给水管网系统建模及其可靠性分析

1、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

2、、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，已经开始应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.国内研究历史与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与实践的研究。近年来，同济大学与南京、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应用需求，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应用，

3、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应用效益，对于我国城市供水管网信息化技术进步和生产应用起到了有力的推动作用。2.国外研究历史与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，英国在管网建模与应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、遥测远传设备的应用，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、建模过程与校验、在实际中的应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

4、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，应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应用软件的发展，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应用。三、分析与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，尤其是应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

5、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应用、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、建模与校验和实际应用三个方面。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

6、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，应用“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

7、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）给水管网建模与校验。给水管网基本方程组以及管网各种各样的动态、静态信息，用某种方式科学地有机地组成的总体就是给水管网模型。建立给水管网模型的主要过程为：输入给水管网静态、动态信息；应用专用模块建立管网基本方程组；求解管网基本方程组，进行管网运行工况仿真计算，求得各管段的流量、流速、水头损失、各节点压力以及各水源的供水量、供水压等；将所得结果与监测数据相比较，求得误差。如果误差不符合规定的要求，则修改模型，转至步骤。如此反复进行，直到满足要求为止。按上述步骤建立的管网模型不可能完全符合实际情况，必须进行修正使其逐渐接近实际，这个过程就叫管网模型校验。管网模型校验实质上是管网状态估计和参数估计的问题。对大型给水管网进行状态估计和参数估计是解决给水管网动态工况分析、优化改扩建、优化运行的必要条件。常用的方法有灵敏度分析法、解析方法、解非线性方程组法和最优化方法等。修改过程可从差异比较大、比较明显的地方开始，可能需要反复修改多次

8、才能达到满意的程度。对管网模型的修改主要是根据实测情况进行调整。即调整管段粗糙系数或阻力系数、调整节点流量、调整水泵特性曲线、调整控制阀门开启度、补充遗漏的管段、修改管段间连接关系、剔除奇异值、修改其他错误的输入等。管网模型只有在自来水公司了解其性能并应用于生产运行时，才算是一种有用的工具。所以进行模型的校核是很有必要的。应当强调的是，建模不仅为目前需要，将来还要有人使用。因此在管网模型建成以后应写出文件，附有程序输入数据表、原始数据、所测得的水泵特性曲线校正、测压点水准等。不能以为一旦建立了管网模型就一劳永逸，可以永远无须修正而长期使用。事实上，随着改造和铺设新管线等因素，管网模型须加强维护和定期更新，以适应不断变化的情况，保持模型的精确度。3）给水管网模型的实际应用。给水管网工况模拟仿真计算包括现状资料的收集、管网水力计算和管网工况分析三部分，给水管网现状工况分析可提供管网运行的情况，揭示供水出现事故的隐患，为加强供水安全性和提高效率创造有利条件。给水管网模型的应用可以帮助解决如下问题。掌握和分析管网运行工况。模拟仿真计算可以求得每个节点的压力、每条管段的流量流速、水头损失等。作为

9、给水系统运行管理人员的得力助手，不仅帮助详细了解管网各部分的运行工况，而且可以从中发现许多平时不易发现的问题，如“卡脖子”管段，供水压力过低的区域及其产生原因等等。给水管网系统优化运行调度。对各种可能的运行调度方案进行模拟仿真计算，可以比较、评价各种方案的技术经济性能，从而寻求最优运行调度方案，以达到最高的社会效益和经济效益。给水管网系统优化改建扩建。对各种可能的优化改建扩建方案进行模拟仿真计算，可以比较、评估各种方案的技术经济性能，从而寻求最优改建扩建调度方案，以达到最高的社会效益和经济效益。给水管网系统紧急事故处理。安全供水，优质服务是供水企业服务于社会的宗旨。供水管道的频繁爆裂，不仅影响工农业生产和居民生活，造成水资源的浪费，而且威胁着供水管网的安全运行，增加供水企业运行成本，损害供水企业对外服务形象，牵制了政府有关领导等方方面面的精力。而当管网发生爆管事故时，给水管网模型的应用可以自动给出最优阀门关闭方案，将事故点隔离，停止漏水以便抢修；可以迅速绘制出事故地点的管网图以及须关闭的阀门位置图；立即给出应停水的管段和用户清单；在部分管段停水的条件下可以进行管网工况模拟仿真计算，评估系统的供水能力。对于紧急事故的未发生前预警、发生后事故处理都给出了科学精准的分析，为管理人员的决策提供了很大的便利。给水管网系统水质分析与控制。在管网工况模拟仿真计算的基础上，可以进一步计算水在管网中的停留时间，进而分析化学药品的浓度扩散、余氯衰减和分布等情况。我国是发展中国家，大多数城市给水管网是在新中国成立后铺设的。伴随着共和国的成长，给水管网的成型经历了很长的一段时期。受当时条件的制约，导致现在的爆管和漏水事故频频发生。为此在做到“新账不欠”即确保新铺设的给水管道质量的同时，应有计划、分阶段的“还清旧账”。这里的旧账，不只是对硬件管网的改造扩建，还应注意软件管网系统建模的跟进，或在原有模型基础上的优化。管网的优化设计，注意四个方面：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。因为

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