EPANET模拟软件是由美国环境保护署 (EPA) 于上世纪90年代后期公开发布的非商业软件^[1], 具有管网平差、运行模拟、信息管理、运行管理等多种功能, 可以提供全面、精确的水力及水质模拟, 包括管网节点的流量、压力、总水头, 以及每个管段的流量、流速、水头损失以及水质等。其精确性、方便性和直观性, 使该软件在欧、美以及受殖民文化影响的非洲等国, 得到了广泛应用。我国较早用于世行贷款供水项目, 2007年同济大学李树平教授对软件进行汉化, 推动了软件在国内的使用。曾宪银等^[2~7]多位学者分别对软件在管网水力计算和水质模拟等方面进行了深入的研究及应用。

　　 EPANET进行管网平差的原理还是利用迭代法解节点—环方程, 采用Todini-Pilati梯度算法为标准算法, 在满足流量、流速、管径、节点水头等多种约束条件及一定精度要求下, 通过对连续性方程、管段压降方程、能量方程联立求解, 最终确定经济管径。

　　 EPANET软件对树状管网和环状管网均适用, 管网规模也没有限制, 可不经简化直接建立管网模型。软件可以进行多水源管网平差计算, 包括最高时、消防、事故等多种工况, 并且管网中可以包含水泵、水塔、阀门等单元。

　　 EPANET计算管段沿程水头损失的方法有3种, 分别为海曾-威廉 (Hazen-Williams) 公式、达西-魏斯巴赫 (Darcy-Weisbach) 公式、谢才-曼宁 (Chezy-Manning) 公式。

　　 这3种公式在我国给水排水教材及相关设计手册中均有介绍, 国内在供水管网水力计算中主要使用达西-魏斯巴赫公式, 适用所有流态;西方国家常用海曾-威廉公式;谢才-曼宁公式则更常见于明渠流的计算。对于海曾-威廉 (Hazen-Williams) 公式, 由于其粗糙系数C是一个无量纲的数值, 应用时更为便捷, 因此该公式也是EPANET首选的水头损失计算方法。

　　 大多管网平差软件是就某一时间点 (最高时) 进行水力计算的, 提供的计算结果只能是特定时间点的流量、流速、压力、水头损失等, 不能全面显示管网运行参数在不同时段的动态变化。

　　 EPANET对于需水量引入了时间模式, 可以提供实时的水力模拟, 以反映需水量在一天内的周期变化。实时模拟功能可以很好地验证管网系统设计的合理性, 对于运行中的管网系统, 还能反映供水系统的运行管理质量, 进行长期运行状态预测, 为合理调度提供基础依据^[2]。

　　 水质模拟包括管网系统中水的停留时间、不同水源的混合、管网余氯的衰减、消毒副产物的增长、污染物的跟踪等。

　　 通过系统中水的停留时间可以简单判断管网整体水质状况, EPANET能够执行源头跟踪, 跟踪水随时间达到管网任何节点的百分比、分析给定水源来水与其它水源混合的程度以及混合模式随时间的变化状态。对于反应物质 (如余氯、消毒副产物等) , 遵循动力学反应模型。

　　 在供水系统中, 可以使用EPANET软件模拟常规加氯方法对余氯量和三氯甲烷的生成量的影响, 当管网末梢的余氯量低于系统要求时, 模拟结果可提供正确的加氯量, 使市政管网取得更好的消毒效果, 同样也能模拟和控制三氯甲烷的生成^[3]。

　　 安哥拉某供水项目, 规划区面积4.8km², 地面标高5~123m, 区内现状人口12 390人。现状供水依靠1座1 800m³高位水池, 配水管网年久失修, 多处漏水, 用水点水压难以保证, 甚至没有出流, 无法正常服务。设计重新敷设区域内配水管网, 并建设新的水塔及配套提升泵房。

　　 区域规划人口22 000人, 用水定额90L/ (人·d) , 考虑公共建筑、商业企业、未预见用水以及管网漏损, 最高日需水量4 600 m³/d, 最大时设计流量78L/s。当地建筑类型均为平房, 管网最小自由水压要求不小于15 m。由于区域内地形变化幅度较大, 设计配水管网分为高、中、低3个分区, 中、低区管网由高位水池直接供水, 高区通过水塔供水。

　　 根据上述建设目标, 采用EPANET软件进行相关管网水力计算。

　　 本例介绍其中高区管网 (设计流量为18.4L/s) 的模拟计算步骤。

　　 管网地图即通常所说的管网平差计算图, EPA-NET软件可利用CAD图纸数据获得, 设计中的操作方法及步骤如下:

　　 (1) 水力计算前, 综合考虑城市规划、人口密度、建筑及用户分布, 在CAD地形图上进行管道定线和管网布置。作图时, 注意所有管线均使用多段线pl, 并放置在新的图层上。

　　 (2) 将绘制的*.dwg文件另存为*.dxf格式 (注意保存时选择R12版本, 否则不兼容;同时需关闭掉这个*.dxf文件方可进行后续转换, 否则文件不能读入) 。

　　 (3) 利用dxf2epa程序将*.dxf文件转换为*.inp文本格式文件 (对应管线图层) 。

　　 (4) 利用EPANET软件导入*.inp文件, 进行必要的编辑, 再添加水池、水塔等单元, 建立管网模型, 详见图1。

　　 *.inp文件具备管网的几何特征, 与实际情况基本一致, 包括管段ID标签、两端节点ID标签等, 特别是EPANET软件具有自动导入管长功能, 可以大大简化管网基础信息的输入。

　　 与CAD图纸类似, 用地图软件绘制的供水线路也可以用于EPANET软件, 只不过前面要增加两个步骤, 先将地图软件绘制的*.kmz文件另存为*.kml文件 (提取文件夹下的管线图元文件) , 然后用kml2dxf程序将*.kml文件转换为*.dxf文件, 其后的过程参照CAD图纸转换步骤。

　　 对于特别简单的管网系统, 也可以在软件地图窗口直接绘制管网地图。

　　 在输入基础数据前, 可以打开缺省对话框, 进行工程基本设置。

　　 本设计中, 水力特征栏流量单位采用LPS (L/s) , 对应的流速单位以m/s计, 长度单位以m计, 管道直径以mm计, 水压及标高以m计。

　　 水头损失计算采用海曾-威廉 (H-W) 公式。

　　 ID标签栏可以对节点 (J) 、管道 (P) 、水池 (V) 、水塔 (T) 等加上前缀, 并自动连续编号 (ID增量设置为1) ;

　　 供水管道采用HDPE管, 在属性栏设置管道粗糙系数C为140。

　　 根据软件提示输入节点及管段基础数据, 其中节点需输入标高和水量;管段需输入管道长度、直径和粗糙系数C。

　　 进行节点流量分配时, 采用传统的比流量法, 以沿线流量的1/2折算为管段两端的节点流量, 集中流量按单独的节点。

　　 本设计利用CAD图纸建立管网模型, 自动导入管段长度 (注意导入的管段长度单位是mm, 需换算为m) ;粗糙系数C使用缺省设置。

　　 管段初始管径采用人工赋值, 由于EPANET属于精确计算, 所以管道直径应采用内径。

　　 基础数据输入完成后, 点击运行图标, 执行水力模拟分析。运行成功后, 则可以用不同方式浏览计算结果, 显示不同组合的管网地图。如存在错误, 软件将提示错误或者警告信息, 按提示进行检查和修改。

　　 对于节点, 可以很直观浏览流量、压力、标高、总水头等参数, 管段可以浏览长度、直径、流量、流速、单位管长水头损失等参数。各参数的数值范围可以设置不同的颜色来区分 (详见图1) , 这样调整和优化管段变得非常容易, 根据显示的压力、流速、水头损失等数据以及颜色, 调整不合适的管段, 进行设计优化, 直到满足设计要求为止。

　　 除了管网地图, EPANET还能提供管网报表, 列出指定时段所有节点或者管段参数, 报表具有排序功能, 可以帮助设计人员快速找到不合适的管段。图2所示为按单位水头损失排序的管网报表。

　　 当所有参数满足设计要求后即可输出水力模拟结果, 可以选择管网地图形式或报表形式, 本例高区管网最终的设计成果详见图1及图2。

　　 设计水塔容积根据招标文件按满足区域40min用水量的要求设置, 高区设计流量18.4L/s, 计算水塔有效容积50 m³, 水箱采用圆柱形结构, 直径4.4m, 有效水深3.3m。

　　 EPANET软件可以包含水塔一起进行管网平差计算, 因此水塔高度的确定非常简单, 只需输入水塔相关水位, 如模拟结果显示合理的话, 便可确认水塔高度。

　　 本例中水塔T1 (详见图1) 的地面标高115m, 初始水位26 m, 最低水位25.3 m, 最高水位28.6m, 水箱直径4.4m。经EPANET计算, 此时最不利点的水压为18.33m, 满足管网压力要求, 最终确定水塔高度为25m。

　　 设计过程中一般都会有修改和调整, 需要对管网地图进行相应编辑, 包括添加、删除和移动图元。

　　 通过地图工具条的图标按钮可以添加和删除节点、管段、水泵、阀门、水池、水塔等管网组件。但EPANET软件命令操作后不能撤销, 因此进行删除时务必慎重;此外, 由于节点一般连接多条管段, 在删除管段和节点时应注意先管段后节点, 避免误删需要保留的管段。

　　 对于相关参数的小数位数, 可以通过文件菜单中的偏好设置来进行更改。此外, 是否使用加粗字体、选择对象是否闪烁、地图标注显示、删除确认、自动备份等功能均可以通过偏好设置来定义。

　　 EPANET具有地图查询功能, 可快速锁定满足特定参数条件的节点或管段, 例如本设计寻找水压低于15m的节点、流速高于2m/s的管段等, 满足特定条件的对象将在地图中亮显, 方便直观。

　　 对于需要批量更改基础数据的同一类对象, 可以通过组编辑来完成。

　　 框选需要编辑的对象, 点击文件菜单中的组编辑命令, 在对话框中进行基础数据的更改。例如本例最初的管径是按公称直径输入的, 为计算精确, 统一使用组编辑更改为公称内径。

　　 除了前面提到的各类管网地图, EPANET还能够根据需要提供多种形式的图形来显示分析相关运行参数, 包括各类等值线图、剖面线图、分布比例图等, 且这些图形可以针对任意时刻的任何节点或管段, 模拟程度极高。

　　 EPANET是通过导入*.inp文件建立管网模型的, 同时EPANET也具有文件导出功能, 包括导出方案、导出地图、导出管网等, 可以对工程信息和数据再次利用。其中导出管网功能在设计中经常用到, 由于EPANET不具备管长统计功能, 在进行管材分类统计及汇总时, EPANET软件自身就无能为力了, 而导出管网功能恰好能弥补这一缺陷, 可以将导出的*.inp文本文件中的管段数据复制到Excel表格, 再进行相应的数据处理则变得相对简单。

　　 本供水管网设计实例体现了EPANET软件的诸多优点, 对于供水管网规划设计及日常运行管理具有突出的便捷性。

　　 (1) EPANET具有管网平差、运行模拟、信息管理、运行管理等多种功能, 可以提供全面、精确的水力及水质模拟。

　　 (2) EPANET对树状管网和环状管网均适用, 可不经简化直接建立管网模型, 软件可以进行多水源、多种工况管网平差计算。

　　 (3) 能够利用CAD图纸数据建立管网模型, 并且具有自动导入管长功能, 大大简化管网基础数据的输入。

　　 (4) EPANET能够提供多种模拟结果, 包括以颜色区分的、标有水力参数的各类管网地图, 以及各类节点和管段报表, 方便直观;同时软件能够提供查询、排序等功能, 可以快速查找水压、流速不合理的管段, 方便管网的设计优化。