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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