摘  要：供水管網模型在供水企業中日益得到重視和應用，常規的模型建設思路都是針對于整個供水管網系統進行建立，缺點是建模過程繁瑣、周期長、更新維護困難造成了實際運用中效果并不理想。但通過“分區建模”的方法可以很好的幫助供水企業解決了這一系列難題。本文以某水司供水管網二級管網分區模型的單獨建立與合并為例，系統的闡述了供水管網“分區建模”的實施方法，既保證了模型的精度，也提升了模型后期更新維護的效率。同時也為同行業供水企業管網模型的建立管理提供借鑒。

關鍵詞：供水管網  水力模型  分區建模  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

作者簡介：

① 新天科技股份有限公司  董事長

② 新天科技智慧水務事業部  建模工程師

About the Author：

① The Chairman of Suntront Technology Co.,Ltd.    

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

1 前言

城市供水系統是城市的重要基礎設施，是城市“生命線”工程。但隨著城市化進程的快速發展，城市供水系統也在不斷擴大。導致供水管網諸多問題也逐步暴露出來。為管理和維護這些規模龐大、結構復雜的城市地下管網系統，許多供水企業也在致力于建設一套適合自身供水機制的管網水力模型系統，用來為管網的規劃設計、運行現狀評估、輔助調度決策、工程管理和維護等相關工作，提供有力的數據支持。有效而穩定的管網水力模型系統，可幫助供水企業優化管網水力性能、保障供水質量安全，降低供水成本和漏損風險，繼而優化生產，提高社會和經濟效益。

隨著越來越多的供水企業開始重視管網水力模型的建設，常規的建設思路在模型建立時，由于管網規模龐大、結構復雜、用水隨機性強、對管線空間分布數據完備性、實時性等方面工作提出更高的要求。這些因素使得建模周期拉長，繁瑣的建模工作，有許多是驗證性或重復性的工作。隨著后期管網數據的持續更新、管網需要重新建立和驗證^[1]。這就要求供水企業應避免盲目的開展建模工作，基于智慧水務整體平臺搭建和實際工程應用角度出發，采用更加靈活和有效的建模方案。

供水管網“分區建模”借鑒漏損控制中“分區計量”網格化管理的理念，是對常規建模思路的一種創新。獨立分區的建模可以聚焦關注點，降低數據采集、管網參數修正的難度，從而縮短建模周期。在后續的模型維護中，可以增強管網模型的“生命力”和“準確率”。更有彈性的階段性建立和維護分區模型，供水企業從分區模型建立、分區模型校驗、分區模型的合并運行等過程出發，從中可以探索出適合企業自身的建模方案和標準流程。

本文首先介紹分區建模的基本概念與優勢。接著說明分區建模流程中，大型供水管網如何切割與合并。最后以某水司的實例，驗證管網分區建模的可行性。

2 分區建模

以下說明分區建模的創新理念及此一方法的優點。

2.1 分區建模的概念

1980年Malcolm Farley 提出供水管網分區計量（DMA）的觀念^[2]，化繁為簡，將動輒數千公里的管網，切割成數百個可獨立計量的DMA。從此不僅大幅提升尋找漏水點的作業效率，也能更精準的估算漏水量。

管網建模同樣面臨管網龐雜的問題，在此藉由DMA化繁為簡的觀念。將龐雜的供水管網，切割成數個或數十個可獨立建模的管網分區。通過在邊界位置設置對應的模型組件（如：虛擬水池、用水節點和對應模式曲線），劃分為若干個相對獨立的供水子系統，在子系統模型建立階段按照常規的建模流程進行模型搭建和模型校核。校核后的分區模型可獨立運作，也可根據分析需求，組合相鄰的管網分區，以此逐步擴大分析范圍。關于相鄰管網區域的組合，是取消兩區域銜接部分的邊界模型組件，代之以節點連接雙方管件。最后進行局部優化和模擬分析。

2.2 分區建模的優勢

「拆解組合，化繁為簡」是分區建模的基本精神。透過此一創新方法，可將原本高不可攀的水力建模，落實到每個水司的智慧水務。

如果說，供水管網實施分區計量（DMA）是提高供水管理水平、提高供水收益、降低管網漏損，實現管網精細化管理的一種創新模式。那么對供水管網實施分區建模型、分區模型校核、分區模型管理以及分區模型運用，將是一種對傳統管網建模思路的革新。也能更好的結合供水企業信息化建設的整體目標，最終打造出一個機動、靈活的水力模型平臺。更加科學的指導供水管網調度、分析、運維管理等智慧水務的終極理想。以下就分區建模的優勢簡單介紹。

（1）縮短建模周期，提高模型精度

一個較小管網的模型建立和校核，其復雜程度會小很多。模型的建立進程要比整體模型的建立快很多。各區域的管網元素相對獨立，相互之間的影響被降到最小，分區模型更有利于模型的校核。模型校核在于準確地定位模型誤差的位置，較小的模型利于對誤差進行更精確的量化與定位。對模型精度影響較大的是管網需水量的準確性。對此可藉由現今普遍裝置的邊界流量計，直接測量進出該區塊的準確量，就可以在更小范圍內找出需水量誤差的位置及大小。

（2）指導分區計量

 目前多數供水企業都已建置管網分區計量。建模工作中，可充分利用該優勢，在一級分區、二級分區甚至三級DMA分區的基礎上進行分區模型的構建。建模過程中，可充分利用各供水區域間已安裝之遠傳壓流監測設備，提供分區建模邊界條件的狀態數據。而后期的更新維護，更可以根據各分區之建設與運行情況、地理信息系統更新等信息，僅需針對分區模型進行個別的更新維護。同時高精度分區模型的合并分析，將反過來評估現有計量分區的合理性，進一步指導管網精細化分區操作和管理。

（3）排定順序，階段推展

 階段性推展分區建模，最終建立完整管網模型。分區建模可根據管網各區域的基礎條件或供水管理的輕重緩急，排定順序逐步實施。例如，對基礎管網條件、在線監測設備完善之區域，可優先建立分區管網模型。在建模過程中摸索適合自己實際情況的建模方案，包括管網資料檢驗方法、用戶水量分配方法、用水規律測試方法等。試點模型區域的建立方法和過程會對其他分區模型、整體管網模型的建立都具指導作用，將建模經驗推廣到其他區域，更能加快全管網模型的建設進程。

（4）降低投入成本，提高模型管理效率

通過對分區塊管網模型的建立、校核、更新維護，能讓供水企業人員快速上手，快速培養一批高精銳的模型應用和維護人員。針對各分區模型規模和布局，可設置由專項建模小組同時進行管網拓撲建立、水量分配、模型校核、維護等工作，然后進行合并應用。這種模型管理和維護的方式，對于供水企業降低投入成本，在有效性和實時性兩方面提升模型運維的質量。

3 分區建模實施流程

3.1 常規建模

常規管網水力模型構建流程主要包含以下幾個步驟：數據的采集、數據整理校驗、管網模型建立、管網模型校核、管網模型驗證。

具體在建模實施過程中細分以下幾個階段來構建。第一階段，將采集、整理校驗的屬性數據轉入、轉出，通過GIS軟件或建模軟件。將物探管線數據、AutoCAD文檔、設計施工圖紙、其他檔案等數據來源導出數字化后的管網拓撲及屬性數據。第二階段，獲取水廠生產運行數據。管網建模相關的水廠生產運行數據包括水廠出廠水量、出廠壓力、監測點壓力、大用戶用水量、營銷水量以及相關的高程、地理坐標等信息。第三階段，節點水量分配。大用戶用水量根據其位置與SCADA對應實測取得。普通用戶需使用營銷系統數據，建立營銷庫與供水節點的水量關聯，完成普通節點的水量分配。第四階段，模型模擬計算及校核。通過獲取SCADA 監測的壓力和水廠出水壓力、流量，進行模型參數的率定和模型的精度驗證。第五階段，滿足精度要求的模型在實際中的應用。

上述建模流程是個繁瑣的迭代的過程。直至整體模型精度達到實際應用的精度要求，水力模型才能投入使用。常規供水管網水力模型的構建流程如圖1所示。

圖1常規供水管網水力模型的構建流程圖

3.2 分區建模

分區建模的建構流程，可分為3個階段 (圖2)。首先是管網切割，接著在切割邊界點設置水池或用水節點等虛擬設施，模擬被截斷之管線的水流進出狀態。再進行管網仿真與模型校正。最后，將兩個獨立完成建模的分區，取消兩者交界處的虛擬設施，合并成為更大的分區模型。并以此重復管網仿真與模型校正，進而實現分區建模的最終目標。

圖2 分區建模的建構流程

3.2.1 分區建模的管網切割

管網切割的目的，在滿足小區域管網建模與模擬分析的需求。因此，管網切割是一種目的導向的行為，沒有一定的面積大小或用戶規模。以下列出幾個管網切割思考方向，供作水司實施的參考。

1. 基于既已建置之分區系統

許多水司已經建立管網分區管理機制。一般二級分區都會安裝邊界流量計，因此考慮以二級分區為切割單元，順勢以此建立分區管網模型。

2. 數據完整之區域

對于已經實施管線物探的區域，GIS數據可信度高，可以優先考慮分區建模。也就是隨著管線物探與GIS數據的逐步完備，依序實施分區建模。而分區建模的模型校正，也可以當作GIS數據的反饋驗證，以此確認GIS數據的真實性。

3. 供水子系統為分區范圍

沿著供水管線順藤摸瓜，切割供水子系統作為分區建模的范圍，是對管網整體性變動最小的切割方式。就流體力學的角度而言，也是最合理的切割方式。

3.2.2 分區建模的虛擬邊界

切割之后的管網分區，在切割邊界點設置水池或用水節點等虛擬設施，模擬被截斷之管線的水流進出狀態。再以切割點的水頭模式(Head Pattern)或用水模式(Demand Pattern)^[3] 進行管網仿真與模型校正。

切割點虛擬水池的水頭模式，可根據安裝于現場的壓力計，長時間紀錄壓力隨時間的變化趨勢，以此換算水頭模式。至于切割點虛擬用水節點的用水模式，則根據安裝于現場的邊界流量計，長時間紀錄流量隨時間的變化趨勢，以此換算用水模式。

一旦確定管網的切割區域，最好對該區域進行零壓力測試。也就是關閉所有該切割區域的邊界閥門，并在區域內的適當地點進行排水泄壓。觀察區域水壓是否降至零點。以確保分區建模已掌握所有邊界點，沒有任何不明管線的存在。

3.2.3 分區模型的合并

相鄰兩個分區模型的合并作業分為兩個階段。首先是以連接節點取代虛擬邊界上的虛擬設施 (水池或用水節點) 。之后再比較合并前后，管網任意節點與管線的壓力與流量值，是否存在差異。如果存在明顯差異，表示原先合并處的某些虛擬設施，其設定值存在誤差。此時應該回到獨立分區模型，重新修正該虛擬邊界的進出水模式設定值。

4分區建模案例分析

4.1 項目背景

本文相關的水司供水管網GIS系統中DN100以上管線有17450根，節點數量為17221個，管網總長度約340公里，供水能力約7萬CMD，管材以球墨鑄鐵、鑄鐵、PE為主。水源主要來自本城另一水司的供水管網，定期與其供水方自來水公司進行水費結算，主管道設有與供水方水司自來水管道4處連通管，并都裝有在線遠傳壓流監測設備，后通過管網改造，在某處新增設一路進水口，代替另外兩個地方的進水口供水。

管網建模工作啟動前，結合供水單位的前期需求與技術數據調研結果，整個供水管網為實現網格化、精細化管理，在一期智慧水務信息化建設期間，已結合分區計量管理平臺，構建三級分區管理模式 (圖3) 。

圖3供水管網計量分區整體架構圖

此供水系統前期已規劃有自己的區域管理片區和DMA分區，整體分區框架結構如圖3所示。為實現上述分區格局，此水司自來水在相應的分區邊界裝有在線遠傳壓流監測設備，且在線監測數據能夠穩定的傳回調度中心SCADA系統。現有管網運行管理模式和系統平臺的搭建，充分具備分區模型的建置條件。

按照實際管網狀況，將一級分區主城區進行分區管網模型建設的思路進行示范區域模型搭建。主城區下屬兩個二級分區：主城西區、主城東區。建模初期，共設置兩個建模小組，一組負責主城區西區片區模型的搭建，另外一組負責主城區東區片區模型的搭建，依照上述分區建模流程逐步實施。最后再以合并前后的仿真數據，進行模型驗證。

4.2 分區建模的管網切割

圖4為供水管網圖。如圖所示，由主城區、濱河新城與東區，3個一級分區所構成。其中主城區又下分為主城西區與主城東區兩個二級分區 (圖5)。本文就以主城西區與主城東區兩個二級分區進行分區建模，獨立完成建模之后，再將二者合并成主城區(一級分區)管網模型。

分區建模前期，通過整理管網物探數據，確定西區和東區沿著東三環主道路進行切割。東區和西區主要聯絡管為航海東路DN500的管道、經南三路DN600管道、經南五路DN300管道，并在分區計量建設過程中安裝在線遠傳壓、流遠傳監測設備。并借助這些邊界流量計與壓力計，建構模型邊界點之虛擬設施。

圖4 管網計量分區整體布局圖

圖5 一級分區建模示意圖

4.3 分區建模與模型校準

圖6為主城西區模型示意圖。圖中5個綠色圓點，代表該模型之邊界進出水點。圖6左邊2個綠色圓點，代表該區域之2個進水口，且設有相應的遠傳流量計、壓力計。對此以虛擬水池模擬管網進水情形，并以壓力計實測的壓力時間變化曲線，建立該虛擬水池的水頭模式。

圖6右邊3個綠色圓點，為主城西區流向主城東區的3個出水口。對此以虛擬用水節點模擬管網出水情形，并以安裝于該處流量計的實測流量時間變化曲線，建立該用水節點的基礎用水流量與用水模式。以管網內某些節點之實測壓力值進行模型校準，最終得到圖7與圖8的精準模型。

圖9為主城東區模型示意圖。圖9左邊3個綠色圓點，代表該區域之3個進水口。對此以虛擬水池模擬管網進水情形，并以壓力計實測的壓力時間變化曲線，建立該虛擬水池的水頭模式。至于圖9其它3個出水點，則以虛擬用水節點模擬管網出水情形，并以安裝于該處流量計的實測流量時間變化曲線，建立該用水節點的基礎用水流量與用水模式。以管網內某些節點之實測壓力值進行模型校準，最終得到圖10與圖11的精準模型。

圖 6 主城區-西區模型示意圖

圖7主城西區模型壓力模擬示意圖

圖8主城西區模型壓力模擬示意圖

圖9 主城東區模型示意圖

圖10 主城東區模型壓力模擬示意圖

圖11主城東區模型流量模擬示意圖

4.4 主城區的模型合并

  主城區的2個二級分區分別完成分區建模后，下一個步驟就是將兩個二級分區合并，最終形成完整的主城區管網模型(圖12)。兩個分區模型的合并方法，就是將圖12中兩個分區交界處的3個綠色圓點，以連接節點取代。隨即完成兩個模型的合并工作，最終得到圖13與圖14的合并模型。

圖12合并后之主城區管網模型示意圖

圖13主城區壓力模擬示意圖

圖14主城區流量模擬示意圖

4.5 分區模型合并前后的模型驗證

為確保分區模型合并前后的一致性，于管網中隨機選定某些節點與管線，比較其分區模型與合并模型在1:00, 8:00,16:00, 3個時間點的壓力與流量模擬結果是否一致。從表1, 表2, 表3, 表4, 的計算結果，清楚表明模型合并前后的管網模擬效果同樣精準。

圖15合并后前后模型校核壓流點分布示意圖

表1 西區合并前后關鍵壓力點數據對比分析結果

表2 西區合并前后關鍵管道流量數據對比分析結果

表3 東區合并前后關鍵壓力點數據對比分析結果

表4 東區合并前后關鍵管道流量數據對比分析結果

5 結語

本文以“分區建模”的創新方法，解決建構管網水力模型的各種難題。并以某水司管網分區管網水力模型為例，針對個別的二級分區進行模型仿真和調校精度。最終通過模型合并，搭建整體化一級分區的管網模型。最后比較合并前后，節點壓力與管線流量之相對差值，證明本方法的數據準確性。

分區建模不僅大幅簡化水力模型的復雜問題，更可藉此將管網切割成可拼湊獨立單元的觀念，進一步應用在管網模型的數據庫管理。化整為零，以各自獨立的管網單元，為數據庫的基本管理單元。可將龐雜的管網數據管理，轉化為簡單維護與容易擴充的管網數據庫。這也是本文作者未來的研究方向。