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