城市给水系统是城市公用事业的组成部分，关系着城市居民的用水和生活问题。
近年来，随着城市居民用水难，水质差等问题的突出，如何优化城市供水问题，成为了城市供水部门亟待解决的问题。
下面，我们一起来看下如何利用计算机软件技术更加精确的设计、模拟、分析城市供水情况，解决当前城市供水问题。
一、管网设计给水管网由管道、配件和附属设施组成。
给水管网的设计与给水管系、附属设备和管网布置、管网计算和调度有关。
1.给水管系给水管系一般设有输水管、干管、支管、用户支管、闸阀、排气阀和排水阀。
1）输水管：从供水点(水源地或给水处理厂)到管网的管道，一般不直接向用户供水，起输水作用，称输水管。
2）干管：管网中同时起输水和配水作用的管道称干管。
3）支管：从干管分出向用户供水的管道管径为100或150毫米，起配水作用，称支管。
4）用户支管：从干管或支管接通用户的称用户支管，管上常设水表以记录用户用水量。
消火栓一般接在支管上。
5）闸阀：给水管网中适当部位设有闸阀。
当管段发生故障或检修时，可关闭适当闸阀使它从管网中隔离出来，以缩小停水范围。
闸阀应按需要设置，但闸阀愈少，事故或检修时停水地区愈大。
6）排气阀：当管线有起伏，或管道架空过河时，在管道的隆起点需设排气阀，以免水流挟带的气体或检修时留在管道中的气体积聚，影响水流。
7）排水阀：在管道的低凹处常设排水阀，用以放空水管。
2.附属设施附属设施包括调节构筑物（水池、水塔或水柱）和给水泵站等。
小型给水管网或大型给水管网的边缘地区，用水总量虽少，但流量变化较大，设置调节构筑物可降低管网造价和运行费用。
再者，大型管网的水头损失很大，致使管网起端和末端的压力相差悬殊，如在管网中适当地点设置增压泵站，可以减小泵站前管网的压力，降低输水能耗和费用，并改善管网运行条件。
此外，在地面高程相差甚大的丘陵地区或山区，为均衡管网的水压，常按地形高低分区供水。
低区管网和高区管网可以串联，在前者末端设置增压泵站以供应后者；也可以并联，同时从供水点向低区和高区管网供水。
3.管网布置给水管网的干管呈枝状或环状布置。
如果把枝状管网的末端用水管接通，就转变为环状管网。
环状管网的供水条件好，但造价较高。
小城镇和小型工业企业一般采用枝状管网。
大中型城市、大工业区和供水要求高的工业企业内部，多采用环状管网布置。
设计时必须进行技术和经济评价，得出最合理的方案。
近代大型给水系统常有多个水源，有利于保证水量、水压，使供水既经济又可靠。
随着社会的发展，用水量在不断增加，而优质水源却由于污染而减少，于是出现了分质供水的管网，即用不同的管网供应不同水质的水。
管网布置是整个给水系统规划的一部分，涉及整个工程的效益。
利用给水管网分析和设计软件WaterGEMS能通过建立管网水力模型，利用水力模型结果帮助优化复杂给水系统设计，跟踪设计备选方案，从而得到最优布置方案。
4.管网计算在管网的线路布置完成后，要求通过计算确定各管段的管径、泵站扬程和扬水量以及水塔或水池的高程和容量等。
管网计算中首先是用水量的分析和管道流量的分配，然后是管径的确定和水压的计算。
计算不仅是一个水力学问题(见水流阻力和水头损失)，而且是一个经济问题。
管径小些，造价低了，但水头损失大了，要求的水压高了，泵站的电耗和运行费用也就高了。
这里就有一个最优方案问题。
环状管网的水压计算比枝状管网复杂，需要采用平差方法。
按照水力学原理，每个管环的水头损失代数和应等于零；如果不等于零，要调正分配给管段的水量，一再复算，直至符合要求。
因不准管环水头损失的代数和出现差额，故称管网平差。
5.调度给水管网特别是有调节构筑物和增压泵站的管网或多水源管网，应合理调度以降低运行费用。
检漏和维修对降低成本很重要。
此外，为了提高供水质量，应定点连续监测管网的水压，以发现低压区，并采取必要的措施。
二、管网建模管网水力模型是基于真实管网的拓扑关系、管径、管材、流量、压力、水厂泵站出水压力和流量数据，通过管网平差公式算法，利用计算机技术将实体的管网运行情况抽象成数字的点线关系，真实的反应管网流量、压力、流速、管损情况。
管网水力模型的建立能对水力和水质进行分析模拟，解决城市供水问题：1.水力模拟可利用公式计算摩擦水头损失；包含了弯头、附件等处的局部水头损失计算；可模拟恒速或者变速水泵；可进行水泵提升能量和成本分析；可模拟各种类型的阀门、包括遮蔽阀、止回阀、调压阀和流量控制阀；允许及诶到哪多需水量类型，每一节点可具有自己的时变模式。
2.水质模拟模拟管网中非反应性示踪剂随时间的运动；模拟反应物质的运动变化，可以随时间增长或者降低（余氯）；模拟整个管网的水龄；不同水源来水的混合占比；污染事件跟踪。
管网水力模型的建立，需要通过给水管网分析和设计软件WaterGEMS。
WaterGEMS是一款针对供水系统推出的水力和水质建模解决方案，它具备先进的数据互用性功能、地理信息模型构建功能、以及优化工具和资产管理工具。
从消防水耗、污染物浓度分析到能源消耗和投资成本管理，WaterGEMS为工程分析、设计和优化供水系统提供一个易于使用的环境。
软件优势：1.一款产品一个模型文件四种环境支持4个平台运用的水动力模型解决方案公用事业公司和咨询公司可以使用不同的界面共享一个单一的数据集，建模团队则可充分利用不同部门工程师的技能。
工程师通过选择自己熟悉的环境加快学习进程，并提供可以在多个平台上实现可视化的结果。
WaterGEMS ArcGIS 界面支持GIS专业人员充分利用ESRI的地理数据库架构来确保单个数据集可以用于建模和GIS管理。
通过对所有水力建模工具的完全访问，以及可简化模型构建过程的地理信息处理功能，他们可以直接从ArcMap创建、编辑、计算和显示WaterGEMS模型。
2.地理信息模型构建工具工程师可以充分利用地理信息数据、CAD工程图、数据库以及电子数据表来快速启动模型构建过程。
WaterGEMS提供同步的数据库连接、地理信息链接和高级模型构建模块,与几乎所有数据格式相关联。
WaterGEMS包括LoadBuilder和TREX模块，可帮助工程师根据Shapefile的地理数据库、各种类型的数字立面图模型(DEM)，甚至CAD图纸中的地理信息数据分配需水量和节点立面图。
这些模块可帮助工程师避免潜在的手动输入错误，同时简化模型构建过程。
WaterGEMS还提供了工程图和连接性评估工具，以确保成功建立水力相关模型。
Skelebrator可在自动简化管网系统的同时，使水力系统保持平衡，以有效利用各种建模应用程序。
3.优化的模型校准、设计和运营WaterGEMS提供一流的遗传算法优化引擎，用以进行自动校准，设计，改造以及水泵运行。
Darwin Calibrator使用户迅速找到与实测流量、压力和元素状态最匹配的校准假设。
从而帮助用户根据真实、准确的水力模拟做出可靠的决策；Darwin Calibrator通过对数百万个可能的解决方案进行评估，以得出最好的校准假设。
Danwin Designer可根据资本投资、重新分配成本以及压力和流速限制，自动发现设计和改造策略的最大优势或最低成本。
工程师还可以管理基础设施投资成本和分析能耗，以确定最节能的水泵调整策略。
Danwin Scheduler可根据压力、流速、水泵启动和水池限制，来优化恒速泵和变速泵的运行和水库储存，以尽量降低能源消耗或能源成本。
软件功能：1.分析管道和阀门临界程度发现给水系统的薄弱环节，并评估隔离阀是否能满足需要。
使用不同的阀门位置来评估隔离系统各个部分和服务客户的能力。
提供隔离阀数据后，WaterCAD/WaterGEMS会立即自动生成管网段。
2.评估消防水耗供应量使用给水管网水力模型访问和确定防火需要改进的地方。
改进设计(比如管道、水泵和水罐的大小和位置)以满足消防水耗和防火要求。
3.构建和管理水力模型快速启动模型构建流程并有效管理模型，以便您可以集中精力制定最佳工程决策。
利用并导入几乎所有的外部数据格式，最大限度提高地理信息和工程数据的投资回报，并且自动执行地形提取和节点分配。
4.设计给水管网使用水力模型结果帮助优化复杂给水系统的设计并利用内置方案管理特征来跟踪设计备选方案。
或者，WaterGEMS用户也可以使用内置的 Darwin Designer网络优化工具为您优化设计。
5.制定冲洗计划在单次运行中借助多个传统单向冲洗事件优化冲洗方案。
提高干管冲洗排出固体和死水的速度，冲洗成功的主要标志是冲洗操作期间任意管道中的冲洗速度均达到最高。
6.识别管网漏损通过减少管网漏损，节约用水并增加营收。
利用流量和压力数据找到要进行详细漏损探测的位置(仅限于WaterGEMS)。
研究可以通过减小压力来降低的漏损量，并观察其对客户服务的影响。
7.管理能源利用正确使用水力建模(包括复杂的水泵组合和变速泵)构建水泵模型，以了解不同的水泵可行性方案对能源利用的影响。
大限度降低与水泵运行成本相关的能耗，同时大限度提高系统性能。
8.确定管道更新优先级确定应该替换或修复的管道。
管道连接基于多方面因素进行评级，包括基于属性和性能的标准。
由此产生的优势包括资产规划改进、配送容量增加和资本支出的最大回报。
9.实时模拟网络将校准水力模型与SCADA系统相连接，使模型的初始边界条件能够随着最新的实时数据自动更新。
使用这款实时模型监控系统并确保其高效运行。
如果您对管网设计及水力建模感兴趣，或有软件采购需求，欢迎关注“艾三维技术”微信公众号，联系我们。
