天津水司的水力模型建设与应用
天津水司的水力模型建设与应用
李冠民
(天津市自来水集团有限公司，天津 300040)
摘 要：结合天津市自来水集团有限公司水力模型项目的实践经验和工作实际，从水力模型项目的数据准备、技术路线选择、开发与实施、在天津水司的应用、后期的维护与管理等各阶段，对水力模型的建设与应用进行了较为全面的介绍。
天津市自来水集团有限公司（以下简称天津水司）是国家大型一类供水企业，承担着天津市区及周边区县部分地区的供水任务。2010年，天津水司在地理信息、中心调度、二次供水调度、计量、营业、客服、管网实时在线监测等信息系统成熟应用并积累大量有效数据的基础上，投资建设了水力模型系统（HM），经过近3年的开发、实施和试运行，于2013年通过项目验收。因为HM本身对供水企业的基础数据、信息化程度和管理规范化程度要求较高，仅在国外先进水司的全管网以及国内部分水司的小规模管网中具有较成熟的应用，在国内供水行业中尚无同规模管网的成熟案例可以借鉴。
天津水司在HM的开发过程中，注重与其他现有应用系统的结合；在系统建设过程中，将HM的建设与提升供水企业的基础管理水平以及基于GIS的自来水综合生产运营管理系统的研究结合起来。目前HM数据更新及时，系统运行稳定，在天津水司的日常生产运行管理中发挥了重要的作用。
1 HM的基本情况
天津水司建立了目前国内规模最大的水力模型，包含65万条管线、50万个节点、11万块考核表的数据，完成了9个营销公司和西青分公司的分区水力模型、全市DN300以上管道的全管网水力模型以及全市管网水质模型的建设。
模型精度：97%的测压点压力实测值与模拟值之差在±20 kPa以内；79%的测压点压力实测值与模拟值之差在±10 kPa以内。对于管道流量占管网总供水量1%以上的管道，管道流量的实测平均值与模拟平均值的误差在±5%以内；对于管道流量占管网总供水量0.5%以上的管道，管道流量的实测平均值与模拟平均值的误差在±10%以内。
系统平台：Microsoft Windows Server 2008/XP；数据库管理软件：Microsoft SQL Server 2008；ＨＭ系统开发平台：WaterGEMS V8i中文版（无限管道版本），Hammer V8i中文版；系统开发工具：Net3.5+VB6；硬件系统：2台HP Server 580。
系统构架：C/S系统、B/S系统，如图1所示。
图1 HM系统构架
数据接口：与地理信息系统、调度系统、营业系统、二次供水调度系统、计量系统、水质在线系统的接口。
C/S系统的基本功能：水力模型建立，包括数据输入与检查、模型简化器Skelebrator、节点服务区域自动划分、节点流量分配器LoadBuilder、数字地形高程解析TRex；水力计算分析与操作，包括静态与多时段EPS平差计算、动态运行模拟、管网漏水模拟计算、阀门模型、水泵模拟与运行控制、消防流量分析、管网特征曲线的绘制；供水系统规划设计，包括管网优化改扩建方案、多设计方案管理、多设计方案比较；水质模型，包括化学药剂浓度分析、多水源供水量跟踪分析、水龄分析；模型校核，包括模型错误检查工具、达尔文模型校核工具；水厂优化调度，包括多方案比较制定调度预案、达尔文水泵优化调度工具；管网漏失分析，包括漏失定位分析、管网更新计划；报表与结果演示，包括报表、彩色图形显示、动态标注、等值线绘制、动画显示、高级统计图表；水锤分析等。
B/S系统的高级功能：24 h不间断模拟分析与监测、与SCADA数据连接，可无人值守运行、根据自来水公司的具体业务灵活设置功能。
2 数据的准备
HM对供水企业的基础数据要求很高，数据及其质量是HM项目实施的基础，这就要求在HM项目建设之前必须做好数据准备工作，而且在项目实施过程中也要做好数据的实测和相关试验工作。收集整理基础数据和运行数据，包括地理信息、水厂调度、营业收费、SCADA测压点、分区计量等基础数据以及至少1年内的运营记录数据；在根据收集的基础数据建立初步水力模型的基础上，进行数据错误排查；在建立过程中，同时做好实测与试验工作，如：现场管道流量、管网压力、用户用水量、管道阻力、水泵特性曲线测试等，应用现场测试数据对水力模型进行校正。2011年，利用8个月的时间完成了数据的准备，构建了较为完整的天津市供水管网数据，确保了数据的真实性和可靠性。
3 技术路线的选择
选择GIS系统的技术路线之前，首先要对水司本身的现状和整体需求有一个准确的认识，并据此确定基本的技术路线。首先，天津水司具有明确的信息化技术路线，信息系统的数据库均基于Microsoft SQL Server和Windows平台建设。其次，天津水司在营销管理上实施三级区域计量工作。天津市的供水区域分为市南、市北两个计量区域；市南分为5个营销分公司，市北分为4个营销分公司；每个营销分公司又分为3~7个小的计量区域；每个计量区域边界均装有在线流量计。在此基础上，天津水司将水力模型系统应用于15个部门和单位，分别涉及集团公司的生产调度、规划设计、管网管理、营销管理、区域性水务公司等部门和单位。系统对用户进行严格的权限控制和访问控制。针对不同类型的用户需求，量身打造水力模型系统。
从模型的规模上，要求软件平台对天津市内全管网进行计算模拟的时间控制在5 min内，并支持全中文界面，要求软件具有与其他系统的数据交互能力，要有一定的可扩展性。据此，对国内外知名的HM应用平台进行了广泛调研，综合考虑软件的先进性、成熟度，并根据公司的实际情况和资金安排，选择了Bentley WaterGEMS V8i中文版（无限管道版本）及其Hammer V8i中文版平台。
在硬件的选择上，兼顾安全和效率的原则，合理配置符合软件技术要求的硬件设备，配备了1台数据库服务器、1台WEB服务器和1套备份系统。
从模型深度上，要求软件架构及其数据结构适应天津水司内部多区域供水的数据和系统划分要求。天津水司将建设的模型划分为两种：第1种为详至地表（指水表）的管网模型，区域根据营销公司区域计量的范围设定，用于区域计量、营销分析和降低产销差率等方面；第2种为通过第1种模型合并简化后，口径≥300 mm管线的管网模型，用于宏观规划、设计、分析、预测与调度。
从模型应用对象和技术难度上，要求软件架构及其功能设置适应天津水司内部不同层次技术人员和操作人员的技术水平和需求，以利于项目的推广和使用。天津水司将建设的模型划分为两种：第1种为传统的通用管网模型，为专业技术人员提供灵活机动的个性化分析与应用，可针对特定运行工况进行分析，功能丰富，但操作复杂；第2种为定制的管网模型，为一般技术人员和管理者提供定制的管网分析，功能明确，操作简单，采用B/S的结构自行开发，可24 h不间断地进行模拟分析与监测。
4 项目的开发与实施
首先，HM项目作为一项软件工程，需求分析和系统分析是基础。天津水司在软件实施之前，在国内外调研的基础上，组织相关专业部门和单位，结合生产实际，对HM的需求分析书进行多轮研究与讨论。在软件实施开发前，将软件的需求尽量做实做细，并将最终形成的文档作为系统的开发和验收依据，规范天津水司和开发商的行为，确保软件的质量。通过系统分析确定了HM的整体架构和运维方式。
其次，HM项目作为一项系统工程，技术含量高，与实际工作紧密结合，几乎涉及供水企业生产运营的各个环节，需要各专业部门和基层单位的各类数据支持。因此在项目实施过程中，天津水司成立了强有力的领导小组，配备了专职的技术人员。一方面，领导小组统筹协调；另一方面，专职的技术人员全过程跟进，将项目开发实施过程和培训过程相结合，进行人员知识储备，以达到系统建成之日即是系统应用之时的目的。同时建立了一套较为完善的数据维护与管理机制。
5 HM在天津水司的应用
天津水司的HM项目可应用于管网运行模拟与分析，供水管网系统可靠性分析与安全，降低产销差率及管网漏失分析，供水管网清洗，水厂调度预案制定，压力、流量及余氯监控与报警，供水管网规划，管网更新计划等诸多生产实际。目前，已广泛应用于管网管理、生产调度等部门，现阶段主要的应用包括：发现未知的关闭阀门、管道安全性评估、爆管事故分析、管网漏失与压力控制分析、水厂停产限产事故模拟分析、管网改扩建分析、水质事故应急分析等。天津水司通过HM项目的应用，在实现管网可视化、数字化等基本功能的基础上，动态地模拟整个供水管网系统的运行状况，实现了从水厂调度、管网运维到客户服务的自来水生产管理全过程的可控、可分析，大大提高了工作效率和工作质量，为各基层单位、各部门、各级领导的决策提供了科学依据，为天津水司的供水规划、科学调度、管网管理、优质服务、降低产销差率、降低供水能耗、提高事故应急能力、提高供水安全性提供了强有力的工具。
6 后期的维护与管理
天津水司注重HM的后期维护工作，建立了有效的运行管理和实施推动机制。每半年更新模型的基础数据，确保系统长期稳定运行，保持系统的生命力；在与开发商签订系统维护升级合同的同时，由专职技术人员负责模型的日常维护与管理，为系统在天津水司的应用提供了数据保障和系统保障。
7 结论
通过对天津水司HM项目的研究与分析，对数据准备、技术路线的选择、项目的开发与实施、水力模型深层次的应用与拓展、后期的维护与管理等各阶段进行经验总结，提出了一条较为成熟的HM项目在供水企业中实施、应用的技术管理路线。随着HM与供水企业各类生产运营系统的整合，HM在供水行业中将展现出越来越广阔的应用前景。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第3期“技术总结”栏目）
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