量和安全，降低供水成本和漏损风险，从而优化生产，提高社会和经济效益。本文将详细阐述 A 自来水公司供水管网水力模型的建立与校验过程。该水力模型暂为离线水力模型，建模采用的是施耐德电气的建模软件 AQUIS，并结合多种技术对模型进行校核，以提高模型的精准度和适用性。当前，通过导入历史数据，该水力模型可对供水管网当下的运行情况进行分析，对供水管网中的流量、压力进行模拟，并可实现多种场景的仿真，以指导自来水公司的科学调度、安全生产。2.A 自来水公司供水管网的概况供水管网主干管长度约为 400 公里，供水服务面积约 40 平方公里，服务人口约 40 万人，用户约 20 万户。考虑到两个水厂为独立供水，供水管网相对独立、互不联通，本次水力模型的建模边界为 YZ 水厂的供水范围。YZ 水厂规划日供水能力为 9 万立方米，其供水区域内的 5 座水源井总供水量约为 1.20 万立方米/天，管线总长度（DN80 及以上）约为 250 公里。YZ 水厂供水范围内设置有 7 个常规压力监测点；同时水厂和水源井也具备压力监测能力，监测点的布置可覆盖全部供水管网。2023 年第 3 期 8 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备3.A 自来水公司供水管网水力模型的构建供水管网水力模型的建立，首先应对当地地理状况进行踏勘调查，收集并整理相关GIS 数据、用户数据等基础资料。将 GIS 基础数据以 SHP 文件的形式导入水力模型系统中，建立拓扑结构并对其进行排错，再对系统中的节点赋予高程值，给管道粗糙系数赋值，逐步完善管网图形和组件属性信息，并对水力模型进行初始流量分配。经过水力计算和一系列模型与数据的校验，才能使水力模型达到工况分析所需的精度，使模拟结果更加准确的趋近于真实管网的运行状况。13.1 拓扑结构的确立和修正模型拓扑结构的确立和修正是模型构建过程中很关键的一步。根据地理信息系统统一标准，利用 GIS 系统与模型间的数据转换模块，从 GIS 系统中分别提取各区块管网图形、附属设备位置及属性信息、参数等管网静态数据，通过数据导入接口直接读入管网模型中，初步生成各区块模型的拓扑结构。由 GIS 系统提取的管网数据准确度和完整度要求是远远达不到水力模型所需要求的，因此还需要进行准备性的检查和修正，以保证管网的连通关系，确保管道的主要属性数据准确和完整，包括管径、管道材质和铺设年代等。2供水管网 GIS 数据导入水力模型的过程中，经 AQUIS 模型分析，同样暴露了诸多问题，例如管径信息缺失、管径信息错误、管网未联通等问题。信息缺失的管线分布如图 1 所示，据模型统计，系统中有 1205 根管线的内径为空值。部分管网本应与主管网相连，而系统中却显示为独立分布的状态。未联通管网的分布如图 2 所示，红圈内黑色管线代表该处管线未与主管网形成拓扑结构。图 1系统管径信息缺失管线分布示例图 2系统中未联通的管网分布示例这些错误基本都是在 GIS 系统中已经出现或产生的，所以 GIS 系统的建立一定要考虑到建模软件对数据准确度的需求。借助 AQUIS对模型结构检查和纠错方面强大的功能，对存在疑虑的管线进行逐一排查、逐一修正，并简化部分极短管及管径低于 DN80 的管段，建立完全互联互通的管网模型，如图 3、4 所示。图 3模型管网分布全景图2023 年第 3 期 9 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备图 4模型管网分布局部图3.2 节点高程的赋值给水管网中节点的地面标高数据从 CAD高程图中提取。将 CAD 中的高程值逐个导入模型中相应图幅中，剔除部分错误数据，如图5 所示。根据地势实际情况，若区域内地势相对平坦，节点周围的高程值在一定范围内，则将节点周围的高程值加权平均赋给节点；若高程差值较大，则将异常数据剔除后，再予以赋值。图 5 中的黑色点均为高程点，表中的 Z（m）则为各个节点的高程值。图 5模型中的高程点分布图3.3 节点流量的分配在供水管网系统建模中，节点流量分配是供水管网模型开始运行的基础，供水管网节点流量分配的合理性会直接影响模型计算精度和后续应用效果。在实际管网建模工作中，应结合管网的特点，综合考虑管网的信息化水平，制定最为合理的节点流量分配方案。用水户的日用水变化规律则是研究节点流量计算方法的必要条件。虽然用户的用水量具有随机性，但在一个周期范围内，又具有规律性，因此可以利用用户日用水量变化规律来实现对节点流量的模拟。常用的节点流量分配方法是基于 GIS 环境下的节点流量分配，同时还有比流量法和按区块分配法等。每种方法都应结合城市的具体情况，并依据其各自特点和适用范围进行节点流量分配3。本实例中，结合 A 自来水公司当地管网的现状，选择按区块分配法。节点流量的分配主要以小区和大用户为单位，将供水区域分成若干个供水区块，按照每个区块用水量占总用水量的比例来设置区块内各节点的用水权重。笔者将 GC、LG、BTC 三个水站的数据进行汇总整理，分布到模型中，如图 6中绿色圆点所示。用户用水量信息与节点关联，将其用水量赋值给节点。供水量与用水量之差则视为管网的漏损量，约占总供水量的 23%，将此部分水量均匀匹配到节点用水量中。图 6模型中节点流量分配2023 年第 3 期 10 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备4.A 自来水公司供水管网水力模型的校验模型校验是建模工程中至关重要的环节，校验过程是对供水管网的全面体检，通过模型计算结果与监测数据之间的误差准确诊断供水管网中存在的问题，经过反复改进和修正，直到满足精度要求才能投入使用4。供水管网水力模型校核的第一步是确定模型的用途，建立模型校核的思路，比较监测点的检测值和模型计算值之间的误差。根据节点水量、管道粗糙系数等一系列重要校验参数进行灵敏度分析，判定各类参数对模型结果的影响程度。并根据水力坡降、水的流速和流向等水力计算结果，对模型拓扑结构进行二次反查和修正，确定误差来源的主要原因。当现场的压力监测点和流量计的监测值与给水管网模型模拟值差异过大时，先进行人工校验，粗调后消除较大差异，再利用 AQUIS 软件的自校准功能做细微调整，使模型的模拟结果与现场实测值最大程度吻合。4.1 水力模型压力校验结果初步建成模型后，不断对节点需水量和管段粗糙系数进行调整，完成校核过程。经过模型模拟分析，将各个常规压力监测点和水源井测压点的模拟压力曲线与实测压力曲线进行对比，YZ 水厂供水范围内的 12 个定压节点的分析结果完全符合模型运行要求，结果如表 1 所示。其中 4 个测压点的相对误差在 5%以内，8 个在 10%以内。表 1定压节点相对误差汇总相对误差（%）5 10监测点个数48部分压力监测点、水源井的模拟分析对比如图 7 至图 10 所示，分别为 S 站、L 站和10#井、12#井，其中模拟压力曲线为蓝色线，实测压力曲线为绿色。图 7S 站模拟/实测压力曲线对比图图 8L 站模拟/实测压力曲线对比图图 910#井模拟/实测压力曲线对比图图 1012#井模拟/实测压力曲线对比图4.2 水力模型流量校验结果YZ 水厂流量监测点的流量模拟结果与实测值的相对误差同样在允许误差范围 10%以2023 年第 3 期 11 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备内，符合模型运行要求，曲线比较结果如图11 所示。图 11YZ 水厂流量监测点模拟结果与实测值对比曲线通过水力模型校验中对压力模拟与流量模拟的精度分析，管网模型中压力、流量校核结果皆满足校核要求，相对误差基本都在10%以内。由此可知，模型的运行状况基本与实际情况相吻合，该水力模型可作为该区供水管网的仿真模型投入使用。5.模型的仿真评估发现问题利用 AQUIS 对该区的供水管网现状进行仿真评估，在过程中发现如下问题：5.1 数据出入问题最初收集 LS 加压泵的数据时，发现模拟结果与实测结果大相径庭，进水压力与模拟压力严重不符，如图 12 与图 13 所示。图 12维修前 LS 加压泵站的模拟/实测压力对比曲线图 13维修前 LS 加压泵站出水压力状态曲线经过工作人员排查，发现 LS 加压泵的压力传感器存在问题。维修好压力传感器后，实测的压力值达到 0.3MPa，与模型模拟值匹配，如图 14 与图 15 所示。图 14维修后 LS 加压泵站的模拟/实测压力对比曲线图 15维修后 LS 加压泵站出水压力状态曲线5.2 管网压力分析模型仿真的过程中发现管网中部分地区压力存在偏低的现象，如图 16 中绿色部分显示的 LS 区域，最低值低至 0.10MPa，供水压力持续偏低将影响用户正常用水。初步分析可采取调整供水策略、进行管段更改或局部增压等方法，通过模型进行各场景模拟分析，建议对末端局部 DN50 管段进行更换最为经济，既满足低压区的用水需求，又避免过多的人工投入及资源浪费。图 16模型中压力与压力梯度分布的显示（下转第 15 页）2023 年第 3 期 15 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备通过 AR 技术，巡检人员到达现场后不必再根据图纸实地测量，而是用巡检手机全景拍摄扫描现场，当拍摄到阀门点位时，阀门图标就能虚拟的出现在手机界面上，使得巡检人员能很快准确找到阀门位置。这样不仅能让新员工迅速参与到巡检任务中，而且更能在管网抢修时减少找寻阀门的时间，提高断水效率。AR 巡检系统后台可通过网页登录，各部门人员都可以进行查询，打破不同部门之间的信息壁垒，实现高效协同管理的作用。3.结论通过引入 AR 阀门巡检系统，有效提高了阀门管理水平，采集的数据能共享至其他智慧管理系统平台，破除信息孤岛现象，为各部门协同工作提供有效的数据信息支持。目前巡检系统用于 DN300 以上的阀门巡检，可以进一步拓展至小区进水阀门，消火栓等水管设备的巡检中。随着水务信息化、智能化地快速发展，根据实际使用情况，系统还需不断优化完善，以满足水务行业智能化转型要求。参考文献：1 于洪波等.基于 GIS 的供水管网巡检管理系统 J.价值工程，2011 年第 14 期2 中国城镇供水排水协会.城镇水务 2035年行业发展规划纲要 M.北京：中国建筑工业出版社，2021.114 128作者通联：（上接第 11 页）6.结论与建议水力模型是了解给水管网工况最有效的途径，其对供水单位优化调度、节能降耗等做出科学决策具有重要的辅助作用。本文作者建立了 A 自来水公司的供水管网水力模型，完善了 GIS 信息库的错误及缺失信息，发现了 LS 加压泵的压力传感器存在问题，分析了低压区的现状情况并给出解决建议。随着物联网监测设备的不断上线，离线模型也将逐渐具备升级为在线水力模型的条件，实现实时的运行状态监测和调度方案分析，从而对管网的运行状态做出科学的评估与决策，不断提升自来水公司的运维管理能力和经济效益。参考文献：1 莫罹，刘广奇，常魁，等J 市供水管网水力模型的建立与应用 J.给水排水，2012，（S1）：451 4542 侯英娜，涂峰，陈文峰，卓瑞忠.绍兴市给水管网水力模型的建立和校验 J.给水排水，2013，（03）：102 1063 侯煜堃，赵春会，王莹莹，等.郑州市给水管网微观水力模型校验方法研究 J.中国给水排水，2010，（13）：101 1054 雷景峰，陈忠，梁卓其，等.中山市供水管网水力模型的建立与校验 J.中国给水排水，2009，（17）：49 50,53作者通联：