国外在管网建模方面起步于20世纪60年代。20世纪80年代，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，国内已有很多供水企业实现了供水管网建模。给水管网系统建模，就是为仿真模拟管网系统动态实时运行情况建立数学模型。建立供水管网模型，可及时了解管网的运行状态，分析管网运行瓶颈，同时可对管网优化改扩建、事故处理分析等起指导作用，另外可进一步应用于管网漏损控制、水泵优化调度及水质分析等方面，可在供水企业实际工作中发挥重要作用。

供水管网压力和流量控制

1.1建模基本理论

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。以往，对埋在地下的给水管网多属经验性的管理，不能直接进行实验和大量的测试，实现科学化现代化管理非常困难。到目前为止，管网建模是仿真给水管网系统动态工况的最有效方法。它能够提供有价值的信息，有助于实现对管网科学化、现代化管理。

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：

(1)图形模拟：将复杂的给水管网系统拓扑结构，在可行的简化基础上，输入计算机实现模拟的管网图形，其中包括水源管段、管长、管径、节点及阀门、消火栓等附件，由这些管网静态数据建立管网的图文数据库。

(2)状态模拟：包括随时间变化的管网节点流量；管道漏损量；高位水池水位随时间变化的影响；阀门开启度。状态模拟的目的在于管网的静态和动态数据建立并通过求解管网状态方程，进行管网水力分析。

(3)参数模拟：对不随时间变化的参数进行计算和模拟，如管道阻力系数C值，不同敷设年代对C值得影响，余氯衰减系数K值。

给水管网建模应用广泛，可为企业解决以往在管网运行和管理中难以解决的问题，如：为给水厂制定规划、优化调度设计方案；制定水泵和管道的更新改造方案；了解管网系统的性能；评价现有管网的供水能力；解决管网异常(如阀门关闭等)；降低水泵运行费用；管网事故(如爆管)应急对策；管网水质分析；城市管网分区供水规划和设计。给水管网建模不是一蹴而成，需要不断地开发、更新和完善。

管网模型按建模方法可分为以下三类模型：①管网宏观模型；②管网简化模型；③管网微观模型。

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“输入量”和“输出量”间的相互关系。通常采用水厂的供水压力和供水流量作为“输入量”，压力监测点的压力为“输出量”。管网宏观模型是以水厂的供水压力和供水流量以及水塔水位与管网监测点压力的大量实测数据位基础，应用统计数学的方法所建立的经验数学表达式，从而提高了计算速度。但其要求有足够多的压力监测点，并且要求有足够的实测数据和准确度，必要时须参考微观模型的仿真计算结果进行修正。管网宏观模型用于“比例负荷”管网系统取得了较好的效果。所谓“比例负荷”是指管网系统总用水量与各节点流量在一天中不同时段按同一比例变化。我国大多数城市的给水系统同时供应工业和居民生活用水，并不满足“比例负荷”条件，于是提出“时段宏观模型”的概念。即将一天分为若干时间区段，使得在每一时间段内基本满足“比例负荷”条件，然后分别对每一时间区段建立给水系统宏观模型。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。

管网简化模型是只选取直径比较大的输水管段建立管网简化模型，忽略直径比较小的配水管网。由于给水管网中输水管网与配水管网往往没有清楚的区分界限，如何确定输水管段是需要仔细考虑的问题。另外，为了保证管网连续性，或为了保留较重要的连通输水管，可能还需要选取一些直径较小的管段加以补充。由于设计不当，或资料不全，个别较重要的连通输水管的管径可能过小，应该仔细分析处理。建立简化管网模型的确能大大减少建模的工作量，但其简化模型有些问题须加以考虑：①管网简化模型与实际管网是否等效，经过简化会产生多大误差，是值得进一步研究讨论的问题。②保证管网连续性只是能够进行模拟仿真计算的最低必要条件，而不是充分条件，再简化的同时如何增补较小管段还须仔细斟酌。③确定每个节点的供水范围是一项十分复杂而细致的工作。大多数用户的接入管在被简化的直径300mm以下的管段上，因而它们在管网中的位置无法显示出来。此外必须用某种方法确定每个用户与其供水节点间的对应关系，还要编制相应程序将用户用水量折算到其供水节点上。而在某些特殊情况下，节点的供水范围与正常情况可能有很多不同，处理比较困难。

管网微观模型包括管网所有元素(管段、阀门、水泵等)，是不做任何简化所建立的模型。其最明显的优点是直接应用完整详细的管网信息数据库的资料，包括管网的全部信息进行建模，它的计算结果可得到所有节点和管段的全部信息；其缺点是计算工作量大，计算时间长，占用计算机内存多。由于计算机技术的发展，计算速度大大提高，再加上计算方法进一步改进完善，可不做任何简化直接利用管网微观模型就可以进行管网运行工况模拟仿真计算。

供水管网模型的建立是一项系统性很强的工作，前期数据的收集整理工作对于模型质量的好坏影响很大，其管网建模技术流程如图1-1。

1-1供水管网建模技术流程图

2.1 模型数据库构建

2.1.1 基础数据收集与处理

供水管网建模之前，应对需要建模项目的实际情况进行调查摸底，根据调查摸底情制订详细、可行的工作计划，并认真评估整个项目的工作量及工作难度。项目基础数据调查范围如下：

1.管网

主要包括：现有管网资料的完整程度及本区管网基本概况；当前管线资料的更新情况及保存方式；各区供水服务情况；市政干线和入户管线基本情况以及管道附件资料的详细程度(主要控制阀门的位置及开度、流量计的个数、主要附件的个数、详细位置及使用现状)，管道的埋深、铺设年代、管材等信息的完整程度；原供水地理信息系统的使用和更新情况以及相关硬件的配置和人员情况。

2.水厂

主要包括：各水厂水源情况；各水厂设计、运行资料；二泵房基础资料。

3.用户

主要包括：供水营业收费系统所用软件的基本情况；收费用户的分类情况，IC卡收费的基本情况；用户用水量数据库的存储格式及其开放性；供水营业收费系统与SCADA系统用户编号一致性。

4.其他

主要包括：消火栓的个数及进行现场实测的可行性；消火栓的准确位置及所在管段的管径；供水公司的人力配合及工具的提供问题。

项目基础数据调查摸底之后，需对建模数据进行收集与处理，根据建模类型和应用方向不同，建模所收集的数据也有所不同，其具体收集的数据情况可见表3-1。

管网基础数据收集完之后，应对收集到的数据进行处理，数据处理包括对数据的整理与评估分析，其整理和评估分析时的原则及内容如下：

(1)数据代表性；

(2)数据时效性；

(3)数据完整性；

(4)数据分布性；

(5)数据缺陷;

(6)数据精度;

(7)存在问题;

(8)解决方案。

2.2.2模型拓扑结构建立

管网拓扑结构的建立主要有三种方法：

(1)手动输入建立拓扑结构：对于只有纸质版图纸的管网建模项目，可采用数字化仪将给水设施数字化输入建模软件，形成点线结构的管网图形；

(2)采用不同文件间数据转换实现拓扑结构的建立：在有电子版CAD图纸的管网项目中，可将CAD图纸中的管网数据进行处理并提取到相关的建模软件中，但在有些情况下也需要一些手动编辑；

(3)直接利用各种文件建立管网拓扑结构：直接将GIS系统中按照一定的文件格式调入经矢量化的给水设施图形数据和属性数据，并在管网模型软件里形成计算机给水系统管网图形。

在管网拓扑结构的建立过程中，须根据建模需要情况对实际的管网图形进行“微误差简化”。“微误差简化”原则如下：

(1)简化枝状管。一般情况下，将枝状管简化掉，将其用户用水量计算到与之相连的环状管节点上。如果枝状管上有大用户，将保留该枝状管，便于大用户24h实时用水曲线调查。

(2)简化“T”形连通管。当连通两管道“T”的直径与其中一根管道的直径相同时，将“T”简化掉；如连通两管道“T”的直径与两根管道的直径都不同时，将保留“T”；如“T”上有常规操作阀，将保留“T”。

(3)输水管道如不是枝状管，无论直径大小是多少，均不能简化掉。

(4)管网结构不能进行人工分解，平行管线不能合并。

(5)多根管道连接于同一根管道，且节点间间距小于2m，可合并为一个节点，局部水头损失转化为管道沿程水头损失。

(6)管道拐弯或经“微误差简化”产生的水头损失，模型校验时转化为管道沿程水头损失。

在建立管网拓扑结构时，需注意管网节点的选取，节点的选定应遵循以下原则：

(1)阀门和水泵的两端设置节点；

(2)水库或水塔设置节点；

(3)管道交叉连通处设置节点；

(4)管道变径处设置节点；

(5)埋设年代不同的管道(一般在5年以上)连接处设置节点；

(6)管材不同的管道连接处设置节点；

(7)大用户位置设置单独用水量节点；

(8)现场测试点处设置节点。

2.2.3 管网简化

管网建模中，由于管网错综复杂，里面有很多交叉及支线管网，为了保证管网拓扑图清晰，我们一般按以下原则进行简化。

(1)删除次要管线，保留主干管线和干管线；

(2)相近交叉点合并，减少管线的数目；

(3)删除全开阀门，保留调节阀、减压阀等；

(4)串联、并联管线水力等效合并；

(5)大系统拆分为多个小系统，分别计算。

最终结果通过计算为分区计量提供分区的依据，

2.2.4 节点流量分配

管网节点流量的分配是建立管网水力平差模型的关键步骤，关系到模型的精确程度。节点流量的计算是以用户用水量为基础的，用户用水量可能是管网动态信息中最重要、最富有变化而又最难以准确确定的信息。

研究表明，用户用水量的变化有如下规律：①以一天为周期的变化，可用时变化曲线表示；②以一周为周期的变化，可用周变化曲线表示。主要反映工作日与休息日的不同；③以一月为周期的变化，可用月变化曲线表示；④以一年为周期的变化，可用年变化曲线表示；⑤由于城市的发展、人口的增加和生化条件的改善而呈现用水量逐渐增加的趋势。

除了以上确定因素外，还应考虑法定节假日、天气变化等随机因素对用水量变化规律的影响。此外，不同类型用户的用水量变化规律也不相同。一般将用户分为工业、居民、机关等各种类型，分别实测它们的用水量变化规律以确定其用水量变化曲线。计算节点流量时，可将用户分为集中用户和分散用户两大类。大集中用户的用水量可按其接入管位置折算到相应节点上去，分散用户的用水量则按其管段长度和管段上用户分别情况折算到相应节点上。

集中大用户的选取，应根据管网的规模，城市大小及具体情况而定。如用水量大于15000m³/月的用户为特大用户，可作为一个用水量节点；用水量大于5000m³/月的用户为大用户，可作为一个用水量节点。一般，特大用户和大用户的用水量总和约为管网总用水量的40%~70%。用水量测定是一项非常重要但又极其复杂的工作，需投入大量人力，通过现场实测得到各类用户的用水量时变化曲线，作为计算节点流量的依据。

用户用水量折算成节点流量的计算流程主要有两个方案，如图2-1和图2-2所示。

图2-1用户用水量折算成节点流量的计算流程(方案1)

对比两个方案，方案1是按管线单位长度比流量法折算成管段流量的，该方案需建立每个分散小用户与供水节点的关系，并需分别确定每条管段上的小用户情况，以便按管段长度分配流量。这种处理方法比较简单但较粗略。方案2是按供水面积法确定节点流量的，其计算过程中需确定每个节点的供水范围，凡是该范围内用户的用水量均按变化曲线折算到该节点上去，因而还需建立节点与收费账单之间的关系，确定每个用户