基于水力模型的天津生態(tài)城管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化研究

祁振峰 林翊

【摘要】收集、分析、處理天津生態(tài)城供水管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，建立了生態(tài)城供水管網(wǎng)的水力模型并對其進(jìn)行了校核。此外，運(yùn)用管網(wǎng)模型，重點(diǎn)針對管網(wǎng)中低壓區(qū)的成因、管網(wǎng)壓力優(yōu)化分布以及通過壓力管理實(shí)現(xiàn)的漏損控制效能進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】供水管網(wǎng)；水力模型；水力校核；管網(wǎng)分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，供水管網(wǎng)水力模型已經(jīng)成為供水企業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、優(yōu)化調(diào)度、事故預(yù)警等工作的重要工具。水力模型是通過數(shù)學(xué)手段估計(jì)管網(wǎng)真實(shí)的行為、狀態(tài)的一種方法，具有管網(wǎng)靜態(tài)信息管理、管網(wǎng)水力平差、管網(wǎng)實(shí)時(shí)水力模擬等功能。通過管網(wǎng)模型，能實(shí)時(shí)的反應(yīng)管網(wǎng)的運(yùn)行情況，同時(shí)對管網(wǎng)中各個(gè)構(gòu)成元素的功能進(jìn)行分析，及時(shí)反饋、處理管網(wǎng)運(yùn)行中遇到的問題，有利于管網(wǎng)維護(hù)、管網(wǎng)突發(fā)情況預(yù)測和管網(wǎng)系統(tǒng)的近期、長遠(yuǎn)期升級改造和優(yōu)化擴(kuò)建。本文首先介紹了天津生態(tài)城供水系統(tǒng)的組成，以及生態(tài)城供水管網(wǎng)水力模型的建立及校核，最后運(yùn)用水力模型對生態(tài)城供水管網(wǎng)的問題診斷與優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了案例應(yīng)用。

1、背景介紹

中新天津生態(tài)城位于中國國家發(fā)展的重要的戰(zhàn)略區(qū)域——天津?yàn)I海新區(qū)范圍內(nèi)，毗鄰天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、天津港、海濱休閑旅游區(qū)，地處塘沽區(qū)、漢沽區(qū)之間，距天津中心城區(qū)45公里，距北京150公里，總面積約31.23平方公里，規(guī)劃居住人口35萬，是中國、新加坡兩國政府戰(zhàn)略性合作項(xiàng)目。中新天津生態(tài)城運(yùn)用生態(tài)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)人居、生態(tài)文化、和諧社區(qū)和科學(xué)管理的規(guī)劃理念，聚合國際先進(jìn)的生態(tài)、環(huán)保、節(jié)能技術(shù)，造就自然、和諧、宜居的生活環(huán)境，致力于建設(shè)經(jīng)濟(jì)蓬勃、社會和諧、環(huán)境友好、資源節(jié)約的生態(tài)城市。全面貫徹循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，推進(jìn)清潔生產(chǎn)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，大力促進(jìn)清潔能源、可再生資源和能源的利用，加強(qiáng)科技創(chuàng)新能力，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效循環(huán)。生態(tài)城主城區(qū)供水系統(tǒng)目前供水人口約5萬人，服務(wù)面積30km2，主要由南部和北部兩個(gè)泵站通過外部輸水管道向生態(tài)城區(qū)供水。

目前生態(tài)城供水管網(wǎng)已經(jīng)建立供水地理信息系統(tǒng)，同時(shí)也建成了SCADA、營業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了供水管網(wǎng)運(yùn)行管理的信息化。但由于管網(wǎng)規(guī)劃規(guī)模與實(shí)際建設(shè)規(guī)模的差異，目前管網(wǎng)運(yùn)行管理中尚存在管網(wǎng)壓力分布不均、運(yùn)行管理不夠優(yōu)化、漏損率有待進(jìn)一步降低等問題。針對上述問題，生態(tài)城開展了供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力模型的建設(shè)，并運(yùn)用水力模型開展了一系列管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的案例研究。

2、水力模型的構(gòu)建

生態(tài)城供水管網(wǎng)水力模型建設(shè)整過程可分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型初步建立、模型校核三個(gè)階段。詳細(xì)流程如圖1所示。

2.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)收集與處理

供水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)可以分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)是指管網(wǎng)中長期不變動(dòng)的屬性數(shù)據(jù)，如節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、管道長度、管道材料，或變動(dòng)非常緩慢可以作為不變處理的屬性數(shù)據(jù)，如管道摩阻系數(shù)等。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是指管網(wǎng)日常運(yùn)行中隨著時(shí)間經(jīng)常性、大幅度變化的屬性數(shù)據(jù)，如用水量、管道流量、節(jié)點(diǎn)壓力等。供水管網(wǎng)日常運(yùn)行中的供水量、營業(yè)收費(fèi)數(shù)據(jù)、SCADA監(jiān)測數(shù)據(jù)多屬于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

對于靜態(tài)數(shù)據(jù)收集，生態(tài)城目前已經(jīng)建成地下管線系統(tǒng)的GIS平臺與CAD平臺。在GIS平臺中，除了節(jié)點(diǎn)和管段之間的空間關(guān)系信息外，還包括了節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、地面高程、管段直徑、管段材料、管段埋深等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，屬性信息豐富，但缺乏維護(hù)，圖形不完整，孤立節(jié)點(diǎn)、管段數(shù)量多，部分熔斷缺失。CAD平臺由工程人員保持維護(hù)更新，使得供水管網(wǎng)的CAD圖紙與實(shí)際情況保持一致，管網(wǎng)連接關(guān)系完整，管網(wǎng)圖上具有用戶變量、流量計(jì)等用水信息，但屬性信息不如GIS豐富、位置信息不如GIS準(zhǔn)確。

為建立準(zhǔn)確的供水管網(wǎng)水力拓?fù)淠Ｐ?，此處以GIS平臺供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，導(dǎo)入供水管網(wǎng)模型軟件，結(jié)合CAD平臺供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，對已有管網(wǎng)資料進(jìn)行增補(bǔ)或刪減，最終得到模型的供水管網(wǎng)圖。供水管網(wǎng)模型由市政道路供水管段組成，不包括小區(qū)內(nèi)部供水管道，模型建設(shè)至進(jìn)小區(qū)的水表位置。結(jié)合GIS系統(tǒng)及CAD系統(tǒng)管網(wǎng)數(shù)據(jù)，刪除孤立節(jié)點(diǎn)，連接相應(yīng)管網(wǎng)，增補(bǔ)刪除部分管段，得到最終的供水管網(wǎng)模型圖

生態(tài)城供水管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要包括供水調(diào)度臺賬、SCADA監(jiān)測等提供的壓力、流量數(shù)據(jù)。管網(wǎng)中共有18個(gè)壓力流量監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，其中100個(gè)在市政道路管網(wǎng)中，8個(gè)在小區(qū)管網(wǎng)入口，南、北泵站也分別設(shè)置的壓力監(jiān)測點(diǎn)。通過統(tǒng)計(jì)并導(dǎo)入用水節(jié)點(diǎn)流量及泵站出口壓力數(shù)據(jù)，建立了管網(wǎng)流量壓力的動(dòng)態(tài)變化模式參數(shù)。

2.2 管網(wǎng)供水模型建立與校核

將2.1中所述的靜態(tài)數(shù)據(jù)及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過整理并導(dǎo)入到模型軟件中，初步構(gòu)建得到生態(tài)城的供水模型，如圖2所示：

模型初步建立后，進(jìn)一步進(jìn)行模型準(zhǔn)確度校核。即通過調(diào)整模型中預(yù)先設(shè)置的參數(shù)，使模型輸出值與觀測值匹配的過程。根據(jù)管網(wǎng)壓力初步模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的差值，結(jié)合現(xiàn)場對管段服役狀態(tài)的調(diào)查，對生態(tài)城管網(wǎng)模型中的部分管段的阻力系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使壓力模擬數(shù)據(jù)盡可能接近真實(shí)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，市政道路管網(wǎng)中共有十個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)，除了漢北路的壓力為負(fù)值、中天和風(fēng)路交口設(shè)備缺乏數(shù)據(jù)外，另八個(gè)正常運(yùn)行運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)中，除動(dòng)漫北路實(shí)測壓力低于模擬1m左右外，其余模擬誤差均低于0.5m（如圖3所示）。

圖4給出了北部泵站流量和市政道路監(jiān)測點(diǎn)南部泵站出口流量的對比數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，泵站及泵站附近的管道流量實(shí)測與模擬值的吻合度較高，作為管網(wǎng)的主干供水管道，平均流量誤差位于[-15%，15%]范圍內(nèi)，模型能準(zhǔn)確的反應(yīng)管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，模型建設(shè)精度符合使用的要求。

3、模型應(yīng)用

3.1 低壓區(qū)診斷及分析

根據(jù)生態(tài)城運(yùn)行狀況，南部泵站附近部分區(qū)域運(yùn)行壓力較低，常出現(xiàn)水壓不足的情況。兩個(gè)低壓區(qū)域距南部泵站距離分別為1000m和2200m。在距離泵站較近的位置出現(xiàn)低壓情況，初步判定為管段出現(xiàn)堵塞或者漏損情況。為確定低壓區(qū)成因，使用水力模型對其進(jìn)行模擬。通過對模型的分析可發(fā)現(xiàn)，動(dòng)漫北路附近的壓力模擬值比壓力實(shí)測值要高1m左右，初步判定動(dòng)漫北路壓力監(jiān)測點(diǎn)附近管道產(chǎn)生了堵塞。對此，將動(dòng)漫南路DN300管道關(guān)閉大部分模擬該管路堵塞狀態(tài)，所得的管網(wǎng)壓力模擬結(jié)果如圖5所示，可見壓力值模擬結(jié)果在用水高峰期下降了1m左右，與實(shí)際檢測情況符合。由此，可認(rèn)為此段管道堵塞或閥門處于關(guān)閉狀態(tài)的可能性較高。

針對該段管路，進(jìn)一步開展了沿線現(xiàn)場測壓，根據(jù)現(xiàn)場測試的情況，管網(wǎng)大部分水力坡度相差較小，為0.0008左右，而動(dòng)漫南路的管道測壓點(diǎn)水頭損失偏大，接近0.0058，與模型模擬情況基本符合。

3.2 供水管網(wǎng)壓力分布優(yōu)化與漏損控制效能分析

目前生態(tài)城供水管網(wǎng)的用水節(jié)點(diǎn)主要集中在南部區(qū)域，但南部泵站由于受到泵前輸水管道輸水能力的限制，在高峰供水時(shí)刻不能滿足南部管網(wǎng)的用水需求，需依靠北部泵站向南部管網(wǎng)補(bǔ)充供水，導(dǎo)致北部泵站的出口壓力高于南部泵站3m左右，浪費(fèi)能量的同時(shí)，也增加了管網(wǎng)漏損的可能性。

針對此問題，生態(tài)城供水管理部門提出了優(yōu)化管網(wǎng)供水運(yùn)行壓力、進(jìn)一步降低管網(wǎng)漏損率的技術(shù)方案。具體包括通過在中成大道鋪設(shè)600mm聯(lián)絡(luò)干管，增強(qiáng)北部泵站向南部管網(wǎng)補(bǔ)充供水的能力，同時(shí)降低北部泵站的運(yùn)行壓力2m，減少管網(wǎng)漏損量。針對上述方案的實(shí)施效果，本研究利用建成的動(dòng)態(tài)水力模型進(jìn)行了模擬，具體如下：

由圖6可見，經(jīng)過管網(wǎng)結(jié)構(gòu)及泵站運(yùn)行調(diào)控，南部區(qū)域壓力有較明顯的降低，經(jīng)模擬計(jì)算，北部泵站的供水量較優(yōu)化前有顯著提升，南北泵站的出水量由優(yōu)化前的1.5：1.0變?yōu)?.25：1.0，極大緩解了南部泵站供水量瓶頸，同時(shí)在滿足控制點(diǎn)壓力需求的前提下，降低了管網(wǎng)整體運(yùn)行壓力。

對于優(yōu)化壓力運(yùn)行后的漏損控制效果，計(jì)算分析如下：

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，管網(wǎng)背景漏損量與運(yùn)行壓力存在以下關(guān)系：

（1）

式中： 為管段ij的漏損量；α為漏損系數(shù)；β為漏損指數(shù)；、分別為管段ij起始節(jié)點(diǎn)的壓力；

管網(wǎng)總的背景漏損量可按下式計(jì)算：

（2）

根據(jù)供水及售水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，生態(tài)城管網(wǎng)整體產(chǎn)銷差率為6%，考慮到園林綠化等用水均實(shí)現(xiàn)了收費(fèi)計(jì)量，可認(rèn)為當(dāng)前生態(tài)城漏損均為管道的真實(shí)背景漏損，根據(jù)式（1），結(jié)合管網(wǎng)水力計(jì)算的各節(jié)點(diǎn)壓力結(jié)果，可以反算確定生態(tài)城管網(wǎng)的背景漏損系數(shù)α以及漏損指數(shù)β。

根據(jù)式（1），變形可得：

（3）

兩邊同時(shí)取對數(shù)，得：

（4）

令，，，，則上式可化為形如的線性方程，可根據(jù)以下最小二乘法公式求出系數(shù)、的值。

（5）

假設(shè)管網(wǎng)背景漏損量按管網(wǎng)沿線為均勻分布，且單根管道的漏損量與管道壓力呈正相關(guān)關(guān)系，則單根管道的背景漏損量為

（6）

式中，表示單根管道的漏損率與其壓力的C次方成正線性關(guān)系。

通過計(jì)算，壓力優(yōu)化前生態(tài)城管網(wǎng)背景漏損率為6%，平均每天漏損量為1189m3/d。將管網(wǎng)數(shù)據(jù)帶入上述最小二乘法公式，得，。

經(jīng)過管網(wǎng)改造及泵站壓力調(diào)控運(yùn)行后，管網(wǎng)漏損率降至5.2%，平均每天漏損量為1030.5m3/d，相比調(diào)壓運(yùn)行前下降158.5 m3/d，每年可降低管網(wǎng)漏損量57852.5m3，若按照生態(tài)城購水成本3.5元/m3計(jì)算，可節(jié)省運(yùn)行成本20萬元。

4、結(jié)論與建議

本文建立了天津生態(tài)城管網(wǎng)的水力模型，并依據(jù)水力模型進(jìn)行了管網(wǎng)低壓區(qū)診斷與壓力分布優(yōu)化的工作。從水力模型流量校核的情況來看，本水力模型可以較好的反映天津生態(tài)城管網(wǎng)的日常運(yùn)行情況，并可以有效地輔助診斷管網(wǎng)低壓區(qū)的原因。特別低，管網(wǎng)水力模型對于生態(tài)城供水管網(wǎng)壓力優(yōu)化及漏損控制效能評估起到了核心作用，有力支撐了管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的方案決策。未來水力模型對供水公司的管網(wǎng)維護(hù)、故障分析、應(yīng)急情況處理等工作可進(jìn)一步發(fā)揮重要的決策支持作用。

需要說明的是，天津生態(tài)城管網(wǎng)建模的工作仍有提升的空間。首先，應(yīng)進(jìn)一步提高水力模型的精度，以更進(jìn)一步提升模型的準(zhǔn)確性和有效性。其次，可在水力模型的基礎(chǔ)上建立管網(wǎng)水質(zhì)模型，對生態(tài)城供水系統(tǒng)的水質(zhì)進(jìn)行模擬分析、監(jiān)測，保障用戶的用水安全；最后，應(yīng)進(jìn)一步完善管網(wǎng)的智能化工作，增強(qiáng)SCADA設(shè)備維護(hù)，增加在線監(jiān)測流量計(jì)，完善GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建立常態(tài)化數(shù)據(jù)分析體系，加強(qiáng)生態(tài)信息化平臺數(shù)據(jù)分析。

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