第1章 城市供水管网概述
1.1 城市供水管网系统
1.1.1 城市供水管网系统的功能
城市供水管网系统是保障居民生活、工业生产和公共服务等各项活动正常进行的重要基础设施，是城市公用事业的重要组成部分[1]。城市供水管网系统通常由水源、输水管渠、水厂和供水管网等部分组成。每个部分都发挥着不可或缺的作用，从水源取水后，经输水管渠送入水厂进行水质处理，处理后的水加压后通过供水管网输送至用户[2]。
水源是城市供水管网系统的起点，为整个系统提供原水。水源可以是地表水，如江河、湖泊、水库等，也可以是地下水[2]。水源的质量和数量直接影响供水管网系统的稳定性与安全性。因此，加强水源保护和管理是供水管网系统实现可持续供水的*要任务。
水厂的主要功能是对原水进行处理，使其达到国家规定的饮用水标准[2]，其常规水处理工艺包括沉淀、过滤、消毒等环节[3]。沉淀可以去除水中的悬浮颗粒，过滤进一步去除水中细小的杂质，消毒则是杀灭水中的细菌和病毒等微生物。为应对日益复杂的水质污染并确保饮用水的安全性，近年来水厂在常规处理工艺的基础上，逐步引入活性炭吸附、臭氧氧化和膜过滤等深度处理技术，以去除常规处理难以去除的有机物、微生物、重金属离子以及其他微量污染物，从而达到更高的水质标准。
城市供水管网是供水管网系统的核心组成部分，其主要功能包括输水功能、分配功能和压力调节功能[1]。输水功能是将经过处理的清洁水从水厂输送至城市各个区域，以满足居民生活、工业生产和公共服务等多样化用水需求；分配功能是根据不同区域、不同用户的用水特点，合理分配水量，以确保水资源得到高效利用；压力调节功能是通过泵站等设施维持管网水压的稳定性，以确保用户正常用水，特别是满足高层建筑和地势较高区域的用水需求。为保障供水管网系统的稳定运行，供水管网应配备先进的监测设备，能够实时监控水质和水压，及时发现问题并迅速采取补救措施，避免水质下降或供水中断。此外，优化调控技术可以有效降低漏损率、提高资源利用效率，在节约水资源和保护环境方面发挥积极作用。因此，供水管网不仅是城市正常运转的关键基础设施，更是提升居民生活质量和保障公共健康的关键，其高效运行对于城市的可持续发展具有不可替代的作用。
对于高层建筑和地势较高区域的供水问题[4]，由于这些区域需维持较高的水压，常规供水管网难以直接满足需求，需借助二次供水设施进行加压。二次供水设施通常包括水箱、水泵等，其作用在于从供水管网中抽取水体，经加压后输送至用户，从而确保上述区域的用水需求得以满足。
用户是城市供水管网系统的*终服务对象，其用水行为直接影响整个供水管网系统的运行效率和稳定性。合理引导用户用水行为，不仅有助于提高供水效率，还能进一步降低系统运行成本和能耗。
城市供水管网系统各环节紧密协作，共同为城市居民和企业提供安全、可靠的饮用水。供水管网作为连接水厂和用户的核心枢纽具有重要作用。只有通过不断完善供水管网设施，加强供水管网的科学管理与日常维护，才能确保城市供水管网系统的高效运行，为城市的可持续发展提供坚实保障，同时促进资源的高效利用与环境的长期保护。
1.1.2 城市供水管网发展历程
城市供水管网的发展是一个与城市化进程紧密相关的过程，反映了科技进步与社会需求的动态互动，其发展大致经历了以下几个阶段[4]。
古代阶段：在古代，城市供水主要依赖手工取水和简易的水道系统。以罗马、雅典和巴比伦为代表的古代城市，建立了初步的引水系统，通过渠道和储水设施将水从远处引入城市，以满足居民的基本用水需求。
工业革命阶段：工业革命时期，机械化技术和工业化技术广泛应用于城市供水，特别是水泵技术的发展极大地提高了供水效率，使得城市水资源的开发利用更加便捷和高效。
近现代阶段：随着城市人口的增长和城市化进程的加速，城市供水管网的建设日趋复杂和完善。现代水处理技术的进步显著提升了供水质量，同时供水管网的覆盖范围也从城市核心区域逐步扩展至周边地区，进一步满足了快速发展的城市用水需求。
信息化阶段：在信息时代，智能化技术逐步融入城市供水管网的管理和监控领域。远程监测系统、智能传感器和大数据分析等技术的广泛应用，使得供水管网运行更加智能和高效，也为水资源节约和科学调度提供了技术支撑。
当前，随着城市化进程的加快和城市人口的急剧增长，对供水量和水质提出了更高要求。城市供水管网正朝着可持续发展的方向迈进。以我国为例，政府通过加大对供水管网的投资力度，推动了老旧供水管网改造升级，提高了供水管网的自动化管理水平。同时，新技术，如地理信息系统(geographic information system， GIS)，也应用于供水管网的管理和维护中，在优化供水管网布局、提高运行效率和降低维护成本等方面发挥了重要作用。城市供水管网正逐步从传统的物理传输系统向信息化、数字化方向演进，成为保障民生和支撑经济社会发展不可或缺的生命线。在未来，随着可持续发展理念的不断深入，供水管网还将继续朝着更加环保和高效的方向发展。
1.2 供水管网数字化系统
1.2.1 供水管网地理信息系统
供水管网GIS是融合地理信息技术与供水管网管理的一种先进工具，已成为现代城市供水管理的重要组成部分，为城市供水管网的规划、建设及运营维护提供了强大的技术支持，有效提升了管理效率和科学决策水平。GIS以地理空间数据为基础，整合了供水管网的多维信息，包括管道的位置、长度、直径、材质、埋深，阀门、泵站、消防栓等附属设施的分布，以及水压、流量、水质等动态数据。通过强大的数据库管理和空间分析功能，实现了对供水管网的全面可视化管理，显著提高了对供水管网运行状况的管控能力[5，6]。
在数据管理方面，GIS能够高效地存储和组织大量的供水管网数据。系统全面记录管道的建设时间、维修历史等关键信息，为供水管网的维护和更新提供准确的数据支持。同时，GIS具有强大的分类管理能力，可对不同类型数据进行分类管理，便于用户快速查询和检索所需信息。
空间分析是GIS的核心功能之一[6]。该功能可以深入分析供水管网的空间布局，明确管道的覆盖范围和服务区域。通过缓冲区分析，系统能够迅速识别特定地点周边的供水管网设施，为应急抢修和规划决策提供科学依据。此外，GIS还支持路径分析，以优化水源地到用户的*佳供水路径，从而提高供水效率并降低运行成本。
对于供水管网的运行管理，GIS可以实时监测水压、流量和水质等参数[7]。通过与传感器和监测设备连接，系统能够及时发现供水管网中的异常情况，如压力下降、流量突变或水质污染，协助管理人员迅速采取措施，以保障供水安全。
在规划设计方面，供水管网GIS能够为新供水管网的建设和旧供水管网的改造提供科学依据[8]。通过分析现有供水管网运行数据，能够评估其供水能力和可靠性，识别需要优化和扩展的区域。同时，GIS还支持对不同规划方案进行模拟与评估，为决策者选择*优方案提供数据支持，显著提升规划设计的科学性与可行性。
在应急响应方面，供水管网GIS能够在紧急情况下发挥关键作用[7]。当管网发生管道破裂、停水等事故时，系统可以快速定位故障点，显示周边的供水管网设施和用户分布，制定*佳的抢修方案。同时，系统可以向受影响的用户发送通知，提高应急处理的效率和透明度。
总体而言，供水管网GIS作为现代城市供水管理的重要支撑，通过整合地理空间数据和供水管网信息，实现了对供水管网的全面可视化、智能化管理，提高了供水的安全性、可靠性和效率，为城市的可持续发展提供了有力保障。
1.2.2 供水管网物联网监测系统
供水管网物联网监测系统主要由传感器、数据传输网络和监测管理平台三部分组成[9]。传感器安装在供水管网的关键节点上，如阀门、泵站等部位，用于实时采集水压、流量、水质等数据，以实现对供水管网的实时监测，及时发现供水管网中的异常情况，如管道破裂、漏水、水压异常等，协助管理人员迅速采取措施，减少水资源的浪费和损失。数据传输网络是连接传感器和监测管理平台的桥梁，通常采用有线或无线的方式，将传感器采集到的数据传输到监测管理平台。无线传输方式因其安装方便与灵活性高的优点，特别适用于复杂的城市环境。数据传输网络需要具备高带宽、低延迟和高可靠性的特点，以确保数据的及时传输和准确性。监测管理平台是供水管网物联网监测系统的核心部分，用于接收、存储并分析传感器采集的数据，为供水管网的优化调度和维护管理提供科学依据[9]。例如，通过分析历史数据，监测管理平台可以预测未来的用水量和水压变化趋势，提前调整泵站的运行参数，提高供水效率。通过可视化的界面，管理人员可以实时查看供水管网的运行状态，了解水压、流量、水质等参数的变化情况，减少人工巡检的工作量，降低运营成本。监测管理平台还可以设置报警阈值，当监测数据超过阈值时，系统会自动发出报警信息，提醒管理人员及时处理。
随着5G、人工智能等前沿技术的不断发展，供水管网物联网监测系统将进一步提升其智能化水平。随着技术的不断进步和社会需求的日益增长，该系统必将在未来智慧城市的发展中占据更加重要的地位。
1.2.3 供水管网水力和水质计算原理与模型系统
供水管网的水力和水质计算是保障供水管网系统正常运行、优化资源配置、保障水质安全的重要环节，需要考虑多方面因素，包括水力、水质变化规律以及管网结构特点等[10]。
水力计算的核心内容包含水力模型构建与分析两部分。基于供水管网的拓扑结构、管道材质、管径、地形等参数，建立供水管网水力模型，通过求解连续性方程、动量方程等水力学方程，计算供水管网中的流量、压力、水位等水力参数，用于评估供水管网的运行状态与性能，为优化供水管网运行和提升供水效率提供科学依据。
水质计算主要关注水质流经管网的变化，涉及的计算原理主要包括以下四类：质量守恒定律、物质扩散模型、化学反应动力学和生物过程模拟[10，11]。质量守恒定律：对于水中特定物质，其总量在没有外部输入或输出的情况下保持不变。物质扩散模型：描述水中物质随水流扩散的过程，包括分子扩散、湍流扩散等过程。化学反应动力学：考虑水中发生的化学反应，如氯化消毒过程中氯气与有机物的反应速率。生物过程模拟：某些情况下还需考虑生物活动对水质的影响，如细菌生长可能导致的二次污染。此外，水质在供水管网中会受到多种因素的影响，如管道腐蚀、微生物生长、余氯衰减等。管道腐蚀会导致水中金属离子浓度增加，微生物生长可能引起水质恶化，余氯衰减会影响水的消毒效果。在进行供水管网水质计算时均需综合考虑这些因素的影响。
除上述模型外，还可将水力计算模型和水质传输模型集成，实现水力与水质的耦合计算。通过模拟供水管网中水体流动和水质传输过程，综合评估供水管网的运行状况，实现资源的有效分配，并确保水质安全，从而为城市居民提供可靠的生活用水保障。随着科技的不断进步，未来这些计算方法将更加精确和完善，从而更好地服务于城市供水管网的优化与管理，为现代城市供水管网系统的可持续发展提供坚实支撑。
第2章 城市供水管网在线监测系统
过去几十年间，随着传感器与物联网技术的不断发展，城市供水管网在线监测系统取得了显著进展，广泛应用于供水管网的监控与运行管理。在城市供水管网在线监测系统中，传感器上传的实时监测数据反映了供水管网水力和水质工况的变动情况，对供水管网的模拟分析与漏损监控起核心支撑作用。一方面，传感器的位置和数量显著影响供水管网在线模型、漏损与爆管监控的实际应用；另一方面，由于传感器安装环境复杂，传感器受制于电池电量、网络通信速度等因素，监测数据广泛存在噪声、缺失与异常等问题。本章从在线模型校核和爆管在线监控两个角度论述供水管网物联网监测系统的设计原理与方法，并针对广泛存在的数据噪声、缺失与异常等问题提出具体的解决方案。
2.1 城市供水
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