城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)由大量管材各異、管徑各異、鋪設(shè)年代各異的管道，泵站，閥門， 水塔等多元素構(gòu)成，因此決定了供水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個拓撲結(jié)構(gòu)龐雜、運行工況多變的巨系統(tǒng)。以前國內(nèi)供水公司對鋪設(shè)在地面以下的供水管網(wǎng)多以經(jīng)驗性管理為主，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時代的到來，基于水力學(xué)相關(guān)原理對城市供水管網(wǎng)系統(tǒng) 進行水力建模從而實現(xiàn)供水管網(wǎng)科學(xué)化、智慧化管理已成為可能。城市供水管網(wǎng)水力模型通過集成GIS系統(tǒng)以及SCADA系統(tǒng)的相關(guān)信息并實時計算出供水管道的流量大小、水流速度、壓降大小以及用戶節(jié)點、水廠的壓力大小等水力信息，以此在線跟蹤供水管 網(wǎng)系統(tǒng)水力運行狀態(tài)。供水公司通過供水管網(wǎng)水力模型能夠及時掌握供水管網(wǎng)的運行狀態(tài)，了解供水管網(wǎng)的運行瓶頸；與此同時，一個校核準確的供水管網(wǎng)水力模型也是供水管網(wǎng)分區(qū)管理、測壓點優(yōu)化布置、漏失控制及漏失輔助定位的基礎(chǔ)。因此本章對供水管網(wǎng)水力模型的相關(guān)概念、模型建立的方法與原則以及模型校核的標準與步驟進行論述。
2 供水管網(wǎng)水力模型的分類
2.1 靜態(tài)水力模型及動態(tài)水力模型
按照供水管網(wǎng)仿真模擬時間是否具有連續(xù)性，供水管網(wǎng)水力模型可以被分為供水管 網(wǎng)靜態(tài)水力模型和供水管網(wǎng)動態(tài)水力模型。供水管網(wǎng)靜態(tài)水力模型又被稱為供水管網(wǎng) 瞬時水力模型，其模擬的是事故時、消防時等情況下一個時間點上的工況。供水管網(wǎng)動態(tài)水力模型是隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，在供水管網(wǎng)靜態(tài)水力模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其模擬的是一個周期內(nèi)供水管網(wǎng)構(gòu)件元素屬性的變化情況，能夠較好的模擬供水管網(wǎng)實際運行狀態(tài)。
2.2 宏觀水力模型及微觀水力模型
供水管網(wǎng)水力模型又可以被分為供水管網(wǎng)宏觀水力模型與供水管網(wǎng)微觀水力模型， 供水管網(wǎng)宏觀水力模型是在供水管網(wǎng)系統(tǒng)大量實際運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將整個供水管網(wǎng)系統(tǒng)或局部供水管網(wǎng)系統(tǒng)看成一個整體進行研究。在不考慮整個供水管網(wǎng)系統(tǒng)中節(jié)點、管段等元素相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及狀態(tài)參數(shù)的情況下，引入“黑箱理論”并結(jié)合統(tǒng)計學(xué)相關(guān) 知識，通過計算供水管網(wǎng)系統(tǒng)“輸入變量”和“輸出變量”之間的映射關(guān)系，以此來構(gòu) 建各變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。輸入變量、輸出變量涉及到水廠的出廠水壓、出廠水量、出廠水質(zhì)以及供水管網(wǎng)中的各個流量監(jiān)測點、壓力監(jiān)測點以及水質(zhì)監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)等 變量。自上世紀七十年代中期Robert提出供水管網(wǎng)系統(tǒng)宏觀水力模型以來，天津大學(xué)趙新華、田一梅等人在結(jié)合我國供水管網(wǎng)系統(tǒng)實際情況的基礎(chǔ)上相繼提出了適應(yīng)不同工況的供水管網(wǎng)宏觀水力模型。我國城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)龐雜，構(gòu)建一個與其水力特性相吻 合的供水管網(wǎng)宏觀水力模型，能夠用來指導(dǎo)供水公司對供水管網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度。
供水管網(wǎng)微觀水力模型是指將供水管網(wǎng)系統(tǒng)中的一些元素構(gòu)件的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到 供水管網(wǎng)建模軟件中進行延時模擬而建立的供水管網(wǎng)仿真水力模型。供水管網(wǎng)微觀 水力模型可以用回路方程、節(jié)點方程、壓降方程來進行表達，當前多以節(jié)點水壓為求解 變量的牛頓迭代法對上述方程進行優(yōu)化求解。利用供水管網(wǎng)微觀水力模型求解得出的 管段參數(shù)以及節(jié)點參數(shù)可以比較全面的表達出供水管網(wǎng)系統(tǒng)各處的水力運行狀態(tài)，直觀 性較強。供水管網(wǎng)改擴建過程中的規(guī)劃、設(shè)計等階段多數(shù)依靠供水管網(wǎng)微觀水力模型來進行指導(dǎo)。
3 供水管網(wǎng)水力模型的建立方法與原則
3.1 水力建模理論基礎(chǔ)
供水管網(wǎng)水流運動規(guī)律滿足質(zhì)量守恒定律及能量守恒定律。供水管網(wǎng)質(zhì)量守恒定律 表現(xiàn)為節(jié)點的流量平衡：流入節(jié)點的所有流量應(yīng)等于流出節(jié)點的所有流量。供水管網(wǎng) 連續(xù)性方程組如下式所示。
上式中：
qi—管段i的流量，m3/s；
Qj—節(jié)點j的流量，m3/s；
sj—節(jié)點j的關(guān)聯(lián)集；
N—供水管網(wǎng)中節(jié)點總數(shù)。
能量守恒定律體現(xiàn)的是供水管網(wǎng)系統(tǒng)中管段的動能與壓能消耗的規(guī)律，根據(jù)能量守 恒方程任意管段i兩端的節(jié)點水頭之差應(yīng)等于該管段的壓力降。供水管網(wǎng)水頭損失方 程及能量方程組如下式所示。
hi=HFi-HTi i=1，2，3，…，M
式（2、2)、（2.3）中：
hi—管段i的壓力降，m；
Fi—管段i的起點編號；
Ti—管段i的終點編號；
HFi—管段i的起點水頭，m；
HTi—管段i的終點水頭，m；
M—供水管網(wǎng)中管段總數(shù)；
k—供水管網(wǎng)中環(huán)的管段編號。
上述基于質(zhì)量守恒定律及能量守恒定律的連續(xù)性方程組、水頭損失方程、能量方程 組共同構(gòu)成供水管網(wǎng)水力模型建立的理論基礎(chǔ)。
3.2 水力建模軟件概況
供水管網(wǎng)水力模型的建立離不開水力建模軟件的支持，當前國內(nèi)外水力建模軟件種 類較多，如下表所示，其中EPANET、WaterGems兩款水力建模軟件應(yīng)用較為廣泛。
3.3水力建模技術(shù)流程
城市供水管網(wǎng)水力模型的建模技術(shù)流程如下所示：
（1）任何水力模型的成功建立都離不開系統(tǒng)、準確的數(shù)據(jù)支持，水力建模首先要收集 各種管段信息、節(jié)點信息、水泵信息、地理信息等供水管網(wǎng)建模靜態(tài)信息以及閥門開啟 度、用戶用水信息、監(jiān)測點信息、管網(wǎng)總供水量等供水管網(wǎng)建模動態(tài)信息。
（2）對水力模型進行簡化。水力模型要遵循宏觀等效原則、小誤差原則進行簡化，簡 化有刪除次要管線、合并管線、等效簡化、拆分大系統(tǒng)為小系統(tǒng)等方法。對于規(guī)模較大的城市供水管網(wǎng)，簡化后的供水管網(wǎng)管徑一般應(yīng)≥300 mm，這樣可以提高水力模型運算 的速度。
（3）構(gòu)建供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，并將前期收集到的各種靜態(tài)信息、動態(tài)信息以及設(shè)置的各 種參數(shù)導(dǎo)入到水力建模軟件中并運用相關(guān)方程對供水管網(wǎng)的運行工況進行仿真模擬計 算。
（4）將水力模型計算出的各管段的節(jié)點水壓、管段流量、水源供水壓力、水源供水流 量等數(shù)據(jù)與供水管網(wǎng)系統(tǒng)各監(jiān)測點的實測數(shù)據(jù)進行對比。如果二者之差小于規(guī)定值，則說明水力模型精度滿足要求，模型可以投入使用；如果二者之差大于規(guī)定值，則說明水力模型精度不符合要求，需要對水力模型參數(shù)進行調(diào)整，重新回到第三步進行計算，直到水力模型精度符合要求為止。
4 供水管網(wǎng)水力模型的校核標準與步驟
通過供水管網(wǎng)水力模型模擬的結(jié)果與實際供水管網(wǎng)的運行工況不可能完全一致，兩 者之間往往存在著一定的誤差。供水管網(wǎng)水力模型應(yīng)用之前要保證在一定的誤差范圍內(nèi) 其模擬結(jié)果與實際供水管網(wǎng)運行特征相吻合，這個使模擬值與實測值的誤差滿足精度要 求的過程稱之為供水管網(wǎng)水力模型校核。通過對供水管網(wǎng)水力模型進行校核，能夠增 加供水管網(wǎng)水力模型的可信度。供水管網(wǎng)水力模型的可信度非常重要，因為供水管網(wǎng)系 統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度、近遠期規(guī)劃等都以供水管網(wǎng)水力模型的計算結(jié)果為指導(dǎo)。如果供水管網(wǎng) 水力模型沒有達到其實際運用所需要的精度要求，那么基于供水管網(wǎng)水力模型的分析結(jié) 果將會誤導(dǎo)供水公司最終決策，給供水公司造成不必要的損失。
4.1 影響校核精度的因素
供水管網(wǎng)水力模型的精度由模擬值與實測值的差值來進行評價。美國給水工程協(xié)會 （AWWA）通過研究發(fā)現(xiàn)影響供水管網(wǎng)水力模型精度的誤差來源主要包括：結(jié)構(gòu)誤差、 測量誤差、節(jié)點需水量誤差、管道模阻誤差、管網(wǎng)簡化誤差、水池水位誤差以及水泵運 行狀況誤差。哈爾濱工業(yè)大學(xué)舒詩湖（2008年）在前人的研究上進一步指出基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 不準確，管道粗糙系數(shù)及操作條件的不確定性都會影響水力模型的精度，并進一步通過實驗實測了大用戶用水規(guī)律、管道粗糙系數(shù)、閥門阻力系數(shù)、水泵特性曲線、節(jié)點高程 GPS等管網(wǎng)建模的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其中管道粗糙系數(shù)（C值）是建立供水管網(wǎng)水力模型的 重要參數(shù)之一，供水管網(wǎng)長期運行后管道的C值由于受到各種因素的影響呈現(xiàn)出不確定 性。當前運用最廣泛的方法就是根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)對其進行賦值。
4.2 水力模型的校核標準
供水管網(wǎng)水力模型的使用目的不同，與其對應(yīng)的水力模型精度要求也不一樣。目前 通用的供水管網(wǎng)水力模型校核標準主要有三種，分別為美國工程計算機應(yīng)用委員會 （ECAC）提出的水力模型校核標準、英國水研究中心（WRC）提出的水力模型校核標 準及哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙洪賓教授結(jié)合我國供水管網(wǎng)具體情況提出的水力模型校核標準。
為了確保供水管網(wǎng)水力模型的精度，建模工作者需要在不同工況下對供水管網(wǎng)水力 模型進行校核，一般校核的模擬時段必須連續(xù)并且不少于24h。但是由于供水管網(wǎng)水 力模型是對實際供水管網(wǎng)系統(tǒng)的近似模擬，以上供水管網(wǎng)水力模型的校核標準也不是一成不變的，應(yīng)根據(jù)供水管網(wǎng)水力模型的使用目的來最終決定。
4.3 水力模型的校核步驟
供水管網(wǎng)水力模型校核一般分成模型預(yù)校核以及模型微觀校核兩步，模型預(yù)校核指 的是當水力模型計算出的模擬值與實測值差異過大時，通過水力模型模擬計算來核實前 期收集的基礎(chǔ)資料是否準確的過程，其主要包括通過模擬計算來查找管段信息和節(jié)點信息是否準確、核查管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)是否正確、判斷水泵的特性曲線是否出現(xiàn)偏差、核查閥門操作條件是否正確等步驟。模型微觀校核指的是當水力模型計算出的模擬值與實測 值差別不大時，通過對水力模型中的節(jié)點用水量和管道粗糙系數(shù)的微調(diào)來降低模擬值與 實測值之間的差異從而滿足供水管網(wǎng)水力模型精度要求。供水管網(wǎng)水力模型的校核需要 通過模型預(yù)校核以及模型微觀校核相結(jié)合來找出存在差異的原因，從而去完善水力模型、 調(diào)整模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置、多次進行水力模擬計算，使最終建立的供水管網(wǎng)水力模型達到 精度要求。
4.4 水力模型的維護更新
供水管網(wǎng)水力模型經(jīng)過一系列校核，精度符合要求后能夠較直觀地反映實際供水管網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)。但伴隨城市規(guī)模的不斷擴大，供水管網(wǎng)系統(tǒng)每年都會鋪設(shè)新供水管 線以及對部分老舊、破損供水管線進行改造維修，加之供水管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)閥門的啟閉、設(shè) 備的更替、用水量及用水規(guī)律的變化都會導(dǎo)致供水管網(wǎng)水力模型精度的下降，因此需要 周期性地維護更新供水管網(wǎng)水力模型才能保持模型的實效性。
5 小結(jié)
供水管網(wǎng)水力模型對城市供水管網(wǎng)近遠期規(guī)劃，故障分析起著指導(dǎo)性作用；與此同時，一個校核準確的供水管網(wǎng)水力模型是后續(xù)基于漏失識別的壓力監(jiān)測點優(yōu)化布置以及 供水管網(wǎng)漏失輔助定位模型建立的基礎(chǔ)。因此本章闡述了供水管網(wǎng)水力模型建立的必要 性及其意義，介紹了供水管網(wǎng)水力模型的幾種不同類型，總結(jié)了供水管網(wǎng)水力模型建立 的理論基礎(chǔ)、水力建模軟件概況、供水管網(wǎng)水力模型建立的技術(shù)流程，論述了影響供水管網(wǎng)水力模型精度的相關(guān)因素、供水管網(wǎng)水力模型的校核標準、供水管網(wǎng)水力模型的校 核步驟以及對供水管網(wǎng)水力模型進行周期性的維護更新的意義。
