摘  要：供水管网模型在供水企业中日益得到重视和应用，常规的模型建设思路都是针对于整个供水管网系统进行建立，缺点是建模过程繁琐、周期长、更新维护困难造成了实际运用中效果并不理想。但通过“分区建模”的方法可以很好的帮助供水企业解决了这一系列难题。本文以某水司供水管网二级管网分区模型的单独建立与合并为例，系统的阐述了供水管网“分区建模”的实施方法，既保证了模型的精度，也提升了模型后期更新维护的效率。同时也为同行业供水企业管网模型的建立管理提供借鉴。

关键词：供水管网  水力模型  分区建模  模型管理

A Partition Method for Water Distribution Network Hydraulic Modeling

FEI Zhan-Bo  PENG Yong-Kai   

Abstract：The water distribution network hydraulic model has been paid more attention and application in the water supply industries recently. The conventional model construction is aimed at the entire network. The modeling process is cumbersome, the time period is long, the maintenance is difficult and the application effect is poor. This paper proposes a new “Partition Modeling” method, helps water companies solve problems above. This paper takes the partition and combination modeling of the secondary water distribution network of one one water company as an example. It demonstrates the partition and combination process of modeling, which not only ensures the accuracy of the model, but also improves the efficiency of the model's maintenance. At the same time, it also shows   an efficient model construction way for the water industry.

Key words：water distribution network, hydraulic model, partition method, model management

作者简介：

① 新天科技股份有限公司  董事长

② 新天科技智慧水务事业部  建模工程师

About the Author：

① The Chairman of Suntront Technology Co.,Ltd.    

② The Smart Water Division of Suntront, Hydraulic Model Engineer. 

1 前言

城市供水系统是城市的重要基础设施，是城市“生命线”工程。但随着城市化进程的快速发展，城市供水系统也在不断扩大。导致供水管网诸多问题也逐步暴露出来。为管理和维护这些规模庞大、结构复杂的城市地下管网系统，许多供水企业也在致力于建设一套适合自身供水机制的管网水力模型系统，用来为管网的规划设计、运行现状评估、辅助调度决策、工程管理和维护等相关工作，提供有力的数据支持。有效而稳定的管网水力模型系统，可帮助供水企业优化管网水力性能、保障供水质量安全，降低供水成本和漏损风险，继而优化生产，提高社会和经济效益。

随着越来越多的供水企业开始重视管网水力模型的建设，常规的建设思路在模型建立时，由于管网规模庞大、结构复杂、用水随机性强、对管线空间分布数据完备性、实时性等方面工作提出更高的要求。这些因素使得建模周期拉长，繁琐的建模工作，有许多是验证性或重复性的工作。随着后期管网数据的持续更新、管网需要重新建立和验证^[1]。这就要求供水企业应避免盲目的开展建模工作，基于智慧水务整体平台搭建和实际工程应用角度出发，采用更加灵活和有效的建模方案。

供水管网“分区建模”借鉴漏损控制中“分区计量”网格化管理的理念，是对常规建模思路的一种创新。独立分区的建模可以聚焦关注点，降低数据采集、管网参数修正的难度，从而缩短建模周期。在后续的模型维护中，可以增强管网模型的“生命力”和“准确率”。更有弹性的阶段性建立和维护分区模型，供水企业从分区模型建立、分区模型校验、分区模型的合并运行等过程出发，从中可以探索出适合企业自身的建模方案和标准流程。

本文首先介绍分区建模的基本概念与优势。接着说明分区建模流程中，大型供水管网如何切割与合并。最后以某水司的实例，验证管网分区建模的可行性。

2 分区建模

以下说明分区建模的创新理念及此一方法的优点。

2.1 分区建模的概念

1980年Malcolm Farley 提出供水管网分区计量（DMA）的观念^[2]，化繁为简，将动辄数千公里的管网，切割成数百个可独立计量的DMA。从此不仅大幅提升寻找漏水点的作业效率，也能更精准的估算漏水量。

管网建模同样面临管网庞杂的问题，在此藉由DMA化繁为简的观念。将庞杂的供水管网，切割成数个或数十个可独立建模的管网分区。通过在边界位置设置对应的模型组件（如：虚拟水池、用水节点和对应模式曲线），划分为若干个相对独立的供水子系统，在子系统模型建立阶段按照常规的建模流程进行模型搭建和模型校核。校核后的分区模型可独立运作，也可根据分析需求，组合相邻的管网分区，以此逐步扩大分析范围。关于相邻管网区域的组合，是取消两区域衔接部分的边界模型组件，代之以节点连接双方管件。最后进行局部优化和模拟分析。

2.2 分区建模的优势

「拆解组合，化繁为简」是分区建模的基本精神。透过此一创新方法，可将原本高不可攀的水力建模，落实到每个水司的智慧水务。

如果说，供水管网实施分区计量（DMA）是提高供水管理水平、提高供水收益、降低管网漏损，实现管网精细化管理的一种创新模式。那么对供水管网实施分区建模型、分区模型校核、分区模型管理以及分区模型运用，将是一种对传统管网建模思路的革新。也能更好的结合供水企业信息化建设的整体目标，最终打造出一个机动、灵活的水力模型平台。更加科学的指导供水管网调度、分析、运维管理等智慧水务的终极理想。以下就分区建模的优势简单介绍。

（1）缩短建模周期，提高模型精度

一个较小管网的模型建立和校核，其复杂程度会小很多。模型的建立进程要比整体模型的建立快很多。各区域的管网元素相对独立，相互之间的影响被降到最小，分区模型更有利于模型的校核。模型校核在于准确地定位模型误差的位置，较小的模型利于对误差进行更精确的量化与定位。对模型精度影响较大的是管网需水量的准确性。对此可藉由现今普遍装置的边界流量计，直接测量进出该区块的准确量，就可以在更小范围内找出需水量误差的位置及大小。

（2）指导分区计量

 目前多数供水企业都已建置管网分区计量。建模工作中，可充分利用该优势，在一级分区、二级分区甚至三级DMA分区的基础上进行分区模型的构建。建模过程中，可充分利用各供水区域间已安装之远传压流监测设备，提供分区建模边界条件的状态数据。而后期的更新维护，更可以根据各分区之建设与运行情况、地理信息系统更新等信息，仅需针对分区模型进行个别的更新维护。同时高精度分区模型的合并分析，将反过来评估现有计量分区的合理性，进一步指导管网精细化分区操作和管理。

（3）排定顺序，阶段推展

 阶段性推展分区建模，最终建立完整管网模型。分区建模可根据管网各区域的基础条件或供水管理的轻重缓急，排定顺序逐步实施。例如，对基础管网条件、在线监测设备完善之区域，可优先建立分区管网模型。在建模过程中摸索适合自己实际情况的建模方案，包括管网资料检验方法、用户水量分配方法、用水规律测试方法等。试点模型区域的建立方法和过程会对其他分区模型、整体管网模型的建立都具指导作用，将建模经验推广到其他区域，更能加快全管网模型的建设进程。

（4）降低投入成本，提高模型管理效率

通过对分区块管网模型的建立、校核、更新维护，能让供水企业人员快速上手，快速培养一批高精锐的模型应用和维护人员。针对各分区模型规模和布局，可设置由专项建模小组同时进行管网拓扑建立、水量分配、模型校核、维护等工作，然后进行合并应用。这种模型管理和维护的方式，对于供水企业降低投入成本，在有效性和实时性两方面提升模型运维的质量。

3 分区建模实施流程

3.1 常规建模

常规管网水力模型构建流程主要包含以下几个步骤：数据的采集、数据整理校验、管网模型建立、管网模型校核、管网模型验证。

具体在建模实施过程中细分以下几个阶段来构建。第一阶段，将采集、整理校验的属性数据转入、转出，通过GIS软件或建模软件。将物探管线数据、AutoCAD文档、设计施工图纸、其他档案等数据来源导出数字化后的管网拓扑及属性数据。第二阶段，获取水厂生产运行数据。管网建模相关的水厂生产运行数据包括水厂出厂水量、出厂压力、监测点压力、大用户用水量、营销水量以及相关的高程、地理坐标等信息。第三阶段，节点水量分配。大用户用水量根据其位置与SCADA对应实测取得。普通用户需使用营销系统数据，建立营销库与供水节点的水量关联，完成普通节点的水量分配。第四阶段，模型模拟计算及校核。通过获取SCADA 监测的压力和水厂出水压力、流量，进行模型参数的率定和模型的精度验证。第五阶段，满足精度要求的模型在实际中的应用。

上述建模流程是个繁琐的迭代的过程。直至整体模型精度达到实际应用的精度要求，水力模型才能投入使用。常规供水管网水力模型的构建流程如图1所示。

图1常规供水管网水力模型的构建流程图

3.2 分区建模

分区建模的建构流程，可分为3个阶段 (图2)。首先是管网切割，接着在切割边界点设置水池或用水节点等虚拟设施，模拟被截断之管线的水流进出状态。再进行管网仿真与模型校正。最后，将两个独立完成建模的分区，取消两者交界处的虚拟设施，合并成为更大的分区模型。并以此重复管网仿真与模型校正，进而实现分区建模的最终目标。

图2 分区建模的建构流程

3.2.1 分区建模的管网切割

管网切割的目的，在满足小区域管网建模与模拟分析的需求。因此，管网切割是一种目的导向的行为，没有一定的面积大小或用户规模。以下列出几个管网切割思考方向，供作水司实施的参考。

1. 基于既已建置之分区系统

许多水司已经建立管网分区管理机制。一般二级分区都会安装边界流量计，因此考虑以二级分区为切割单元，顺势以此建立分区管网模型。

2. 数据完整之区域

对于已经实施管线物探的区域，GIS数据可信度高，可以优先考虑分区建模。也就是随着管线物探与GIS数据的逐步完备，依序实施分区建模。而分区建模的模型校正，也可以当作GIS数据的反馈验证，以此确认GIS数据的真实性。

3. 供水子系统为分区范围

沿着供水管线顺藤摸瓜，切割供水子系统作为分区建模的范围，是对管网整体性变动最小的切割方式。就流体力学的角度而言，也是最合理的切割方式。

3.2.2 分区建模的虚拟边界

切割之后的管网分区，在切割边界点设置水池或用水节点等虚拟设施，模拟被截断之管线的水流进出状态。再以切割点的水头模式(Head Pattern)或用水模式(Demand Pattern)^[3] 进行管网仿真与模型校正。

切割点虚拟水池的水头模式，可根据安装于现场的压力计，长时间纪录压力随时间的变化趋势，以此换算水头模式。至于切割点虚拟用水节点的用水模式，则根据安装于现场的边界流量计，长时间纪录流量随时间的变化趋势，以此换算用水模式。

一旦确定管网的切割区域，最好对该区域进行零压力测试。也就是关闭所有该切割区域的边界阀门，并在区域内的适当地点进行排水泄压。观察区域水压是否降至零点。以确保分区建模已掌握所有边界点，没有任何不明管线的存在。

3.2.3 分区模型的合并

相邻两个分区模型的合并作业分为两个阶段。首先是以连接节点取代虚拟边界上的虚拟设施 (水池或用水节点) 。之后再比较合并前后，管网任意节点与管线的压力与流量值，是否存在差异。如果存在明显差异，表示原先合并处的某些虚拟设施，其设定值存在误差。此时应该回到独立分区模型，重新修正该虚拟边界的进出水模式设定值。

4分区建模案例分析

4.1 项目背景

本文相关的水司供水管网GIS系统中DN100以上管线有17450根，节点数量为17221个，管网总长度约340公里，供水能力约7万CMD，管材以球墨铸铁、铸铁、PE为主。水源主要来自本城另一水司的供水管网，定期与其供水方自来水公司进行水费结算，主管道设有与供水方水司自来水管道4处连通管，并都装有在线远传压流监测设备，后通过管网改造，在某处新增设一路进水口，代替另外两个地方的进水口供水。

管网建模工作启动前，结合供水单位的前期需求与技术数据调研结果，整个供水管网为实现网格化、精细化管理，在一期智慧水务信息化建设期间，已结合分区计量管理平台，构建三级分区管理模式 (图3) 。

图3供水管网计量分区整体架构图

此供水系统前期已规划有自己的区域管理片区和DMA分区，整体分区框架结构如图3所示。为实现上述分区格局，此水司自来水在相应的分区边界装有在线远传压流监测设备，且在线监测数据能够稳定的传回调度中心SCADA系统。现有管网运行管理模式和系统平台的搭建，充分具备分区模型的建置条件。

按照实际管网状况，将一级分区主城区进行分区管网模型建设的思路进行示范区域模型搭建。主城区下属两个二级分区：主城西区、主城东区。建模初期，共设置两个建模小组，一组负责主城区西区片区模型的搭建，另外一组负责主城区东区片区模型的搭建，依照上述分区建模流程逐步实施。最后再以合并前后的仿真数据，进行模型验证。

4.2 分区建模的管网切割

图4为供水管网图。如图所示，由主城区、滨河新城与东区，3个一级分区所构成。其中主城区又下分为主城西区与主城东区两个二级分区 (图5)。本文就以主城西区与主城东区两个二级分区进行分区建模，独立完成建模之后，再将二者合并成主城区(一级分区)管网模型。

分区建模前期，通过整理管网物探数据，确定西区和东区沿着东三环主道路进行切割。东区和西区主要联络管为航海东路DN500的管道、经南三路DN600管道、经南五路DN300管道，并在分区计量建设过程中安装在线远传压、流远传监测设备。并借助这些边界流量计与压力计，建构模型边界点之虚拟设施。

图4 管网计量分区整体布局图

图5 一级分区建模示意图

4.3 分区建模与模型校准

图6为主城西区模型示意图。图中5个绿色圆点，代表该模型之边界进出水点。图6左边2个绿色圆点，代表该区域之2个进水口，且设有相应的远传流量计、压力计。对此以虚拟水池模拟管网进水情形，并以压力计实测的压力时间变化曲线，建立该虚拟水池的水头模式。

图6右边3个绿色圆点，为主城西区流向主城东区的3个出水口。对此以虚拟用水节点模拟管网出水情形，并以安装于该处流量计的实测流量时间变化曲线，建立该用水节点的基础用水流量与用水模式。以管网内某些节点之实测压力值进行模型校准，最终得到图7与图8的精准模型。

图9为主城东区模型示意图。图9左边3个绿色圆点，代表该区域之3个进水口。对此以虚拟水池模拟管网进水情形，并以压力计实测的压力时间变化曲线，建立该虚拟水池的水头模式。至于图9其它3个出水点，则以虚拟用水节点模拟管网出水情形，并以安装于该处流量计的实测流量时间变化曲线，建立该用水节点的基础用水流量与用水模式。以管网内某些节点之实测压力值进行模型校准，最终得到图10与图11的精准模型。

图 6 主城区-西区模型示意图

图7主城西区模型压力模拟示意图

图8主城西区模型压力模拟示意图

图9 主城东区模型示意图

图10 主城东区模型压力模拟示意图

图11主城东区模型流量模拟示意图

4.4 主城区的模型合并

  主城区的2个二级分区分别完成分区建模后，下一个步骤就是将两个二级分区合并，最终形成完整的主城区管网模型(图12)。两个分区模型的合并方法，就是将图12中两个分区交界处的3个绿色圆点，以连接节点取代。随即完成两个模型的合并工作，最终得到图13与图14的合并模型。

图12合并后之主城区管网模型示意图

图13主城区压力模拟示意图

图14主城区流量模拟示意图

4.5 分区模型合并前后的模型验证

为确保分区模型合并前后的一致性，于管网中随机选定某些节点与管线，比较其分区模型与合并模型在1:00, 8:00,16:00, 3个时间点的压力与流量模拟结果是否一致。从表1, 表2, 表3, 表4, 的计算结果，清楚表明模型合并前后的管网模拟效果同样精准。

图15合并后前后模型校核压流点分布示意图

表1 西区合并前后关键压力点数据对比分析结果

表2 西区合并前后关键管道流量数据对比分析结果

表3 东区合并前后关键压力点数据对比分析结果

表4 东区合并前后关键管道流量数据对比分析结果

5 结语

本文以“分区建模”的创新方法，解决建构管网水力模型的各种难题。并以某水司管网分区管网水力模型为例，针对个别的二级分区进行模型仿真和调校精度。最终通过模型合并，搭建整体化一级分区的管网模型。最后比较合并前后，节点压力与管线流量之相对差值，证明本方法的数据准确性。

分区建模不仅大幅简化水力模型的复杂问题，更可藉此将管网切割成可拼凑独立单元的观念，进一步应用在管网模型的数据库管理。化整为零，以各自独立的管网单元，为数据库的基本管理单元。可将庞杂的管网数据管理，转化为简单维护与容易扩充的管网数据库。这也是本文作者未来的研究方向。