在线实时水力模型——赋能供水企业数字化转型
导读 可持续发展及对污水处理厂的要求
随着大数据时代的到来，以及信息化、数字化水平不断提高，应用在线实时水力模型解决实际问题是供水企业面临的挑战。
调研显示，在线实时水力模型在国内外供水企业中尚未得到广泛应用，同时具备“在线”（通过浏览器访问：基于EPANET 和InfoWorks WS 水力模型调试开发，发布在局域网上，数据信息交互和模拟计算过程在后台服务器运行，对计算机硬件设备没有特殊的要求；采用“游客账户”的登陆模式，无需安装软件，方便使用者随时快捷使用）和“实时”（接入数据实时计算：管网拓扑关系及相关设施设备的参数更新等工作由模型工程师每月定期维护校核，水量、压力、水质等数据链接自SCADA 系统，每小时自动抓取刷新一次；模拟方案根据输入的条件实时计算，计算耗时一般不超过5 min）要素的供水规划应用分析尚无具体案例。基于上述情况，本文考虑充分利用在线实时水力模型的特点和优势，通过工具化、场景化、系统化的模型应用，实现更科学、更具说服力的管理和决策。
供水规划是否科学、经济、合理直接影响供水企业的运营和发展。为了保障供水系统安全可靠，寻求满足近远期用水需求的最优方案是供水规划工作应该解决的实际问题。应用在线实时水力模型能够模拟多种工程方案，从而比选、确定满足条件的最优供水规划。
1、研究方法
1.1 研究工具
在线实时水力模型的主要功能体现在4 个方面：“在线展示”可以调整系统的显示状态和范围，调取模型图层和加载辅助图层，切换管道渲染效果显示的参数类别，检索模型参数编号或背景资料信息，动态播放管网模拟状态下的实时情况；“应用模拟”根据企业管理者、工程技术人员或调度员在日常工作中频繁需要水力模型提供参考和支持的任务和场景，提供模块化的操作方案；“模型分析”自动采集历史调度运行记录并链接大数据平台，实现数据共享和分析，包括水质和水龄、供水范围、扩散追踪3个模块；“实时监测”通过软件接口方式整合、简化、优化WebGIS 信息和SCADA 数据，简单、一站式、有针对性地呈现有地理信息的在线监测数据。
在线实时水力模型的一般操作分3个步骤。
（1）“输入”的准备工作包括检查在线实时水力模型运行状态（需水量、平均压力、模型精度）及记录模型参数和相关原始数据（水量、压力、水泵运行模式等）；方案录入包括定位工程范围、添加节点和管段、录入节点信息（水量）和管段参数（口径、长度、管材等）以及确认管网拓扑连接关系。
（2）“运行”在线实时水力模型，自动模拟计算。
（3）“输出”查看分析包括校核在线实时水力模型运行状态（需水量、平均压力、模型精度）、记录模型参数和相关模拟数据（水量、压力、水泵运行模式等）以及分析、形成相关图表和报告。
2、研究结果
2.1 案例分析一：新建水厂输水管
上海某自来水公司JH 水厂深度处理工程供水规模为80.0 万m3／d，非供水高峰期日常运营平均出厂水量约为33.0 万m3／d。项目竣工通水后，在其他4 座水厂和2 根馈水管较高负荷出水的条件下，为了释放JH 水厂富余水量，拟根据供水规划，结合周边市政道路工程，实施JH 水厂外管网配套工程。
工程方案考虑规划两路输水管如图1 所示。①“在建”沿顾唐路、锦绣东路敷设DN1800～DN1600 输水管；②“计划”沿龙东大道敷设DN1400 输水管。为了指导排管工程计划和实施进度，需要评估以上两路输水管竣工通水后，对释放JH 水厂富余水量、降低其他水厂和馈水管负荷的作用。
图1 案例一新建输水管示意图
经在线实时水力模型模拟，最优计算结果如表1 所示。JH 水厂增开1 台变频泵、调低LJ 水厂变频泵、调整LQ 水厂水泵组合并减少馈水的情况下，JH水厂出厂水量在①通水的条件下，由现状32.6 万m3／d增至39.5 万m3／d；在①和②都通水的条件下，进一步增至39.7 万m3／d。由此可见，①“在建”通水对释放JH 水厂富余水量有较大作用（增加6.9 万m3／d，增幅为21%）；在此基础上，②“计划”通水作用不明显（进一步增加0.2 万m3／d，增幅为0.5%）。因此，重点落实①“在建”竣工通水是管理部门近期的主要任务，②“计划”排管工程可根据实际情况适时安排。
表1 案例一模拟计算结果
在评估规划外管网配套工程新建方案中应用在线实时水力模型，更科学、高效、经济地为管理部门决策提供了技术支持和参考依据。
2.2 管案例分析二：新建单元配水管
北蔡社区某单元规划最高日需水量为4 480 m3，自来水公司计划结合单元内新建市政道路工程，同步实施规划DN300 配水管，满足单元用水需求。工程方案拟新建DN300 配水管如图2 所示。考虑到单元周边地区历年有反映水压问题，且该地区处于2座水厂供水范围的交界区域，为使方案更符合当年实际用水情况，需要评估该单元的接入对供水系统的影响，校核最不利点压力，确定供水模式。
图2 案例二新建配水管及模拟结果示意图
经在线实时水力模型模拟，计算结果如图2 所示。两路水源接入点分别位于龙阳路白杨路和沪南路前程路，模拟水源点压力水头分别为19.00 m 和18.50 m，最不利点位于前程路连波路，计算压力为水头18.45 m。管道流向由外向内，水力平衡区在连波路附近。由此可见，最不利点压力水头不低于16.00 m，满足服务要求。此外，管网养护和水质管理部门在日常运营检查工作中，可重点关注连波路及前程路连波路处的压力和水质情况，并制定针对水压、水质问题的应急预案。
在评估规划单元新建配水管方案中应用在线实时水力模型，更有针对性地为管理部门判断决策和运行维护提供技术支持和参考依据。
2.3 案例分析三：新建区域联络管
上海某2 家自来水公司A 和B 的供水边界接壤，B 公司计划于“十四五”期间完成主水厂的深度处理改造。改造工期预计2 年，如果采取缩量改造（保留水库）方案，改造期间需要A 公司进行馈水，夏季高峰期馈水需求量约为23.3 万m3／d，水库进水水量最高时、一般时分别为1.2 万、0.9 万m3／h。
工程方案考虑规划新建两路联络管，共同保障区域供水安全，具体方案如下：①“现状管”利用现状华东路DN1000 输水管作为联络管；②“新建管”沿华东路再敷设一根DN1000 或DN1200 联络管。为了寻求最优方案，需要评估以上两路联络管竣工通水后，是否满足B 公司的馈水需求，并确定规划联络管口径，分析工程对A 公司日常运行调度的影响。
经在线实时水力模型模拟，计算结果如表2～表3 所示。（1）规划新建联络管口径采用DN1000时，两路联络管的总流量为11 999 m3 ／ h（最高时）和8 999 m3／h（一般时），即可满足B 公司的馈水需求。（2）工程的影响主要体现在JH 水厂，出厂水量由现状33.1 万m3 ／d 增至61.9 万m3 ／d，该增量在JH 水厂供水能力（80 万m3 ／d）范围内，且有助于释放JH 水厂富余水量；其余水厂和馈水管的水量波动较小，管网平均压力变化平稳，对A 公司日常运行调度影响不大。因此，两路联络管竣工通水后，能够满足B 公司的馈水需求，规划联络管口径按DN1000 考虑更经济实用，工程对A 公司日常运行调度影响不大，且有利于释放JH 水厂富余水量。
表2 案例三模拟计算结果（规划联络管口径）
表3 案例三模拟计算结果（日常运行调度）
在新建区域联络管规划方案中应用在线实时水力模型，更科学、高效地提供了技术支持和参考依据。
3、结论和建议
（1）在线实时水力模型具有整合资源、操作简便、时效性高、贴合运行现状等特点，无需掌握繁琐的模型语言、代码、指令和术语，只需采取界面友好的简单交互，就能进行观察和展示，区域化、可视化、一体化地宏观评估管网的实时状态，更科学、高效地分析各项工程方案。它是辅助供水规划管理工作的重要技术手段，对供水企业减少盲目投资并有针对性地采取措施，对优化决策和提高效益具有重大意义。
（2）在线实时水力模型有助于企业管理者和工程技术人员改变依赖模型工程师提供预测分析结果的工作习惯，逐步建立起参考模型的思维模式，培养起解决问题的主观能动性和积极性。在熟练应用模型工具的基础上，以制定满足更高时效性需求的供水专业规划为参考，进而发展应对诸如突发爆管、水质污染、极端天气等紧急事件挑战的实时分析诊断和运行调度能力，实现更科学、更有说服力的管理和决策。随着在线实时水力模型应用的普及，通过更多使用者反馈的建议，可以优化软件环境，有利于模型应用进入良性循环。
（3）在线实时水力模型是供水企业全面提升水源、水厂、管网三大环节的全过程水量、水压、水质监管和安全保障水平的重要辅助工具，能够为建设“节水优先、安全优质、智慧低碳、服务高效”的供水系统和实现数字化转型目标提供技术支持。
