廖光偉， 張春萍， 王家琛， 武治國， 沈 歡， 徐 標(biāo)

(1.武漢新烽光電股份有限公司，湖北武漢430200；2.武漢工程大學(xué)，湖北武漢430073)

目前，我國城市供水管網(wǎng)在基礎(chǔ)建設(shè)、數(shù)據(jù)采集和資料管理等方面不夠完善，仍然存在較大面積供水管網(wǎng)的管道布置圖、施工圖、管道信息資料等缺失或不全，不但經(jīng)常出現(xiàn)根據(jù)CAD圖紙找不到實際管道的情況，而且對供水管網(wǎng)的壓力分布、流量分配等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計需要很長時間，無法實現(xiàn)對管網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。由于管道老化、材質(zhì)較差、腐蝕嚴(yán)重、壓力過高等問題引起的地下管網(wǎng)漏損事件頻發(fā)[1-2]，不僅造成了水資源、能源的極大浪費，還影響了居民的生活和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，建立供水管網(wǎng)壓力模型，實時監(jiān)測供水管網(wǎng)的壓力分布隨用戶流量的變化具有重要意義。

對城市供水管網(wǎng)的壓力進(jìn)行監(jiān)測控制管理，不僅可以降低漏損[3-6]、優(yōu)化調(diào)度[7-9]，還可以有效降低管網(wǎng)爆管率，提高供水安全性和可靠性[10-12]，對減少供水管網(wǎng)不必要的壓力、降低供水企業(yè)產(chǎn)銷差、節(jié)約能源等具有重要作用。但城市供水管網(wǎng)的壓力變化會受水泵起停、用戶用水量、閥門開度、爆管等因素影響，且由于供水管網(wǎng)通常埋于地下、不能輕易在管道上開孔等原因，造成供水管網(wǎng)的壓力多變、監(jiān)測困難。因此，現(xiàn)階段一般采用經(jīng)驗法、靈敏度分析法、聚類分析法等[13-15]，篩選出能反映某個區(qū)域內(nèi)壓力分布情況的點并安裝壓力傳感器，對全管網(wǎng)的壓力進(jìn)行監(jiān)測。

筆者在自行搭建的供水管網(wǎng)水力模型上安裝壓力傳感器和超聲波流量計，實時監(jiān)測供水管網(wǎng)的干管節(jié)點壓力和用戶管段流量，并以上游節(jié)點壓力和用戶用水量為基礎(chǔ)，導(dǎo)入Water GEMS模擬軟件建立供水管網(wǎng)壓力模型，通過對模型的反復(fù)校核，最終使模擬壓力與實測壓力具有較高的擬合精度。達(dá)到根據(jù)用戶用水量和上游節(jié)點壓力，模擬得出下游管網(wǎng)的壓力的目的，從而實現(xiàn)對供水管網(wǎng)壓力的實時模擬。

1 模型的建立

1.1 供水管網(wǎng)水力模型的建立

按照給水排水設(shè)計的相關(guān)規(guī)范及要求，以壓力驅(qū)動為基礎(chǔ)，搭建了供水管網(wǎng)水力模型。該管網(wǎng)模型由1個高層水箱、1個潛水泵、1個閘閥、1個減壓閥、4個在線超聲波流量計、5個在線壓力傳感器和一定長度不同管徑的PPR管及附件等組成，管道總長約為85.84 m。高層水箱位于4樓陽臺，距離1樓地面大約12.27 m，閘閥安裝在水箱的出水管上，減壓閥安裝在閘閥后，干管水流從4樓水箱到1樓花園，運行一周后沿回水管回到水箱。

時差超聲波流量計和壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)均通過智能監(jiān)測平臺進(jìn)行收集、整理。其中XF-LSX-3時差超聲波流量計的量程為0～2 000 m3/h，測量精度為±1.0%，重復(fù)性優(yōu)于0.2%，主要布置在干管、支管和回水管上，用于監(jiān)測管網(wǎng)的總出水量、支管用水量和回水量；壓力監(jiān)測裝置為XF-YL-1系列壓力變送器，量程為0～1.0 MPa，精度為±0.1%FS，主要監(jiān)測上游節(jié)點及干管主要節(jié)點的壓力，用于校核壓力模型。

1.2 GEMS壓力模型的建立

Water GEMS模擬軟件可以在多個平臺(Windows獨立平臺、GIS平臺、Auto CAD平臺和Micro Station平臺)中搭建仿真模型，利用CAD圖紙、數(shù)據(jù)庫、GIS數(shù)據(jù)、電子表格等快速啟動建模流程。Water GEMS軟件不僅包含了用戶需水量加載模塊、高程提取模塊、壓力控制需水量模塊、達(dá)爾文矯正器模塊以及遺傳算法優(yōu)化引擎等，還可以同步連接數(shù)據(jù)庫、GIS和SCADA系統(tǒng)。因此，利用Water GEMS可以快速搭建并優(yōu)化模型，使仿真模型能準(zhǔn)確反映給水管網(wǎng)的運行狀態(tài)。

準(zhǔn)確統(tǒng)計該供水管網(wǎng)實際模型中的管件信息，包括管材、管長、管徑、支管位置等，再采用Water GEMS軟件搭建GEMS壓力模型，如圖1所示。

圖1 Water GEMS壓力模型Fig.1 Pressure model of Water GEMS

Water GEMS模擬軟件主要通過平差計算對供水管網(wǎng)不同管段的流量進(jìn)行分配，通過水力計算模擬供水管網(wǎng)產(chǎn)生的沿程水頭損失和局部水頭損失，最終生成一條沿干管逐漸降低的壓力水頭線。該壓力模型在計算由于摩擦引起的沿程水頭損失時，應(yīng)用了Hazen-Williams、Darcy-Weisbach、Chezy-Manning等公式[16]。其中Hazen-Williams公式是計算圓管內(nèi)流動最為常用的公式，其粗糙系數(shù)Cw也是利用GEMS建模時必須輸入的參數(shù)。

壓力、流量傳感器在實際管網(wǎng)模型中的安裝位置與GEMS壓力模型中的模擬壓力、模擬流量監(jiān)測點統(tǒng)計位置相對應(yīng)，如表1、表2所示。

表1 流量監(jiān)測點安裝位置Tab.1 Installation location of flow monitoring point

表2 壓力監(jiān)測點安裝位置Tab.2 Installation location of pressure monitoring point

2 雙參數(shù)的測量分析與校核

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，在供水管網(wǎng)實際模型上安裝所有的超聲波流量計和壓力傳感器，通過供水管網(wǎng)智能監(jiān)測平臺實時采集供水管網(wǎng)監(jiān)測點的管段流量和節(jié)點壓力，采集頻率為5 min/次。為了解傳感器在測量過程中所產(chǎn)生的誤差及影響，在水泵開啟的條件下：①關(guān)閉回水管閥門和所有支管水龍頭，測量一段時間內(nèi)供水管網(wǎng)的靜水壓力，分析壓力傳感器的誤差大??；②僅保持回水管閥門開啟，測量干管流量與回水管流量，分析超聲波流量計的測量偏差和影響。

從表3可以看出，測量靜水壓力時，即使P2、P3、P4、P5位于同一水平高度，但不同壓力傳感器所測得的壓力值仍然存在較大的偏差，最大為9.17 kPa。測量回水管流量時，干管(L1)與回水管(L5)流量分別為0.441和0.371 L/s，相差0.07 L/s。同時，出現(xiàn)了上游節(jié)點壓力小于下游壓力的情況(例如P2小于P3)，雖然這種情況與實際不符，但多次實驗和計算發(fā)現(xiàn)，雙參數(shù)在測量過程中產(chǎn)生的誤差均在其允許范圍內(nèi)，且所測參數(shù)較為穩(wěn)定，可以準(zhǔn)確反映供水管網(wǎng)不同運行狀態(tài)的變化過程，不會影響對供水管網(wǎng)實測參數(shù)的分析和GEMS壓力模型的校核。

表3 靜壓和回水管運行測量參數(shù)Tab.3 Measuring parameters of static pressure and return pipe operation

由于在市政管網(wǎng)中，一般針對實測壓力和流量進(jìn)行分析，較少對所測壓力和流量進(jìn)行校準(zhǔn)，因此實驗中也以實測壓力和實測流量為基礎(chǔ)，對供水管網(wǎng)GEMS壓力模型進(jìn)行了校核和對比分析。供水管網(wǎng)GEMS壓力模型的校核過程中，管網(wǎng)處于多種不同的運行狀況，通過多次實驗、大量采集數(shù)據(jù)，建立實測壓力與模擬壓力的目標(biāo)函數(shù)。對仿真模型的管道、閥門、三通、壓力傳感器布置點、變徑位置等物理信息進(jìn)行粗調(diào)，對摩阻系數(shù)、局部阻力系數(shù)等進(jìn)行微調(diào)，逐步優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。實際校核時按照從上游到下游、從局部到全管網(wǎng)的順序逐步對管網(wǎng)進(jìn)行校核，即分別單獨運行支管1、支管2、支管3、回水管，從單管運行開始校核GEMS壓力模型；然后同時運行2，3，4條支管，從上游到下游對管網(wǎng)進(jìn)行校核，直到完成對供水管網(wǎng)管段的校核，從而達(dá)到供水管網(wǎng)實測壓力與模擬壓力具有較高的擬合度的目的。

3 GEMS壓力模型校核結(jié)果分析

在完成GEMS壓力模型的校核后，通過實測不同支管單獨運行和多條支管同時運行時的雙參數(shù)，研究供水管網(wǎng)各壓力監(jiān)測點實測參數(shù)與模擬參數(shù)的大小，從相對誤差的角度分析GEMS壓力模型的校核效果。

3.1 單管運行校核結(jié)果分析

僅打開回水管閥門，調(diào)節(jié)減壓閥，當(dāng)閥后壓力為226.02 kPa時，統(tǒng)計一段時間內(nèi)供水管網(wǎng)各監(jiān)測點的平均值。測得此時回水管流量為0.372 L/s，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入GEMS壓力模型，得到各監(jiān)測點沿程壓力的變化如圖2所示。

圖2 回水管流量為0.372 L/s時的沿程壓力Fig.2 On-way pressure at the return pipe flow of 0.372 L/s

各壓力監(jiān)測點的實測值與模擬值的數(shù)據(jù)統(tǒng)計及相對誤差計算結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，各監(jiān)測點模擬壓力的沿程變化均略小于實測均值的壓力變化，可能是因為GEMS壓力模型中的摩阻系數(shù)和局部阻力系數(shù)調(diào)節(jié)偏大。其中模擬效果最好的節(jié)點為P4，壓力差值為0.4 kPa，相對誤差僅為0.12%；節(jié)點P5的模擬效果最差，差值為7.92 kPa，相對誤差為2.46%。但總體上，供水管網(wǎng)僅回水管運行時，GEMS壓力模型具有較高的擬合精度，各監(jiān)測點均在97%以上。

表4 回水管流量為0.372 L/s時的模擬效果Tab.4 Simulation results at the return pipe flow of 0.372 L/s

為了驗證該GEMS壓力模型在僅回水管運行但上游壓力變化時仍有相同的模擬效果，通過調(diào)節(jié)減壓閥，使閥后壓力為137.71kPa。此時測得回水管流量為0.296 L/s，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入GEMS壓力模型得到模擬數(shù)據(jù)，繪制供水管網(wǎng)實測沿程壓力與模擬沿程壓力變化如圖3所示。各監(jiān)測點相對誤差分別為1.46%，2.18%，2.74%，0.02%和3.46%。

圖3 回水管流量為0.296L/s時的壓力變化Fig.3 Variation of pressure at the return pipe flow of 0.296 L/s

從圖3可以看出，僅運行回水管時，模擬壓力沿程變化均小于實測壓力，與第1次校核的情況相同。此時實測壓力與模擬壓力的最小差值發(fā)生在節(jié)點P4，為0.05 kPa，相對誤差為0.02%，模擬效果最佳；而實測壓力與模擬壓力的最大差值發(fā)生在P5，為8.53 kPa，相對誤差為3.46%，與第1次的分析結(jié)果相同。多次改變供水管網(wǎng)的上游節(jié)點壓力，發(fā)現(xiàn)實測壓力與模擬壓力的分析均有相同結(jié)果：校核后的GEMS壓力模型，在僅有回水管運行時，各監(jiān)測點均得到了較好的模擬效果，其中效果最佳的節(jié)點為P4、最差的節(jié)點為P5，且各監(jiān)測點相對誤差的大小順序不受上游節(jié)點壓力變化影響。

按照上述方法關(guān)閉回水管閥門，分別打開各支管水龍頭，依次對每條支管單獨運行時的供水管網(wǎng)進(jìn)行校核結(jié)果分析。當(dāng)支管1單獨運行時，測得支管流量為0.20 L/s；當(dāng)支管2單獨運行時，測得支管流量為0.308 L/s，其實測壓力與模擬壓力誤差分析如表5所示。產(chǎn)生相對誤差最值的節(jié)點與之前相同，最大值發(fā)生在P5、最小值發(fā)生在P4點。

表5 支管1、支管2單獨運行時的誤差對比Tab.5 Comparison of errors of operating branch pipe Ⅰ and branch pipe Ⅱ respectively %

實驗結(jié)果表明，采用Water GEMS搭建的仿真壓力模型，通過粗調(diào)和微調(diào)后，各個監(jiān)測點的擬合精度均大于96%。實測參數(shù)與模擬參數(shù)在不同運行狀況下具有相同的變化趨勢，可以模擬供水管網(wǎng)的單管運行，并且能較為準(zhǔn)確地反映供水管網(wǎng)單管運行時的壓力分布。

3.2 枝狀管網(wǎng)的校核結(jié)果分析

打開回水管閥門和支管1水龍頭，調(diào)節(jié)減壓閥壓力為217.21 kPa，測得回水管流量為0.380 L/s，支管1的流量為0.135 L/s。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真模型，支管1加回水管運行時，各監(jiān)測點均有96%以上的模擬精度，節(jié)點P5的相對誤差最大，節(jié)點P4最小，如表6所示。

表6 支管1加回水管運行時相對誤差Tab.6 Relative error of operating branch pipe Ⅰ and return pipe

打開支管1水龍頭、支管2水龍頭和回水管閥門，調(diào)節(jié)減壓閥的壓力為205.243 kPa，測得回水管、支管1和支管2的流量分別為0.360，0.088和0.234 L/s。從表7可以看出，2條支管加回水管同時運行時，監(jiān)測點P1的相對誤差最小，監(jiān)測點P5最大。監(jiān)測點P4未取得相對誤差最小值的原因可能是：仿真模型中支管2與干管的交點到P4監(jiān)測點的局部阻力損失較大，或者多支管開啟時回水管分配的流量偏大等。

表7 兩支管加回水管運行時的相對誤差Tab.7 Relative error of operating the two branch pipes and return pipe

實驗還對其他多條支管同時運行的情況進(jìn)行了校核分析，結(jié)果表明：GEMS壓力模型在模擬多條支管同時運行的枝狀管網(wǎng)時，供水管網(wǎng)各監(jiān)測點的實測壓力與模擬壓力的擬合精度均能達(dá)到96%以上。該模型可以用于實時模擬給水管網(wǎng)的運行，監(jiān)測供水管網(wǎng)的壓力分布。

4 結(jié)論

① 通過收集供水管網(wǎng)的物理信息，利用Water GEMS模擬軟件可以快速搭建供水管網(wǎng)仿真模型。

② 在供水管網(wǎng)中安裝超聲波流量計和壓力傳感器，實時監(jiān)測供水管網(wǎng)的支管用水量和上游節(jié)點壓力，并利用這些基礎(chǔ)參數(shù)模擬管網(wǎng)中的壓力分布。

③ 通過調(diào)節(jié)GEMS壓力模型中的管件物理信息和管段摩阻系數(shù)、局部阻力系數(shù)，對仿真模型進(jìn)行校核。

④ 應(yīng)用校核后的GEMS壓力模型模擬枝狀供水管網(wǎng)的實際壓力分布，各監(jiān)測點的模擬精度均高于96%?？蔀榻⑹姓芫W(wǎng)的仿真模型，實時監(jiān)測供水管網(wǎng)的壓力分布提供參考。