同濟大學環(huán)境科學與工程學院
劉遂慶 李 強 王雪峰

　　給水管網(wǎng)優(yōu)化設計計算、水力與水質(zhì)模擬、管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、信息化和智能化運行管理及信息網(wǎng)絡構成了當前給水管網(wǎng)新理論與新技術研究和發(fā)展領域，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，構成了完整的節(jié)約能量、節(jié)省人工、減少漏損、保護水質(zhì)等現(xiàn)代科技管理系統(tǒng)，形成了給水管網(wǎng)運行管理和優(yōu)化調(diào)度領域高新技術產(chǎn)業(yè)方向。應用計算機技術提高給水系統(tǒng)管理和運行的水平越來越受到國內(nèi)給水企業(yè)的普遍重視。開發(fā)適合我國供水企業(yè)實際需求、擁有國內(nèi)獨立知識產(chǎn)權的專業(yè)應用軟件，是我國科技工作者的重要職責。

一、我國給水企業(yè)發(fā)展歷程

　　我國給水企業(yè)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了下列幾個階段：
　　1） 解放后初期的50年代，新中國的經(jīng)濟發(fā)展帶動了大中城市的給水企業(yè)發(fā)展。新建了大量給水處理和輸配水設施。但技術比較落后，運行管理自動化，信息化程度很低；
　　2）60－70年代，國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展緩慢，甚至停滯不前，人口增長激劇。給水企業(yè)處于維持和低速發(fā)展階段，供水量基本上與生活用水量增長同步，技術進步無顯著特征；
　　3）80年代，改革開放，經(jīng)濟發(fā)展迅速，水源受到污染，給水設施嚴重滯后，出現(xiàn)愈來愈普遍的供水量不足，水質(zhì)變差的問題。全國城市平均供水能力與需求水量的比例僅為80％左右，許多城市自來水異味明顯，夏季水壓低，甚至大片斷水，新建或擴建供水設施成為解決“水量”問題的“當務之急”；
　　4）90年代（1990－2000），各級政府加大城市基礎設施建設，供水量的問題得到了解決，全國平均供水能力與需求的比例達到了110－120％，采用了不少先進水處理技術，開辟新水源，水質(zhì)逐步得到改善，但給水企業(yè)虧損嚴重。隨著現(xiàn)代化經(jīng)營觀念不斷得到提高，質(zhì)量管理、經(jīng)濟效益和技術進步的綜合水平成為給水企業(yè)的經(jīng)營和發(fā)展方向。應用計算機技術進行給水系統(tǒng)信息化管理和優(yōu)化自動化控制成為企業(yè)技術進步的共同目標。
　　隨著全球知識經(jīng)濟的飛速發(fā)展，加快技術進步和提高經(jīng)濟效益才能促進企業(yè)發(fā)展，在給水企業(yè)建設、管理和運營中運用計算機技術，以高科技手段提高供水企業(yè)總體水平，已成為全球同行業(yè)的共同發(fā)展方向。計算機應用軟件成為全球最興旺的高科技產(chǎn)業(yè)。

二、給水系統(tǒng)軟件類型與功能要求

　　1．給水管理信息系統(tǒng)軟件
　　給水管理信息系統(tǒng)軟件是收集、積累、綜合分析給水系統(tǒng)中從水源、水處理過程、輸配水網(wǎng)絡到用戶的各階段的全方面信息數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)庫為核心，以分類數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)表達和靈活的查詢、提示和警告等形式向決策、管理和運行操作人員提供全面數(shù)據(jù)，集檔案、圖紙和報表為一體，實現(xiàn)信息現(xiàn)代化、辦公無紙化和決策數(shù)據(jù)化。當前，給水系統(tǒng)信息化技術包括地理信息系統(tǒng)（GIS），控制檢測系統(tǒng)(SCADA)。GIS通常為靜態(tài)數(shù)據(jù)模式，儲存系統(tǒng)中各種設施（包括水源，泵站，水廠設施，管道，閥門，水表，用戶）的地理信息，以地圖方式儲存和表達，亦稱為電子地圖；而SCADA通常為隨時間變化的動態(tài)數(shù)據(jù)模式，以無線或有線通訊方式收集系統(tǒng)中運行數(shù)據(jù)（ 包括水量、水質(zhì)、水壓、運行狀態(tài)等），以數(shù)據(jù)表格和動態(tài)曲線等方式表達，為管理和運行決策提供分析依據(jù)。
　　2．輸配水系統(tǒng)模擬計算－管網(wǎng)模型軟件
　　給水管網(wǎng)系統(tǒng)建設投資占給水系統(tǒng)總投資的70％以上，供水電費亦多在總供水成本費用的50－60％，所以，給水管網(wǎng)的設計與運行管理質(zhì)量直接影響供水系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。管網(wǎng)模型軟件對給水管網(wǎng)建立數(shù)學模型，并進行規(guī)劃設計計算和運行狀態(tài)的動態(tài)模擬，求解管網(wǎng)中各管段及泵站的流量、壓力和水質(zhì)分布狀態(tài)，并可計算長年供水成本費用，分析評價管網(wǎng)規(guī)劃設計的合理程度及運行規(guī)律，實現(xiàn)設計和運行管理的科學化。國內(nèi)通常稱為“管網(wǎng)建模”。
　　“管網(wǎng)建?！避浖哂幸韵鹿δ埽?br> 　　（1） 網(wǎng)水力平差計算；
　?。?） 管網(wǎng)規(guī)劃設計計算和多工況狀態(tài)模擬；
　?。?） 管網(wǎng)動態(tài)實時模擬和供水費用計算；
　?。?） 平差計算和規(guī)劃設計計算成果圖形表達和繪圖；
　?。?） 良好的計算數(shù)據(jù)輸入、輸出、模擬計算和成果表達人機交互界面;
　　（6） 與數(shù)據(jù)庫靈活交互連接接口。
　　3．管網(wǎng)優(yōu)化設計與優(yōu)化調(diào)度軟件
　　1）優(yōu)化調(diào)度模型
　　給水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度是在管網(wǎng)和水源現(xiàn)有設備的前提下，根據(jù)管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)反饋的供水系統(tǒng)運行信息，在保證安全、可靠滿足供水需求的前提下，合理地調(diào)整調(diào)度方案，使供水系統(tǒng)的總運行費用最小就是優(yōu)化調(diào)度的目的。考慮到供水過程中，主要費用是供水電耗和制水成本，因此優(yōu)化目標函數(shù)數(shù)學表達式為：

　　
　　式中，f 系統(tǒng)供水費用；
　　　　　e_k 第k小時電價，單位：元/kw.h；
　　　　　Q_ki 第i個泵站第k小時的供水量，單位：m³/s；
　　　　　H_ki 第i個泵站第k小時凈揚程，單位：m；
　　　　　c_ik 第i個水廠第k小時的單位制水成本，單位：元/m^3；η_ki 第i個泵站第k小時的工作效率；
　　　　　γ 水比重，單位：9.8千牛頓/m^3；p 泵站數(shù)；
　　　　　n_i 第i個泵站的水泵數(shù)目。

　　2）約束條件：
　　（1）管網(wǎng)總供水量等于總用水量：

　　　　Q_T: 預測總用水量；
　　　　Q_I：第i號泵站供水量。
　?。?） 測壓點壓力約束：滿足各節(jié)點壓力要求。
　　4、給水管網(wǎng)水質(zhì)模擬軟件
　　給水管網(wǎng)水質(zhì)模擬是計算跟蹤管網(wǎng)水中溶解物質(zhì)的傳輸與各時間內(nèi)流經(jīng)路線和分布。水質(zhì)模型可分為穩(wěn)態(tài)模型和準動態(tài)模型二種。
　　1）穩(wěn)態(tài)模型
　　假定管網(wǎng)處于水力穩(wěn)定狀態(tài)，在一定的運行負荷下，物質(zhì)沿著流動路徑和時間運行，達到水質(zhì)穩(wěn)定。數(shù)學模型為：

　　

　　

　　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(jié)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(zhì)反應速率常數(shù)；
　　K：管段＜j,i>中的流徑時間。
　　保守物質(zhì)沿管線流動過程中，濃度不發(fā)生變化，末端濃度等于起端濃度。非保守物質(zhì)在流動過程中同時發(fā)生著反應，以一級反應為例，反應動力學方程為：
　　dC/dt=-KC
　　物質(zhì)沿管段流動過程中發(fā)生衰減，以不同于管段起端的濃度進入下游節(jié)點。
　　水源供水比例數(shù)學模型為：

　　

　　P_s,ji=P_s,j

　　
　　式中，j:節(jié)點I的上游鄰接點；P_s,i,P_s,ji：水源S對節(jié)點i和管段＜j,i>的供水比例；
　　　　　 q_ji:管段<j,i>流量； Q_s：水源供水量。
　　2）準動態(tài)模型
　　準動態(tài)模型的計算結果要比穩(wěn)態(tài)模型的可信度高，因此，在實際工程中，大部分采用準動態(tài)模型。
　　5、供水管理與控制網(wǎng)絡軟件
　　應用計算機實現(xiàn)現(xiàn)代化科學管理是供水企業(yè)科技進步的發(fā)展方向，是實現(xiàn)企業(yè)管理現(xiàn)代化、高速信息通訊網(wǎng)絡化和運行操作優(yōu)化與自動化的重要途徑。應用上述專業(yè)軟件和計算機網(wǎng)絡技術，通過程序邏輯控制（PLC）技術與設備，可以實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程全自動化和優(yōu)化控制。發(fā)達國家的供水企業(yè)已基本實現(xiàn)了這樣的全面技術。作為發(fā)展中國家的企業(yè)，需要根據(jù)企業(yè)自身的需求和技術經(jīng)濟基礎制定規(guī)劃，至少利用5年左右的時間，積累經(jīng)驗，避免浪費，逐步實現(xiàn)上述目標。

三、供水系統(tǒng)國產(chǎn)專業(yè)軟件發(fā)展和應用

　　城市供水系統(tǒng)軟件開發(fā)已經(jīng)經(jīng)歷了近30年的歷史，從給水管網(wǎng)平差計算到給水系統(tǒng)信息化、運行與管理自動化，形成了多種類型、多種版本、各具特色的軟件系列。國內(nèi)外軟件市場規(guī)模不斷擴大，需求日益增長。SynerGEE(Stoner)、EPANET、8M等國外品牌軟件在國內(nèi)已得到了一定的應用市場，具有管網(wǎng)平差、運行模擬、信息管理、運行管理等方面的較完整功能。
　　同濟大學作為給水排水領域中計算機應用研究的最早的著名大學之一，著名給水排水專家楊欽教授早在1970年代就編寫了“749”、“7512”、“767”、“784”等一系列管網(wǎng)平差計算和優(yōu)化設計程序，開辟了國內(nèi)給水排水領域中計算機應用的先河。經(jīng)過二十多年的不懈努力，積累了豐富的經(jīng)驗和先進的成果。在此基礎上，我們采用了當前最先進的計算機技術，開發(fā)了供水管網(wǎng)模擬計算軟件，在易用性、計算速度等方面均有較大突破，具有給水管網(wǎng)設計計算、工程規(guī)劃、設計繪圖、信息查詢和數(shù)據(jù)庫管理等功能。同時，在國內(nèi)大學中成立了首家由國內(nèi)專家合作興辦的給水軟件開發(fā)公司—上海同濟宏揚軟件有限公司，以高校高科技科研成果產(chǎn)業(yè)化為目標，以軟件國產(chǎn)化和本地化為優(yōu)勢，最大程度地適應和服務國內(nèi)給水軟件應用市場。
　　“同濟宏揚軟件”的管網(wǎng)系統(tǒng)模擬與優(yōu)化調(diào)度軟件包以數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)核心，以管網(wǎng)地理信息、管網(wǎng)平差、規(guī)劃設計、實時運行模擬和優(yōu)化調(diào)度為四個分離的功能軟件，實行分階段實施的計算機技術應用。四個功能軟件的構成如上列框圖所示。

圖示：“宏揚軟件”的四個獨立功能塊軟件包

參考文獻

　　1. 劉遂慶，多水源供水系統(tǒng)泵站供水量最優(yōu)分配，中國給水排水，No.5， 1988.
　　2. 劉遂慶、陶建科，給水系統(tǒng)計算機控制與優(yōu)化調(diào)度軟件硬件模式，98‘全國給水管網(wǎng)技術研討會論文集，1998.11
　　3. 王利娟、劉遂慶，給水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點的優(yōu)化布置，98‘全國給水管網(wǎng)技術研討會論文集，1998.11
　　4. 周 敏，關于上海市給水管網(wǎng)的建模工作，98‘全國給水管網(wǎng)技術研討會論文集，1998.11
　　5. 孫文深、黃宇陽，韓德宏，深圳市給水管網(wǎng)水力計算模型的建立，98‘全國給水管網(wǎng)技術研討會論文集，1998.11
　　6. 曾 彥，供水管網(wǎng)GIS模型小區(qū)試驗，98‘全國給水管網(wǎng)技術研討會論文集，1998.11
　　7. 查省中、王建平，廣州市自來水公司供水調(diào)度計算機系統(tǒng)介紹，98‘全國給水管網(wǎng)技術研討會論文集，1998.11
　　8. 劉遂慶、王榮和，給水管網(wǎng)計算機技術的應用與發(fā)展，《中國給水五十年回顧》，中國建筑工業(yè)出版社，1999
　　9. Wurbs, Ralph Allen, Water management models: a guide to software, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1995.