CN115017744B - 地下水源地供水水力计算模型的建模方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及供水系统技术领域，提出了地下水源地供水水力计算模型的建模方法及系统，在开始进行水力计算时，把拟开启井泵的额定流量作为假定出水量，并根据各井泵的假定出水量依次计算各管段的流量值；根据各管段的流量值计算各管段的水头损失；从水源井供水管网末端开始，根据各管段的水头损失，计算各井泵出口的压力值；根据各井泵出口的压力值，计算各井泵的修正出水量（一般不同于假定出水量）；出水量变化后，水头损失跟随变化，反复执行上述计算过程，直到所有井泵的假定出水量与修正出水量的差值满足计算精度要求。通过上述技术方案，解决了现有技术中地下水源地供水系统设计精细化程度低的问题，应用范围可拓宽到运行优化调度。

Description

地下水源地供水水力计算模型的建模方法及系统
技术领域
本发明涉及供水系统技术领域，具体的，涉及地下水源地供水水力计算模型的建模方法及系统。
背景技术
地下水源地供水系统在工程的设计阶段，在进行水源井供水管网的水力计算时，如果采用传统的管网平差计算软件，需将每一眼水源井视作一个水厂并构成虚环，计算难度大，不易收敛和计算复杂，而且计算结果与实际运行会有较大的偏差，为了满足实际运行需要，一般采取井泵额定流量进行估算的方法，存在的问题是计算精度差，一般会留有较大的设计余量和安全系数，造成不必要的工程投资浪费。
发明内容
本发明提出地下水源地供水水力计算模型的建模方法及系统，解决了相关技术中地下水源地供水系统设计精细化程度低的问题。
本发明的技术方案如下：
第一方面，地下水源地供水水力计算模型的建模方法，包括：
建立水源井供水管网模型，所述水源井供水管网模型包括管道和水源井，所述管道包括主管道和支管道，所述主管道和所述支管道的交点为主节点，每一水源井内均设置有井泵，所述井泵与所述支管道连接；任意两个相邻的节点之间的管道为一个管段，所述节点为主节点或井泵；
执行至少一次水力计算操作，直至满足停止条件；
任一次水力计算操作包括：根据每一井泵的假定出水量依次计算各管段的流量值；根据各管段的流量值计算各管段的水头损失；从水源井供水管网末端开始，按照逆水流的方向，根据各管段的水头损失，依次计算各节点压力值；根据各节点的压力值，计算各井泵的修正出水量；所述水源井供水管网末端为：水流方向的末端；在首次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为该井泵的额定流量，在其它次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为前一次的修正出水量；
所述停止条件包括：所有井泵的所述假定出水量和所述修正出水量的差值在设定范围内；
最后一次水力计算操作中的任一井泵的修正出水量作为该井泵的目标出水量，最后一次水力计算操作中得到的任一井泵的压力值作为该井泵的目标压力值；
所述地下水源地供水水力计算模型包括：所述水源井供水管网模型、所述井泵的目标出水量、所述井泵的目标压力值、各管段的流量值及水源井供水管网总供水量。
第二方面，地下水源地供水水力计算模型的建模系统，包括：
第一处理单元，用于建立水源井供水管网模型，所述水源井供水管网模型包括管道和水源井，所述管道包括主管道和支管道，所述主管道和所述支管道的交点为主节点，每一水源井内均设置有井泵，所述井泵与所述支管道连接；任意两个相邻的节点之间的管道为一个管段，所述节点为主节点或井泵；
第一执行单元，用于执行至少一次水力计算操作，直至满足停止条件；
任一次水力计算操作包括：根据每一井泵的假定出水量依次计算各管段的流量值；根据各管段的流量值计算各管段的水头损失；从水源井供水管网末端开始，按照逆水流的方向，根据各管段的水头损失，依次计算各节点压力值；根据各节点的压力值，计算各井泵的修正出水量；所述水源井供水管网末端为：水流方向的末端；在首次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为该井泵的额定流量，在其它次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为前一次的修正出水量；
所述停止条件包括：所有井泵的所述假定出水量和所述修正出水量的差值在设定范围内；
最后一次水力计算操作中的任一井泵的修正出水量作为该井泵的目标出水量，最后一次水力计算操作中得到的任一井泵的压力值作为该井泵的目标压力值；
第一输出单元，用于输出所述地下水源地供水水力计算模型，包括：所述水源井供水管网模型、所述井泵的目标出水量、所述井泵的目标压力值、各管段的流量值及水源井供水管网总供水量。
第三方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的地下水源地供水水力计算模型的建模方法的步骤。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明中通过建立水源井供水管网水力计算模型，根据给定的水源井供水管网末端的压力值，进行多次水力计算操作，即可得到每一井泵的目标流量值和目标压力值。在工程设计阶段，本发明的水力计算模型为地下水源地供水系统设计（例如井泵选型、管道选型）提供依据，有利于地下水源地供水系统设计的精细化；在运行阶段，本发明的水力模型可以用于模拟地下水源地供水系统的运行状态，实时显示运行参数，包括：每一井泵的流量值和压力值、各管段的流量值及水源井供水管网总供水量等，并与实际运行参数比较，监测地下水源地供水系统的运行是否正常。
在首次水力计算操作中，把任一井泵的额定流量作为假定出水量，并根据每一井泵的假定出水量依次计算各管段的流量值；根据各管段的流量值计算各管段的水头损失；从水源井供水管网末端开始，按照逆水流的方向，将各管段的水头损失依次相加，得到各节点的压力值；根据各节点的压力值，计算各井泵的修正出水量。如果假定出水量与修正出水量的差值超出设定范围，则表明假定出水量不符合设计精度需求，需调整假定出水量，将本次得到的修正出水量作为下一次的假定出水量，重新进行一次水力计算操作；如此反复，直到假定出水量与修正出水量的差值在设定范围内，表明假定出水量符合设计需求，将假定出水量作为目标出水量，并根据目标出水量计算目标压力值、各管段的流量值及水源井供水管网总供水量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明地下水源地供水水力计算模型的建模方法流程图；
图2为本发明中水源井供水管网模型示意图；
图3为本发明中管段前端和后端位置关系定义示意图；
图4为本发明地下水源地供水水力计算模型的建模系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都涉及本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，为本实施例地下水源地供水水力计算模型的建模方法流程图，包括：
S100：建立水源井供水管网模型，所述水源井供水管网模型包括管道和水源井，所述管道包括主管道和支管道，所述主管道和所述支管道的交点为主节点，每一水源井内均设置有井泵，所述井泵与所述支管道连接；任意两个相邻的节点之间的管道为一个管段，所述节点为主节点或井泵；
水源井供水管网一般为枝状，如图2所示，本实施例中包括主管道和支管道（支管道不再考虑分支），用二维数组分别表示各水源井及管段的参数（支管道再有分支则用三维数组表示）。首先将已定线的水源井供水管网确定主管道和支管道，然后将各水源井及各管段进行编号。编号顺序为逆水流方向向上，先编主管道上的节点（主节点），末端为0，第一个支管道的编号为1，第一个支管道与主管道的交点为1号主节点，第二个支管道的编号为2，第二个支管道与主管道的交点为2号主节点......；井泵和管段均用二维数组表示，例如第一个支管道上的第一个井泵（第一眼井）为（1,1），第二个井泵为（1,2）......；主节点0到主节点1之间的管段编号为（1，0），主节点1到井泵为（1,1）之间的管段编号为（1,1）......。
S200：执行至少一次水力计算操作，直至满足停止条件；任一次水力计算操作包括：
S210：根据每一井泵的假定出水量依次计算各管段的流量值；具体包括：
获得每一井泵的运行状态和假定出水量；上述运行状态包括：开启状态和停止状态；
对于任一管段，按照水流方向，将位于所述管段前方的、且处于开启状态的所有井泵的假定出水量相加得到该管段的流量值。在首次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为该井泵的额定流量，在其它次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为上一次水力计算操作中得到的该井泵的修正出水量；
以图2所示水源井供水管网模型为例，从距离管网末端（主节点0）最远的井泵（3,3）开始计算（图2中的③#），管段（3，3）的流量Qg(3,3) = KT(3,3)×Qf(3,3)，其中KT(3,3)表明井泵（3,3）的开启状态或停止状态，当井泵（3,3）开启时，KT(3,3)=1；当井泵（3,3）关闭时，KT(3,3)=0；Qf(3,3)为井泵（3,3）的假定出水量。
管段（3，2）的流量Qg(3,2)= Qg(3,3) + KT(3,2)×Qf(3,2)，其中KT(3,2)表明井泵（3,2）的开启状态或停止状态，当井泵（3,2）开启时，KT(3,2)=1；当井泵（3,2）关闭时，KT(3,2)=0；Qf(3,2)为井泵（3,2）的假定出水量。
管段（2，0）的流量Qg(2,0)= Qg(3,0)+ Qg(2,1)。
以此类推，得到水源井供水管网末端的流量，即水源井供水管网总供水量Qg(1,0)= Qg(2,0)+ Qg(1,1)。
S220：根据各管段的流量值计算各管段的水头损失；具体包括：
管段包括主管段和支管段，位于主管道上的管段为主管段，编号为（u，0），u表示主管道上的第u个主管段；位于支管道上的管段为支管段，编号为（u，v），u表示第u个支管道上的第v个井泵；u和v均为整数，v≠0；
对任一编号为（u,v）的管段，
Figure 921917DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，Hg（u,v）为该管段的水头损失，n为该管段的粗糙系数，D为该管段的直径，Qg为该管段的流量值，Lg为该管段的长度。
S230：从水源井供水管网末端开始，按照逆水流的方向，根据各管段的水头损失，依次计算各节点压力值；上述水源井供水管网末端为：水流方向的末端；
具体的，对任一管段，将其前端所连接节点的压力值与该管段的水头损失相加，得到其后端所连接节点的压力值；其中，从后端到前端的方向与水流方向一致；在首次节点压力值计算中，管段前端所连接节点的压力值为水源井供水管网末端的压力值。管段前端和后端的定义如图3所示，图中箭头方向为水流方向。
仍以图2所示水源井供水管网模型为例，从水源井供水管网末端（主节点0）开始，主节点0的压力值为给定值Hk0，可以根据实际需要设定给定值Hk0，主节点1的压力值Hk1= Hk0+ Hg(1,0)。其中，Hg(1,0)根据公式（1）计算得到。
主节点2的压力值Hk2= Hk1+ Hg(2,0)，Hg(2,0)根据公式（1）计算得到。
井泵（2,1）的压力值Hk (2,1)= Hk2+ Hg(2,1)，其中，Hg(2,1)根据公式（1）计算得到。
以此类推，得到每一井泵的压力值。
S240：根据各节点的压力值，计算各井泵的修正出水量； 具体包括：
对任一编号为（u,v）的井泵，
Figure 917686DEST_PATH_IMAGE002
（2）
其中，u表示第u个支管道，v表示该支管道上第v个井泵，Qf（u,v）为该井泵的修正出水量，Y、Hj、Ht、Hk、a、b、c均为该井泵的参数，Y表示单位降深，Hj表示井泵的静水位，Ht表示井泵降深修正值，Hk表示井泵的压力值；a，b，c均为井泵的流量-扬程曲线的系数。
上述停止条件包括：上述假定出水量和上述修正出水量的差值满足设定范围；
具体的，如果满足
Figure 759740DEST_PATH_IMAGE003
，则表明假定出水量符合需求，停止计算。
最后一次水力计算操作中的任一井泵的假定出水量作为该井泵的目标出水量，最后一次水力计算操作中得到的任一井泵的压力值作为该井泵的目标压力值；
在首次水力计算操作中，任一井泵的额定流量作为假定出水量，并根据每一井泵的假定出水量依次计算各管段的流量值；根据各管段的流量值计算各管段的水头损失；从水源井供水管网末端开始，按照逆水流的方向，将各管段的水头损失依次相加，得到各节点的压力值；根据各节点的压力值，计算各井泵的修正出水量。如果假定出水量与修正出水量的差值超出设定范围，则表明假定出水量不符合设计需求，调整假定出水量，重新进行一次水力计算操作；如此反复，直到假定出水量与修正出水量的差值满足设定范围，表明假定出水量符合设计需求，将假定出水量作为目标出水量，并根据目标出水量计算目标压力值、各管段的流量值及水源井供水管网总供水量。
S300：上述地下水源地供水水力计算模型包括：上述水源井供水管网模型、上述井泵的目标出水量、上述井泵的目标压力值、各管段的流量值及水源井供水管网总供水量。
本实施例中通过建立水源井供水管网模型，按照给定的水源井供水管网末端的压力值，进行多次水力计算操作，即可得到每一井泵的目标流量值和压力值。在工程设计阶段，本实施例的水力模型为地下水源地供水系统设计（例如井泵选型、管道选型）提供依据，有利于地下水源地供水系统设计的精细化；在运行阶段，本实施例的水力模型可以用于模拟地下水源地供水系统的运行状态，实时显示运行参数，包括：每一井泵的目标出水量和目标压力值、各管段的流量值及水源井供水管网总供水量等，并与实际运行参数比较，当某个节点压力降低，某个管段流量降低时，及时进行报警和提示，判断管道是否存在漏水，得到确认后及时采取停井、关阀等措施，派维修人员现场核查可能的漏水点。
需要说明的是KT(x,y)（x表示支管道的编号，y表示该支管道上的第y个井泵）的设置在设计阶段，用于对供水系统的一些极端情况进行校核，如图2所示，如果将距离管网末端（主节点0）最近的井泵（1,1）和井泵（1,2）关闭，即KT(1,1)=0、KT(1,2)=0，此时距离管网末端（主节点0）最远的井泵（3,3）的压力值最大，通过执行水力计算操作，计算此时井泵（3,3）的压力值，并与设定的压力限值比较，如果井泵（3,3）的压力值小于设定的压力限值，表明井泵选型合理，否则，需要更换井泵设计。
下面介绍公式（2）的推导过程：
1、井泵的流量-扬程曲线
井泵的流量-扬程曲线采用厂家提供的样本曲线，如下：
Figure 233578DEST_PATH_IMAGE004
（3）
其中，Hp为井泵扬程，Qf为井泵的出水量，即为井泵流量值，a,b,c均为样本曲线的系数。
2、井泵的水位降深-流量曲线
井泵水位降深与流量的关系大致符合直线式（线性关系），精确计算可采用对数式或指数式，经对已运行水源井的数据进行分析，按照直线式在常用流量段符合很好，只是在不常用的低流量端略有误差，为此采用直线式，增加一个较小的调整值Ht，关系式如下：
Figure 375846DEST_PATH_IMAGE005
（4）
其中，Hd为井泵动水位，Hj为井泵静水位，Hd-Hj为井泵水位降深，各水源井的动水位可实时监测，并在水源井停止运行一段时间里得到水源井的静水位；Qf为井泵流量值；在供水系统设计阶段，井泵的水位降深-流量曲线可以根据水源井的竣工验收报告得到，竣工验收时，通过水源井的抽水试验，得到多组数据，每组数据均包括一一对应的井泵动水位Hd和井泵流量值Qf，通过对多组历史数据进行线性拟合得到公式（4）中的单位降深Y和降深修正值Ht。
在地下水源地系统正常运行以后，通过运行大数据的长期积累，不断进行机器学习，定期对水源井的Ht，Y，各水源井配套井泵的a、b、c等参数，以及各管段的粗糙系数n等，进行修正，维护模拟系统的精准运行。
3、根据井泵动水位Hd计算井泵扬程需求值Hx：
Figure 401571DEST_PATH_IMAGE006
（5）
其中，Hk为井泵的压力值，即为井口压力值。
根据井泵扬程需求值Hx确定井泵工作点，即令Hp=Hx，综合上式（3）、（4）、（5）得到井泵流量值Qf和（井口）压力值Hk之间的关系式：
Figure 747233DEST_PATH_IMAGE007
（2）
实施例二
如图4所示，为本实施例地下水源地供水水力计算模型的建模系统的结构示意图，包括：
第一处理单元，用于建立水源井供水管网模型，所述水源井供水管网模型包括主管道、支管道和水源井，所述主管道和所述支管道的交点为主节点，每一水源井内均设置有井泵，所述井泵与所述支管道连接；任意两个相邻的节点之间的管道为一个管段，所述节点为主节点或井泵；
第一执行单元，用于执行至少一次水力计算操作，直至满足停止条件；
任一次水力计算操作包括：根据每一井泵的假定出水量依次计算各管段的流量值；根据各管段的流量值计算各管段的水头损失；从水源井供水管网末端开始，按照逆水流的方向，根据各管段的水头损失，依次计算各节点压力值；根据各节点的压力值，计算各井泵的修正出水量；所述水源井供水管网末端为：水流方向的末端；在首次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为该井泵的额定流量，在其它次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为前一次的修正出水量；
所述停止条件包括：所有井泵的所述假定出水量和所述修正出水量的差值在设定范围内；
最后一次水力计算操作中的任一井泵的修正出水量作为该井泵的目标出水量，最后一次水力计算操作中得到的任一井泵的压力值作为该井泵的目标压力值；
第一输出单元，用于输出所述地下水源地供水水力计算模型，包括：所述水源井供水管网模型、所述井泵的目标出水量、所述井泵的目标压力值、各管段的流量值及水源井供水管网总供水量。
进一步，还包括：
第一获得单元，用于获得每一井泵的运行状态和假定出水量；所述运行状态包括：开启状态和停止状态；
第一计算单元，用于对于任一管段，按照水流方向，将位于所述管段前方的、且处于开启状态的所有井泵的假定出水量相加得到该管段的流量值。
本实施例地下水源地供水水力计算模型的建模系统的工作原理在方法实施例中已有详细的描述，为了说明书的简洁，这里不做赘述。
实施例三
本实施例还提出了一种计算机可读存储介质，上述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，上述计算机程序被处理器执行时实现上述的地下水源地供水水力计算模型的建模方法的步骤。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.地下水源地供水水力计算模型的建模方法，其特征在于，包括：
建立水源井供水管网模型，所述水源井供水管网模型包括管道和水源井，所述管道包括主管道和支管道，所述主管道和所述支管道的交点为主节点，每一水源井内均设置有井泵，所述井泵与所述支管道连接；任意两个相邻的节点之间的管道为一个管段，所述节点为主节点或井泵；
执行至少一次水力计算操作，直至满足停止条件；
任一次水力计算操作包括：
根据每一井泵的假定出水量依次计算各管段的流量值；
根据各管段的流量值计算各管段的水头损失；
从水源井供水管网末端开始，按照逆水流的方向，根据各管段的水头损失，依次计算各节点压力值；所述水源井供水管网末端为：水流方向的末端；
根据各节点的压力值，计算各井泵的修正出水量；
在首次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为该井泵的额定流量，在其它次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为前一次的修正出水量；
所述停止条件包括：所有井泵的所述假定出水量和所述修正出水量的差值在设定范围内；
最后一次水力计算操作中的任一井泵的修正出水量为该井泵的目标出水量，最后一次水力计算操作中得到的任一井泵的压力值为该井泵的目标压力值；
所述地下水源地供水水力计算模型包括：所述水源井供水管网模型、所述井泵的目标出水量、所述井泵的目标压力值、各管段的流量值及水源井供水管网总供水量；
所述根据各节点的压力值，计算各井泵的修正出水量，具体包括：
对任一井泵，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，Qf为该井泵的修正出水量，Y、Hj、Ht、Hk、a、b、c均为该井泵的参数，Y表示单位降深，Hj表示井泵的静水位，Ht表示井泵降深修正值，Hk表示井泵的压力值；a、b、c为井泵工频流量-扬程曲线系数。
2.根据权利要求1所述的地下水源地供水水力计算模型的建模方法，其特征在于，所述根据每一井泵的假定出水量依次计算各管段的流量值，具体包括：
获得每一井泵的运行状态和假定出水量；所述运行状态包括：开启状态和停止状态；
对于任一管段，按照水流方向，将位于所述管段前方的、且处于开启状态的所有井泵的假定出水量相加得到该管段的流量值。
3.根据权利要求1所述的地下水源地供水水力计算模型的建模方法，其特征在于，所述根据各管段的流量值计算各管段的水头损失，具体包括：
对任一管段，
Figure 309669DEST_PATH_IMAGE002
其中，Hg为该管段的水头损失，n为该管段的粗糙系数，D为该管段的直径，Qg为该管段的流量值，Lg为该管段的长度。
4.根据权利要求1所述的地下水源地供水水力计算模型的建模方法，其特征在于，所述从水源井供水管网末端开始，按照逆水流的方向，根据各管段的水头损失，依次计算各节点压力值，具体包括：
对任一管段，将其前端所连接节点的压力值与该管段的水头损失相加，得到其后端所连接节点的压力值；其中，从后端到前端的方向与水流方向一致；在首次节点压力值计算中，管段前端所连接节点的压力值为水源井供水管网末端的压力值。
5.地下水源地供水水力计算模型的建模系统，其特征在于，包括：
第一处理单元，用于建立水源井供水管网模型，所述水源井供水管网模型包括主管道、支管道和水源井，所述主管道和所述支管道的交点为主节点，每一水源井内均设置有井泵，所述井泵与所述支管道连接；任意两个相邻的节点之间的管道为一个管段，所述节点为主节点或井泵；
第一执行单元，用于执行至少一次水力计算操作，直至满足停止条件；
任一次水力计算操作包括：根据每一井泵的假定出水量依次计算各管段的流量值；根据各管段的流量值计算各管段的水头损失；从水源井供水管网末端开始，按照逆水流的方向，根据各管段的水头损失，依次计算各节点压力值；根据各节点的压力值，计算各井泵的修正出水量；所述水源井供水管网末端为：水流方向的末端；在首次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为该井泵的额定流量，在其它次水力计算操作中，任一井泵的假定出水量为前一次的修正出水量；
所述停止条件包括：所有井泵的所述假定出水量和所述修正出水量的差值在设定范围内；
最后一次水力计算操作中的任一井泵的修正出水量作为该井泵的目标出水量，最后一次水力计算操作中得到的任一井泵的压力值作为该井泵的目标压力值；
第一输出单元，用于输出所述地下水源地供水水力计算模型，包括：所述水源井供水管网模型、所述井泵的目标出水量、所述井泵的目标压力值、各管段的流量值及水源井供水管网总供水量；
所述根据各节点的压力值，计算各井泵的修正出水量，具体包括：
对任一井泵，
Figure 666570DEST_PATH_IMAGE001
其中，Qf为该井泵的修正出水量，Y、Hj、Ht、Hk、a、b、c均为该井泵的参数，Y表示单位降深，Hj表示井泵的静水位，Ht表示井泵降深修正值，Hk表示井泵的压力值；a、b、c为井泵工频流量-扬程曲线系数。
6.根据权利要求5所述的地下水源地供水水力计算模型的建模系统，其特征在于，还包括：
第一获得单元，用于获得每一井泵的运行状态和假定出水量；所述运行状态包括：开启状态和停止状态；
第一计算单元，用于对于任一管段，按照水流方向，将位于所述管段前方的、且处于开启状态的所有井泵的假定出水量相加得到该管段的流量值。
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