给水管网系统建模及其可靠性分析

给水管网系统建模及其可靠性分析

摘要

给水管网系统是一个拓扑结构复杂、规模庞大、用水变化随机性强、运行控制为多目标的网络系统。管网建模是仿真给水管网系统动态工况的最有效的方法，是为模拟管网系统建立数学模型的过程。模拟内容主要是图形模拟、状态模拟和参数模拟。而建立模型并不是一蹴而就的，要不断的开发、更新和完善。在管网优化设计的四个方面中，保证给水系统可靠性是给水设计的主要内容之一。随着现代科学技术的快速发展，可靠性工程理论日益受到广泛重视。

关键词：给水管网系统建模；管网优化设计：管网系统可靠性

一、引言

我国各城市的市政公用输配系统（供水、供气）是城市重要的基础设施之一，也是城市建设和可持续性发展的制约因素，这些工程网络在系统规划上有许多方面存在着共性。

对给水管网系统进行建模，一方面对于大量复杂、繁琐的问题能够取得快速、准确的计算结果，大大提高了工作效率，使得以前很少或者不可能进行的大型工程量计算问题和多方案比较问题得以顺利解决。另一方面，可以对输配系统的工作状态（水力、水质）进行比较准确的模拟仿真，尤其当系统中有较完善的设施时，更可以对系统的实时工况进行在线模拟，这样不仅可为系统的优化运行、调度提供很好的基础条件，为系统的改扩建提供可靠的依据，也为给水管网水质预测和安全输配提供支持。

对给水管网系统建模完成后应注意管网的优化设计，包括四个方面：水压、水量的保证性；水质的安全性；可靠性和经济性。随着现代科学技术的快速发展，作为系统工程之一的可靠性工程理论日益受到广泛重视。在近代，各种工程系统、构筑物设计时，已经开始使用可靠性的数学理论。可靠性和其他技术经济指标一样，成为评价系统优劣的主要指标。可靠性问题之所以得到重视，是因为系统、构筑物、设备相互有关，任一部分损坏可能导致整个系统的故障，而整个系统的故障，例如给水系统发生故障，将对社会和人民生活带来损害。而故障的发生多数为随机事件，一般无法预料和预防，因此给水系统可靠性具有概率的性质。在生活节奏日益加快的今天，确保给水管网系统的正常运行具有十分重要的意义。

二、文献综述

1. 国内研究历史和现状

我国原哈尔滨建筑大学给排水系统研究室，在80年代末着力开展了建模理论和实践的研究。近年来，同济大学和南京、佛山、上海等城市供水企业合作，

紧密结合企业科技进步和技术使用需求，合作开展供水管网建模、管网科学调度和管网地理信息系统软件开发和使用，成功开发了“同济宏扬给水管网建模、科学调度和管网GIS”系列软件，取得了良好的科学技术成果和使用效益，对于我国城市供水管网信息化技术进步和生产使用起到了有力的推动作用。

2. 国外研究历史和现状

国外在管网建模方面起步于20世纪60年代。20世纪80年代在计算机技术飞速发展的促动下，英国在管网建模和使用方面做了大量工作，并提出了建模的标准。随着计算机及相应技术的发展、遥测远传设备的使用，进入了实用化阶段。

3. 文献综述

给水管网系统建模，是为模拟管网系统建立数学模型的过程。建立模型可以解决以往难以解决的问题，显著提高管理水平和经济效益，便于后续方案优化和管道的更新改造。本文是在查阅相关文献后，主要对管网系统建模和优化的可靠性方面进行的综合分析整理。包括模型的类型、建模所需信息、建模过程和校验、在实际中的使用以及管网系统的可靠性指标、系统备用、各组分障碍的影响、设计时对可靠性的考虑等几个方面的内容。

4. 选题研究存在的主要问题

给水管网建模及其可靠性分析主要存在两方面的问题。一是硬件上，越是精细的模型越是对计算机的运算处理能力要求的高。算法的改进可以相应缓解这一问题，但计算机技术能否进一步发展是制约管网模型能否更真实的指导现实工作的一大因素。二是软件上，建模的过程需要跨多个学科的人才，只有兼顾扎实的专业知识、具备丰富的实践经验，同时拥有一定的计算机基础，才能真正建立起并可以优化管网模型。这种复合型人才也是该课题能否得到很好发展的制约因素。

5. 今后的发展方向

通过建立管网地理信息系统、管网压力、流量及水质监测系统，使用计算机软件进行管网水力及水质动态模拟和管网运行科学调度，保持管网系统水量和水压的优化分布，节约供水能耗和供水成本，降低管网中爆管事故的发生概率，提高供水安全性和企业服务水平，促进供水行业现代化技术进步和供水行业国产化使用软件的发展，是我国城市供水行业在今后10-15年内的科技创新发展方向。在今后随着计算机处理能力的提升，给水管网建模势必会得到更加广泛的使用。

三、分析和总结

自编讲义中主要内容是给水管网模拟模型水力分析、压力分析和水质分析，以及燃气管网模拟模型的水力分析和压力分析，借助图论等数学工具，跨学科进行交叉，尤其是使用计算机技术对模型和解法进行编程，以在实际工程中取得很好的效果。在阅读自编讲义后，结合自己的工作实际，选择了给水管网系统建模

和管网系统可靠性两个方面的内容深入阅读，以期从建模到优化有所感悟。根据该内容查阅了给水管网规划和设计、管网地理信息系统、管网水力建模技术和使用、管网检漏和漏水控制、管网二次供水管理和爆管事故控制五篇文献。现将自己所吸收的内容进行综合分析，整理如下。

I.给水管网系统建模

给水输配系统是给水工程设施的重要组成部分，是由不同材料的管道和

附属设施构成的输配水网络。给水输配系统承担供水的输送、分配、压力调节和水量调节任务，起到保障用户用水的作用。

给水管网系统建模，是为模拟管网系统建立数学模型的过程。模拟内容主要有三个方面：图形模拟、状态模拟、参数模拟。建立模型可以解决以往难以解决的问题，显著提高管理水平和经济效益，便于后续方案优化和管道的更新改造。

给水管网系统建模主要包括模型的类型、建模和校验和实际使用三个方面。

1）给水管网的类型。管网分析是指利用表达管网信息的数据库和计算机程序完成给水管网计算的过程。理论上，给水管网基本方程组全面反映了管网的工作情况，是完善的，但实际上，由于给水管网基本方程组是一个高阶非线性方程组，大型管网甚至达到数千阶，加上静态信息中有许多难以确定的模糊因素，动态信息的不确定性，使得实际运用中遇到许多问题。为了避免多次反复求解高阶方程组，可以采用管网宏观模型、管网简化模型、管网微观模型等建模方法。其中管网宏观模型是在管网流量服从“比例负荷”的前提下，使用“黑箱理论”的基本思想，直接建立给水系统的“输入量”和“输出量”间的相互关系。宏观模型不能求得管段和节点的工况参数，多用于给水系统调度建模，不宜用于给水系统新建、改建和扩建建模。管网简化模型只选取直径比较大的输水管段建立管网简化模型，直径比较小的配水管段就予以忽略。对于简化后会产生多大误差，节点的处理是值得进一步研究讨论的，这也是简化模型的局限所在。管网微观模型是按管网实际情况，包括管网所有元素不做任何简化所建立的模型，是相对宏观模型而言的。优点不言而喻，缺点是计算工作量大，计算时间较长，占用计算机内存多。而随着计算机技术的飞速发展和计算方法的进一步改进完善，采用微观模型来计算也可满足在线模拟计算的要求。

为建立模型以便进行管网分析所需的管网静态和动态信息，包括管段信息，如管径、管长、阻力系数等；节点信息，如节点流量、节点标高等；以及水池水位、水泵扬程和功率、压力调节阀、止回阀以及其他装置等均需模拟。实际上建模过程的主要工作就是建立准确可靠的管网静态和动态信息，这项工作至关重要，必须经过反复核对、修改以保证其准确性和可靠性。数据库中的各种数据信息，可以自动转换到管网分析模型，以支持模型的模拟计算。

2）给水管网建模和校验。给水管网基本方程组以及管网各种各样的动态、