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第1章 供水系统模型简介1

1.1 供水系统简介1

饮用水水源1

饮用水用户2

供水系统设备2

1.2 什么是供水系统模拟3

1.3 供水模型的应用4

长期规划5

设施维护5

消防研究5

水质调查5

能耗管理5

日常管理5

1.4 建模过程6

1.5 供水技术简史7

1.6 预期状况13

参考文献13

第2章 建模理论14

2.1 流体性质14

密度和重度14

黏度14

流体可压缩性16

蒸汽压16

2.2 流体静力学和动力学17

静水压强17

流速分区与流态18

2.3 能量定义20

能量损失21

2.4 摩擦阻力损失21

达西-魏斯巴赫公式23

海曾-威廉公式26

曼宁公式28

摩擦阻力损失方法对比28

2.5 局部损失29

阀门系数31

等效管段长度31

2.6 阻抗系数31

达西-魏斯巴赫公式32

海曾-威廉公式32

曼宁公式32

局部水头损失32

2.7 能量的获取——水泵33

水泵水头与流量的关系33

系统水头曲线34

水泵的工况点35

水泵特性曲线的其他用途35

2.8 管网水力学36

质量守恒定律36

能量守恒定律37

求解管网问题37

2.9 水质模型38

管段中的迁移38

节点处的混合38

水箱中的混合39

化学反应术语41

水质模拟的其他类型44

求解方法46

参考文献47

讨论话题与习题49

第3章 建立模型55

3.1 地图和资料55

系统图55

地形图55

竣工图56

电子地图和记录57

3.2 模型表示58

管网构件单元58

管网拓扑结构60

3.3 水库62

3.4 水箱62

3.5 节点65

节点高程65

3.6 管道66

长度66

管径67

局部损失69

3.7 水泵69

水泵特性曲线69

水泵的模型表示72

3.8 阀门73

隔离阀74

单向阀75

高度阀76

排气阀和真空破坏阀76

控制阀76

阀门名册78

3.9 控制（状态切换）79

管道控制79

水泵控制79

调节阀门控制79

控制设置指示器80

3.10 模拟类型80

恒态水力模拟80

延时模拟81

模拟的其他类型82

3.11 管网简化83

简化实例83

模型简化策略85

十分重要的管网单元86

重要性未知的单元86

自动简化86

简化的总结91

3.12 模型维护91

参考文献92

讨论话题与习题93

第4章 用户用水量99

4.1 基准需水量99

数据源100

需水量的空间分配101

使用GIS分配需水量105

需水量分类108

水量平衡技术108

使用单位需水量110

未计量水量114

4.2 需水量变化系数115

峰值因子115

4.3 随时间变化的需水量117

日用水量变化曲线117

建立系统范围的日用水量变化曲线117

建立用户每日用水量曲线118

在模型里定义用水变化模式120

4.4 预测将来需水量122

历史趋势123

将来需水量的空间分配123

分项预测124

4.5 消防用水量124

参考文献126

讨论话题与习题129

第5章 供水系统测试140

5.1 测试基本原理140

压力测量140

流量测量141

系统测量中的潜在缺陷142

5.2 消火栓流量测试142

毕托管流量计和扩散器143

消防流量测试的潜在问题145

使用消防流量测试进行校核146

5.3 水头损失测试148

双压力计测试148

平行管线测试150

水头损失测试的潜在问题151

使用水头损失测试结果进行校核151

5.4 水泵运行状况测试152

水头特征曲线152

水泵效率测试154

水泵运行测试的潜在问题155

使用水泵运行测试数据进行数据校核155

5.5 延时模拟数据155

供水系统的时间序列数据155

传输追踪测试156

5.6 水质采样157

实验室测试158

现场研究161

5.7 供水系统水箱和水库采样165

水质研究166

示踪研究166

温度监测167

5.8 校核数据的质量168

参考文献171

讨论话题与习题173

第6章 水力模型中SCADA数据的使用180

6.1 SCADA数据类型180

6.2 数据检查间隔时间和未处理数据181

6.3 SCADA数据格式182

6.4 管理SCADA数据183

6.5 SCADA数据错误183

数据压缩问题184

时间相关问题184

数据缺失186

所使用的仪器188

未知高程189

其他的错误来源189

6.6 数据问题的处理办法190

6.7 查证数据有效性191

参考文献192

第7章 管网水力模型校核193

7.1 模型预测与现场测量的运行情况193

基于水头的比较193

数据采集的空间位置194

7.2 模型中的误差源194

错误类型195

名义管径与实际管径196

管线内部粗糙系数值196

系统需水量的分配198

系统图199

时间边界条件的变化201

模型简化202

几何特征难于辨明202

水泵特性曲线202

7.3 校核方法203

手工校核方法203

自动校核方法206

模型确认215

7.4 EPS模型校核215

参数调整215

校核问题216

使用示踪剂校核216

能耗研究216

7.5 水质模型校核217

水源浓度217

初始条件217

管壁反应系数218

7.6 可接受的校核程度222

参考文献224

讨论话题与习题227

第8章 使用模型进行供水系统设计230

8.1 管网设计的模型应用230

管网校验与简化尺度230

设计流量231

可靠性评估232

应用模型进行设计的关键原则233

模型应用类型233

管线管径确定234

8.2 确定与解决常见的供水系统问题235

管径过小的管线系统236

不适当的水泵236

持续的低压237

低需水量情况期间的高水压238

管径过大的管线系统238

8.3 水泵供水系统239

水泵直接向不使用压力控制阀的封闭系统供水242

水泵向使用压力控制阀的封闭系统供水242

变速水泵243

水泵向设有储水水箱的系统供水244

水泵向设有增压泵储水水箱的封闭系统供水245

向气压水箱供水247

水源井水泵供水247

水泵并联249

水泵吸入压头损失250

8.4 将一个系统扩建到新的用户252

分析范围252

用户高程252

评估一个已建系统254

8.5 压力区域建立与水池溢流水位设定257

建立一个新的压力区域258

布置新的压力区域258

水箱溢流水位高程261

8.6 确定选泵评估用的系统水头曲线265

8.7 较低压力区域供水267

减压阀向某个盲端压力区域供水267

设有水箱的较低区域268

由控制阀供水的较低区域269

减压阀或者控制阀的上游条件269

8.8 现有系统的供水能力修复270

数据收集271

系统现有状况模拟271

选择方案概览272

评价274

8.9 能耗和资金费用的权衡274

8.10 在水箱设计和运行中使用模型275

系统模型276

计算流体动力学模型278

8.11 优化设计和供水能力恢复规划279

构建优化设计280

最优化设计方法281

最优化问题284

设计最优化问题的多目标化和处理286

多目标决策287

使用最优化技术288

参考文献289

讨论话题与习题292

第9章 用户系统建模308

9.1 水表建模308

9.2 倒流保护器310

9.3 自来水公司供水系统的接口表示312

9.4 用户需水量312

拟建系统的商业需水量313

9.5 喷洒设备设计314

模型的起始物理端点314

喷洒设备水力学315

近似的喷洒设备水力学316

管道设计316

消防喷洒设备318

喷洒设备管道尺寸319

灌溉喷洒设备320

参考文献320

讨论话题与习题321

第10章 运行327

10.1 管网运行过程中模型的角色327

10.2 低压问题328

问题识别328

模拟低压329

查找关闭的阀门329

解决低压问题331

10.3 低消防流量问题333

识别问题333

低消防流量的解决方案333

10.4 调整压强区域边界335

10.5 水箱停止使用337

消防流量337

低需水量问题338

10.6 关闭系统某个区域339

表示关闭方案339

模拟关闭方案340

10.7 电力中断340

电力中断模拟341

电力中断持续时间341

10.8 电力消耗341

确定水泵运行工况点342

能量费用计算344

多个不同运行点345

连续变化水泵流量345

建立流量-效率关系曲线346

变速泵347

使用水泵能耗数据348

理解电费比率结构348

水泵运行时程优化349

10.9 供水管网冲洗351

冲刷模拟352

表示出流消火栓352

使用喷流口估计消火栓出流量353

相对于节点的消火栓位置355

恒态与延时（ESP）运行355

成功冲刷的指标356

10.10 确定供水系统水表规格357

子系统水表计量357

应用模型确定水表规格357

水表选择的含义358

10.11 关于系统污染研究的模型359

10.12 漏失控制360

10.13 保持管线中足够的消毒剂余量362

消毒剂余量估计362

二次加氯364

消毒剂副产物的生成365

优化技术365

参考文献366

讨论话题与习题371

第11章 供水系统安全394

11.1 供水系统脆弱性394

11.2 潜在的供水安全事件395

物理破坏395

污染396

11.3 薄弱环节评估401

检查和核对清单403

正规的评估工具及方法403

11.4 仿真模型应用405

供水系统模型406

水箱和水库混合模型409

地表水的水力及水质模型410

11.5 安全措施410

参考文献412

讨论话题与习题413

第12章 地理信息系统与水力模型的集成416

12.1 GIS基础417

数据管理418

地理数据模型419

12.2 企业GIS的开发和维护420

GIS成功实现的关键421

需求评估421

设计422

初步研究427

生产428

展示428

12.3 模型建立428

模型的可持续性和维护429

在GIS专业人员和模型工作人员之间沟通430

使用已有的GIS建模431

管网构件431

用水数据提取433

高程数据检索438

水力模型GIS与企业级GIS比较440

12.4 GIS分析和可视化443

使用属性数据创建专题地图443

使用特征的空间匹配来设定新的数据444

在特征之间使用空间关系以选定某种单元和赋值新的数据445

使用关系进行网络追踪446

使用GIS综合功能执行复杂分析446

12.5 GIS和水力模型的未来发展449

参考文献449

讨论话题与习题450

第13章 瞬变流动453

13.1 瞬变流动介绍453

瞬变影响454

瞬变评估总论455

13.2 瞬变流动的物理机制456

刚性模型456

弹性模型457

瞬变分析方法历史460

13.3 瞬变量级和速度461

特征时间462

Joukowsky方程462

波速与管道弹性463

弹性模型与刚性模型比较464

波的反射与传播465

衰减与线路填充471

13.4 数值模型校验474

13.5 现场测量数据采集475

13.6 瞬变控制476

管道系统设计及空间布设476

防护设施479

13.7 运行操作考虑486

流动控制监测站486

空气释放阀489

参考文献490

讨论话题与习题491

附录A 单位和符号493

A.1 单位493

A.2 符号493

附录B 转换系数500

长度转换系数500

体积转换系数500

压强转换系数500

流量转换系数501

运动黏度转换系数502

流速转换系数502

能量转换系数502

附录C 附表503

水的密度、黏度和运动黏度503

水的标准蒸汽压503

标准大气压503

各种流态的雷诺数504

各种管材等效砂粒粗糙度504

各种管材的C值505

曼宁糙率数值506

局部损失系数506

附件D 模型优化技术508

D.1 最优化技术概述509

最优化术语509

最优化过程509

最优化问题的图形描述510

为什么使用最优化技术？511

D.2 如何使用最优化技术512

单目标最优化512

多目标最优化513

最优化技术的应用513

D.3 最优化方法514

解析最优化法515

线性规划法517

非线性规划法520

动态规划法522

非适应性搜索法524

探索与挖掘526

适应性搜索法526

D.4 遗传算法529

D.5 多目标最优化533

权重法533

约束法534

参考文献535

附录E SCADA基础539

E.1 SCADA系统的组分539

现场数据接口设备540

现场数据通信系统542

中央主机546

操作员工作站通信系统547

软件系统548

E.2 数据采集机制549

E.3 现场数据处理549

E.4 控制的层级550

E.5 在SCADA失效期间数据的处理551

E.6 错误及准确性问题551

参考文献552

参考书目553

一般供水系统水力学553

一般水力模型555

复原与维护556

模型应用556

水泵加压559

用户需水量559

模型率定560

优化技术564

优化设计565

模拟能量效率569

水质模型571

消防575

瞬变流576

供水系统安全578

管理控制与数据采集579

地理信息系统（GIS）579