城镇供水管网综合模拟技术研究与应用示范

城镇供水管网综合模拟技术研究与应用示范孟明群１，２　白晓慧３　俞国平４　柳景青５　张立尖２　舒诗湖１　黄　怡１（１城市水资源开发利用南方国家工程研究中心，上海　２０００８２；２上海市供水调度监测中心，上海　２００１００；３上海交通大学，上海　２００２４０；４同济大学环境科学与工程学院，上海　２０００９２；５浙江大学建筑工程学院，杭州　３１００２７） 摘要　针对供水管网模型建设现状及应用中的主要问题，研究突破了模型参数自动率定技术和实时模拟技术，介绍了管网模型不同层面的应用情况，并对供水管网综合模拟技术进行集成，建立了供水输配管网数字水质信息化平台。

关键词　供水管网　水力模型　水质模型　自动率定　优化调度　水专项１　课题概述饮用水区域安全输配技术与示范由城市水资源开发利用（南方）国家工程研究中心牵头，上海市供水调度监测中心、浙江大学、同济大学、上海交通大学等单位参加。

课题于２００８年１０月在北京通过国家水专项管理办公室组织的专家论证并获批立项，于２０１２年９月在北京通过技术验收。

课题针对长江下游地区典型城市水资源与水环境特点和饮用水源地水质污染特征，通过研究提出了针对特大型城市和城乡一体化饮用水安全输配的水质稳定评价指标体系与水质安全保障技术；突破了管网模型自动校核与实时模拟技术，建立了上海市中心城区供水输配管网“数字水质”信息化平台；突破了基于水质稳定的城乡一体供水管网系统优化技术，实现了嘉兴市和苏州市城乡区域联网优化调度；通过研究建立了上海市二次供水系统水质安全保障技术体系。

在技术集成的基础上，选择典型示范区进行综合工程示范，建设了上海市中心城区管网优化运行信息化平台、上海世博园区二次供水水质安全保障和嘉兴市城乡一体化安全供水系统３个综合示范工程，示范工程饮用水水质全面达到新颁国家标准。

２　管网模型研究成果总结供水管网模型包括水力模型和水质模型。

水力模型主要有：宏观模型（黑箱模型）、微观模型（白箱模型）和简化模型。

水质模型也分宏观模型（所有水国家水体污染控制与治理科技重大专项（２００９ＺＸ０７４２１　００５）。

质指标）和微观模型（余氯和水龄）。

宏观模型和微观模型各有优缺点和适用条件。

宏观模型所需数据少，建模快，但无法了解整个管网的运行工况。

微观模型可获得所有管段、节点、水源的工况参数，以及各小时的静态模拟工况和动态实时工况，因而建立管网微观模型是指导管网调控的基础。

课题在管网模型方面取得的成果和技术突破如下。

２．１　基于在线监测信息的管网微观模型参数自动率定大规模管网运行监控及优化调度技术的基础是能够满足供水系统实时调度的水力模型，核心是管网节点流量的校验。

通过模型的校验，使得相应的管网模型能够与真实情况基本一致，在此基础上进行大规模管网运行监控及优化调度。

为此，课题经过多年的技术积累与研究，开发了水力实时反分析技术，进行节点流量的校核，实现实时监测信息与管网模型进行数据同化。

管网模型中的管道粗糙率和节点流量参数是影响管网模拟精度的主要因素。

一般情况下，管道粗糙率变化范围不大，随时间变化也非常稳定，而节点流量随时间和空间变化非常大。

传统的管网建模过程节点流量的校验是非常复杂的过程，需要进行现场实测和提取典型用水模式。

然而现场实测的典型用水模式往往不能准确地反映所有节点的用水特征。

为解决该问题，本研究建立ＳＣＡＤＡ系统监测数据为基础的实时节点流量校验系统，系统首先从ＳＣＡＤＡ系统提取实时的管网运行数据，然后服务器上进行实时的数据同化，对管网模型进行修正，修正后的模型进行水力平差，平差结果直接提供给客户端使用。

针对管网模型节点流量校验，提出基于广义逆方法的节点流量算法，能在实测参数少于估计参数情况下校验出稳定的可行解。

在此研究出管网的数据同化技术，主要技术指标如下：（１）计算效率。

每１５ｍｉｎ进行一次模型自动校验，大型供水管网（供水量１００万ｍ３／ｄ，水源３～４个或以上）单次分析时间小于５ｍｉｎ；中型供水管网（供水量５０～１００万ｍ３／ｄ，水源２～３个或以上）单次分析时间小于３ｍｉｎ；中小型供水管网（供水量５０万ｍ３／ｄ以下）单次分析时间小于２ｍｉｎ。

（２）计算精度。

水源供水流量精度（供水量１５％以上水源）９０％以上误差小于５％；管网主要控制点压力（监测管段管径不小于３００ｍｍ）９０％以上误差小于１．５ｍ；总供水量１５％以上管段（监测管段不小于３００ｍｍ）的流量误差９０％以上小于１０％。

（３）稳定性。

实现无人值守自动运行，连续运行３０ｄ以上，若出现软件故障，可自动重启至正常运行。

２．２　嘉兴市供水管网实时水力模拟针对嘉兴市７２０ｋｍ２范围内，包括３个供水水源的城乡一体化多水源供水管网系统建立了实时的管网水力水质模型，为国内外首个能够实现实时供水管网水力数据同化系统，为实现城乡一体化管网输配系统优化配置与调度提供了技术平台与基础。

嘉兴市实时水力模型采取无人值守式后台服务形式，实现完全自动化运行。

首先将嘉兴市管网实时模型与嘉兴市监控系统（ＳＣＡＤＡ）进行了对接，编制了相应的实时管网水力数据同化程序进行管网系统状态追踪。

将ＳＣＡＤＡ的基本信息连接到实时管网模型中，并将管网的主要观察点信息与管网模型进行实时的数据同化，保证了模型与管网实时的状态相一致。

系统在运行过程中不需要人员干预，更新ＳＣＡＤＡ监测数据，每１５ｍｉｎ进行一次数据同化，所有计算结果保存在数据库中，调度中心人员通过客户端查看计算结果。

嘉兴市实时水力模型实时校验的成果主要通过计算结果与ＳＣＡＤＡ系统的测量结果进行比较。

嘉兴市ＳＣＡＤＡ系统中对各水厂的供水量和管网中关键节点进行计量，计算结果显示水厂的实际供水量与计算值误差较小，完全在要求范围以内。

除了对各水源的水量进行评估，还需要对各测压点的压力计算结果进行评估，统计结果显示９５％以上的计算结果与实测值的误差小于１．５ｍ，采用该模型可以用于指导实时的管网水力调度。

２．３　宏观与微观模型结合的二次消毒优化技术乡镇管网水质数据信息不充分是它的主要特点，因此，课题研究提出在乡镇管网末端代表性水质点控制点识别（多个点形成一个组合）确定的基础上（识别确定的目标条件：如果确定的３～５个控制点满足要求的情况下，９５％的用户基本实现消毒剂水平达标），通过加氯点次氯酸钠投加量的主观设置和调整，监测各代表性水质采样点水质参数变化，同时记录水厂出厂水水质情况及相关的外部环境参数，通过系统理论的数据挖掘分析方法，建立管网末端代表性水质控制点余氯浓度水平与加氯点余氯浓度水平间的时空响应关系。

以加氯费用及乡镇用户余氯达标水平为优化目标，建立城乡一体管网二次加氯优化模型，乡镇管网二次加氯系统及其控制原理见图１。

图１　二次加氯优化原理示意２．４　基于宏观模型和微观模型实现供水优化调度传统的调度系统主观性极强，调度预案的生成缺乏数据支持和理论支持，调度方案没有对比，难以评估，调度过程难以监控。

对于变化不大或周期性较强的供水过程，可以采用宏观模型指导调度员进行调度。

当出现特殊情况，如水厂停产，重要管线关闭时微观模型能够提供较好的指导作用。

由于系统复杂及用户多元等原因，城乡一体供水系统相比城市供水系统而言，其系统调度余地更大，对系统水质保障作用更明显。

在前述输配水系统水质变化规律研究的基础上，研究①基于现状用户信息综合调查及系统理论方法建模，研究得到城乡一体供水系统用水量预测分析模型；②在以上用水量预测分析结果的基础上，结合现场试验校正，建立一体化供水系统的工况分析模型（包括微观模型和宏观模型）及供水系统工况分析平台；③综合系统水量预测模型和工况模型分析结果，从节能降耗和水质安全保障目的出发，建立一个覆盖城乡、联调联控的供水系统优化调度软硬件平台。

２．４．１　苏州市供水科学调度系统苏州市供水科学调度系统软件主要由供水科学调度平台、水量预测系统、方案制作、预案管理等各种功能模块组成。

供水调度水量预测功能为：①支持多种水量预测算法，可以设定权重比例将不同算法组合成水量预测模型；②可以配置指定日、节假日等多种水量预测模型，配置多种预测步长（３、５、１５ｍｉｎ）；③应用水量预测模型预测各水厂和管网的分时水量、日水量；④预测值可以与实测值、历史数据作对比，可以采用多种算法预测比较。

供水调度在线决策包括：①应用水量预测模型和各种影响因素预测下一时段的水量；②应用供水管网模型进行模拟计算，给出多个优化方案供选择；③支持自动和人工两种方式生成优化方案；④应用供水管网模型模拟展示调度方案的管网运行状况；⑤在线修改供水调度方案，提供给调度指令操作。

２．４．２　嘉兴市供水科学调度系统嘉兴市供水管网的优化调度决策分为两个层次，即离线的优化调度和在线的优化调度。

一般来讲供水管网的用水特征具有明显的周期性，以２４ｈ为周期，周而复始。

同时，供水系统又具有随机性，对离线优化调度，一般的水司经过几年时间行成的运行调度方案比较粗糙，主要表现在：①季节性的方案不明显，如一个城市夏季和冬季供水量相差１５％～２０％，如果假设冬季沿程水头损失为１０ｍ，则夏季的沿程水头损失可能在１２～１４ｍ。

按照最不利日制定的优化方案在冬季显然有较大的余地；②对于每天出现的随机波动很难应对。

根据国家规范，最末端的用户龙头出水水头１．５～２ｍ，由于用水的随机性，为了保证用户的水压，而实际操作过程中，大部分水司在平均用水时都有一定安全余量，在优化过程中一般将安全余量调得较高。

在线优化调度主要对现有方案的微调主要解决以下几个问题：①在运行阶段，各水源的压力调整对各水源供水量的影响，对管网中控制点的影响如何；②运行条件下的实时压力优化（一级优化）；③供水管网在运行条件下的水泵优化调整（二级优化）。

在嘉兴的ＣＷａｔｅｒＮｅｔ系统中一般自动已设置好各水源的最大供水能力、制水成本、单位电费成本等，用户在使用过程中只需要点击一下，即可获取最优的压力控制值。

通过优化后，电耗可以降低５０％，最重要的是管网的压力得到了下降，变得更加均匀，有利于降低整个管网的漏损量。

通常水泵的调节时间需要几分钟以上，而优化过程计算时间小于１０ｓ，计算结果可以逐步接入控制系统，进行在线优化控制２．５　不同简化程度的微观水力模型满足不同层面的应用管网微观水力动态模型系统的建立，可以进行现状管网工况动态分析，评估规划和管网改扩建等方案进行模拟。

真正做到了科学分析、合理规划、经济建设，进一步提高管网的运行管理水平，为供水调度在线辅助决策奠定了良好的现代化技术基础。

（１）上海中心城区ＤＮ７００水力模型用于保高峰调水。

上海市供水调度监测中心建立的中心城区ＤＮ７００水力模型包括四个自来水公司的管网（市南、市北、浦东、闵行），各自来水公司管网由连通管相连，形成一张网调度的供水局面。

为了保证整个管网的连通性，加入了部分ＤＮ５００及ＤＮ３００管线，整个管网计算节点超过６．４万个，ＤＮ７００以上输配水管线总长２　５６０ｋｍ。