城市供水管網系統由大量管材各異、管徑各異、鋪設年代各異的管道，泵站，閥門， 水塔等多元素構成，因此決定了供水管網系統是一個拓撲結構龐雜、運行工況多變的巨系統。以前國內供水公司對鋪設在地面以下的供水管網多以經驗性管理為主，隨著計算機技術的快速發展以及大數據時代的到來，基于水力學相關原理對城市供水管網系統 進行水力建模從而實現供水管網科學化、智慧化管理已成為可能。城市供水管網水力模型通過集成GIS系統以及SCADA系統的相關信息并實時計算出供水管道的流量大小、水流速度、壓降大小以及用戶節點、水廠的壓力大小等水力信息，以此在線跟蹤供水管 網系統水力運行狀態。供水公司通過供水管網水力模型能夠及時掌握供水管網的運行狀態，了解供水管網的運行瓶頸；與此同時，一個校核準確的供水管網水力模型也是供水管網分區管理、測壓點優化布置、漏失控制及漏失輔助定位的基礎。因此本章對供水管網水力模型的相關概念、模型建立的方法與原則以及模型校核的標準與步驟進行論述。
2 供水管網水力模型的分類
2.1 靜態水力模型及動態水力模型
按照供水管網仿真模擬時間是否具有連續性，供水管網水力模型可以被分為供水管 網靜態水力模型和供水管網動態水力模型。供水管網靜態水力模型又被稱為供水管網 瞬時水力模型，其模擬的是事故時、消防時等情況下一個時間點上的工況。供水管網動態水力模型是隨著計算機技術的快速發展，在供水管網靜態水力模型的基礎上發展而來的，其模擬的是一個周期內供水管網構件元素屬性的變化情況，能夠較好的模擬供水管網實際運行狀態。
2.2 宏觀水力模型及微觀水力模型
供水管網水力模型又可以被分為供水管網宏觀水力模型與供水管網微觀水力模型， 供水管網宏觀水力模型是在供水管網系統大量實際運行數據的基礎上將整個供水管網系統或局部供水管網系統看成一個整體進行研究。在不考慮整個供水管網系統中節點、管段等元素相關結構參數以及狀態參數的情況下，引入“黑箱理論”并結合統計學相關 知識，通過計算供水管網系統“輸入變量”和“輸出變量”之間的映射關系，以此來構 建各變量之間的數學關系式。輸入變量、輸出變量涉及到水廠的出廠水壓、出廠水量、出廠水質以及供水管網中的各個流量監測點、壓力監測點以及水質監測點的監測數據等 變量。自上世紀七十年代中期Robert提出供水管網系統宏觀水力模型以來，天津大學趙新華、田一梅等人在結合我國供水管網系統實際情況的基礎上相繼提出了適應不同工況的供水管網宏觀水力模型。我國城市供水管網系統龐雜，構建一個與其水力特性相吻 合的供水管網宏觀水力模型，能夠用來指導供水公司對供水管網系統進行優化調度。
供水管網微觀水力模型是指將供水管網系統中的一些元素構件的相關數據輸入到 供水管網建模軟件中進行延時模擬而建立的供水管網仿真水力模型。供水管網微觀 水力模型可以用回路方程、節點方程、壓降方程來進行表達，當前多以節點水壓為求解 變量的牛頓迭代法對上述方程進行優化求解。利用供水管網微觀水力模型求解得出的 管段參數以及節點參數可以比較全面的表達出供水管網系統各處的水力運行狀態，直觀 性較強。供水管網改擴建過程中的規劃、設計等階段多數依靠供水管網微觀水力模型來進行指導。
3 供水管網水力模型的建立方法與原則
3.1 水力建模理論基礎
供水管網水流運動規律滿足質量守恒定律及能量守恒定律。供水管網質量守恒定律 表現為節點的流量平衡：流入節點的所有流量應等于流出節點的所有流量。供水管網 連續性方程組如下式所示。
上式中：
qi—管段i的流量，m3/s；
Qj—節點j的流量，m3/s；
sj—節點j的關聯集；
N—供水管網中節點總數。
能量守恒定律體現的是供水管網系統中管段的動能與壓能消耗的規律，根據能量守 恒方程任意管段i兩端的節點水頭之差應等于該管段的壓力降。供水管網水頭損失方 程及能量方程組如下式所示。
hi=HFi-HTi i=1，2，3，…，M
式（2、2)、（2.3）中：
hi—管段i的壓力降，m；
Fi—管段i的起點編號；
Ti—管段i的終點編號；
HFi—管段i的起點水頭，m；
HTi—管段i的終點水頭，m；
M—供水管網中管段總數；
k—供水管網中環的管段編號。
上述基于質量守恒定律及能量守恒定律的連續性方程組、水頭損失方程、能量方程 組共同構成供水管網水力模型建立的理論基礎。
3.2 水力建模軟件概況
供水管網水力模型的建立離不開水力建模軟件的支持，當前國內外水力建模軟件種 類較多，如下表所示，其中EPANET、WaterGems兩款水力建模軟件應用較為廣泛。
3.3水力建模技術流程
城市供水管網水力模型的建模技術流程如下所示：
（1）任何水力模型的成功建立都離不開系統、準確的數據支持，水力建模首先要收集 各種管段信息、節點信息、水泵信息、地理信息等供水管網建模靜態信息以及閥門開啟 度、用戶用水信息、監測點信息、管網總供水量等供水管網建模動態信息。
（2）對水力模型進行簡化。水力模型要遵循宏觀等效原則、小誤差原則進行簡化，簡 化有刪除次要管線、合并管線、等效簡化、拆分大系統為小系統等方法。對于規模較大的城市供水管網，簡化后的供水管網管徑一般應≥300 mm，這樣可以提高水力模型運算 的速度。
（3）構建供水管網數據庫，并將前期收集到的各種靜態信息、動態信息以及設置的各 種參數導入到水力建模軟件中并運用相關方程對供水管網的運行工況進行仿真模擬計 算。
（4）將水力模型計算出的各管段的節點水壓、管段流量、水源供水壓力、水源供水流 量等數據與供水管網系統各監測點的實測數據進行對比。如果二者之差小于規定值，則說明水力模型精度滿足要求，模型可以投入使用；如果二者之差大于規定值，則說明水力模型精度不符合要求，需要對水力模型參數進行調整，重新回到第三步進行計算，直到水力模型精度符合要求為止。
4 供水管網水力模型的校核標準與步驟
通過供水管網水力模型模擬的結果與實際供水管網的運行工況不可能完全一致，兩 者之間往往存在著一定的誤差。供水管網水力模型應用之前要保證在一定的誤差范圍內 其模擬結果與實際供水管網運行特征相吻合，這個使模擬值與實測值的誤差滿足精度要 求的過程稱之為供水管網水力模型校核。通過對供水管網水力模型進行校核，能夠增 加供水管網水力模型的可信度。供水管網水力模型的可信度非常重要，因為供水管網系 統的優化調度、近遠期規劃等都以供水管網水力模型的計算結果為指導。如果供水管網 水力模型沒有達到其實際運用所需要的精度要求，那么基于供水管網水力模型的分析結 果將會誤導供水公司最終決策，給供水公司造成不必要的損失。
4.1 影響校核精度的因素
供水管網水力模型的精度由模擬值與實測值的差值來進行評價。美國給水工程協會 （AWWA）通過研究發現影響供水管網水力模型精度的誤差來源主要包括：結構誤差、 測量誤差、節點需水量誤差、管道模阻誤差、管網簡化誤差、水池水位誤差以及水泵運 行狀況誤差。哈爾濱工業大學舒詩湖（2008年）在前人的研究上進一步指出基礎數據 不準確，管道粗糙系數及操作條件的不確定性都會影響水力模型的精度，并進一步通過實驗實測了大用戶用水規律、管道粗糙系數、閥門阻力系數、水泵特性曲線、節點高程 GPS等管網建模的關鍵數據。其中管道粗糙系數（C值）是建立供水管網水力模型的 重要參數之一，供水管網長期運行后管道的C值由于受到各種因素的影響呈現出不確定 性。當前運用最廣泛的方法就是根據經驗參數對其進行賦值。
4.2 水力模型的校核標準
供水管網水力模型的使用目的不同，與其對應的水力模型精度要求也不一樣。目前 通用的供水管網水力模型校核標準主要有三種，分別為美國工程計算機應用委員會 （ECAC）提出的水力模型校核標準、英國水研究中心（WRC）提出的水力模型校核標 準及哈爾濱工業大學趙洪賓教授結合我國供水管網具體情況提出的水力模型校核標準。
為了確保供水管網水力模型的精度，建模工作者需要在不同工況下對供水管網水力 模型進行校核，一般校核的模擬時段必須連續并且不少于24h。但是由于供水管網水 力模型是對實際供水管網系統的近似模擬，以上供水管網水力模型的校核標準也不是一成不變的，應根據供水管網水力模型的使用目的來最終決定。
4.3 水力模型的校核步驟
供水管網水力模型校核一般分成模型預校核以及模型微觀校核兩步，模型預校核指 的是當水力模型計算出的模擬值與實測值差異過大時，通過水力模型模擬計算來核實前 期收集的基礎資料是否準確的過程，其主要包括通過模擬計算來查找管段信息和節點信息是否準確、核查管網拓撲結構是否正確、判斷水泵的特性曲線是否出現偏差、核查閥門操作條件是否正確等步驟。模型微觀校核指的是當水力模型計算出的模擬值與實測 值差別不大時，通過對水力模型中的節點用水量和管道粗糙系數的微調來降低模擬值與 實測值之間的差異從而滿足供水管網水力模型精度要求。供水管網水力模型的校核需要 通過模型預校核以及模型微觀校核相結合來找出存在差異的原因，從而去完善水力模型、 調整模型相關參數設置、多次進行水力模擬計算，使最終建立的供水管網水力模型達到 精度要求。
4.4 水力模型的維護更新
供水管網水力模型經過一系列校核，精度符合要求后能夠較直觀地反映實際供水管網系統的運行狀態。但伴隨城市規模的不斷擴大，供水管網系統每年都會鋪設新供水管 線以及對部分老舊、破損供水管線進行改造維修，加之供水管網系統內閥門的啟閉、設 備的更替、用水量及用水規律的變化都會導致供水管網水力模型精度的下降，因此需要 周期性地維護更新供水管網水力模型才能保持模型的實效性。
5 小結
供水管網水力模型對城市供水管網近遠期規劃，故障分析起著指導性作用；與此同時，一個校核準確的供水管網水力模型是后續基于漏失識別的壓力監測點優化布置以及 供水管網漏失輔助定位模型建立的基礎。因此本章闡述了供水管網水力模型建立的必要 性及其意義，介紹了供水管網水力模型的幾種不同類型，總結了供水管網水力模型建立 的理論基礎、水力建模軟件概況、供水管網水力模型建立的技術流程，論述了影響供水管網水力模型精度的相關因素、供水管網水力模型的校核標準、供水管網水力模型的校 核步驟以及對供水管網水力模型進行周期性的維護更新的意義。
