摘  要：供水管網(wǎng)模型在供水企業(yè)中日益得到重視和應(yīng)用，常規(guī)的模型建設(shè)思路都是針對于整個供水管網(wǎng)系統(tǒng)進行建立，缺點是建模過程繁瑣、周期長、更新維護困難造成了實際運用中效果并不理想。但通過“分區(qū)建模”的方法可以很好的幫助供水企業(yè)解決了這一系列難題。本文以某水司供水管網(wǎng)二級管網(wǎng)分區(qū)模型的單獨建立與合并為例，系統(tǒng)的闡述了供水管網(wǎng)“分區(qū)建模”的實施方法，既保證了模型的精度，也提升了模型后期更新維護的效率。同時也為同行業(yè)供水企業(yè)管網(wǎng)模型的建立管理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng)  水力模型  分區(qū)建模  模型管理

A Partition Method for Water Distribution Network Hydraulic Modeling

FEI Zhan-Bo  PENG Yong-Kai   

Abstract：The water distribution network hydraulic model has been paid more attention and application in the water supply industries recently. The conventional model construction is aimed at the entire network. The modeling process is cumbersome, the time period is long, the maintenance is difficult and the application effect is poor. This paper proposes a new “Partition Modeling” method, helps water companies solve problems above. This paper takes the partition and combination modeling of the secondary water distribution network of one one water company as an example. It demonstrates the partition and combination process of modeling, which not only ensures the accuracy of the model, but also improves the efficiency of the model's maintenance. At the same time, it also shows   an efficient model construction way for the water industry.

Key words：water distribution network, hydraulic model, partition method, model management

作者簡介：

① 新天科技股份有限公司  董事長

② 新天科技智慧水務(wù)事業(yè)部  建模工程師

About the Author：

① The Chairman of Suntront Technology Co.,Ltd.    

② The Smart Water Division of Suntront, Hydraulic Model Engineer. 

1 前言

城市供水系統(tǒng)是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是城市“生命線”工程。但隨著城市化進程的快速發(fā)展，城市供水系統(tǒng)也在不斷擴大。導(dǎo)致供水管網(wǎng)諸多問題也逐步暴露出來。為管理和維護這些規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)，許多供水企業(yè)也在致力于建設(shè)一套適合自身供水機制的管網(wǎng)水力模型系統(tǒng)，用來為管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計、運行現(xiàn)狀評估、輔助調(diào)度決策、工程管理和維護等相關(guān)工作，提供有力的數(shù)據(jù)支持。有效而穩(wěn)定的管網(wǎng)水力模型系統(tǒng)，可幫助供水企業(yè)優(yōu)化管網(wǎng)水力性能、保障供水質(zhì)量安全，降低供水成本和漏損風(fēng)險，繼而優(yōu)化生產(chǎn)，提高社會和經(jīng)濟效益。

隨著越來越多的供水企業(yè)開始重視管網(wǎng)水力模型的建設(shè)，常規(guī)的建設(shè)思路在模型建立時，由于管網(wǎng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、用水隨機性強、對管線空間分布數(shù)據(jù)完備性、實時性等方面工作提出更高的要求。這些因素使得建模周期拉長，繁瑣的建模工作，有許多是驗證性或重復(fù)性的工作。隨著后期管網(wǎng)數(shù)據(jù)的持續(xù)更新、管網(wǎng)需要重新建立和驗證^[1]。這就要求供水企業(yè)應(yīng)避免盲目的開展建模工作，基于智慧水務(wù)整體平臺搭建和實際工程應(yīng)用角度出發(fā)，采用更加靈活和有效的建模方案。

供水管網(wǎng)“分區(qū)建模”借鑒漏損控制中“分區(qū)計量”網(wǎng)格化管理的理念，是對常規(guī)建模思路的一種創(chuàng)新。獨立分區(qū)的建?？梢跃劢龟P(guān)注點，降低數(shù)據(jù)采集、管網(wǎng)參數(shù)修正的難度，從而縮短建模周期。在后續(xù)的模型維護中，可以增強管網(wǎng)模型的“生命力”和“準(zhǔn)確率”。更有彈性的階段性建立和維護分區(qū)模型，供水企業(yè)從分區(qū)模型建立、分區(qū)模型校驗、分區(qū)模型的合并運行等過程出發(fā)，從中可以探索出適合企業(yè)自身的建模方案和標(biāo)準(zhǔn)流程。

本文首先介紹分區(qū)建模的基本概念與優(yōu)勢。接著說明分區(qū)建模流程中，大型供水管網(wǎng)如何切割與合并。最后以某水司的實例，驗證管網(wǎng)分區(qū)建模的可行性。

2 分區(qū)建模

以下說明分區(qū)建模的創(chuàng)新理念及此一方法的優(yōu)點。

2.1 分區(qū)建模的概念

1980年Malcolm Farley 提出供水管網(wǎng)分區(qū)計量（DMA）的觀念^[2]，化繁為簡，將動輒數(shù)千公里的管網(wǎng)，切割成數(shù)百個可獨立計量的DMA。從此不僅大幅提升尋找漏水點的作業(yè)效率，也能更精準(zhǔn)的估算漏水量。

管網(wǎng)建模同樣面臨管網(wǎng)龐雜的問題，在此藉由DMA化繁為簡的觀念。將龐雜的供水管網(wǎng)，切割成數(shù)個或數(shù)十個可獨立建模的管網(wǎng)分區(qū)。通過在邊界位置設(shè)置對應(yīng)的模型組件（如：虛擬水池、用水節(jié)點和對應(yīng)模式曲線），劃分為若干個相對獨立的供水子系統(tǒng)，在子系統(tǒng)模型建立階段按照常規(guī)的建模流程進行模型搭建和模型校核。校核后的分區(qū)模型可獨立運作，也可根據(jù)分析需求，組合相鄰的管網(wǎng)分區(qū)，以此逐步擴大分析范圍。關(guān)于相鄰管網(wǎng)區(qū)域的組合，是取消兩區(qū)域銜接部分的邊界模型組件，代之以節(jié)點連接雙方管件。最后進行局部優(yōu)化和模擬分析。

2.2 分區(qū)建模的優(yōu)勢

「拆解組合，化繁為簡」是分區(qū)建模的基本精神。透過此一創(chuàng)新方法，可將原本高不可攀的水力建模，落實到每個水司的智慧水務(wù)。

如果說，供水管網(wǎng)實施分區(qū)計量（DMA）是提高供水管理水平、提高供水收益、降低管網(wǎng)漏損，實現(xiàn)管網(wǎng)精細(xì)化管理的一種創(chuàng)新模式。那么對供水管網(wǎng)實施分區(qū)建模型、分區(qū)模型校核、分區(qū)模型管理以及分區(qū)模型運用，將是一種對傳統(tǒng)管網(wǎng)建模思路的革新。也能更好的結(jié)合供水企業(yè)信息化建設(shè)的整體目標(biāo)，最終打造出一個機動、靈活的水力模型平臺。更加科學(xué)的指導(dǎo)供水管網(wǎng)調(diào)度、分析、運維管理等智慧水務(wù)的終極理想。以下就分區(qū)建模的優(yōu)勢簡單介紹。

（1）縮短建模周期，提高模型精度

一個較小管網(wǎng)的模型建立和校核，其復(fù)雜程度會小很多。模型的建立進程要比整體模型的建立快很多。各區(qū)域的管網(wǎng)元素相對獨立，相互之間的影響被降到最小，分區(qū)模型更有利于模型的校核。模型校核在于準(zhǔn)確地定位模型誤差的位置，較小的模型利于對誤差進行更精確的量化與定位。對模型精度影響較大的是管網(wǎng)需水量的準(zhǔn)確性。對此可藉由現(xiàn)今普遍裝置的邊界流量計，直接測量進出該區(qū)塊的準(zhǔn)確量，就可以在更小范圍內(nèi)找出需水量誤差的位置及大小。

（2）指導(dǎo)分區(qū)計量

 目前多數(shù)供水企業(yè)都已建置管網(wǎng)分區(qū)計量。建模工作中，可充分利用該優(yōu)勢，在一級分區(qū)、二級分區(qū)甚至三級DMA分區(qū)的基礎(chǔ)上進行分區(qū)模型的構(gòu)建。建模過程中，可充分利用各供水區(qū)域間已安裝之遠傳壓流監(jiān)測設(shè)備，提供分區(qū)建模邊界條件的狀態(tài)數(shù)據(jù)。而后期的更新維護，更可以根據(jù)各分區(qū)之建設(shè)與運行情況、地理信息系統(tǒng)更新等信息，僅需針對分區(qū)模型進行個別的更新維護。同時高精度分區(qū)模型的合并分析，將反過來評估現(xiàn)有計量分區(qū)的合理性，進一步指導(dǎo)管網(wǎng)精細(xì)化分區(qū)操作和管理。

（3）排定順序，階段推展

 階段性推展分區(qū)建模，最終建立完整管網(wǎng)模型。分區(qū)建?？筛鶕?jù)管網(wǎng)各區(qū)域的基礎(chǔ)條件或供水管理的輕重緩急，排定順序逐步實施。例如，對基礎(chǔ)管網(wǎng)條件、在線監(jiān)測設(shè)備完善之區(qū)域，可優(yōu)先建立分區(qū)管網(wǎng)模型。在建模過程中摸索適合自己實際情況的建模方案，包括管網(wǎng)資料檢驗方法、用戶水量分配方法、用水規(guī)律測試方法等。試點模型區(qū)域的建立方法和過程會對其他分區(qū)模型、整體管網(wǎng)模型的建立都具指導(dǎo)作用，將建模經(jīng)驗推廣到其他區(qū)域，更能加快全管網(wǎng)模型的建設(shè)進程。

（4）降低投入成本，提高模型管理效率

通過對分區(qū)塊管網(wǎng)模型的建立、校核、更新維護，能讓供水企業(yè)人員快速上手，快速培養(yǎng)一批高精銳的模型應(yīng)用和維護人員。針對各分區(qū)模型規(guī)模和布局，可設(shè)置由專項建模小組同時進行管網(wǎng)拓?fù)浣ⅰ⑺糠峙?、模型校核、維護等工作，然后進行合并應(yīng)用。這種模型管理和維護的方式，對于供水企業(yè)降低投入成本，在有效性和實時性兩方面提升模型運維的質(zhì)量。

3 分區(qū)建模實施流程

3.1 常規(guī)建模

常規(guī)管網(wǎng)水力模型構(gòu)建流程主要包含以下幾個步驟：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)整理校驗、管網(wǎng)模型建立、管網(wǎng)模型校核、管網(wǎng)模型驗證。

具體在建模實施過程中細(xì)分以下幾個階段來構(gòu)建。第一階段，將采集、整理校驗的屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出，通過GIS軟件或建模軟件。將物探管線數(shù)據(jù)、AutoCAD文檔、設(shè)計施工圖紙、其他檔案等數(shù)據(jù)來源導(dǎo)出數(shù)字化后的管網(wǎng)拓?fù)浼皩傩詳?shù)據(jù)。第二階段，獲取水廠生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)。管網(wǎng)建模相關(guān)的水廠生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)包括水廠出廠水量、出廠壓力、監(jiān)測點壓力、大用戶用水量、營銷水量以及相關(guān)的高程、地理坐標(biāo)等信息。第三階段，節(jié)點水量分配。大用戶用水量根據(jù)其位置與SCADA對應(yīng)實測取得。普通用戶需使用營銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建立營銷庫與供水節(jié)點的水量關(guān)聯(lián)，完成普通節(jié)點的水量分配。第四階段，模型模擬計算及校核。通過獲取SCADA 監(jiān)測的壓力和水廠出水壓力、流量，進行模型參數(shù)的率定和模型的精度驗證。第五階段，滿足精度要求的模型在實際中的應(yīng)用。

上述建模流程是個繁瑣的迭代的過程。直至整體模型精度達到實際應(yīng)用的精度要求，水力模型才能投入使用。常規(guī)供水管網(wǎng)水力模型的構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1常規(guī)供水管網(wǎng)水力模型的構(gòu)建流程圖

3.2 分區(qū)建模

分區(qū)建模的建構(gòu)流程，可分為3個階段 (圖2)。首先是管網(wǎng)切割，接著在切割邊界點設(shè)置水池或用水節(jié)點等虛擬設(shè)施，模擬被截斷之管線的水流進出狀態(tài)。再進行管網(wǎng)仿真與模型校正。最后，將兩個獨立完成建模的分區(qū)，取消兩者交界處的虛擬設(shè)施，合并成為更大的分區(qū)模型。并以此重復(fù)管網(wǎng)仿真與模型校正，進而實現(xiàn)分區(qū)建模的最終目標(biāo)。

圖2 分區(qū)建模的建構(gòu)流程

3.2.1 分區(qū)建模的管網(wǎng)切割

管網(wǎng)切割的目的，在滿足小區(qū)域管網(wǎng)建模與模擬分析的需求。因此，管網(wǎng)切割是一種目的導(dǎo)向的行為，沒有一定的面積大小或用戶規(guī)模。以下列出幾個管網(wǎng)切割思考方向，供作水司實施的參考。

1. 基于既已建置之分區(qū)系統(tǒng)

許多水司已經(jīng)建立管網(wǎng)分區(qū)管理機制。一般二級分區(qū)都會安裝邊界流量計，因此考慮以二級分區(qū)為切割單元，順勢以此建立分區(qū)管網(wǎng)模型。

2. 數(shù)據(jù)完整之區(qū)域

對于已經(jīng)實施管線物探的區(qū)域，GIS數(shù)據(jù)可信度高，可以優(yōu)先考慮分區(qū)建模。也就是隨著管線物探與GIS數(shù)據(jù)的逐步完備，依序?qū)嵤┓謪^(qū)建模。而分區(qū)建模的模型校正，也可以當(dāng)作GIS數(shù)據(jù)的反饋驗證，以此確認(rèn)GIS數(shù)據(jù)的真實性。

3. 供水子系統(tǒng)為分區(qū)范圍

沿著供水管線順藤摸瓜，切割供水子系統(tǒng)作為分區(qū)建模的范圍，是對管網(wǎng)整體性變動最小的切割方式。就流體力學(xué)的角度而言，也是最合理的切割方式。

3.2.2 分區(qū)建模的虛擬邊界

切割之后的管網(wǎng)分區(qū)，在切割邊界點設(shè)置水池或用水節(jié)點等虛擬設(shè)施，模擬被截斷之管線的水流進出狀態(tài)。再以切割點的水頭模式(Head Pattern)或用水模式(Demand Pattern)^[3] 進行管網(wǎng)仿真與模型校正。

切割點虛擬水池的水頭模式，可根據(jù)安裝于現(xiàn)場的壓力計，長時間紀(jì)錄壓力隨時間的變化趨勢，以此換算水頭模式。至于切割點虛擬用水節(jié)點的用水模式，則根據(jù)安裝于現(xiàn)場的邊界流量計，長時間紀(jì)錄流量隨時間的變化趨勢，以此換算用水模式。

一旦確定管網(wǎng)的切割區(qū)域，最好對該區(qū)域進行零壓力測試。也就是關(guān)閉所有該切割區(qū)域的邊界閥門，并在區(qū)域內(nèi)的適當(dāng)?shù)攸c進行排水泄壓。觀察區(qū)域水壓是否降至零點。以確保分區(qū)建模已掌握所有邊界點，沒有任何不明管線的存在。

3.2.3 分區(qū)模型的合并

相鄰兩個分區(qū)模型的合并作業(yè)分為兩個階段。首先是以連接節(jié)點取代虛擬邊界上的虛擬設(shè)施 (水池或用水節(jié)點) 。之后再比較合并前后，管網(wǎng)任意節(jié)點與管線的壓力與流量值，是否存在差異。如果存在明顯差異，表示原先合并處的某些虛擬設(shè)施，其設(shè)定值存在誤差。此時應(yīng)該回到獨立分區(qū)模型，重新修正該虛擬邊界的進出水模式設(shè)定值。

4分區(qū)建模案例分析

4.1 項目背景

本文相關(guān)的水司供水管網(wǎng)GIS系統(tǒng)中DN100以上管線有17450根，節(jié)點數(shù)量為17221個，管網(wǎng)總長度約340公里，供水能力約7萬CMD，管材以球墨鑄鐵、鑄鐵、PE為主。水源主要來自本城另一水司的供水管網(wǎng)，定期與其供水方自來水公司進行水費結(jié)算，主管道設(shè)有與供水方水司自來水管道4處連通管，并都裝有在線遠傳壓流監(jiān)測設(shè)備，后通過管網(wǎng)改造，在某處新增設(shè)一路進水口，代替另外兩個地方的進水口供水。

管網(wǎng)建模工作啟動前，結(jié)合供水單位的前期需求與技術(shù)數(shù)據(jù)調(diào)研結(jié)果，整個供水管網(wǎng)為實現(xiàn)網(wǎng)格化、精細(xì)化管理，在一期智慧水務(wù)信息化建設(shè)期間，已結(jié)合分區(qū)計量管理平臺，構(gòu)建三級分區(qū)管理模式 (圖3) 。

圖3供水管網(wǎng)計量分區(qū)整體架構(gòu)圖

此供水系統(tǒng)前期已規(guī)劃有自己的區(qū)域管理片區(qū)和DMA分區(qū)，整體分區(qū)框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。為實現(xiàn)上述分區(qū)格局，此水司自來水在相應(yīng)的分區(qū)邊界裝有在線遠傳壓流監(jiān)測設(shè)備，且在線監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定的傳回調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)?，F(xiàn)有管網(wǎng)運行管理模式和系統(tǒng)平臺的搭建，充分具備分區(qū)模型的建置條件。

按照實際管網(wǎng)狀況，將一級分區(qū)主城區(qū)進行分區(qū)管網(wǎng)模型建設(shè)的思路進行示范區(qū)域模型搭建。主城區(qū)下屬兩個二級分區(qū)：主城西區(qū)、主城東區(qū)。建模初期，共設(shè)置兩個建模小組，一組負(fù)責(zé)主城區(qū)西區(qū)片區(qū)模型的搭建，另外一組負(fù)責(zé)主城區(qū)東區(qū)片區(qū)模型的搭建，依照上述分區(qū)建模流程逐步實施。最后再以合并前后的仿真數(shù)據(jù)，進行模型驗證。

4.2 分區(qū)建模的管網(wǎng)切割

圖4為供水管網(wǎng)圖。如圖所示，由主城區(qū)、濱河新城與東區(qū)，3個一級分區(qū)所構(gòu)成。其中主城區(qū)又下分為主城西區(qū)與主城東區(qū)兩個二級分區(qū) (圖5)。本文就以主城西區(qū)與主城東區(qū)兩個二級分區(qū)進行分區(qū)建模，獨立完成建模之后，再將二者合并成主城區(qū)(一級分區(qū))管網(wǎng)模型。

分區(qū)建模前期，通過整理管網(wǎng)物探數(shù)據(jù)，確定西區(qū)和東區(qū)沿著東三環(huán)主道路進行切割。東區(qū)和西區(qū)主要聯(lián)絡(luò)管為航海東路DN500的管道、經(jīng)南三路DN600管道、經(jīng)南五路DN300管道，并在分區(qū)計量建設(shè)過程中安裝在線遠傳壓、流遠傳監(jiān)測設(shè)備。并借助這些邊界流量計與壓力計，建構(gòu)模型邊界點之虛擬設(shè)施。

圖4 管網(wǎng)計量分區(qū)整體布局圖

圖5 一級分區(qū)建模示意圖

4.3 分區(qū)建模與模型校準(zhǔn)

圖6為主城西區(qū)模型示意圖。圖中5個綠色圓點，代表該模型之邊界進出水點。圖6左邊2個綠色圓點，代表該區(qū)域之2個進水口，且設(shè)有相應(yīng)的遠傳流量計、壓力計。對此以虛擬水池模擬管網(wǎng)進水情形，并以壓力計實測的壓力時間變化曲線，建立該虛擬水池的水頭模式。

圖6右邊3個綠色圓點，為主城西區(qū)流向主城東區(qū)的3個出水口。對此以虛擬用水節(jié)點模擬管網(wǎng)出水情形，并以安裝于該處流量計的實測流量時間變化曲線，建立該用水節(jié)點的基礎(chǔ)用水流量與用水模式。以管網(wǎng)內(nèi)某些節(jié)點之實測壓力值進行模型校準(zhǔn)，最終得到圖7與圖8的精準(zhǔn)模型。

圖9為主城東區(qū)模型示意圖。圖9左邊3個綠色圓點，代表該區(qū)域之3個進水口。對此以虛擬水池模擬管網(wǎng)進水情形，并以壓力計實測的壓力時間變化曲線，建立該虛擬水池的水頭模式。至于圖9其它3個出水點，則以虛擬用水節(jié)點模擬管網(wǎng)出水情形，并以安裝于該處流量計的實測流量時間變化曲線，建立該用水節(jié)點的基礎(chǔ)用水流量與用水模式。以管網(wǎng)內(nèi)某些節(jié)點之實測壓力值進行模型校準(zhǔn)，最終得到圖10與圖11的精準(zhǔn)模型。

圖 6 主城區(qū)-西區(qū)模型示意圖

圖7主城西區(qū)模型壓力模擬示意圖

圖8主城西區(qū)模型壓力模擬示意圖

圖9 主城東區(qū)模型示意圖

圖10 主城東區(qū)模型壓力模擬示意圖

圖11主城東區(qū)模型流量模擬示意圖

4.4 主城區(qū)的模型合并

  主城區(qū)的2個二級分區(qū)分別完成分區(qū)建模后，下一個步驟就是將兩個二級分區(qū)合并，最終形成完整的主城區(qū)管網(wǎng)模型(圖12)。兩個分區(qū)模型的合并方法，就是將圖12中兩個分區(qū)交界處的3個綠色圓點，以連接節(jié)點取代。隨即完成兩個模型的合并工作，最終得到圖13與圖14的合并模型。

圖12合并后之主城區(qū)管網(wǎng)模型示意圖

圖13主城區(qū)壓力模擬示意圖

圖14主城區(qū)流量模擬示意圖

4.5 分區(qū)模型合并前后的模型驗證

為確保分區(qū)模型合并前后的一致性，于管網(wǎng)中隨機選定某些節(jié)點與管線，比較其分區(qū)模型與合并模型在1:00, 8:00,16:00, 3個時間點的壓力與流量模擬結(jié)果是否一致。從表1, 表2, 表3, 表4, 的計算結(jié)果，清楚表明模型合并前后的管網(wǎng)模擬效果同樣精準(zhǔn)。

圖15合并后前后模型校核壓流點分布示意圖

表1 西區(qū)合并前后關(guān)鍵壓力點數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果

表2 西區(qū)合并前后關(guān)鍵管道流量數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果

表3 東區(qū)合并前后關(guān)鍵壓力點數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果

表4 東區(qū)合并前后關(guān)鍵管道流量數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果

5 結(jié)語

本文以“分區(qū)建模”的創(chuàng)新方法，解決建構(gòu)管網(wǎng)水力模型的各種難題。并以某水司管網(wǎng)分區(qū)管網(wǎng)水力模型為例，針對個別的二級分區(qū)進行模型仿真和調(diào)校精度。最終通過模型合并，搭建整體化一級分區(qū)的管網(wǎng)模型。最后比較合并前后，節(jié)點壓力與管線流量之相對差值，證明本方法的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

分區(qū)建模不僅大幅簡化水力模型的復(fù)雜問題，更可藉此將管網(wǎng)切割成可拼湊獨立單元的觀念，進一步應(yīng)用在管網(wǎng)模型的數(shù)據(jù)庫管理?；麨榱?，以各自獨立的管網(wǎng)單元，為數(shù)據(jù)庫的基本管理單元。可將龐雜的管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理，轉(zhuǎn)化為簡單維護與容易擴充的管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。這也是本文作者未來的研究方向。