1、 要搞管網(wǎng)建模首先就要弄清建模指的是什么，建模有什么目的、意義，怎么建模，需要準備的材料或數(shù)據(jù)有哪些供水管網(wǎng)模型的概念：供水管網(wǎng)是比較特殊的城市基礎設施，大多埋在地下且屬于壓力管道。隨管網(wǎng)年限的增長，管道過水能力和水泵運行工況都發(fā)生了變化，管道的改擴建也使管網(wǎng)系統(tǒng)結構發(fā)生變化，導致系統(tǒng)運行狀況與最初設計時偏差較大。若要通過管網(wǎng)試驗來了解管網(wǎng)運行狀況實現(xiàn)科學現(xiàn)代化管理 不實際 費用太高，建模是不通過實際管網(wǎng)實驗來解決這一問題的有效辦法。建模可以將整個城市的供水管網(wǎng)系統(tǒng)再現(xiàn)在計算機屏幕上，可以模擬給水管網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)工況的最有效辦法，能夠回答 水壓、流量是否滿足要求，水泵用電是否經(jīng)濟等問題，可以通過其

2、掌握管網(wǎng)運行狀態(tài)和效率，為管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化改造、輔助調(diào)度、水質(zhì)分析（國內(nèi)目前大多未涉及水質(zhì)模型）、漏損控制、安全運行等決策的制定實施提供依據(jù)。給水管網(wǎng)模型化 模擬的內(nèi)容有什么？ 有以下三方面A 圖形模擬：將復雜的管網(wǎng)拼成一個能實現(xiàn)模擬的管網(wǎng)圖形，包括水源 管段、管長、節(jié)點、閥門、消火栓等附件（這一過程需要借助GIS系統(tǒng)）B 狀態(tài)模擬：包括隨時間變化的 管網(wǎng)節(jié)點流量，受水壓及管道敷設年限的管道漏損量，閥門開啟度對通水量的影響，以上都是管網(wǎng)動態(tài)數(shù)據(jù)。狀態(tài)模擬的目的在于官網(wǎng)靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)建立并通過求解管網(wǎng)方程（連續(xù)性方程、能量方程、水頭損失方程）進行管網(wǎng)水力分析。C 參數(shù)模擬：對 不隨時間變化的參數(shù)計算

3、和模擬。管道阻力系數(shù)C值，新舊管道不同，不同輻射年限的管道C值也不同。各管段余氯衰減系數(shù)K也不同（但目前見到的大多未涉及余氯衰減）建模所需信息：A管網(wǎng)靜態(tài)信息 ：1 管段信息（包括 管段號、管段的兩端節(jié)點、管長、管徑、管材、敷設年代、管段阻力系數(shù)） 2 節(jié)點信息（包括 節(jié)點號、地理坐標、節(jié)點埋深、用戶所需水頭）B 管網(wǎng)動態(tài)信息 ：控制閥門開啟度、監(jiān)測點信息、用戶用水量、管段管網(wǎng)總供水量、各水廠供水量分配及供水壓力。下面先對海曾-威廉系數(shù)C值來說明：海曾-威廉公式是運用較廣泛的一種用來求管道水頭損失的一個公式，關鍵就在其參數(shù)C的確定。（給水管網(wǎng)運行多年，管內(nèi)水垢、微生物、鐵細菌的腐蝕、有效國稅斷

4、面積減小、水頭損失增大，影響管道輸水能力，常年使用的管道海曾-威廉系數(shù)C值大大降低。處理舊管道C值有三種方法：1 利用經(jīng)驗值，舊鑄鐵管C值取100。 2 通過供水管網(wǎng)系統(tǒng)模型，通過現(xiàn)狀分析模擬。 3 進行現(xiàn)場實測，實測花費資金較大但其結果可信度高，為保證官網(wǎng)模型準確性必須進行管道阻力系數(shù)現(xiàn)場測試。 ）海曾-威廉系數(shù)測試原理：海曾-威廉公式 i=h/L=10.667*Q1.852/(C1.852*D4.87)=K*Q1.852 K為摩阻系數(shù)，它是管徑D和管壁粗糙系數(shù)C的函數(shù)，上式的寫法完全避開了實際管道不確定因素（管壁粗糙度、實際管徑），只與系數(shù)K有關，使實測管道阻力系數(shù)值成為可能。海曾-威廉系

5、數(shù)測試方法：1 三點法討論同一直徑，同一管材，同一年代鋪設的管段 1-2-31點水壓H1，2點水壓H2，三點水壓H3，從2點處引出流量q， 其中1-2管段上流量為Q，2-3管段上流量為Q-q， 根據(jù)給水管段上任一管段兩節(jié)點的水壓和該管段水頭損失的關系 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=(i11/a-i21/a)/q)a， 其中a=1.852，只要求出 1、2、3點的壓力和 2點的出流

6、量即可求出k。如圖2 四點法在同一直線管道上取四個點，其中三個點作為測壓點，另一個點作為放流點，這樣可以有效地避免在中間處既放流又測壓，以防對該點測量產(chǎn)生異常現(xiàn)象。取1,2,4作為測壓點，3為放流點，管道1-3流量為Q不變，所以1-2,2-3段水力坡度不變，設為i1，有i1=（H1-H2）/L1 ， 3-4段水力坡度i2=(H2-H3-i1*L2)/L3 ，得到了兩個水力坡度即可求得k3 五點法只是為了避免中間放流點對壓力測量產(chǎn)生的影響，中間第5點作為放流點，且與兩端測壓點有一定距離。原理相同，在此不再累述，如圖 那么如何測取上述放流量q呢？可以利用支管路上的水表、或用測量水箱通過放流量體積來

7、得出、由流量計測取。接下來我們根據(jù)現(xiàn)場實測得出C值了(該值與新管C值不同)，有Cz1.852*Dz4.87=C1.852*D4.87其中 D，C表示 管段公稱直徑和目前的海曾-威廉系數(shù)，Dz，Cz表示 有效管徑和新管段的海曾-威廉系數(shù)。可以得出： Dz=D*（C/Cz）(1.852/4.87)可以看出有效管徑和管段公稱直徑及敷設年代有關，隨管道使用年限增長，管徑成直線下降，斜率設為k，其值與管徑大小有關。該圖為草圖，具體斜率k應根據(jù)現(xiàn)場實測值來最終確定。有效管徑 Dz=D-k*Y-其中 Dz 表示有效管徑D表示 公稱直徑k 表示斜率Y表示敷設年限表示減少量，一般取2mm到3mm，對于DN200

8、管段減少量取 2mm，對于DN200以上管段減少量取3mm。注：海曾-威廉系數(shù)C值變化比較緩慢，對于敷設年限較短的新管段內(nèi)部粗糙系數(shù)變化不大，無需測量，直接查表取C即可。因為管段數(shù)量眾多，不可能每段管都測試，只能選出代表性的管段測試出一組數(shù)據(jù)，再利用非線性回歸分析法得出其他管段海曾-威廉系數(shù)C，由于時間關系這一內(nèi)容并未完全掌握，后續(xù)繼續(xù)完善，在此不作表述。調(diào)速泵的流量-揚程曲線模擬：監(jiān)測各時段調(diào)速水泵轉速 求得該轉速n和額定轉速n0的百分比，按照實測定速泵的方法，測定調(diào)速泵額定轉速時的流量-揚程曲線：H=A+BQ+CQ2,則 調(diào)速泵轉速為n時的流量-揚程曲線為：H=2*A+*B*Q+CQ2(該

9、方法為泵與泵站書中p41擬合離心泵Q-H曲線方程的 最小二乘法，但當時教學并未對此講解，在傳統(tǒng)高數(shù)教學中也并未細解，該部分知識尚需繼續(xù)學習)水泵在投入使用后很多情況水廠會對其改造（葉輪切削）、維護等，歲年限增加也會磨損，是的其特性曲線和樣本有所不同，水泵的特性曲線也需現(xiàn)場實測來繪制。下面將對管網(wǎng)狀態(tài)模擬相關加以說明：用水量變化規(guī)律模擬：用戶用水量（主要為后續(xù)節(jié)點流量做鋪墊）是計算節(jié)點流量主要依據(jù)，各大用戶用水量及其變化規(guī)律直接影響模型計算精度。研究用水量變化規(guī)律給水管網(wǎng)系統(tǒng)給水安全可靠，故加以闡述。對大用戶用水變化的規(guī)律是主要手段，因為大用戶占了整個管網(wǎng)用數(shù)量的很大一部分，具有很高的代表性。為

10、使模擬更接近實際情況，需對大用戶進行水量變化曲線實際測試。（選定用水量標準例如 600m³/月以上為大用戶用水量標準，具體標準需看其針對對象是哪里，一般自來水公司有各類用戶月用水量信息，但無每天每時段用水量信息，這也使得現(xiàn)場實測成為必然）因為我這里只是表述，未到現(xiàn)場實測，有些內(nèi)容暫時說明不了。選取具有代表性的大用戶，選取測量點在管網(wǎng)中有一定分散性，將用戶類型大致分為居民、學校、單位、工廠等。對上述取樣測量（一工作日、一休息日，采樣間隔15分鐘，按照早8點，一共48小時完結）得到的數(shù)據(jù)可定存在錯誤和誤差，數(shù)據(jù)需要處理，采取如下幾點：1 繪制用水量變化曲線，使數(shù)據(jù)表示在圖上，顯而易見a

11、以時間為橫坐標，15分鐘為一單位，用水量為縱坐標，繪制曲線b 以時間為橫坐標，1小時為單位，用水量占全天用水量百分比為縱坐標，繪制曲線通過圖形可以去除明顯不合理數(shù)據(jù)，然后 I 將選出的同類型的采樣點同一時刻的用水量對應相加（比如學校有很多個，將很多個學校的八點鐘時刻的用水量相加即得到 學校這一類型八點這一時段用水總量，其余類推）得到該類型采樣點時段的用水總量。 II 將同類型采樣點全天用水量相加得出該類型全天用水總量。 III 求出該類型采樣點的各時段用水量占全天用水量百分比。 IV 以時間為橫坐標，以該類型采樣點個時間段用水量占全天用水量百分比為縱坐標繪制該類型采樣點用水量變化曲線。以此繪制

12、出其他類型用水量變化曲線。 V 求出各采樣點用水量變化曲線（百分比為縱座標的那圖）各時段值 與本類型用水量變化曲線對應時段值 距離平方和x2，當其大于我們限定的值時刪除該采樣點。（比如，耀華小學的早八點，早九點，早十點用水量等等占耀華小學本天用水量的百分比分別是 a,b,c等等，對應的好多學校的早八點，早九點，早十點用水量總和等等占這些學校全天用水量的百分比是d,e,f ，那么我們求（a-d）2+（b-e）2+(c-f)2+.得出的就是該耀華小學這個采集點與該類型用水量變化曲線對應時段值的距離平方和，至于該平方和大于多少是標準，該部分內(nèi)用應該在統(tǒng)計概率里邊，時間關系改該數(shù)據(jù)暫未查明，后續(xù)會補充

13、）上述步驟只為多層次去除不合理的數(shù)據(jù)值，保證模擬的準確度，由于沒有實測數(shù)據(jù)，故沒有相應數(shù)據(jù)圖。節(jié)點流量的模擬：建立給水管網(wǎng)水力模擬關鍵是對節(jié)點流量的模擬，實際用戶用水具有隨機性、不確定性、周期性等，很難在給水管網(wǎng)水力模型中真實模擬用戶用水節(jié)點的節(jié)點流量，但可根據(jù)用戶用水隨時間變化規(guī)律實現(xiàn)對節(jié)點流量的模擬。節(jié)點流量是在上述對用水量變化曲線測試和用戶每月用水量水表所得數(shù)據(jù)庫的基礎上完成的，再由用戶用水量折算成節(jié)點流量。大用戶用水量：大用戶用水量是節(jié)點流量的主要組成部分，這部分節(jié)點流量的準確計算直接影響對整個官網(wǎng)的模擬精度。大用戶按照下式計算：NDij=Qpt/Qij*qij/720*Kij其中ND

14、ij表示 i類大用戶j時段節(jié)點流量，單位m³/h ，Qpt表示水廠月供水量，單位m³Qij表示i類大用戶j時段時水廠月供水量，單位m³，qij表示i類大用戶j時段時月用水量，單位m³，Kij表示i類大用戶j時段的變化系數(shù)（與給水工程中時變化系數(shù)類似，等于一天中最高時用水量/平均時用水量），i表示大用戶類型，取i=1,2,3,.，m j表示一天中用水時段，取j=1,2,3，.，24（該公式可以這樣理解：qij/Qij表示該大用戶在該時段用水量占該時段水廠供水量的百分比，即有效利用率，再乘以Qpt/720 表示水廠一個月720小時內(nèi)平均每小時供水量是多少，K

15、ij乘以Qpt/720表示水廠最高時供水量，用該供水量乘以上述大用戶該時段用水率即得到該時段用水量，即為NDij，單位m³/h）沿線小用戶用水量：小用戶的用水量折算到干管上相應節(jié)點上。模型中每條管段（干管）連接不同數(shù)量的支管，即每條管道沿線的用戶密度不同，所以沿線小用戶用水量按照管段用戶密度不同加權平均折算到節(jié)點。按下式計算：NXia=(0.5*Qx/Ri*Li)*Ri*Li ，i=1,2,3，.n其中 NXia表示管段i的一個節(jié)點a的節(jié)點小用戶流量Qx表示沿線小用戶用水總量Ri表示管段i沿線小用戶權值Li表示管段i的長度（該公式可以這樣理解：假如一段管子的一側，一段分布一個用戶，另

16、一端分布兩個用戶，一側用戶的權重就是1/3，另一端的權重就是2/3，Ri*Li，i=1，2,3，.，n可以理解為所有供給小用戶的管段長度，Ri*Li表示的意義為管段i的一個節(jié)點a的供水有效長度，如上例，可以理解為管段長度乘以2/3，Qx/Ri*Li，可以理解為單位供水長度的供水量，1/2表示管段一側，再乘以Ri*Li就是管段i的一個節(jié)點a的節(jié)點小用戶流量）漏失水量：漏失水量受很多因素影響，如水壓、管徑、管徑、敷設年代等。目前國內(nèi)外還沒有專門計算，管網(wǎng)漏失水量的計算公式，目前采用一個計算節(jié)點漏失水量的經(jīng)驗公式，如下：NLia=(0.5Q*e/ci*Li)*ci*Li， ci=a（向量）點乘b（向

17、量）其中 NLia表示管段i的一個節(jié)點a的節(jié)點漏失流量Q表示 管網(wǎng)總供水量e 表示漏失率ci表示管段i單位長度漏失權值Li表示管段i的長度該部分漏失水量知識關聯(lián)到單獨一節(jié)漏失水量，截至目前并未完全掌握，暫不展開陳述，后續(xù)補充。下面說說管網(wǎng)靜態(tài)信息模擬管網(wǎng)建模需開發(fā)一個管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，包括的內(nèi)容有：管段和節(jié)點等全部信息的管網(wǎng)圖。收集信息耗時耗力，但又很關鍵。信息的準確性是保證模型的精度。建立準確可靠的管網(wǎng)靜態(tài)信息和動態(tài)信息是建模主要要做的事。數(shù)據(jù)庫中的各種信息可以自動轉換到管網(wǎng)分析模型來支持模型的模擬計算。圖形數(shù)據(jù)庫：將要模擬的地區(qū)主管網(wǎng)如DN300以上 的管徑的管線錄入計算機，包括節(jié)點、大用戶、閥

18、門、消火栓等附件。形成圖形數(shù)據(jù)庫（管線、地理信息、大用戶用水相關信息收集和錄入）。怎么得來上述相關信息呢？參考圖紙，以1:2000圖紙作為底圖，利用數(shù)字化儀器輸入DN300以上管段，包括前部分大用戶用水量相關信息，形成該地區(qū)管網(wǎng)圖形。錄入上述信息后系統(tǒng)會形成管道系統(tǒng)（圖文數(shù)據(jù)）。上述都要借助相關軟件來實現(xiàn)，目前手頭還未接觸過類似軟件，在此沒有相關實測數(shù)據(jù)，也沒有輸入輸出，僅限表述于此。屬性數(shù)據(jù)庫：我們模擬的圖形每條管段每個節(jié)點都包含很多屬性，生成的數(shù)據(jù)庫有管段數(shù)據(jù)庫、節(jié)點數(shù)據(jù)庫、大用戶數(shù)據(jù)庫等。管段信息數(shù)據(jù)庫：a 管段號可以用1-5位數(shù)來表示，它是定位管段信息的主關鍵字，有唯一性。將后期新增的

19、管段信息及時補充到管網(wǎng)圖中。b 管段兩端節(jié)點號。c 管長、管徑、管材、鋪設年代、內(nèi)防腐等，管段附件（閥門、消火栓等）需要用數(shù)字化儀器標定其位置。d 管段所在街道名稱節(jié)點數(shù)據(jù)庫：包括 節(jié)點編號、地面標高、埋深、所在街道信息等水源信息庫：包括 編號、名稱、地面標高、水泵臺數(shù)、型號、分組數(shù)、清水池容積、清水池最高 最低水位、清水池容積等水泵信息數(shù)據(jù)庫：水泵信息雖然可以從樣本中得出，但最好如同管道一樣實測，因為年限久的水泵性能會發(fā)生一些變化。（水泵相關后續(xù)也會補充說明）大用戶信息數(shù)據(jù)庫：包括 用戶編號、用戶名稱、用戶地址、用戶分類、用戶用水量、用戶水頭、用戶口徑、位置等。建立數(shù)學模型及管網(wǎng)水力計算：聯(lián)立連續(xù)性方程、壓降方程、能量方程A 節(jié)點方程即為連續(xù)性方程：Qi+qij=0其中 Qi表示 節(jié)點i的節(jié)點流量，單位m³/s qij表示 與節(jié)點相連的各管段流量，單位m³/s i 、j表示 起止節(jié)點編號該式表示流向任一節(jié)點的流量必須等于從該節(jié)點流出的流量，即節(jié)點不貯存流量。B 壓降方程 即水頭損失方程，表示管段兩端節(jié)點水壓和管段水頭損失的關系：hij=Hi-Hj=Si