城市给水管网系统建模机遇挑战论文

谈谈城市给水管网系统建模的机遇与挑战关于城市给水管网系统建模工作，是牵涉到千家万户的一项民生工程，也是值得给水工作者考虑和研究的一项重大课题，笔者将从以下几个方面谈谈自己的肤浅看法。

1.城市给水管网系统建模所面临的机遇

1.1给水管网微观动态建模

随着遥测远传设备价格的下降，scada系统和优化调度系统进入了实用化阶段；计算机技术的发展也使gps、gis、mis及oa等系统走向成熟；信息技术，传感器、电动执行机构、控制等技术的进步，促进了大型系统的控制和管理水平提高；优化技术、模拟技术与计算机技术的发展，为模拟大型的动态变化的给水管网系统提供了条件。

1.2管网优化运行具有巨大潜力

由于我国经济发展迅速、城市化发展快、自来水普及率提高迅速而导致供水系统布局和规划欠缺科学性，忽略了供水系统是一个多目标问题，致使管线连接复杂、铺设冗余，出现了管理困难、停留时间长、事故影响范围大等问题，故应在所建管网模型的基础上逐步改善管网布局以实现管网的优化运行。

1.3供水效益亟待提高

在满足用户用水需求的前提下，必须尽量降低供水成本。电费在供水成本中所占比例一般为30％～40％，故降低电耗始终是贯彻节能方针、提高供水企业经济效益的重要环节。管网漏失水量在计

算供水成本时往往被忽视，2003年供水企业的漏损率为20．5％，因此管网水漏失率也应是影响供水企业经济效益的最重要因素，一般采用供水产销差代替漏失量进行统计分析。供水产销差过大是长期困扰我国供水行业的一个“老大难”问题。近年来随着劳动力价格的提高，劳动力成本成为供水成本中一个不可忽视的因素。因此，在管网动态水力模型基础上建立给水管网的优化调度、优化运行和漏损控制能有效提高供水效益。

1.4国家政策的支持

我国政府十分重视城市基础设施建设，“十二五”期间对水务的总投资将超过18000亿元，主要用于四个方面的水利建设，包括农田水利建设、防洪工程建设、水资源保障和城乡供水能力提高的工程建设以及水土保持和生态建设。水利部总规划师周学文说，中国政府一直鼓励水利建设积极利用外资，“十一五”期间，积极利用世界银行的贷款、亚洲开发银行的贷款用于一些水利工程的建设，如农田节水的建设、水土保持的建设，“十二五”期间还将积极地利用外资。据《中国统计年鉴2005》统计，2004年我国县级以上城市(包括县级市)共有661个，其中百万人口以上的城市有49个。据《中国城市发展问题观察》报告分析，预计到2010年，中国百万人口以上的城市将达到125个左右，其中人口在200万以上的特大城市将达到50个左右，这些大城市急需管网建模来提高城市供水的生产、管理和服务水平，对于那些中小城市也有同样的需求。

2.我国给水管网系统建模所面对的挑战

2.1模型的动态模拟缺乏长效性

由于我国城市发展迅速，给水管网不断扩展，用水量布局不断变化，管网的拓扑结构、节点流量不断更新。而目前所建的模型还不能适应主要参数不断变化的状态，模型的动态模拟缺乏长效性，对其推广应用造成一定影响，同时这也是国外管网建模软件未在我国大规模推广应用的重要原因。因此笔者提出建立“自适应”管网模型的新概念，即模型在一定范围内可以适应管网拓扑结构和主要参数的变化。供水管网水力模拟的过程，也是节点流量等不确定参数的估计过程。将人工智能理论、模糊推理、机器学习算法引入其中，通过自适应改变权值实现对原管网参数估计值的修正，在自适应参数估计的基础上使管网模型体现出自适应特点。

另一种方法是对管网进行适当简化。一般情况下，给水管网gis 可以精细到入户管，但是建模需要对管网作一定程度的简化。从目前来讲，dn200以上(包括dn200)的管段参与建模是较合适的，模型维护相对容易，也可精细到包括dn100的管道。如果模型精细到dn50或更小的管道，考虑到口径较小管道的变化较频繁，将导致模型维护的工作量很大，可能造成模型由于不能及时得到更新维护而失效。

2.2模型指导城市供水区块化亟待研究

实行区块化供水是降低电耗、降低漏耗、提高供水效益的重要途径，这已被国内外少数城市的实践所验证。对于如何使用给水管网模型指导城市供水区块化的问题，还需进行深入研究。随着城市

的不断扩张，城市供水范围不断增大，可能出现相邻城市间管网相互连通的长距离输水的局面，但管网水质安全在长距离输配时难以得到保障。建立以配水管网水质在线监测为前提的管网区块化管理模式是保障管网水质的有效方法，通过动态水力计算，确定区块规模与边界，利用水质模型提出不同供水条件下的管网区块化管理方案，以保障水质的安全输配。

2.3管网水质分析的复杂性

我国建设部对36个重点城市的调查发现，从管网到水龙头的水质合格率降低了10％。目前对管网水质的分析及事故追踪还未得到很好的解决，管网水质模型是水力模型的延伸，这是一个非常复杂的课题，也未得到较好的解决。尤其是大规模供水管网水质模型的校核，采用遗传算法的自动校核寻优时间较长，往往达不到实用要求。尽管目前国外已经对管网内微生物生长的模型进行了一定研究，但相关的动力学参数仍缺乏试验数据支持，应用中应采用相关试验方法进行测定和修正。

当然，我县给水管网系统建模同样具有巨大的潜在的需求，这种需求给了科研工作者强大的动力和机遇。虽然已认识到给水管网系统建模是实现给水管网科学管理的重要工具，是实现数字化、信息化的基础，但是模型的动态模拟缺乏长效性，管网水质分析的复杂性和城市给水管网区块化供水过程中的分区还缺乏科学性，是给水管网建模亟待解决的重大问题。这些问题是对建模工程的挑战，需作大量、深入的工作。