1.1引言
城市供水管网系统由大量管材各异、管径各异、铺设年代各异的管道，泵站，阀门， 水塔等多元素构成，因此决定了供水管网系统是一个拓扑结构庞杂、运行工况多变的巨系统。以前国内供水公司对铺设在地面以下的供水管网多以经验性管理为主，随着计算机技术的快速发展以及大数据时代的到来，基于水力学相关原理对城市供水管网系统 进行水力建模从而实现供水管网科学化、智慧化管理已成为可能。城市供水管网水力模型通过集成GIS系统以及SCADA系统的相关信息并实时计算出供水管道的流量大小、水流速度、压降大小以及用户节点、水厂的压力大小等水力信息，以此在线跟踪供水管 网系统水力运行状态。供水公司通过供水管网水力模型能够及时掌握供水管网的运行状态，了解供水管网的运行瓶颈；与此同时，一个校核准确的供水管网水力模型也是供水管网分区管理、测压点优化布置、漏失控制及漏失辅助定位的基础。因此本章对供水管网水力模型的相关概念、模型建立的方法与原则以及模型校核的标准与步骤进行论述。
2.2供水管网水力模型的分类
2.2.1静态水力模型及动态水力模型
按照供水管网仿真模拟时间是否具有连续性，供水管网水力模型可以被分为供水管 网静态水力模型和供水管网动态水力模型。供水管网静态水力模型又被称为供水管网 瞬时水力模型，其模拟的是事故时、消防时等情况下一个时间点上的工况。供水管网动态水力模型是随着计算机技术的快速发展，在供水管网静态水力模型的基础上发展而来的，其模拟的是一个周期内供水管网构件元素属性的变化情况，能够较好的模拟供水管网实际运行状态。
2.2.2宏观水力模型及微观水力模型
供水管网水力模型又可以被分为供水管网宏观水力模型与供水管网微观水力模型， 供水管网宏观水力模型是在供水管网系统大量实际运行数据的基础上将整个供水管网系统或局部供水管网系统看成一个整体进行研究。在不考虑整个供水管网系统中节点、管段等元素相关结构参数以及状态参数的情况下，引入“黑箱理论”并结合统计学相关 知识，通过计算供水管网系统“输入变量”和“输出变量”之间的映射关系，以此来构 建各变量之间的数学关系式。输入变量、输出变量涉及到水厂的出厂水压、出厂水量、出厂水质以及供水管网中的各个流量监测点、压力监测点以及水质监测点的监测数据等 变量。自上世纪七十年代中期Robert提出供水管网系统宏观水力模型以来，天津大学赵新华、田一梅等人在结合我国供水管网系统实际情况的基础上相继提出了适应不同工况的供水管网宏观水力模型。我国城市供水管网系统庞杂，构建一个与其水力特性相吻 合的供水管网宏观水力模型，能够用来指导供水公司对供水管网系统进行优化调度。
供水管网微观水力模型是指将供水管网系统中的一些元素构件的相关数据输入到 供水管网建模软件中进行延时模拟而建立的供水管网仿真水力模型。供水管网微观 水力模型可以用回路方程、节点方程、压降方程来进行表达，当前多以节点水压为求解 变量的牛顿迭代法对上述方程进行优化求解。利用供水管网微观水力模型求解得出的 管段参数以及节点参数可以比较全面的表达出供水管网系统各处的水力运行状态，直观 性较强。供水管网改扩建过程中的规划、设计等阶段多数依靠供水管网微观水力模型来进行指导。
3.3供水管网水力模型的建立方法与原则
3.3.1水力建模理论基础
供水管网水流运动规律满足质量守恒定律及能量守恒定律。供水管网质量守恒定律 表现为节点的流量平衡：流入节点的所有流量应等于流出节点的所有流量。供水管网 连续性方程组如下式所示。
N—供水管网中节点总数。
能量守恒定律体现的是供水管网系统中管段的动能与压能消耗的规律，根据能量守 恒方程任意管段i两端的节点水头之差应等于该管段的压力降。供水管网水头损失方 程及能量方程组如下式所示。
上述基于质量守恒定律及能量守恒定律的连续性方程组、水头损失方程、能量方程 组共同构成供水管网水力模型建立的理论基础。
3.3.2水力建模软件概况
供水管网水力模型的建立离不开水力建模软件的支持，当前国内外水力建模软件种 类较多，如下表所示，其中EPANET、WaterGems两款水力建模软件应用较为广泛。
3.3.3水力建模技术流程
城市供水管网水力模型的建模技术流程如下所示：
1、任何水力模型的成功建立都离不开系统、准确的数据支持，水力建模首先要收集 各种管段信息、节点信息、水泵信息、地理信息等供水管网建模静态信息以及阀门开启 度、用户用水信息、监测点信息、管网总供水量等供水管网建模动态信息。
2、对水力模型进行简化。水力模型要遵循宏观等效原则、小误差原则进行简化，简 化有删除次要管线、合并管线、等效简化、拆分大系统为小系统等方法。对于规模较大的城市供水管网，简化后的供水管网管径一般应≥300 mm，这样可以提高水力模型运算 的速度。
3、构建供水管网数据库，并将前期收集到的各种静态信息、动态信息以及设置的各 种参数导入到水力建模软件中并运用相关方程对供水管网的运行工况进行仿真模拟计 算。
4、将水力模型计算出的各管段的节点水压、管段流量、水源供水压力、水源供水流 量等数据与供水管网系统各监测点的实测数据进行对比。如果二者之差小于规定值，则说明水力模型精度满足要求，模型可以投入使用；如果二者之差大于规定值，则说明水力模型精度不符合要求，需要对水力模型参数进行调整，重新回到第三步进行计算，直到水力模型精度符合要求为止。
4.4供水管网水力模型的校核标准与步骤
通过供水管网水力模型模拟的结果与实际供水管网的运行工况不可能完全一致，两 者之间往往存在着一定的误差。供水管网水力模型应用之前要保证在一定的误差范围内 其模拟结果与实际供水管网运行特征相吻合，这个使模拟值与实测值的误差满足精度要 求的过程称之为供水管网水力模型校核。通过对供水管网水力模型进行校核，能够增 加供水管网水力模型的可信度。供水管网水力模型的可信度非常重要，因为供水管网系 统的优化调度、近远期规划等都以供水管网水力模型的计算结果为指导。如果供水管网 水力模型没有达到其实际运用所需要的精度要求，那么基于供水管网水力模型的分析结 果将会误导供水公司最终决策，给供水公司造成不必要的损失。
4.4.1影响校核精度的因素
供水管网水力模型的精度由模拟值与实测值的差值来进行评价。美国给水工程协会 （AWWA）通过研究发现影响供水管网水力模型精度的误差来源主要包括：结构误差、 测量误差、节点需水量误差、管道模阻误差、管网简化误差、水池水位误差以及水泵运 行状况误差。哈尔滨工业大学舒诗湖（2008年）在前人的研究上进一步指出基础数据 不准确，管道粗糙系数及操作条件的不确定性都会影响水力模型的精度，并进一步通过实验实测了大用户用水规律、管道粗糙系数、阀门阻力系数、水泵特性曲线、节点高程 GPS等管网建模的关键数据。其中管道粗糙系数（C值）是建立供水管网水力模型的 重要参数之一，供水管网长期运行后管道的C值由于受到各种因素的影响呈现出不确定 性。当前运用最广泛的方法就是根据经验参数对其进行赋值，如下表所示。
4.4.2水力模型的校核标准
供水管网水力模型的使用目的不同，与其对应的水力模型精度要求也不一样。目前 通用的供水管网水力模型校核标准主要有三种，分别为美国工程计算机应用委员会 （ECAC）提出的水力模型校核标准、英国水研究中心（WRC）提出的水力模型校核标 准及哈尔滨工业大学赵洪宾教授结合我国供水管网具体情况提出的水力模型校核标准。其中我国供水管网水力模型校核标准如下表所示。
为了确保供水管网水力模型的精度，建模工作者需要在不同工况下对供水管网水力 模型进行校核，一般校核的模拟时段必须连续并且不少于24h。但是由于供水管网水 力模型是对实际供水管网系统的近似模拟，以上供水管网水力模型的校核标准也不是一成不变的，应根据供水管网水力模型的使用目的来最终决定。
4.4.3水力模型的校核步骤
供水管网水力模型校核一般分成模型预校核以及模型微观校核两步，模型预校核指 的是当水力模型计算出的模拟值与实测值差异过大时，通过水力模型模拟计算来核实前 期收集的基础资料是否准确的过程，其主要包括通过模拟计算来查找管段信息和节点信息是否准确、核查管网拓扑结构是否正确、判断水泵的特性曲线是否出现偏差、核查阀门操作条件是否正确等步骤。模型微观校核指的是当水力模型计算出的模拟值与实测 值差别不大时，通过对水力模型中的节点用水量和管道粗糙系数的微调来降低模拟值与 实测值之间的差异从而满足供水管网水力模型精度要求。供水管网水力模型的校核需要 通过模型预校核以及模型微观校核相结合来找出存在差异的原因，从而去完善水力模型、 调整模型相关参数设置、多次进行水力模拟计算，使最终建立的供水管网水力模型达到 精度要求。
4.4.4水力模型的维护更新
供水管网水力模型经过一系列校核，精度符合要求后能够较直观地反映实际供水管网系统的运行状态。但伴随城市规模的不断扩大，供水管网系统每年都会铺设新供水管 线以及对部分老旧、破损供水管线进行改造维修，加之供水管网系统内阀门的启闭、设 备的更替、用水量及用水规律的变化都会导致供水管网水力模型精度的下降，因此需要 周期性地维护更新供水管网水力模型才能保持模型的实效性。
5.1小结
供水管网水力模型对城市供水管网近远期规划，故障分析起着指导性作用；与此同时，一个校核准确的供水管网水力模型是后续基于漏失识别的压力监测点优化布置以及 供水管网漏失辅助定位模型建立的基础。因此本章阐述了供水管网水力模型建立的必要 性及其意义，介绍了供水管网水力模型的几种不同类型，总结了供水管网水力模型建立 的理论基础、水力建模软件概况、供水管网水力模型建立的技术流程，论述了影响供水管网水力模型精度的相关因素、供水管网水力模型的校核标准、供水管网水力模型的校 核步骤以及对供水管网水力模型进行周期性的维护更新的意义。
