本發(fā)明涉及水利領(lǐng)域，尤其涉及一種基于節(jié)點(diǎn)參數(shù)化技術(shù)的輸水管網(wǎng)計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

供水系統(tǒng)是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，負(fù)責(zé)將水體從水源地輸送至用水戶，滿足城市生活和生產(chǎn)用水需求。隨著城市的快速發(fā)展，城市供水能力需求越來(lái)越高，供水系統(tǒng)的建設(shè)也越來(lái)越復(fù)雜。一方面，有壓輸水下的管網(wǎng)運(yùn)行工況多，管理與控制難度大；另一方面，輸水管網(wǎng)的安全與高效運(yùn)行對(duì)于城市各需水部門正常運(yùn)作至關(guān)重要。輸水管網(wǎng)除設(shè)計(jì)合理性等問(wèn)題外，在運(yùn)行中還常出現(xiàn)管道滲漏甚至破裂、提水泵站過(guò)大水錘引起局部工程破壞、閥門失控造成局部水擊等問(wèn)題。輸水管網(wǎng)的安全與高效運(yùn)行不僅依賴于合理、過(guò)硬的工程設(shè)計(jì)與建設(shè)，還離不開(kāi)支持管理人員快速分析與決策的模擬仿真平臺(tái)。而目前較為落后的輸水管網(wǎng)模擬計(jì)算技術(shù)和信息管理技術(shù)是我國(guó)城市輸水管網(wǎng)科學(xué)化管理的短板。

在復(fù)雜輸水管網(wǎng)模擬計(jì)算方面的研究及其相關(guān)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已有較多的成果可借鑒。盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)于輸水管網(wǎng)計(jì)算方法和模型軟件眾多、模擬計(jì)算經(jīng)驗(yàn)豐富，但在實(shí)踐中仍存在各自的局限性和不足點(diǎn)。很多計(jì)算模型仍主要基于能量方程和平差理論，對(duì)水力過(guò)渡過(guò)程模擬困難，尤其在泵站、空氣調(diào)節(jié)閥等內(nèi)部調(diào)節(jié)工程較多、管網(wǎng)連接復(fù)雜時(shí)，要么功能不兼容，要么模型不開(kāi)源，存在模型數(shù)據(jù)管理繁瑣、模擬計(jì)算成本較高等諸多問(wèn)題。而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、模型兼容性和計(jì)算效率是選擇管網(wǎng)計(jì)算模型的關(guān)鍵因素，一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便、運(yùn)算高效、易于編程實(shí)現(xiàn)的管網(wǎng)計(jì)算模型對(duì)于輸水管網(wǎng)的快速預(yù)測(cè)與決策具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于節(jié)點(diǎn)參數(shù)化技術(shù)的輸水管網(wǎng)計(jì)算方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的前述問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述基于節(jié)點(diǎn)參數(shù)化技術(shù)的輸水管網(wǎng)計(jì)算方法，所述方法包括：

S1，根據(jù)待測(cè)管網(wǎng)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)參數(shù)值和管道恒定輸水公式對(duì)待測(cè)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行初始化；

S2，將初始化后的待測(cè)管網(wǎng)系統(tǒng)分解為參數(shù)化節(jié)點(diǎn)和相鄰兩個(gè)參數(shù)化節(jié)點(diǎn)間連接的計(jì)算管道；同時(shí)，獲得計(jì)算管道連接參數(shù)和節(jié)點(diǎn)連接參數(shù)，通過(guò)計(jì)算管道連接參數(shù)與節(jié)點(diǎn)連接參數(shù)將計(jì)算管道與參數(shù)化節(jié)點(diǎn)連接組合；

S3，判斷當(dāng)前計(jì)算的時(shí)間是否為模型控制結(jié)束時(shí)間，如果是，則完成當(dāng)前時(shí)間待測(cè)管網(wǎng)系統(tǒng)中整個(gè)有壓管網(wǎng)的計(jì)算；如果否，則返回S1，直至當(dāng)前計(jì)算時(shí)間為結(jié)束時(shí)間為止，完成當(dāng)前時(shí)段待測(cè)管網(wǎng)系統(tǒng)中整個(gè)有壓管網(wǎng)的計(jì)算。

優(yōu)選地，步驟S2中，采用有壓管道瞬變流計(jì)算模型對(duì)任意計(jì)算管道計(jì)算，得到任意計(jì)算管道連接參數(shù)，其中，有壓管道瞬變流計(jì)算模型按照下述建立：

根據(jù)管道中水流的連續(xù)性和動(dòng)量守恒原理推導(dǎo)得到水擊方程組，所述水擊方程組中的連續(xù)方程見(jiàn)公式(1)，所述水擊方程組中的動(dòng)量方程見(jiàn)公式(2)；

其中，a為水擊波速，單位m/s；v為流速，單位m/s；H為水頭，單位m；α為計(jì)算管道逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至水平方向的角度，當(dāng)α<0.05時(shí)，vsinα忽略；f為達(dá)西-威斯巴赫摩擦損失系數(shù)；g為重力加速度，單位m/s²；D為計(jì)算管道直徑，單位m；x為計(jì)算空間位置，單位m；t表示當(dāng)前計(jì)算時(shí)間，單位s；

采用特征線法求解水擊方程，具體為：利用偏微分方程對(duì)應(yīng)特征方程將水擊方程組轉(zhuǎn)換為沿波動(dòng)傳播方向的兩組常微分方程，即方程(3)為公式(1)的常微分方程C⁺，方程(4)為公式(2)的常微分方程C^－：

將兩組常微分方程離散后積分，分別得到以流量、水頭為參變量的方程組，分別為方程組(5)和方程組(6)：

其中，H_P為管道中需計(jì)算斷面P處的水頭，單位m；Q_P為管道中需計(jì)算斷面P處的流量，單位m³/s；H₁、H₂分別為計(jì)算管道中已知斷面1、已知斷面2處的水頭，單位m；Q₁、Q₂分別為計(jì)算管道中已知斷面1、已知斷面2處的流量，單位m³/s；Δx為計(jì)算空間步長(zhǎng)，單位m；A表示管道中需計(jì)算斷面面積；

基于方程組(5)和方程組(6)，由計(jì)算管道上一時(shí)刻的水流信息顯式地計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻所述計(jì)算管道需計(jì)算斷面P處的水流信息；

為便于計(jì)算，將方程組(5)和方程組(6)分別簡(jiǎn)化為：

C⁺:H_P＝C_P-B_PQ_P (7)

C^-:H_P＝C_M+B_MQ_P (8)

其中，設(shè)定：

由簡(jiǎn)化后的方程(7)和方程(8)換算得到斷面P處流量Q_P的計(jì)算公式再根據(jù)方程(7)和方程(8)計(jì)算計(jì)算管道中水頭和/或壓力，完成任意計(jì)算管道水流的計(jì)算。

更優(yōu)選地，所述參數(shù)化節(jié)點(diǎn)包括的節(jié)點(diǎn)類型為普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)、水頭邊界、流量邊界、流量水頭邊界、流量閥、水泵機(jī)組、空氣閥、止回閥、檢修井、水位池/調(diào)壓池、調(diào)壓塔、分水/取水節(jié)點(diǎn)、排泥閥和隧洞/明渠渠段節(jié)點(diǎn)；步驟S2中，采用節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型對(duì)各類型參數(shù)化節(jié)點(diǎn)計(jì)算，得到節(jié)點(diǎn)連接參數(shù)。

更優(yōu)選地，采用第一節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元計(jì)算任意一個(gè)普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)的連接參數(shù)，具體為：

設(shè)所述普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)處水頭為H_Node，所述普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)存在兩個(gè)特征：

第一特征：每一條流入所述普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)的管道i的流量Q_i滿足方程：

第二特征：每一條流出所述普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)的管道i的流量-Q_i滿足方程：

再由所述普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)處水流的連續(xù)性和能量守恒∑Q_i＝0，求得所述普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)處的水頭計(jì)算公式(9)：

其中，C_PDWi、B_PDWi分別表示流入所述普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)的管道i末端斷面對(duì)應(yīng)于方程(7)中的C_P、B_P參數(shù)；C_MUPi、B_MUPi對(duì)應(yīng)于流出所述普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)的管道i首端斷面對(duì)應(yīng)于方程(8)中的C_M、B_M參數(shù)。

更優(yōu)選地，將所述水頭邊界、所述流量邊界、所述流量水頭邊界統(tǒng)稱為外界邊節(jié)點(diǎn)，設(shè)外邊界節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)Ⅰ，采用第二節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元計(jì)算任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)Ⅰ的連接參數(shù)，具體為：

設(shè)與節(jié)點(diǎn)Ⅰ連接的管道上游已知流量變化過(guò)程Q_up＝Q(t)；則由節(jié)點(diǎn)屬性參數(shù)索引得到節(jié)點(diǎn)Ⅰ處管道斷面Ⅰ的流量過(guò)程Q_p＝Q_up，采用公式(10)計(jì)算Ⅰ節(jié)點(diǎn)管道斷面Ⅰ處水頭：

H_P＝C_MUP+B_MUPQ_P (10)

或設(shè)與節(jié)點(diǎn)Ⅰ連接的管道下游已知水頭過(guò)程：H_DW＝H(t)，則由節(jié)點(diǎn)屬性參數(shù)索引得到節(jié)點(diǎn)Ⅰ處管道斷面的水頭過(guò)程H_P＝H_DW，采用公式(11)計(jì)算節(jié)點(diǎn)Ⅰ處管道斷面Ⅰ流量：

其中，H_P為節(jié)點(diǎn)Ⅰ處管道斷面Ⅰ的水頭計(jì)算管道，單位m；Q_P為節(jié)點(diǎn)Ⅰ處管道斷面Ⅰ的水頭計(jì)算管道，單位m³/s；C_PDW、B_PDW分別表示流入節(jié)點(diǎn)Ⅰ的管道末端斷面C_P、B_P參數(shù)；C_MUP、B_MUP分別表示流出節(jié)點(diǎn)Ⅰ的管道首端斷面C_M、B_M參數(shù)。

更優(yōu)選地，采用第三節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元計(jì)算任意一個(gè)流量閥連接參數(shù)，具體為：

判斷所述流量閥是位于管道末端的末端閥門還是安裝在管道中間的內(nèi)部閥門；

如果是末端閥門β，則所述末端閥門β的流量Q_β計(jì)算公式為：

其中，C_β＝(Q_β0τ)²/(2H_β0)，Q_β0、H_β0分別為末端閥門全開(kāi)時(shí)流量和水頭；τ為末端閥門相對(duì)流量系數(shù)，滿足τ＝C_dA_β/(C_dA_β)₀，(C_dA_β)₀表示末端閥門全開(kāi)時(shí)的C_dA_β值；末端閥門全開(kāi)時(shí)τ為1，末端閥門全關(guān)時(shí)τ為0；C_d為流量系數(shù)，A_β為末端閥門開(kāi)啟面積；

如果是內(nèi)部閥門r，所述內(nèi)部閥門r的流量Q_r的計(jì)算公式為：

其中，ΔH_r為內(nèi)部閥門全開(kāi)時(shí)局部水頭損失，單位m；Q_r0為內(nèi)部閥門全開(kāi)時(shí)流量，單位m³/s；因公式(15)是隱式表達(dá)式，需迭代試算內(nèi)部閥門的流量Q_r；

計(jì)算得到末端閥門和/或內(nèi)部閥門流量后，與末端閥門連接的管道出口端斷面流量與Q_β相等；與內(nèi)部閥門連接的管道進(jìn)口端斷面流量與Q_r相等；然后再分別計(jì)算與末端閥門連接的管道出口端斷面的水頭H_k和與內(nèi)部閥門連接的管道進(jìn)口端斷面的水頭H_w：

管道進(jìn)口端k處的水頭H_k計(jì)算公式：H_k＝C_PDW-B_PDWQ_k；

管道出口端w水頭H_w計(jì)算公式：H_w＝C_MUP+B_MUPQ_w；

將局部阻抗節(jié)點(diǎn)排泥閥作為內(nèi)部閥門全開(kāi)τ＝1的流量閥節(jié)點(diǎn)。

更優(yōu)選地，采用第四節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元計(jì)算所述水泵機(jī)組連接參數(shù)，具體為：任意一個(gè)水泵機(jī)組計(jì)算方程為：

H_Pump＝H_d(q²+n²)WH(e) (16)

式中：H_Pump為機(jī)組揚(yáng)程，單位m；H_d為水泵機(jī)組設(shè)計(jì)揚(yáng)程，單位m；q和n分別為水泵機(jī)組的相對(duì)流量和相對(duì)轉(zhuǎn)速；WH(e)表征水泵機(jī)組全特征量，查Suter曲線求得；e為水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速與流量之間關(guān)系量，滿足

水泵機(jī)組相對(duì)流量q和水泵機(jī)組相對(duì)轉(zhuǎn)速n的方程式：

H_d(q²+n²)WH(e)-C_MUP+C_PDW-(B_MUP+B_PDW)Q_dq＝0 (17)

其中，Q_d為水泵機(jī)組設(shè)計(jì)揚(yáng)程，單位m；

另外，水泵機(jī)組相對(duì)轉(zhuǎn)速n在不同運(yùn)行工況下有不同的確定方法，為：

工況一、正常運(yùn)行時(shí)，水泵機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，n為1.0；

工況二、正常啟、停機(jī)時(shí)，近似認(rèn)為n在啟、停時(shí)間內(nèi)在0～1之間線性變化；

工況三、水泵機(jī)組掉電時(shí)，根據(jù)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)矩方程推算相對(duì)轉(zhuǎn)速n計(jì)算表達(dá)式為：

式中：n₀表示前一時(shí)刻的相對(duì)轉(zhuǎn)速；m₀表示前一時(shí)刻相對(duì)轉(zhuǎn)矩，m₀₀表示前2倍時(shí)間步長(zhǎng)Δt時(shí)刻的相對(duì)轉(zhuǎn)矩；T_c為水泵機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)，T_c＝GD²N_d²/365P_d，其中GD²為飛輪力矩，單位t·m²，N_d為水泵機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，單位r/min，P_d為水泵機(jī)組額定功率，單位kW；

得到相對(duì)轉(zhuǎn)速n后，根據(jù)方程(17)試算相對(duì)流量q，得到水泵機(jī)組的過(guò)流流量Q_Pump＝Q_dq，并由(16)式計(jì)算機(jī)組揚(yáng)程H_Pump；另外，由m＝(q²+n²)WB(e)計(jì)算水泵機(jī)組相對(duì)轉(zhuǎn)矩。

更優(yōu)選地，采用第五節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元計(jì)算任意一個(gè)空氣閥連接參數(shù)，具體為：先由方程(27)求解得到絕對(duì)壓力p后，再計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻空氣質(zhì)量變化，得到氣體體積變化后求解當(dāng)前時(shí)刻流入空氣閥的水流流量Q_avin和流出空氣閥的水流流量Q_avout，然后計(jì)算空氣閥av處水頭H_av；

假設(shè)：定義與任意一個(gè)空氣閥連接的管道內(nèi)相對(duì)壓強(qiáng)p_re＝p/p_abs，根據(jù)管道內(nèi)空氣狀態(tài)和壓力情況，分四類條件計(jì)算所述進(jìn)出空氣閥空氣質(zhì)量：

第一類條件：0.53<p_re<1時(shí)，空氣以亞聲速流入空氣閥：

第二類條件：p_re≤0.53時(shí)，空氣以臨界速度流入：

第三類條件：時(shí)，空氣以亞聲速流出：

第四類條件：時(shí)，空氣以臨界速度流出：

在獲得管道內(nèi)氣體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣體狀態(tài)方程(23)，得到與空氣閥連接的管道內(nèi)氣體體積：

pV＝M_avRT (23)

其中，M_av滿足

另外，與空氣閥連接的管道內(nèi)氣體體積的增量等于流出空氣閥水體體積與流入空氣閥水體體積之差，滿足公式(24)：

絕對(duì)壓力p的計(jì)算采用方程(27)：

其中，

其中，p為管內(nèi)絕對(duì)壓力；p_abs為管外大氣壓；為當(dāng)前時(shí)刻進(jìn)出空氣閥的空氣質(zhì)量流量；C_in和A_in分別為空氣進(jìn)入空氣閥內(nèi)時(shí)的流量系數(shù)和流通面積；ρ_abs為空氣密度，滿足ρ_abs＝p_abs/RT_abs，R為氣體常數(shù)，T_abs表示管道外空氣溫度；C_out、A_out分別為排氣時(shí)空氣閥閥門流量系數(shù)和流通面積；T表示管道內(nèi)溫度；V表示當(dāng)前時(shí)刻與空氣閥連接的管道內(nèi)氣體體積；M_av表示當(dāng)前時(shí)刻與空氣閥連接的管道內(nèi)氣體質(zhì)量；M_av0表示前一時(shí)刻與空氣閥連接的管道內(nèi)氣體質(zhì)量；V₀表示前一時(shí)刻與空氣閥連接的管道內(nèi)氣體體積；Q_avin和Q_avout分別表示當(dāng)前時(shí)刻流入空氣閥的水流流量和流出空氣閥的水流流量；Δt表示時(shí)間步長(zhǎng)；Q_avin0和Q_avout0分別表示前一時(shí)刻流入空氣閥的水流流量和流出空氣閥的水流流量；ρ為水體密度；C_PDW、B_PDW分別表示流入節(jié)點(diǎn)Ⅰ的管道末端斷面C_P、B_P參數(shù)；C_MUP、B_MUP分別表示流出節(jié)點(diǎn)Ⅰ的管道首端斷面C_M、B_M參數(shù)；Z為空氣閥位置高程；H_abs為大氣壓絕對(duì)壓頭，單位m。

更優(yōu)選地，將所述止回閥、所述檢修井、所述排泥閥作為節(jié)點(diǎn)Ⅱ，采用第六節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元計(jì)算節(jié)點(diǎn)Ⅱ的連接參數(shù)；

計(jì)算節(jié)點(diǎn)Ⅱ的連接參數(shù)，包括兩種情況：

第一種情況，節(jié)點(diǎn)Ⅱ投入使用，流量為0，則將所述節(jié)點(diǎn)Ⅱ作為外界邊節(jié)點(diǎn)，采用外界邊界點(diǎn)的參數(shù)計(jì)算方法記載所述節(jié)點(diǎn)Ⅱ的連接參數(shù)；

第二種情況，節(jié)點(diǎn)Ⅱ不投入使用，則節(jié)點(diǎn)Ⅱ的進(jìn)口端斷面水頭H_P1和節(jié)點(diǎn)Ⅱ的出口端斷面水頭H_P2滿足水頭損失方程：

H_P2＝H_P1-ΔH_P (28)

經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)Ⅱ的損失水頭ΔH_P由節(jié)點(diǎn)的局部損失系數(shù)參數(shù)ζ進(jìn)行計(jì)算，通常是A為管道斷面面積；Q_P為節(jié)點(diǎn)Ⅱ處管道斷面Ⅱ計(jì)算斷面流量；

再結(jié)合節(jié)點(diǎn)連接參數(shù)和管道特征方程：

H_P1＝C_PDW-B_PDWQ_P (29)

H_P2＝C_MUP+B_MUPQ_P (30)

計(jì)算出Q_P為：

最后，由公式(29)、(30)計(jì)算節(jié)點(diǎn)Ⅱ的進(jìn)口端斷面水頭H_P1和節(jié)點(diǎn)Ⅱ的出口端斷面水頭H_P2。

更優(yōu)選地，將所述水位池/調(diào)壓池、所述調(diào)壓塔作為節(jié)點(diǎn)Ⅲ，采用第七節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元計(jì)算節(jié)點(diǎn)Ⅲ的連接參數(shù)，具體為：

采用公式(32)和公式(33)計(jì)算節(jié)點(diǎn)Ⅲ處管道斷面的流量：

∑±Q_i＝ΔQ (32)

其中，H_P0為節(jié)點(diǎn)Ⅲ處管道斷面上一時(shí)刻水頭，As為節(jié)點(diǎn)Ⅲ的調(diào)蓄面積；

再根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接參數(shù)，每一條流入節(jié)點(diǎn)Ⅲ的管道i的流量Q_i均滿足方程對(duì)于每一條流出節(jié)點(diǎn)Ⅲ的管道i的流量-Q_i均滿足方程可得到節(jié)點(diǎn)Ⅲ處管道斷面水頭H_Ⅲ計(jì)算方程(34)：

再依據(jù)連接參數(shù)計(jì)算與節(jié)點(diǎn)Ⅲ連接的各管道流入、流出節(jié)點(diǎn)Ⅲ的流量；

C_PDWi、B_PDWi分別表示流入節(jié)點(diǎn)Ⅲ的管道末端斷面C_P、B_P參數(shù)；C_MUPi、B_MUPi對(duì)應(yīng)于流出節(jié)點(diǎn)Ⅲ的管道首端斷面C_M、B_M參數(shù)；A為節(jié)點(diǎn)Ⅲ的管道斷面的過(guò)流面積；Δt為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)；

將分水/取水節(jié)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)Ⅳ，采用第八節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元計(jì)算所述節(jié)點(diǎn)Ⅳ的連接參數(shù)；

節(jié)點(diǎn)Ⅳ的分水流量Q_out滿足方程(35)：

∑±Q_i＝Q_out (35)

所述節(jié)點(diǎn)Ⅳ處水頭H_Ⅳ：

再依據(jù)連接參數(shù)計(jì)算與所述節(jié)點(diǎn)Ⅳ連接的各管道流入、流出所述節(jié)點(diǎn)Ⅳ的流量；

C_PDWi、B_PDWi分別表示流入節(jié)點(diǎn)Ⅲ的管道末端斷面C_P、B_P參數(shù)；C_MUPi、B_MUPi對(duì)應(yīng)于流出節(jié)點(diǎn)Ⅲ的管道首端斷面C_M、B_M參數(shù)；

將所述隧洞/明渠渠段節(jié)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)Ⅴ，采用第九節(jié)點(diǎn)計(jì)算單元計(jì)算節(jié)點(diǎn)Ⅴ的連接參數(shù)；

所述節(jié)點(diǎn)Ⅴ的進(jìn)口端斷面水頭H_P3和所述節(jié)點(diǎn)Ⅴ的出口端斷面水頭H_P4滿足水頭損失方程(37)：

H_P4＝H_P3-ΔH_P2 (37)

其中，節(jié)點(diǎn)Ⅴ損失水頭ΔH_P2由節(jié)點(diǎn)參數(shù)坡降系數(shù)J和長(zhǎng)度L進(jìn)行計(jì)算，滿足ΔH_P2＝JL；

在采用公式(38)和公式(39)計(jì)算水頭H_p3和水頭H_p4：

H_P3＝C_PDW-B_PDWQ_P (38)

H_P4＝C_MUP+B_MUPQ_P (39)

其中，所述節(jié)點(diǎn)Ⅴ處斷面節(jié)點(diǎn)流量Q_P為：

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出的輸水管網(wǎng)計(jì)算方法在實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)分解與快速計(jì)算基礎(chǔ)上，還能很好地保證模擬計(jì)算的精度，計(jì)算效果不亞于商業(yè)軟件Hammer。

附圖說(shuō)明

圖1是本申請(qǐng)所述基于節(jié)點(diǎn)參數(shù)化技術(shù)的輸水管網(wǎng)計(jì)算方法的示意圖；圖2是特征線方法示意圖；圖3是特征線方法離散網(wǎng)格示意圖；圖4是普通連接節(jié)點(diǎn)示意圖；圖5是外邊界節(jié)點(diǎn)示意圖；圖6是閥門節(jié)點(diǎn)示意圖；圖7是水泵機(jī)組示意圖；圖8是空氣閥示意圖；圖9是調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)示意圖；圖10是取用水節(jié)點(diǎn)示意圖；圖11是明渠段等銜接節(jié)點(diǎn)；

圖12是雁棲泵站-溪翁莊泵站的工程布置示意圖；

圖13是實(shí)施例1中管道2進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程示意圖；13(a)表示采用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的管道2進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程示意圖；13(b)表示采用hammer軟件計(jì)算得到的管道2進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程示意圖；

圖14是實(shí)施例1中管道16進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程示意圖；14(a)表示采用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的管道16進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程示意圖；14(b)表示采用hammer軟件計(jì)算得到的管道16進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程示意圖；

圖15是實(shí)施例1中管道19進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程示意圖；15(a)表示采用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的管道19進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程示意圖；15(b)表示采用hammer軟件計(jì)算得到的管道19進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程示意圖；

圖16是實(shí)施例1中管路不同時(shí)間首末端流量沿程變化示意圖，16(a)表示采用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的管路不同時(shí)間首末端流量沿程變化示意圖；16(b)表示采用hammer軟件計(jì)算得到的管路不同時(shí)間首末端流量沿程變化示意圖；

圖17是實(shí)施例1中管路不同時(shí)間首末端水頭沿程變化示意圖，17(a)表示采用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的管路不同時(shí)間首末端水頭沿程變化示意圖；17(b)表示采用hammer軟件計(jì)算得到的管路不同時(shí)間首末端水頭沿程變化示意圖；

圖18是實(shí)施例1中水泵1事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖，18(a)表示采用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的水泵1事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖；18(b)表示采用hammer軟件計(jì)算得到的水泵1事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖；

圖19是實(shí)施例1中空氣閥1事故停泵下運(yùn)行過(guò)程示意圖；19(a)表示采用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的空氣閥1事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖；19(b)表示采用hammer軟件計(jì)算得到的空氣閥1事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖；

圖20是實(shí)施例1中空氣閥2事故停泵下運(yùn)行過(guò)程示意圖；20(a)表示采用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的空氣閥2事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖；20(b)表示采用hammer軟件計(jì)算得到的空氣閥2事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖；

圖21是實(shí)施例1中空氣閥4事故停泵下運(yùn)行過(guò)程示意圖；21(a)表示采用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的空氣閥4事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖；21(b)表示采用hammer軟件計(jì)算得到的空氣閥4事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖；

圖22是實(shí)施例1中空氣閥6事故停泵下運(yùn)行過(guò)程示意圖；22(a)表示采用本發(fā)明所述方法計(jì)算得到的空氣閥6事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖；22(b)表示采用hammer軟件計(jì)算得到的空氣閥6事故停泵運(yùn)行過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本申請(qǐng)中，參數(shù)化節(jié)點(diǎn)包括的節(jié)點(diǎn)類型為普通連接節(jié)點(diǎn)/汊點(diǎn)、水頭邊界、流量邊界、流量水頭邊界、流量閥、水泵機(jī)組、空氣閥、止回閥、檢修井、水位池/調(diào)壓池、調(diào)壓塔、分水/取水節(jié)點(diǎn)、排泥閥和隧洞/明渠渠段節(jié)點(diǎn)；步驟S2中，采用節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型對(duì)各類型參數(shù)化節(jié)點(diǎn)計(jì)算，得到節(jié)點(diǎn)連接參數(shù)。

為便于統(tǒng)一存儲(chǔ)和計(jì)算，對(duì)各類型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化后見(jiàn)下表1。

表1參數(shù)化后各類型節(jié)點(diǎn)參數(shù)表格

表中屬性參數(shù)部分“邊界條件編號(hào)”代表的是一個(gè)實(shí)測(cè)或其他途徑獲得的時(shí)間序列過(guò)程，這個(gè)系列過(guò)程由統(tǒng)一的文件輸入模型，因此存在一個(gè)用于文件中索引對(duì)應(yīng)序列的編號(hào)。其余節(jié)點(diǎn)參數(shù)結(jié)合節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型進(jìn)行說(shuō)明。

實(shí)施例1

南水北調(diào)來(lái)水調(diào)入密云水庫(kù)調(diào)蓄工程，其懷柔水庫(kù)至密云水庫(kù)后三級(jí)全長(zhǎng)約31km，包括22km直徑2.6m的單排PCCP管道及約800m鋼管管道，并新建3座加壓泵站，其中雁棲泵站前池至溪翁莊泵站前池部分工程計(jì)算示意圖見(jiàn)圖1。其中雁棲泵站為梯級(jí)泵站第八級(jí)，位于懷柔區(qū)京密引水渠現(xiàn)北臺(tái)上倒虹吸西南側(cè)，為管道加壓泵站。泵站設(shè)計(jì)流量10m³/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程56.2m，共配置3臺(tái)臥式雙吸離心泵。

本實(shí)施例以雁棲泵站前池至溪翁莊泵站前池部分有壓管道為研究對(duì)象進(jìn)行基于節(jié)點(diǎn)參數(shù)化技術(shù)的輸水管網(wǎng)計(jì)算方法發(fā)明研究，其中由于細(xì)化考慮三臺(tái)并聯(lián)水泵機(jī)組的復(fù)雜連接關(guān)系，故出現(xiàn)了圖12中所示的環(huán)狀管網(wǎng)連接。圖中各水泵機(jī)組支線都連流量閥門，并在出泵站后的輸水管路中關(guān)鍵水頭變化處設(shè)置了6個(gè)空氣調(diào)節(jié)閥。另外，將管道的拐點(diǎn)等也概化成了連接節(jié)點(diǎn)。

如圖12所示，本實(shí)施例計(jì)算管網(wǎng)單元包括：19條有壓管道，其中管道1～12混聯(lián)，管道13～19串聯(lián)；3臺(tái)并聯(lián)水泵機(jī)組；3個(gè)對(duì)應(yīng)于水泵機(jī)組的流量調(diào)節(jié)閥門；1個(gè)上游泵站前池水位邊界節(jié)點(diǎn)，1個(gè)下游泵站前池水位邊界節(jié)點(diǎn)；4個(gè)管道連接節(jié)點(diǎn)；6個(gè)空氣閥連接節(jié)點(diǎn)。

應(yīng)用發(fā)明方法對(duì)工程事故停泵(3臺(tái)同時(shí)事故停)下閥門不動(dòng)作(掉電)的工況進(jìn)行模擬，并結(jié)果與專業(yè)水錘計(jì)算軟件Hammer計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析如下。分析內(nèi)容包括：代表管道進(jìn)出口流量、水頭變化情況；代表連接管路流量水頭分布情況；代表節(jié)點(diǎn)流量、水頭隨時(shí)間變化情況。

1、代表管段進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果和管網(wǎng)地形情況，以管道2、16和19為代表的對(duì)管道進(jìn)出口流量、水頭變化情況進(jìn)行分析，如圖13-圖15所示，得到的結(jié)果如下：

(ⅰ)圖13中可看出，采用發(fā)明方法和Hammer軟件計(jì)算得到的管道2進(jìn)口與出口流量、水頭隨時(shí)間變化過(guò)程基本重合，一方面說(shuō)明發(fā)明方法計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，另一方面也說(shuō)明水流流經(jīng)管道2后流量、水頭變化不大。

(ⅱ)圖14中可看出，采用本發(fā)明方法和Hammer計(jì)算的流經(jīng)管道16后流量、水頭都發(fā)生了變化(空氣閥作用)，且兩種方法模擬的變化過(guò)程基本一致。

(ⅲ)圖13中可看出，采用本發(fā)明方法和Hammer計(jì)算的管道19進(jìn)、出口流量隨時(shí)間變化過(guò)程都基本重合，但進(jìn)口水頭都呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)。

根據(jù)圖表結(jié)果可以看出，采用本申請(qǐng)計(jì)算的代表管段進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程與Hammer軟件計(jì)算的結(jié)果基本一致，包括極值、突變點(diǎn)等都能很好地對(duì)應(yīng)。

2、代表管路進(jìn)出口流量、水頭過(guò)程

以連接管路1-2-3-4-8-9-13-14-15-16-17-18-19為代表分析在初始時(shí)刻，1s，15s，30s，90s，180s，300s和600s的管網(wǎng)流量、水頭分布情況，見(jiàn)圖16和圖17。

從圖16和圖17中可看出，代表管路流量過(guò)程中僅在前30s本發(fā)明方法模擬的流量值與hammer計(jì)算有較大差異，尤其是后半段管道中hammer計(jì)算總流量明顯小于15m³/s，而事實(shí)上設(shè)計(jì)流量是15m³/s，可見(jiàn)本發(fā)明方法計(jì)算的流量是更為合理的。另外，從16圖(a)、(b)可看出，管路在90s以后基本出現(xiàn)了反向水流，兩種模擬反向最大流量基本一致。代表管路沿程水頭方面，兩模擬結(jié)果在管道14末端水頭出現(xiàn)了較大差別，本申請(qǐng)所述方法計(jì)算的水頭跳躍反應(yīng)在管道14中，而Hammer則出現(xiàn)在管道14末端。整理來(lái)說(shuō)，兩者計(jì)算水頭過(guò)程基本一致，本發(fā)明模擬效果良好。

3、代表節(jié)點(diǎn)流量、水頭時(shí)間變化情況

以水泵1節(jié)點(diǎn)、空氣閥1、2、4、6節(jié)點(diǎn)為代表分析管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)流量、水頭隨時(shí)間變化情況?？紤]到流量調(diào)節(jié)閥的不啟用，本實(shí)施例中暫不單獨(dú)拿出分析，見(jiàn)圖18-22。

首先，從圖18中可看出，兩者模擬的流量、水頭以及轉(zhuǎn)速過(guò)程基本一致，水泵都是在130s左右出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)，最大相對(duì)倒轉(zhuǎn)流量都約為0.43，最大相對(duì)倒轉(zhuǎn)速都約為0.75。但是明顯可看出，本發(fā)明計(jì)算的結(jié)果更能反映出水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中微小波動(dòng)。

從圖19-22可看出，本實(shí)施例計(jì)算的結(jié)果更能反映出空氣閥運(yùn)行過(guò)程中微小波動(dòng)外，采用本發(fā)明方法和Hammer計(jì)算的水頭、流量變化過(guò)程，最大最小值基本一致。具體為：

①、圖19中可看出，采用本發(fā)明方法和Hammer計(jì)算的空氣閥1進(jìn)、出口流量過(guò)程都基本重合；

②、圖20中可看出，采用本發(fā)明方法和Hammer計(jì)算的空氣閥2進(jìn)、出口流量過(guò)程都基本重合；

③、圖21中可看出，采用本發(fā)明方法和Hammer計(jì)算的空氣閥4進(jìn)、出口流量過(guò)程存在差異，且發(fā)明方法計(jì)算的進(jìn)口流量變化更為劇烈；

④、圖22中可看出，采用本發(fā)明方法和Hammer計(jì)算的空氣閥4進(jìn)、出口流量過(guò)程都基本重合，且都有較小的局部波動(dòng)；

通過(guò)采用本發(fā)明公開(kāi)的上述技術(shù)方案，得到了如下有益的效果：本發(fā)明提出的輸水管網(wǎng)計(jì)算方法在實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)分解與快速計(jì)算基礎(chǔ)上，還能很好地保證模擬計(jì)算的精度，計(jì)算效果不亞于商業(yè)軟件Hammer。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視本發(fā)明的保護(hù)范圍。