上篇 理论研究
第1章 绪论
1.1 研究背景
针对生活饮用水制定和修订国家标准，是保证广大人民群众饮用水安全的重要措施之一。《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的实施 ，对维护城乡居民的健康、提高人民群众的生活质量、促进经济社会的可持续发展、维护社会的稳定和安全、构建社会主义和谐社会具有重要的保障作用。
我国水资源分布和水处理设施建设及相关监测设施建设发展不均衡。部分大城市需要长距离引入水质较好的水库水，如黑龙江磨盘山水库输水工程、辽宁大伙房水库输水工程，以及河北岗南、黄壁庄、王快水库输水工程等，很大程度上保障了城市饮用水供水水源。水源变更会引起管网局部压力变化，局部高压可能会导致一些脆弱管道爆管，局部低压不能满足用户用水的需求，因此需要建立管网水力模型，以指导新水源在旧管网上的安全配水。
引进原水水质更好的新水源后，自来水厂通过强化常规处理工艺和引进先进的深度处理工艺，出厂水水质是可以达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的。然而，出厂水需经过复杂庞大的供水管网系统长达数十千米的管线才能输送至用户端，水流在管线中的滞留时间为数小时至数天，水在其中可发生复杂的物理、化学和生物变化。当管网水受到二次污染，供水水质即处于不安全的状态。
供水管道在长年的运行中，管道内壁会逐渐生成由沉淀物、锈蚀物、黏垢及生物膜相互结合而成的混合体，其形貌是不规则的环，称为“生长环”。管道内部的卫生状况使供水水质面临恶化风险。对占全国城市供水量42.44%的36个主要城市的调查结果表明，从出厂水到管网水 ，平均浊度由1.3度增加到1.6度、色度由5.2度增加到6.7度、铁浓度由0.09mg/L增加到0.11mg/L、细菌数由6.6个/L增加到29.2个/L。建立管网水质安全体系，已经越来越引起各国的重视。为了保障城市供水管网系统的供水安全，特别是保障饮用水的水质安全，必须全面了解供水管网中的水力和水质工况，管网建模是最有效的方法之一。本书在全面掌握和分析供水管网水力、水质资料的基础上，利用计算机建模技术，构建管网系统水力、水质模型，实现了供水管网系统水力、水质的动态模拟，建立了供水管网工况分析数字化平台，并初步用于指导管网系统安全运行的实践。
1.2 我国供水管网系统建模的机遇与挑战
随着城镇化过程的推进，城市用水量持续增加，建立与实际供水管网系统特征相符的动态模型是科学管理、优化设计、优化调度、优化改造(改扩建)、漏损控制及水质分析的基础，是诊断管网异常、提高管理水平和服务水平的保证。
1.2.1 管网建模的机遇
1.供水安全性急需提高
据《全国城市供水管网改造近期规划（2006年—2007年）》对规划范围内184个城市的不完全统计，2000～2003年爆管造成的停水事故达13.7万次，管网水质发生二次污染达4324次；2003年供水企业的平均漏报率为20.5%，因供水管网事故而影响高峰期用水达21537次，涉及人口达3819万人，因供水压力严重不足而影响供水达26544次，涉及人口达2000万人。同时，部分城市长距离引水带来新水源在旧管网上的安全配水问题，例如：水源切换引起管网局部压力的较大变化，可能会导致一些脆弱管道爆管；水流方向改变对管网中的沉淀物质和管壁生物膜起到冲刷作用，引起浑水和微生物再生长等水质安全问题。用水安全（保证水量、水压和水质安全）要求的提高加大了供水系统的运行难度，同时也带来管网建模研究与应用的发展机遇。
2.供水效益亟待提高
在满足用户用水需求的前提下，应尽量减少供水成本。电费在供水成本中所占比例一般为30%～40%，故降低供水电耗始终是贯彻节能方针、提高供水企业经济效益的重要环节。管网漏失在计算供水成本时往往被忽视，实际上它应该是影响供水企业经济效益最重要的因素之一，一般采用供水产销差代替漏失量进行统计分析。供水产销差过大是长期困扰我国供水行业的问题。近年来随着劳动力价格的提高，劳动力成本成为供水成本中一个不可忽视的项目，而数字化管理则可有效减少劳动力成本。建立在管网动态水力模型基础上的优化调度、优化运行和漏损控制能有效提高供水效益。
3.管网优化运行具有巨大潜力
我国经济发展迅速、城镇化进程提速、自来水普及率提高迅速，而既有供水系统布局和规划欠科学，管线连接复杂、敷设冗余度高，出现了管网管理困难、事故影响范围大等问题，故应在管网模型的基础上逐步改善管网布局以实现管网的优化运行。
4.计算机建模及相关技术的快速发展
随着遥测远传设备价格的下降，数据采集与监控（supervisory control and data acquisition，SCADA）系统得到广泛应用并进入实用化阶段；随着计算机及其相关技术的发展，全球定位系统（global positioning system，GPS）、地理信息系统（geographic
information system，GIS）和遥感（remote sensing，RS）技术逐步应用于城市供水管网系统建模中；信息技术、传感器、控制等技术的进步，促进了大型系统的控制和管理水平提高；优化技术、模拟技术与计算机技术的发展，为模拟大型动态变化的供水管网系统提供了条件。
5.国家政策的支持
我国政府十分重视城市基础设施建设，“十一五”期间对水务的总投资超过1万亿元，仅对东北地区管网改造的投资就达100亿元。据《中国统计年鉴2005》统计，2004年我国共有县级以上城市（包括县级市）661个，其中百万以上人口的城市49座据《2019年城市建设统计年鉴》，全国有93个城市的城区人口超过100万。。这些大城市急需管网建模来提高城市供水的生产、管理、服务水平，对于那些中小城市，也有同样的需求。
综上所述，我国供水管网系统建模具有巨大的潜在需求。这种需求给了科研工作者强大的动力和机遇。人们已经认识到，供水管网系统建模 ，是实现供水管网科学管理的重要工具，是实现数字化、信息化的基础。
1.2.2 管网建模的挑战
早在20世纪90年代，我国已有少数城市进行了供水管网系统建模，但这项工作在全国多数城市没有开展起来。对于已经开展供水管网建模的城市，由于自来水公司缺乏专业的建模与模型维护技术队伍，同时，随着城市规模的不断扩展，供水管网拓扑结构不断变化，用水量布局也随之变化，管网模型的维护任重道远，模型的应用价值也没有完全得到发挥。
1.模型的动态模拟缺乏长效性
我国是个迅速发展的国家，供水管网不断扩展，用水量布局不断变化，管网的拓扑结构、节点流量不断更新。已建的模型还不能适应主要参数不断变化的状态，影响了它的推广应用。模型的动态模拟缺乏长效性，原因主要有两点：一是基础数据不完整且不太准确；二是模型校核主要采用人工校核法，在后期模型定期或不定期更新维护时，模型校核达不到预期的精度。
国内有些城市的自来水公司与高校研究机构或工程软件开发商合作开展了管网建模的工程实践。模型建立初期，在合作方有经验的工程师或研究人员的人工校核下，模型精度可以满足应用的要求。但由于城市的发展，供水管网拓扑结构日新月异，甚至水源出现重大变更，模型参数不断变化，模型需要更新维护。大多数自来水公司缺乏有经验的管网模型工程师，因此在后期模型维护时模型校核达不到预期的精度，导致模型失去应有的作用。
针对人工校核的缺点，自动校核方法成为研究的热点。自动校核的目标是在满足水力、水质约束的条件下，使模拟值和实测值差异最小。其通过在一定范围内自动调整模型参数，自动比较调整后的模拟值与实测值，得出最优的模型参数和最优的模拟结果。目标函数是一个最小化问题，因此模型自动校核一般采用最优化方法，常用遗传算法进行求解。
模型自动校核的另一个方法是对管网进行适当的简化。管网GIS可以精细到包括入户管，但是建模需要对管网做一定程度的简化，简化程度即模型校核的精度取决于建模的目的和模型的用途。一般来讲，公称直径（公称通径，nominal diameter）DN200及以上的管段参与建模是比较合适的，模型维护相对容易，也可精细到包括DN100的管道。如果精细到DN50或尺寸更小的管道，由于这些小管道每天都在变化，模型维护的工作量则将非常巨大，可能导致模型由于不能及时更新维护而失效。
2.模型指导城市供水区块化亟待研究
实行区块化供水是降低电耗、降低漏耗、提高水质和提高供水效益的重要途径。这已经被国内外城市的实践所验证。区块化供水是未来供水的发展方向。关于如何使用供水管网模型指导城市供水区块化，还需要进行深入的研究。随着城市规模的不断扩大，城市供水范围不断增大，可能出现相邻城市间管网互相连通的长距离输水的局面，管网水质安全在长距离输配时难以得到保障。建立以配水管网水质在线监测为前提的管网区块化管理模式是保障管网水质的有效方法，通过动态水力计算确定区块规模与边界，利用水质模型提出不同供水条件下的管网区块化管理方案，保障水质安全输配。
3.管网水质分析的复杂性
管网水质恶化风险引起了人们的关注，但对管网水质的分析及事故追踪问题还没有得到很好的解决。管网水质模型是水力模型的延伸，是非常复杂的课题，尤其是大规模供水管网水质模型的校核，采用遗传算法的自动校核寻优时间较长，往
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