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1、影响供水管网平差软件效力的若干瓶颈分析 转一、管网平差的基本概念、原理和方法1、管网平差的基本概念管网平差是指在按初步分配流量确定管径的基础上，重新分配各管段的流量，反复计算，直到同时满足连续性(节点)方程组和能量(环)方程组的环状管网水力计算过程。2、管网平差的数学模式(原理)(1)管网是由看成节点的配水源和用水户及看成管段的管线组成的有向图，这些节点和管段均可用变量-流量qi和水头损失hi表示，即qi和hi(i=1，2，p)构成两个p维向量：q=(q1，q2，qp)h=(h1，h2，hp)(2)管网中的实际水流情况应服从克契霍夫定律：克契霍夫第一定律(即连续性(节点)方程组)：管网内任一节
2、点的进、出流量的代数和为零。即qi+qij=0克契霍夫第二定律(即能量(环)方程组)：在任一环内，各管段的水头损失代数和为零。即hij=0 3、管网平差方法简介目前，常用的管网平差方法有：哈代克罗斯法(Hardy-cross)，牛顿菜福逊(Newton-Raphson)法，线性理论法(Linear Theroy)，有限元法(Finite-Element)和图论法。(1)1936年的哈代克罗斯(Hardy-cross)法：该法首先按节点连续方程假设管段流量，然后根据平差理论计算每个环的校正流量，并忽略高次微量及邻环校正流量对本环流量的影响，这样，就可以一个环一个环地反复修正流量，直到所有的环都满
3、足克契霍夫一、第二定律。该法如初始各管段的流量假设不当，不但试算次数增加，收敛速度慢，甚至产生数值摆动，不收敛。(2)牛顿菜福逊(Newton-Raphson)法：牛顿菜福逊法原是求解非线性方程组的一种方法，从1963年后被用来解环方程。此方法与哈代克罗斯法类似，基于同一概念。假定管道中的流量满足连续方程，同时也满足环方程。在哈代克罗斯法中求出每个q后再修正各管道的流量，而牛顿菜福逊法中，把q写在环方程中，解一组非线性方程组，求得每环的q，当计算满足条件了，最初的流量值通过修正也得到最后所求的值。此法理论严密，考虑全面，只要初始点选得好，一般能保证收敛。(3)线性理论法(Linear-Ther
4、oy)：线性理论法是Don Jwood和Carles QA于1972年提出的管网平差方法，该法以管网中各管段流量作为未知量，联立节点方程和环方程，然后将环方程中的非线性项线性化，求解线性方程组，再进行迭代逼近，得到管网的流量分配。此方法概念清晰，不需要假设初始的流量分配，计算选代次数较少，收敛速度快，并总能取得令人满意效果。(4)有限元(Finite-Element)法：此法的实质是解节点方程。首先将能量方程代入连续性方程中，然后解节点连续性方程组，计算时先假定各管段管径和流量，按摩损公式求管段摩损，再列出节点矩阵方程并求解，多次选代，使各节点满足连续性方程为止。(5)图论法：1972年Kes
5、avan等人提出的图论法，解割方程和环方程，将未知变量分成两半，先解一半，再以此一半的结果去解另一半的未知，用于计算带有各种管网附件的管网。二、管网平差的主要作用通过管网平差，为管网管理提供科学指导，为规划设计和改造、扩建管网提供优化方案，科学指导选定管网中的测流、测压和水质监测点并优化测点位置。(1)管网管理通过管网平差，可模拟管网的运行工况，制定更为科学、经济合理的调度方案并寻找季节性阀门经济开度；提供工况及事故预案：分析管网工程施工，阀门关闭方案，找出管网发生爆管、大漏水等事故发生位置，提出最优阀门关闭方案及事故处理意见，分析工程及事故对用户用水的影响程度，分析用水困难原因，从而提高供水
6、服务业务水平；分析及诊断管网异常情况，分析开关阀门，摩阻突变和大规模给水系统中水打回笼等现象并提出相应的解决办法帮助指导检漏工作：通过模拟给水管网运行工况，并与正常工况对比，宏观分析漏水区域及确定漏耗量，检查漏水区域内管网设施标准和期限，以找出漏水的主要原因。供水水质管理：通过模拟化学药品在管网中的扩散情况，实时反映管网水质情况并对出现的异常情况提供最佳处理方案，从而控制管网水质，指导水厂合理投加药剂，提高水质，降低成本。(2)规划、设计和改、扩建管网：管网规划：通过管网平差，可以为供水管网系统提供近、中、远期规划和各类小区规划。设计：通过管网平差，可以为供水管网系统设计提供最佳设计方案。管网
7、改、扩建：通过管网平差，可分析现有管网的运行负荷，找出欠负荷，超负荷运行管段，就可计算现有管网的水压情况，以找出超常压和低压管段，并可在短时间内提供多种管网改、扩建方案，并迅速将方案实施后的模拟状况显示出来，直观地反映各种方案的综合性价比，从而便利地找出最佳改、扩建方案。三、管网平差软件应用现状及其影响其效力的若干瓶颈分析鉴于供水管网的复杂性及管网平差在管网管理规划设计及管网改、扩建方案优化与测流、测压和水质监测点优化布置上所起的作用，国内许多水司都应用管网平差软件建立自己的管网模型解决实际问题。(一)管网平差软件应用现状目前国内水司应用管网平差软件的情况，归纳起来主要有以下四类：1、自行开发
8、或与国内大学合作开发的功能简单的管网平差软件，这些软件不仅只能作静态管网平差，而且输入数据也较麻烦，输出的结果是一大堆表格。这类水司有两种类型：A、立志于自力更生型，如深圳水司。B、起步虽早，但一直停留在初级水平阶段，如武汉水司。2、采用国内大学的管网平差软件，这些软件可作24小时延时模拟，输出的结果也可以用图形表示，但大多属非完全安装的商业软件，均无结果的评判标准。这类水司主要也有两种类型：(1)应用哈尔滨工业大学建筑学院开发的管网平差软件，如天津水司。(2)应用同济大学开发的管网平差软件，如南京水司、太原水司、昆明水司、杭州水司和南宁水司等。3、仅适用于中等管网规模的动态管网平差软件，这类
9、软件一般对管网的节点数有一定的限制，这类软件亦分两类：(1)美国CANPAL公司8M软件，如中山水司和石家庄水司；(2)美国西图公司的NETWR软件，如大连水司。4、特大型水司应用的适用于大规模复杂管网结构的国际先进的准动态和动态平差软件，它们分为两类：(1)英国的WRC WATNET移动态管网平差软件，如北京水司；(2)美国Stone动态分析软件，如上海水司。上述表明，应用管网平差软件建立自己的管网模型解决实际问题已得到各水司的普遍认可，但由于模拟实时动态大规模复杂管网不仅涉及到复杂的管网水力学问题，复杂的计算机数据库，外部图形接入和转换技术与数据和图形输出技术，节点流量动态化，时、日、年需
10、水量分析与预测，给水管网技术经济优化、优化调度和分析，漏损分析、水质模拟等计算数学模型的建立，还涉及到实际管网的微误差简化标准，大用户流量划分标准，节点流量区域的划定方法，各类用水曲线制作方法，无计量用水的计算与分配方法，节点标高的确定方法，管道绝对粗糙度和阀门阻力系数的确定方法，水泵特性曲线的制作方法；更有模型校验方法，布点规划及结果的评判标准的确定等一系列科学方法。正因为如此，各水司尽管在80年代初就开始应用管网平差软件建立自己经刻意简化管网结构以适应软件的静态管网模型，历经20余年至今，虽建立了一些较先进的供水管网模型，如北京市供配水系统移动态模型和上海市浦西地区输配水管网计算机模型，但
11、仍仅限于规划和确定大型调度方案之用，远设有发挥先进管网平差软件所应能发挥的效力。(二)影响管网平差软件效力的瓶颈分析影响管网平差软件效力的瓶颈归纳起来可分为两大类：一是管网平差软件本身以外的瓶颈，即外因瓶颈，二是管网平差软件本身的瓶颈，即内因瓶颈。A、外因瓶颈：首先，存在认识瓶颈。由于中国是个水资源贫乏之国，城市居民长期以来只对水量有严格要求，但对水质和水压的要求仅是个粗略的概念，加之管网平差要求配套因素较高且复杂，故各水司在集满足低要求和畏难而退两种心态下，仅因担心出大问题而利用管网平差软件对管网作粗略模拟以确定宏观规划和大型调度方案之用。由此看来，在服务意识不强的情况下，各水司均不同程度地
12、存在对管网平差软件所起作用认识不够，甚至有轻视的倾向。其次，基础资料瓶颈。1、管网及其附属设施资料瓶颈由于历史的原因，管网及其附属设施资料档案不完备，加之管理机制的问题，致使管网及其附属设施资料不仅残缺不全，而且准确度不高，可信度差，从而使管网平差软件的应用基础出现困难，甚至存在信用危机。2、配水水源资料瓶颈尽管送水泵房、区域增压站、清水库等供水设施数量不大，但由于长期形成的重工程，轻管理不良习惯，出现配水源资料不完善，甚至即使有监测设备的，也因长期荒于管理校核，仪表数据不准确，有的干脆认为反正这些监测设备无用，在工程设计阶段就将其省略了，致使管网平差软件模拟供水管网运行工况时缺乏可靠校核依据
13、和基础。3、用户资料瓶颈(1)用户接入点瓶颈：由于管网及其附属设施资料的不完备，准确度不高，因而一条道路两边或一个区域内用户用水到底来源于哪里，不清楚，从而给管网平差软件的用水量的节点归纳带来困难。(2)水量瓶颈：由于长期计划体制形成的习惯，计划的变化往往较实际变化慢，故各营业单位为了完成计划数，将罚量均计入水量，甚至将水价高的罚量折成水价低的量，加之底度制度的原因和抄表及表本身的错误，再有各营业所管理仅有一份统计报表，因此水量统计表上的数据的真实性可想而知了，以此不可靠的用水量数据来作为管网平差软件计算的基础，其计算的结果受到一定程度的怀疑并不为怪。(3)大用水户用水规律瓶颈，由于用水户的用
14、水类型不同，其用水规律亦不同，就武汉市而言，按武汉市水价分类及构成表，有21类用水。现阶段这些用水户的用水规律均未进行归纳和综合整理，它们的缺乏，不仅无法实现管网模型动态化，也给管网平差软件的计算结果的精确度带来较大的影响。4、高程瓶颈：由于节点高程是影响自由水头的关键因素之一，故节点的高程的正确与否，直接关系到管网平差结果的正确性，目前除极少数水司因它们所在城市具备完善的城市高程系统外，绝大多数应用管网平差软件水司仅利用1：2000图上的地形标高作为节点高程，不但没有考虑管道埋深，而且没有考虑已变化了的实际地形，因此其计算结果的误差相对较大。5、管道及其附属设备(阀门)阻力系数资料瓶颈：由于
15、管道及其附属设备(阀门)阻力系数是管网水力计算的重要参数，其值的取舍与管网平差软件的计算结果的关系相当密切，目前，较先进的水司如上海水司在应用国际先进软件前也没有这方面的数据资料，仅在应用国际先进管网平差过程中才实测典型区域典型管段和阀门阻力系数，从而不断增加了建模工作量，而且只能粗略地用部分典型代替全面，其它水司则干脆用规范上的不切实际的数据，那么其管网平差软件所计算的结果肯定也有误差。6、小区管道转压站瓶颈：(1)数量瓶颈：长期以来，由于城市政府没有行文对二次供水工程实行统一规划、统一建设和统一规范管理，致使小区转压站资料不全，因而其管网平差软件的计算结果精度只能是粗略的。(2)小区转压站
16、水泵特性曲线瓶颈：由于小区转压站资料不全，更谈不上制定它们的水泵特性曲线，因而对管网平差软件的计算结果也有一定的影响。7、测流、测压资料瓶颈：目前，国内水司测流系统一般仅控制供水系统头尾两头，头部水厂出厂流量计，尾部则是用户水费计量表，供水管网则没有流量监测系统，测压系统的连续遥测点也仅在几个象征点位置布点，甚至有的因长年未用，也亦年久失修，不间断测压也仅有粗略的季节性测压资料，远远不能满足管网平差软件模拟供水管网校核模型之用。8、管网水质监测资料瓶颈：现阶段，国内各水司水质监测的重点都放在水厂，对管网的水质监测基本上仍是空白，因而大都无法应用管网平差软件的水质模拟及管理功能。第三、管理运行机制瓶颈1、专班瓶颈：由于存在认
