劉遂慶 王榮和
同濟大學環境科學與工程學院

　　摘要：本文簡要闡述給水管網設計和運行管理現代科學技術的進步和應用現狀, 對我國的發展方向提出了作者的見解和設想。管網優化設計計算、管網水力與水質模擬、管網優化調度、信息化和智能化運行管理及科技交流信息網絡構成了當前給水管網新理論和新技術研究和應用發展的基本方向，對于城市供水企業提高經濟效益和企業科技水平將起到根本保證的作用。在給水行業內組織高科技研究和產業化，是給水行業科技進步的可行道路。
　　關鍵詞：給水管網、科技發展、優化設計、優化調度、智能管理、科技信息網、行業高科技產業化

　　1　概述

　　給水管網系統是一個由各種管道、泵站、水塔、調節閥(閥門、減壓閥、檢查閥等)等多種設施構成的水輸送系統，通過系統的合理設計及運行管理，可以節約大量工程投資，提高企業經濟效益和現代化科學技術水平。管網系統的投資很大，同時涉及到的影響因素也很多，如何最優地確定這些設計參數，使系統在滿足用戶要求的前提下，達到投資及運行費用最省；如何在已知某些系統參數的情況下，分析系統的運行狀況，以便進行優化調度自動化控制等，這些都是給水管網設計及管理人員迫切需要解決的實際問題。
　　隨著計算機的出現及其應用軟件的發展，給水管網水力計算有了很大的發展，在理論及算法上日趨完善。對于給水管網優化問題，國內外給水管網研究工作者已做了大量的研究和探索工作，并取得了豐碩的成果。計算機和計算技術的飛速發展，為管網設計與管理提供強有力的支持和推動。按照Lee Cesario如表1所示的分析，可以看出管網模型發展的顯著變化。

表1 管網模型發展歷史 30年代 Hardy-Cross 手工求解法 40年代 McElroy 電子分析器 50年代 室內模型，電子管計算機 60年代 院校開發程序系統，晶體管計算機 70年代 數學模型和計算方法發展，計算程序開發和應用階段，小型計算機 80年代 用戶界面、軟件包及擬穩定狀態模擬系統，大規模集成電路微機 90年代 軟件接口、圖形化軟件集成設計、信息管理、智能化及自動化運行及水質模擬系統，大規模集成電路微機，PLC，SCADA，GIS

　　1970年代中，利用計算機進行給水管網水力計算的理論和方法在大學和研究機構得到了廣泛而深入的研究，成功地開發了許多專業應用軟件，如美國Kentucky大學Wood-Charles程序(1972)，美國Utah州立大學Jeppson程序(1976)，并由軟件開發公司推出一些程序，如FAAST、WATSIM(1974)等。我國也隨之開始從事這方面的研究，并推出一些實用程序，如給水管網水力計算程序747、749、7512、767等程序(同濟大學楊欽教授等)，為我國給水行業計算機應用奠定了十分重要的基礎。這一時期研究的重點在于水力分析和標準優化設計計算，形成擬穩定狀態水力模擬的完成數據模型。80年代，軟件開發走向商品化，并開始重視擬穩定狀態水力模擬系統和GIS、CAD技術開發和應用。這一時期典型的程序系統如AQUA(Akron大學，1985)、WADISO(Gessler-Walski,1985)。90年代是軟件系統蓬博發展的時期，出現了大量的商品化軟件，如PIPE-FLO、WaterMap、FAAST-3、KYPIPE2、EPANET、WATNET、H2ONET、8M、STONER、SynerGEE等，在國內，同濟大學開發完成的軟件有HYPNW（1992）、WPNCAD（1994）、WDOC（1998）、WPNCAD（1998）等。各類應用軟件向著智能化、圖形化方向發展，并為用戶提供方便的界面和強大的功能。以管徑優選法(Loubser和Gessler,1990)和遺傳算法(Murphy、Simpson和Dandy,1993)為代表的優化算法可能會是管網優化技術真正走向市場的途徑，以擬穩定狀態模擬技術(Gessler和Walski,1989)進行管網系統優化調度，也已開始了工程應用和軟件商業化階段。
　　應用計算機進行給水管網運行管理和優化調度科學技術在1990年代得到了快速發展，以信息技術和智能化、自動化控制為目標，運用PLC、SCADA和GIS技術，形成了完整的節約能量、節省人工、減少漏損、保護水質等的以計算機為中心的現代高科技管理系統，逐步形成了給水管網運行管理和自動優化調度高科技產業。

　　2　給水管網優化設計和經濟管徑

　　給水管網系統的水力平差設計計算，在算法上已十分成熟，在計算規模、計算速度和計算機精度上，隨著計算機技術的發展，已不再是平差計算的約束問題。如WDOC、WatNET、STONER、SynerGEE等軟件系統，都可方便地解決成千上萬根管段的平差計算問題。
　　然而，目前經常遇到的問題是管網拓撲模型的簡化、不同種類管道摩阻系數的確定需要與工程實際保持一致，才能使計算結果具有工程實用價值。當軟件使用者缺乏工程認識和經驗時，往往得出片面結果，甚至造成直接經濟損失。在進行管網設計計算時，必須引起足夠重視。具有扎實理論基礎和工程經驗的軟件使用者，可以通過比較計算結果和實測數據發現管網中存在的設計或運行問題，諸如管道銹蝕、漏水、閘閥盲目關閉或水泵運行失常等，為管網合理運行和調度提出改造方案，滿足合理管理和運行的要求。
　　管網優化設計計算，主要是為了進行新建或擴建管網的規劃設計和初步設計，使其達到在投資(管徑)及常年運行費用(水泵揚程)最小的情況下，滿足用戶對水量和水壓的要求。優化設計計算方法是在建立經濟模型和優化計算數學模型，并提出多個約束條件后，通過一定的數學算法，得出最經濟的管徑及水泵揚程。在經濟管徑條件下運行的流速稱為經濟流速。
　　經濟管徑或經濟流速是管網優化設計的計算結果，也是用于檢驗一個管網設計或運行優劣的一個手段。如果管網水力平差計算結果表明管段流速均遠離經濟流速的范圍，即應該對管網的設計或運行管理方法提出質疑，并尋求解決問題的辦法。
　　根據歷史紀錄和經驗，在一般情況下，給水管網中管段直徑小于1m時，經濟流速在0.5 -1.0m/s之間，對于大于1.0m的管徑，經濟流速在1.0 – 2.0m/s之間。近年來，作者對某些城市供水管網進行計算，發現管段流速普遍較低。這是近年來我國城市給水設施快步發展的結果，同時也出現了設施建設富余量過大的問題。我們需要針對當前的經濟規律和狀況，開展經濟流速和經濟管徑的研究，確定各城市和地區的經濟流速和經濟管徑，提高供水企業的經濟效益和科學管理水平。

　　3　管網系統優化調度和水質模擬控制

　　給水管網系統的調度及管理，需要管網模型的建立、用水量預測預報以及自動控制及實施。管網模型的建立，在計算機硬件水平較低的年代，經歷了自微觀模型、宏觀模型、集結模型、等價網絡模型，隨著計算機大容量、大內存、高運行速度的發展，最后又回到微觀模型的過程。Robert Demoyer等首先提出基于“比例負荷”假定的“宏觀模型”，只需要過去的運行數據就可以借助統計回歸分析離線建模，采用漸消記憶算法也可以實現在線建模。同濟大學于1988年在國內進一步提出基于“時段比例負荷”的“時段宏觀模型”。配水控制問題，提的較多的是如何確定最佳的泵站調度方案，使供水能耗耗最省，也有以實現等壓配水控制為目標的。
　　管網系統的優化調度是供水企業科學管理和科技進步的重要內容，是管網運行信息化、智能化和自動化運行和結合，需要建立以計算機網絡為中心的梯級PLC網絡系統，利用SCADA和GIS等提供管理信息，形成完整的節約能量、節省人工、減少漏損、保護水質等的的管理系統，實現給水管網優化調度。
　　給水管網水質模擬是計算跟蹤管網水中溶解物質的傳輸與各時間內流經路線和分布。水質模型可分為穩態模型和準動態模型二種。
　　（1）穩態模型
　　假定管網處于水力穩定狀態，在一定的運行負荷下，物質沿著流動路徑和時間運行，達到水質穩定。數學模型為：

　　 　　　　　 　　　　　(1)

　　 　　　　　(2)

　　管段濃度方程：C_u,ji＝C_j
　　　　　　　　　C_l,ji=C_u,ji
　　　　　　　　　C_l,ji=C_u,jie^-KT

　　式中，j,k:分別表示節點j的上游和下游鄰接點；q_ji，q_ik：管段流量；
　　　　　Q_s，C_s:水源供水量及進水濃度；C_u,ji:管段＜j, i>起端濃度；
　　　　　C_l,ji:管段＜j, i>末端濃度；K：管段＜j,i>中物質反應速率常數；
　　　　　K：管段＜j,i>中的流徑時間。

　　保守物質沿管線流動過程中，濃度不發生變化，末端濃度等于起端濃度。非保守物質在流動過程中同時發生著反應，以一級反應為例，反應動力學方程為：

　　 　　　　　　　　(3)

　　物質沿管段流動過程中發生衰減，以不同于管段起端的濃度進入下游節點。
　　水源供水比例數學模型為：

　　 (4)

　　 (5)

　　 (6)

　　式中，j:節點I的上游鄰接點；P_s,i,P_s,ji：水源S對節點i和管段＜j,i>的供水比例；

　　q_ji:管段流量； Q_s：水源供水量。
　　水在管網中流經時間的數學模型為：
　　式中，A_i,A_j:節點i和i的上游鄰接點j的流經時間；t_ji：節點i的入流管段＜j，i＞中的流經時間；Q_s,A_s:水源供水量和時間。
　　（2）準動態模型
　　準動態模型的計算結果要比穩態模型的可信度高，因此，在實際工程中，大部分采用準動態模型。
　　1）對流擴散方程：
　　假設水中溶解物質在管段橫截面上均勻分布，其運行規律和傳輸可用一維對流擴散方程來表示。
　　 (7)
　　式中，C_i(x,t):管段i中，t時刻x位置的濃度；D:擴散系數；S：源（或匯）在單位時間單位體積增加（或減少）的物質質量；K₀:零級肥應速率常數；K₁：一級肥應速率常數；C_E：反應達到平衡時的濃度。
　　2）節點混合方程
　　假設水流在節點處瞬時完全混合，所有以該節點為起端的管段起點處的濃度都相等。
　　 　　　　　　　　　　　　　(8)

　　式中，C_i(0,t):時刻t,以節點K為起端的管段i的起端濃度;C_i(L_j,t):時刻t,以節點K為終端的管段j的末端濃度;S：源（或匯）在單位體積內增加（或減少）的物質量；K：流入節點K的管段的集合。

　　4　給水管網系統科技進步方向和任務

　　隨著計算機及控制管理科學技術的進步，給水管網設計、運行與管理科技水平有了很大的發展，國內外給水管網研究工作者已做了大量的研究和開發工作，并取得了豐碩的成果，為管網設計與管理提供強有力的支持和推動。經過我國的改革開放和技術引進，已經應用了大量先進的科學技術，提高了科技水平和效率。然而，與發達國家相比，我國還存在著較大差距。中國是一個大國，是一個十分廣闊的科技市場，而且面臨著加入WTO的形勢和機遇，我們迫切需要加快步伐和力度，深入開展下列科學研究，形成適合中國國情和特點的高科技產品和市場。
　　1）管道材料：管材的品種和質量是決定給水管網設計和運行經濟效率的重要保證，我們需要開發研制耐壓、防漏、光潔度高和價格便宜的管道材料，以適應我國給水工程發展需求。
　　2）管道檢漏及防漏技術：管道漏水供水系統中普遍存在的問題，是供水企業長期重視和需要解決的問題。檢測漏水和防漏已經成為一項高科技應用技術，在我國具有顯著社會及經濟價值，具有重要開發價值和科技進步意義。
　　3）給水系統自動化控制和調度成套技術設備：給水系統自動化控制和調度具有明顯的行業特點和市場廣泛性，我國給水行業應具有自己的專業技術研究和成套設備開發及經營管理隊伍，可以形成行業專門化成套產品和市場。
　　4）給水系統計算機技術和軟件開發：根據我國市場需求，利用我國已有科技成果和科技力量，吸收國外先進經驗和成果，開發我國自己的計算機應用技術和成套軟件，將對我國給水行業科技進步和提高經濟效益起到重要推動作用。

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