简单给水建模相关.docx

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简单给水建模相关

要搞管网建模首先就要弄清建模指的是什么，建模有什么目的、意义，怎么建模，需要准备的材料或数据有哪些

供水管网模型的概念：

供水管网是比较特殊的城市基础设施，大多埋在地下且属于压力管道。

随管网年限的增长，管道过水能力和水泵运行工况都发生了变化，管道的改扩建也使管网系统结构发生变化，导致系统运行状况与最初设计时偏差较大。

若要通过管网试验来了解管网运行状况实现科学现代化管理不实际费用太高，建模是不通过实际管网实验来解决这一问题的有效办法。

建模可以将整个城市的供水管网系统再现在计算机屏幕上，可以模拟给水管网系统动态工况的最有效办法，能够回答水压、流量是否满足要求，水泵用电是否经济等问题，可以通过其掌握管网运行状态和效率，为管网系统优化改造、辅助调度、水质分析（国内目前大多未涉及水质模型）、漏损控制、安全运行等决策的制定实施提供依据。

给水管网模型化模拟的内容有什么？

有以下三方面

A图形模拟：

将复杂的管网拼成一个能实现模拟的管网图形，包括水源管段、管长、节点、阀门、消火栓等附件（这一过程需要借助GIS系统）

B状态模拟：

包括随时间变化的管网节点流量，受水压及管道敷设年限的管道漏损量，阀门开启度对通水量的影响，以上都是管网动态数据。

状态模拟的目的在于官网静态和动态数据建立并通过求解管网方程（连续性方程、能量方程、水头损失方程）进行管网水力分析。

C参数模拟：

对不随时间变化的参数计算和模拟。

管道阻力系数C值，新旧管道不同，不同辐射年限的管道C值也不同。

各管段余氯衰减系数K也不同（但目前见到的大多未涉及余氯衰减）

建模所需信息：

A管网静态信息：

1管段信息（包括管段号、管段的两端节点、管长、管径、管材、敷设年代、管段阻力系数）2节点信息（包括节点号、地理坐标、节点埋深、用户所需水头）

B管网动态信息：

控制阀门开启度、监测点信息、用户用水量、管段管网总供水量、各水厂供水量分配及供水压力。

下面先对海曾--威廉系数C值来说明：

海曾--威廉公式是运用较广泛的一种用来求管道水头损失的一个公式，关键就在其参数C的确定。

（给水管网运行多年，管内水垢、微生物、铁细菌的腐蚀、有效国税断面积减小、水头损失增大，影响管道输水能力，常年使用的管道海曾--威廉系数C值大大降低。

处理旧管道C值有三种方法：

1利用经验值，旧铸铁管C值取100。

2通过供水管网系统模型，通过现状分析模拟。

3进行现场实测，实测花费资金较大但其结果可信度高，为保证官网模型准确性必须进行管道阻力系数现场测试。

）

海曾--威廉系数测试原理：

海曾--威廉公式i=h/L=10.667*Q^1.852/（C^1.852*D^4.87）=K*Q^1.852K为摩阻系数，它是管径D和管壁粗糙系数C的函数，上式的写法完全避开了实际管道不确定因素（管壁粗糙度、实际管径），只与系数K有关，使实测管道阻力系数值成为可能。

海曾--威廉系数测试方法：

1三点法

讨论同一直径，同一管材，同一年代铺设的管段1--2--3

1点水压H1，2点水压H2，三点水压H3，从2点处引出流量q，其中1--2管段上流量为Q，2--3管段上流量为Q-q，根据给水管段上任一管段两节点的水压和该管段水头损失的关系Hi-Hj=hij，得出水力坡度i=（Hi-Hj）/L，所以Q=（i1/k）^1/a=（（H1-H2）/（k*L1））^1/a，

Q-q=（i2/k）^1/a=（（H2-H3）/（k*l2））^1/a，

q+（i2/k）^1/a-（i1/k）^1/a=0，解得k=（（i1^1/a-i2^1/a）/q）^a，其中a=1.852，只要求出1、2、3点的压力和2点的出流量即可求出k。

如图

2四点法

在同一直线管道上取四个点，其中三个点作为测压点，另一个点作为放流点，这样可以有效地避免在中间处既放流又测压，以防对该点测量产生异常现象。

取1,2,4作为测压点，3为放流点，管道1-3流量为Q不变，所以1-2,2-3段水力坡度不变，设为i1，有i1=（H1-H2）/L1，3-4段水力坡度i2=（H2-H3-i1*L2）/L3，得到了两个水力坡度即可求得k

3五点法

只是为了避免中间放流点对压力测量产生的影响，中间第5点作为放流点，且与两端测压点有一定距离。

原理相同，在此不再累述，如图

那么如何测取上述放流量q呢？

可以利用支管路上的水表、或用测量水箱通过放流量体积来得出、由流量计测取。

接下来我们根据现场实测得出C值了（该值与新管C值不同），有Cz^1.852*Dz^4.87=C^1.852*D^4.87

其中D，C表示管段公称直径和目前的海曾--威廉系数，Dz，Cz表示有效管径和新管段的海曾--威廉系数。

可以得出：

Dz=D*（C/Cz）^（1.852/4.87）

可以看出有效管径和管段公称直径及敷设年代有关，随管道使用年限增长，管径成直线下降，斜率设为k，其值与管径大小有关。

该图为草图，具体斜率k应根据现场实测值来最终确定。

有效管径Dz=D-k*Y-△

其中Dz表示有效管径

D表示公称直径

k表示斜率

Y表示敷设年限

△表示减少量，一般取2mm到3mm，对于DN200管段减少量取2mm，对于DN200以上管段减少量取3mm。

注：

海曾--威廉系数C值变化比较缓慢，对于敷设年限较短的新管段内部粗糙系数变化不大，无需测量，直接查表取C即可。

因为管段数量众多，不可能每段管都测试，只能选出代表性的管段测试出一组数据，再利用非线性回归分析法得出其他管段海曾--威廉系数C，由于时间关系这一内容并未完全掌握，后续继续完善，在此不作表述。

调速泵的流量-扬程曲线模拟：

监测各时段调速水泵转速求得该转速n和额定转速n0的百分比β，按照实测定速泵的方法，测定调速泵额定转速时的流量-扬程曲线：

H=A+BQ+CQ^2,则调速泵转速为n时的流量-扬程曲线为：

H=β^2*A+β*B*Q+CQ^2（该方法为泵与泵站书中p41拟合离心泵Q-H曲线方程的最小二乘法，但当时教学并未对此讲解，在传统高数教学中也并未细解，该部分知识尚需继续学习）

水泵在投入使用后很多情况水厂会对其改造（叶轮切削）、维护等，岁年限增加也会磨损，是的其特性曲线和样本有所不同，水泵的特性曲线也需现场实测来绘制。

下面将对管网状态模拟相关加以说明：

用水量变化规律模拟：

用户用水量（主要为后续节点流量做铺垫）是计算节点流量主要依据，各大用户用水量及其变化规律直接影响模型计算精度。

研究用水量变化规律给水管网系统给水安全可靠，故加以阐述。

对大用户用水变化的规律是主要手段，因为大用户占了整个管网用数量的很大一部分，具有很高的代表性。

为使模拟更接近实际情况，需对大用户进行水量变化曲线实际测试。

（选定用水量标准例如600m³/月以上为大用户用水量标准，具体标准需看其针对对象是哪里，一般自来水公司有各类用户月用水量信息，但无每天每时段用水量信息，这也使得现场实测成为必然）因为我这里只是表述，未到现场实测，有些内容暂时说明不了。

选取具有代表性的大用户，选取测量点在管网中有一定分散性，将用户类型大致分为居民、学校、单位、工厂等。

对上述取样测量（一工作日、一休息日，采样间隔15分钟，按照早8点，一共48小时完结）

得到的数据可定存在错误和误差，数据需要处理，采取如下几点：

1绘制用水量变化曲线，使数据表示在图上，显而易见

a以时间为横坐标，15分钟为一单位，用水量为纵坐标，绘制曲线

b以时间为横坐标，1小时为单位，用水量占全天用水量百分比为纵坐标，绘制曲线

通过图形可以去除明显不合理数据，然后

I将选出的同类型的采样点同一时刻的用水量对应相加（比如学校有很多个，将很多个学校的八点钟时刻的用水量相加即得到学校这一类型八点这一时段用水总量，其余类推）得到该类型采样点时段的用水总量。

II将同类型采样点全天用水量相加得出该类型全天用水总量。

III求出该类型采样点的各时段用水量占全天用水量百分比。

IV以时间为横坐标，以该类型采样点个时间段用水量占全天用水量百分比为纵坐标绘制该类型采样点用水量变化曲线。

以此绘制出其他类型用水量变化曲线。

V求出各采样点用水量变化曲线（百分比为纵座标的那图）各时段值与本类型用水量变化曲线对应时段值距离平方和Σx^2，当其大于我们限定的值时删除该采样点。

（比如，耀华小学的早八点，早九点，早十点用水量等等占耀华小学本天用水量的百分比分别是a,b,c等等，对应的好多学校的早八点，早九点，早十点用水量总和等等占这些学校全天用水量的百分比是d,e,f，那么我们求（a-d）^2+（b-e）^2+（c-f）^2+....得出的就是该耀华小学这个采集点与该类型用水量变化曲线对应时段值的距离平方和，至于该平方和大于多少是标准，该部分内用应该在统计概率里边，时间关系改该数据暂未查明，后续会补充）

上述步骤只为多层次去除不合理的数据值，保证模拟的准确度，由于没有实测数据，故没有相应数据图。

节点流量的模拟：

建立给水管网水力模拟关键是对节点流量的模拟，实际用户用水具有随机性、不确定性、周期性等，很难在给水管网水力模型中真实模拟用户用水节点的节点流量，但可根据用户用水随时间变化规律实现对节点流量的模拟。

节点流量是在上述对用水量变化曲线测试和用户每月用水量水表所得数据库的基础上完成的，再由用户用水量折算成节点流量。

大用户用水量：

大用户用水量是节点流量的主要组成部分，这部分节点流量的准确计算直接影响对整个官网的模拟精度。

大用户按照下式计算：

NDij=Qpt/Qij*qij/720*Kij

其中NDij表示i类大用户j时段节点流量，单位m³/h，

Qpt表示水厂月供水量，单位m³

Qij表示i类大用户j时段时水厂月供水量，单位m³，

qij表示i类大用户j时段时月用水量，单位m³，

Kij表示i类大用户j时段的变化系数（与给水工程中时变化系数类似，等于一天中最高时用水量/平均时用水量），i表示大用户类型，取i=1,2,3,...，mj表示一天中用水时段，取j=1,2,3，....，24

（该公式可以这样理解：

qij/Qij表示该大用户在该时段用水量占该时段水厂供水量的百分比，即有效利用率，再乘以Qpt/720表示水厂一个月720小时内平均每小时供水量是多少，Kij乘以Qpt/720表示水厂最高时供水量，用该供水量乘以上述大用户该时段用水率即得到该时段用水量，即为NDij，单位m³/h）

沿线小用户用水量：

小用户的用水量折算到干管上相应节点上。

模型中每条管段（干管）连接不同数量的支管，即每条管道沿线的用户密度不同，所以沿线小用户用水量按照管段用户密度不同加权平均折算到节点。

按下式计算：

NXia=（0.5*Qx/ΣRi*Li）*Ri*Li，i=1,2,3，...n

其中NXia表示管段i的一个节点a的节点小用户流量

Qx表示沿线小用户用水总量

Ri表示管段i沿线小用户权值

Li表示管段i的长度

（该公式可以这样理解：

假如一段管子的一侧，一段分布一个用户，另一端分布两个用户，一侧用户的权重就是1/3，另一端的权重就是2/3，ΣRi*Li，i=1，2,3，...，n可以理解为所有供给小用户的管段长度，Ri*Li表示的意义为管段i的一个节点a的供水有效长度，如上例，可以理解为管段长度乘以2/3，Qx/ΣRi*Li，可以理解为单位供水长度的供水量，1/2表示管段一侧，再乘以Ri*Li就是管段i的一个节点a的节点小用户流量）

漏失水量：

漏失水量受很多因素影响，如水压、管径、管径、敷设年代等。

目前国内外还没有专门计算，管网漏失水量的计算公式，目前采用一个计算节点漏失水量的经验公式，如下：

NLia=（0.5Q*e/Σci*Li）*ci*Li，

ci=a（向量）点乘b（向