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EPANET模型在供水管网的应用情况分析

2024-08-23 8 上传者：管理员

摘要：EPANET作为一种广泛使用的水力和水质模拟软件，主要用于管网的设计、分析以及优化。该文介绍了EPANET的发展历程及其在供水管网中的应用，包括漏损检测、管网优化设计和水质安全模拟。然后结合实际案例，阐述了EPANET在提高供水管网运行效率、节约资源以及降低供水成本等方面的优势。最后对EPANET的应用情况进行了展望，认为EPANET模型未来发展仍需结合物联网设备和机器学习算法等现代技术，以进一步提升其应用效果。

关键词：
EPANET
水力计算
水质安全
漏损检测
管网优化
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1993年，Rossman将Todini和Pilati提出的全局梯度算法[1]作为水力计算核心，开发了美国环保局管网分析软件EPANET[2]。EPANET的最后一个主要版本(包括两个版本)出现在2000年（EPANET 2.0）。EPANET的最后一个小版本出现在2008年（2.00.12）。2012年，美国环保署启动了一项基于社区的协作开源项目EPANET，即“配水网络模型”项目[3]。2015年6月，一个由水社区组织的独立开源项目启动[4];EPANET程序员工具包的开源项目版本（2.1）于2016年7月发布。同样在2016年7月，EPANET的原始开发人员Lewis Rossman贡献了程序员工具包[5]的开发版本（EPANET 3），该工具包可以在水质模拟后的状态报告中提供质量平衡信息。

2018年，Davis[6]等指出当模拟管网短期外源物质输入时，EPANET 2.0的水质模拟会产生重大的质量守恒误差。为了解决这一问题，在EPANET 2.2的工具箱中重新编译了水质计算引擎[7]。新的水质计算引擎仍然采用了拉格朗日时间驱动传输模型，但在对管网节点进行分析时，改用了拓扑排序方法。

EPANET软件稳定性和高效性，使其成为了供水管网分析的标准软件[8]。它允许用户通过关注水力和水质参数实时模拟压力网络。在模拟过程中，利用该软件可以监测各管道的流量变化、各节点的压力、各水箱的水量以及管网中化学物质的浓度。该软件提供了一个集成的环境，通过网络编辑器进行预处理，模拟运行，以及通过颜色编码的网络图、参数值表(最初输入和/或计算)和计算参数的不同类型的变化图，对计算数据进行后处理。

1、EPANET在供水管网漏损检测方面的应用

目前，我国供水管网存在严重的漏损问题，平均漏损率约为18%，在一些地区甚至超过35%。与国际先进水平相比，我国在城镇供水管网的漏损控制方面仍有显著差距，主要问题包括漏损成因不明以及漏损监测与控制效率低下。针对这一现状，迫切需要开发适合我国实际情况的管网漏损综合监测与控制关键技术[9]。供水管网的漏损检测是一项技术难度较高的工作。近年来，随着计算机软件的广泛应用，数值模拟方法逐渐替代了部分繁琐的人工操作。表1列举出了检测管网漏损的一些实例。

表1 EPANET在供水管网捡漏的实例

控制供水管网漏损具有重要意义，既能节约水资源和工程投资，又能降低供水成本。EPANET在检测泄漏方面的有效性在很大程度上取决于传感器的策略位置和灵敏度；并且泄漏通常会导致复杂的水力变化，难以用静态模型进行模拟。EPANET与物联网设备和机器学习算法等现代技术集成的需求也越来越大。因此EPANET仍需要进一步开发。

2、EPANET模拟管网优化供水系统

图1全局梯度法管网平差计算流程图

虽然我国的供水工程技术已经日渐成熟，但很多地区的供水管网已经不能满足社会发展需求，存在着诸多问题，所以发现管网问题并提出相应的改造优化措施是提高我国当前供水工程质量的关键手段。EPANET采用Todini-Pilati梯度算法[14,15]（全局梯度算法）为标准算法求解方程组，进行管网平差计算[16]，如图1所示。

EPANET模拟管网优化供水可提高相关人员对供水管网的认识，有助于检测和了解网络中可能出现的问题[17]。例如：可以找到压力异常的区域，从而推断出存在泄漏或未知的元件，认识到泵的理论运行时间比测量时间短得多，或发现其他表明故障的线索；研究新消费或可能发生的事件的影响，预测和调整设施以应对新的限制或危机情况；尺寸扩展，加固或发展，以满足新的需求。

通过EPANET可以对不同地区的供水管网进行模拟，用以确定当地供水管网的布置情况，并进行优化改造。如Adam Safitri[18]和Kherouf Mazouz[17]分别对印度尼西亚西爪哇省和格尔马新城的供水管网进行优化升级；闫志方[19]等人运用EPANET软件模拟计算在水源点不同水位下管段通过的流量，来确定通过设计流量时的水库的最低水位。当下，对于供水管网优化，EPANET和其他方法结合的方案更优，更新准确具体。解子藤[20]等以重庆某典型山地城市管网为例，运用NSGA-Ⅱ算法对构建的管网多目标数学模型进行求解分析，通过EPANET软件构建水力水质模型，能有效挖掘管网各类安全风险信息，覆盖高安全风险节点。程浩淼[21]等人将EPANET嵌套进布谷鸟算法中，并利用EPANET中改进的Newton-Raphson算法对管网进行平差计算，运用该算法可以快速找到全局最优解，且对于管网的投资成本优化效果显著。任春娇[22]等人将DMA分区在线检测系统与EPANET联用，模拟大高差地形城市区域，提出供水管网优化改造方案，可以直观地定位非正常管段，进而做出针对性的调整；后续应进一步研究DMA分区精度对系统实效性的影响，以使数据更加精确化。

现有的水力模型在模拟高复杂度管网系统时，可能存在计算精度和效率的不足，需要更加精细的水力计算方法，以提高模拟结果的准确性。实时数据的获取和整合是优化供水系统的重要环节，需要改进传感器网络和数据采集系统，以实现更高精度的数据输入。

3、EPANET在供水管网中水质安全的应用

给水管网中水从水源流到某一节点的时间在这里被称为该节点的“水龄”。影响节点水龄的重要参数是水流速度，该变量能通过给水管网的水力计算得到[23]。

其中：Ti为水流在管段i中从始端流到末端所经历的时间；∂ix为沿着连接管线，从始端到末端的距离。

通常设水源点的水龄为0，这是微分方程的初始条件。在给水管网中任何一个节点通常都具有一个以上的上游供水路径，水源的水可以通过不通的路径到达该节点，并且不同的管路到节点的流量也不相同，假设来自不同路径的水在各节点进行权重混合，那么任意节点的水龄就等于水在该节点不同水源供水

其中：iT为节点i的水龄；

oTi(n)为沿节点i的第n条水管路径，从水源流到节点i所经历的时间；

oqi(n)为来自条水管路径的水量；

LUi为节点i所有上游水源供水路径的集合。

EPANET为水质建模提供了许多工具：（1）提供了到达其他节点的流量跟踪；（2）模拟管段内的实际流动和管壁附近的流动；（3）网络内非反应性物质的运动随时间单位建模；（4）通过显示浓度在时间上的增加或减少来反应物质的运动和演化模型；（5）按年龄划分的供水管网水质模型；（6）允许减少或增加反应达到规定的浓度限制；（7）允许浓度随时间在网络的任何位置改变。

在水传输和分配系统中，氯化消毒因其杀菌效果好、经济高效而成为饮用水消毒中最常用的消毒方法。氯消毒剂产生持久的残留物，可防止因外部污染而从处理过程中逃逸或进入分配系统的微生物重新生长。残留氯在流体和网元壁上发生反应而发生衰变，可能导致网端消毒剂消失，从而增加饮用水微生物污染的可能性。然而，在处理过程中增加氯浓度可导致水管腐蚀，并因消毒副产物浓度增加而造成健康危害，特别是三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs），这些被认为是致癌物质。因此，将整个配电网的余氯浓度保持在规定的最大和最小允许氯水平内，是一个非常重大的挑战。表2列举了一些利用EPANET解决在供水管网中水质安全问题的实例。

EPANET只能模拟单一可溶性物质的迁移，这限制了其模拟复杂水质情景的能力；进行水质模拟时，运用拉格朗日时间驱动方法，有时会出现不准确的情况，尤其是对于短长度的管道；并且在进行可靠的水质模拟之前需要对水力模型进行广泛的校准也是一个很大的障碍。

4、EPANET在供水管网中实际应用的难点

4.1实际管网数据的获取与后续模型的维护与更新

在进行EPANET的模型搭建时，需要输入比较详细的实际管网运行数据，如管网的结构、管道的特性、水源的属性、需求点的分布等。然而由于各种原因，导致这些数据难以获得，或者需要大量时间去走访调查。

在一些较大的城市，EPANET模型建成后，维护这样一个模型需要很大的工作量，特别是在管网系统发生变化时（修改或新增管道、节点）。

4.2模拟精度

在水质模拟中，需要考虑各种因素（如水流速度、温度、反应速率等）对结果的影响。如何选择合适的模型参数和假设以确保模拟结果的准确性是一个挑战。

4.3软件的集成

EPANET软件可以实现模型的搭建，但在实际工程的应用中，需要与其他平台进行集成化处理（如GIS、BIM等），这样才能够实现全面的水务管理，以进一步实现智慧化水务。

5、展望

(1）通过在供水管网中安装智能传感器，实时监测水压和流量数据，结合大数据分析和机器学习算法，可以更快速地发现和定位漏损点；其他供水系统管理软件将更加紧密地集成，形成综合的管网管理平台。

(2）随着EPANET-RTX（实时扩展）等技术的发展，可以实现供水管网中水质和水力的实时监控和分析，EPANET-MSX（多物种扩展）使得能够模拟多种化学和生物物质在管网中的复杂反应。未来，EPANET有望与其他智能系统整合，通过物联网设备收集的数据进行更为智能化的管理，可以对管网中水质参数进行持续监测和动态调整，提高供水质量管理的效率和精准度。

表2 EPANET在供水管网水质安全中的实例

(3）未来EPANET将更深入地融入实时动态模拟与调度系统，同时加强与其他专业软件的集成应用。它将与SCADA系统紧密结合，实现管网运行状态的实时监测、模拟和智能调度决策，并通过移动终端提供可视化展示和远程控制功能。此外，EPANET还将与GIS、BIM等软件进行更深度的整合，支持管网的空间分析、可视化和全生命周期管理。通过与水文模型的结合，它将能够实现从水源到用户的全过程模拟，为供水系统的综合管理提供更全面的技术支持。这种多维度的集成将大大提升EPANET在供水管网规划、运营和管理中的应用价值。

参考文献:

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[9]杨晓芳,徐强,王东升.我国城市供水管网漏损控制技术发展与展望——基于水平衡分析与分区管理的管网漏损评价､监测与控制技术[J].给水排水,2017,53(5):1-3+120.

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[14]邵会卿,张丽,陈楚楚,等. EPANET软件在区域供水管网改造设计中的应用[J].水资源与水工程学报,2012,23(6):128-131.

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[16]李明凯.基于EPANET水力模型的H市供水管网可靠性研究[D].张家口:河北建筑工程学院,2022.

文章来源:王凯轩,王建,岳雯,等.EPANET模型在供水管网的应用情况分析[J].重庆建筑,2024,23(08):27-30.