EPANET 学习手册：面向 Java 工程师的入门指南

yelangking1

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yelangking1 · 2026-07-07 22:30:00 发布

EPANET 学习手册：面向 Java 工程师的入门指南

1. EPANET 概述

1.1 什么是 EPANET

EPANET（Environmental Protection Agency NETwork）是由美国环保署（EPA）开发的开源供水管网水力与水质分析工具包。它用于模拟压力管道网络中的水流分布、压力变化以及化学物质在管网中的传输与反应过程。对于 Java 工程师而言，可以把 EPANET 理解为一个用 C 语言编写的水力计算引擎，它暴露了一套 C API（Toolkit），允许外部程序加载管网模型、执行仿真并提取结果。
在这里插入图片描述

1.2 核心能力

在这里插入图片描述

能力	说明
水力分析	计算每个管段的流量、流速，每个节点的压力与水头
扩展时段模拟	模拟数小时至数天的系统动态行为
水质分析	追踪化学物质浓度、水龄、水源溯源
能耗计算	计算泵站能耗与运行成本
控制规则	支持基于时间或条件的管网设备自动控制

1.3 架构视角

从软件架构角度看，EPANET 采用分层设计：

输入层：.inp 文本文件定义网络拓扑与参数
计算引擎：C 语言核心求解水力与水质方程
输出层：.out 二进制文件或 .rpt 文本报告存储结果
Toolkit API：C 函数库供外部程序调用

2. 核心对象模型

EPANET 将供水管网抽象为**节点（Nodes）和连接（Links）**构成的有向图。理解这些对象及其属性是建模的基础。

2.1 物理对象

2.1.1 节点（Nodes）

Junction（连接点）

连接点是管网中最常见的节点类型，表示管道交汇点或用户取水点。

属性类型	属性名	说明	单位
输入	Elevation	地面高程	米/英尺
输入	Base Demand	基础需水量	流量单位
输入	Demand Pattern	需求时间模式	-
输入	Emitter Coefficient	喷射器/漏损系数	-
输出	Hydraulic Head	总水头	米/英尺
输出	Pressure	压力	米/英尺
输出	Actual Demand	实际需水量	流量单位

从面向对象角度理解，Junction 是一个具有流量边界条件的节点。当需求为正值时表示取水，负值表示水源注入。

Reservoir（水库）

水库代表管网的外部水源或汇点，其水位不受管网内部状态影响。

属性类型	属性名	说明
输入	Total Head	总水头（固定边界条件）
输入	Head Pattern	水头随时间变化的模式
输入	Initial Quality	初始水质

水库在数学上是一个固定水头边界条件（Fixed Grade Node），其水头值由用户指定或通过时间模式变化。

Tank（水池/水塔）

水池是具有储水能力的节点，其水位在仿真过程中随时间变化。

属性类型	属性名	说明
输入	Bottom Elevation	池底高程
输入	Initial Level	初始水位
输入	Minimum Level	最低允许水位
输入	Maximum Level	最高允许水位
输入	Diameter	直径（圆柱形）或容积曲线
输出	Hydraulic Head	当前水头（高程 + 水位）
输出	Water Quality	水质

水池是可变水头边界条件，EPANET 会在仿真中动态追踪其水位变化。当水位达到最小值时停止出水，达到最大值时停止进水。

2.1.2 连接（Links）

Pipe（管段）

管段是连接两个节点的输水通道。

属性类型	属性名	说明	单位
输入	Start Node	起始节点	-
输入	End Node	终止节点	-
输入	Length	长度	米/英尺
输入	Diameter	直径	毫米/英寸
输入	Roughness	粗糙系数	视公式而定
输入	Status	状态（开启/关闭/单向阀）	-
输入	Minor Loss Coefficient	局部水头损失系数	-
输出	Flow Rate	流量	流量单位
输出	Velocity	流速	长度/时间
输出	Headloss	水头损失	长度

水头损失公式

EPANET 支持三种水头损失计算公式：

公式	适用场景	粗糙系数
Hazen-Williams	美国最常用的湍流公式，仅适用于水	C（无量纲）
Darcy-Weisbach	理论上最准确，适用于所有流态和液体	ε（绝对粗糙度，mm/ft）
Chezy-Manning	常用于明渠流	n（无量纲）

水头损失的通用形式：

hL = A * q^B

其中 hL 为水头损失，q 为流量，A 为阻力系数，B 为流量指数。

Pump（水泵）

水泵是向流体施加能量、提升水头的连接对象。

属性类型	属性名	说明
输入	Start/End Node	起止节点（水流单向）
输入	Pump Curve	水泵特性曲线
输入	Power	额定功率（替代曲线时使用）
输入	Speed Pattern	转速时间模式
输出	Flow Rate	流量
输出	Head Gain	扬程

水泵特性曲线描述流量与扬程的关系，通常表示为：

h = h0 - r * (q/q0)^n

其中 h0 为关死点扬程，r 和 n 为曲线系数。

Valve（阀门）

EPANET 支持六种阀门类型：

阀门类型	英文缩写	功能	设置参数
减压阀	PRV	限制下游压力	目标压力
稳压阀	PSV	维持上游压力	目标压力
压力断路阀	PBV	产生指定压降	压降值
流量控制阀	FCV	限制流量	目标流量
节流控制阀	TCV	模拟局部关闭	损失系数
通用阀门	GPV	自定义流态关系	水头损失曲线

阀门建模的约束规则：

PRV、PSV、FCV 不能直接连接水库或水池
两个 PRV 不能共享同一个下游节点或串联
两个 PSV 不能共享同一个上游节点或串联

2.2 非物理对象

2.2.1 Curve（曲线）

曲线定义了设备或系统的非线性特性关系：

曲线类型	用途	X轴	Y轴
Pump Curve	水泵特性	流量	扬程
Efficiency Curve	水泵效率	流量	效率(%)
Volume Curve	非圆柱水池容积	水位	容积
Headloss Curve	GPV 水头损失	流量	水头损失

2.2.2 Pattern（时间模式）

时间模式是一组乘数因子，用于表示物理量随时间的变化规律。

实际值 = 基础值 × 模式乘数

常见应用场景：

需水量日变化模式
水库水位季节变化模式
水泵运行调度模式
电价分时模式

2.2.3 Control（控制规则）

控制规则定义了设备在仿真过程中的自动操作逻辑。

Simple Control（简单控制）

基于时间或单个条件的控制：

LINK pump1 OPEN AT TIME 8:00
LINK valve1 CLOSE IF NODE tank1 BELOW 5.0

Rule-Based Control（规则控制）

支持多条件组合与优先级：

RULE 1
IF NODE tank1 LEVEL > 10.0
AND SYSTEM CLOCKTIME > 6:00
THEN LINK pump1 STATUS = OPEN
AND LINK pump2 STATUS = CLOSE
PRIORITY 5

2.3 对象关系图

Network
├── Nodes
│   ├── Junctions (需水量, 高程)
│   ├── Reservoirs (固定水头)
│   └── Tanks (可变水头, 容积)
├── Links
│   ├── Pipes (长度, 直径, 粗糙度)
│   ├── Pumps (特性曲线, 转速)
│   └── Valves (类型, 设定值)
├── Curves
│   ├── Pump Curves
│   ├── Efficiency Curves
│   └── Volume Curves
├── Patterns (时间乘数序列)
└── Controls (操作规则)

3. 建模流程

3.1 建模步骤

建立 EPANET 模型的标准流程：

步骤 1：定义网络拓扑

绘制或定义所有节点（Junction、Reservoir、Tank）
绘制或定义所有连接（Pipe、Pump、Valve）
确保网络连通性，每个节点至少连接一条管段

步骤 2：设置节点属性

为所有节点指定高程
为 Junction 指定基础需水量
为 Reservoir 指定总水头
为 Tank 指定尺寸和运行水位范围

步骤 3：设置连接属性

为所有 Pipe 指定长度、直径和粗糙系数
为 Pump 指定特性曲线或功率
为 Valve 指定类型和设定值

步骤 4：定义时间模式

创建需水量变化模式
创建水库水位变化模式（如需要）
创建水泵运行模式（如需要）

步骤 5：设置控制规则

定义水泵启停逻辑
定义阀门操作逻辑

步骤 6：配置分析选项

选择水头损失公式
设置流量单位
设置时间参数（总时长、水力步长、水质步长）
设置收敛准则

3.2 INP 文件结构

EPANET 使用 .inp 文本文件存储模型数据。对于 Java 工程师，理解其结构有助于程序化生成和解析模型。

[TITLE]
示例管网模型

[JUNCTIONS]
;ID    Elevation   Demand
J1     100.0       50.0
J2     95.0        30.0

[RESERVOIRS]
;ID    Head
R1     120.0

[TANKS]
;ID    Elevation   InitLevel   MinLevel   MaxLevel   Diameter
T1     110.0       10.0        5.0        15.0       20.0

[PIPES]
;ID    Node1   Node2   Length   Diameter   Roughness
P1     R1      J1      1000     300        100
P2     J1      J2      500      200        100

[PUMPS]
;ID    Node1   Node2   Parameters
PU1    T1      J1      HEAD PU1_CURVE

[CURVES]
;ID       X-Value   Y-Value
PU1_CURVE 0         50
PU1_CURVE 100       45
PU1_CURVE 200       35

[PATTERNS]
;ID       Multipliers
DEMAND_PAT 1.0 1.2 1.5 1.3 1.0 0.8

[CONTROLS]
LINK PU1 OPEN IF NODE T1 LEVEL BELOW 6.0
LINK PU1 CLOSE IF NODE T1 LEVEL ABOVE 14.0

[OPTIONS]
UNITS LPS
HEADLOSS H-W
QUALITY NONE

[TIMES]
DURATION 24:00
HYDRAULIC TIMESTEP 1:00
QUALITY TIMESTEP 0:05
PATTERN TIMESTEP 1:00
REPORT TIMESTEP 1:00

[END]

3.3 单位系统

EPANET 的单位由流量单位决定：

流量单位	系统	长度	压力	管径
LPS（升/秒）	公制	米	米	毫米
GPM（加仑/分）	美制	英尺	psi	英寸

4. 水力仿真原理

4.1 数学基础

EPANET 水力仿真的核心是求解管网中的质量守恒方程和能量守恒方程。

节点质量守恒

对于任意节点 i：

Σ qij - Di = 0

其中 qij 为连接节点 i 和 j 的管段流量（流入为正），Di 为节点 i 的需水量。

管段能量守恒

对于任意管段连接节点 i 和 j：

hi - hj = hL(qij)

其中 hi 和 hj 为节点水头，hL 为水头损失函数。

4.2 全局梯度算法（GGA）

EPANET 采用 Todini 和 Pilati 提出的**全局梯度算法（Global Gradient Algorithm, GGA）**求解上述非线性方程组。

算法核心是一个两步迭代过程：

步骤 1：求解节点水头

构建并求解线性方程组：

A * h = F

其中：

A 是 N×N 对称稀疏系数矩阵
h 是节点水头向量
F 是右端项向量

矩阵元素：

Aii = Σ(1/gij)    // 对角元素，gij 为水头损失梯度
Aij = -1/gij      // 非零非对角元素

步骤 2：更新管段流量

qij_new = qij - (hLij - hi + hj) / gij

迭代持续进行，直到满足收敛条件：

流量变化率之和除以总流量小于精度阈值（默认 0.001）
或水头误差小于阈值
或最大流量变化小于阈值

4.3 线性方程求解

EPANET 使用 Cholesky 分解求解对称正定线性方程组：

A = L * L^T

求解过程：

L * y = F      // 前向代入
L^T * h = y    // 回代

为提高效率，EPANET 在首次分解前使用 Multiple Minimum-Degree 算法对矩阵进行重排序，减少填充元（fill-in）。

4.4 压力驱动需求（PDA）

传统模型假设需求始终被满足（DDA）。EPANET 2.2 引入了压力驱动分析（PDA），认为实际需水量与节点压力相关：

qD = Di * ((p - P0) / (Pf - P0))^e    当 P0 < p < Pf
qD = Di                                  当 p >= Pf
qD = 0                                   当 p <= P0

其中：

Di 为完整需求
p 为当前压力
Pf 为满足完整需求所需压力
P0 为需求为零的压力
e 为压力指数（通常取 0.5）

5. 水质仿真原理

5.1 水质分析类型

EPANET 支持三种水质分析：

分析类型	说明	应用场景
化学物质浓度	追踪化学物质的传输与反应	余氯衰减、污染物扩散
水龄	计算水在管网中的停留时间	水质新鲜度评估
水源溯源	追踪特定水源的供水比例	多水源系统分析

5.2 水质传输模型

EPANET 采用拉格朗日时间驱动法模拟水质传输：

管道内传输

将管道中的水分割为若干"水体段（segments）"，每个水体段具有均匀的水质浓度。水流推动水体段在管道中移动，当水体段到达节点时发生混合。

节点混合

假设节点处完全混合，混合后浓度为：

C_mix = Σ(qin * Cin) / Σ(qin)

管道内反应

水体段在管道传输过程中发生反应，浓度变化遵循：

dC/dt = R(C)

反应类型包括：

反应类型	速率方程	说明
本体反应（Bulk）	R = Kb * C^n	发生在水体内部
管壁反应（Wall）	R = Kw * C^m	发生在管壁表面

其中 Kb 和 Kw 为反应系数，正值表示增长，负值表示衰减。

5.3 水质时间步长

水质仿真的时间步长通常远小于水力步长（默认 5 分钟 vs 1 小时），因为水质变化的时间尺度更短。EPANET 自动在每个水力步长内细分水质步长。

6. EPANET 与 Java 集成

6.1 集成方案概述

EPANET 核心引擎是 C 语言编写的动态链接库（Windows 为 epanet2.dll，Linux 为 libepanet2.so）。Java 程序可以通过以下方式调用：

方案	技术	复杂度	推荐度
JNA	Java Native Access	低	推荐
JNI	Java Native Interface	高	不推荐
命令行	调用 epanet 可执行文件	低	简单场景
现有封装库	如 Baseform-Epanet-Java-Library	低	推荐

6.2 使用 JNA 集成

JNA（Java Native Access）允许 Java 代码直接加载和调用本地库，无需编写 C 代码。

Maven 依赖

<dependency>
    <groupId>net.java.dev.jna</groupId>
    <artifactId>jna</artifactId>
    <version>5.14.0</version>
</dependency>

定义 EPANET 接口

import com.sun.jna.Library;
import com.sun.jna.Native;
import com.sun.jna.ptr.IntByReference;
import com.sun.jna.ptr.FloatByReference;

public interface Epanet2 extends Library {
    Epanet2 INSTANCE = Native.load("epanet2", Epanet2.class);

    // 项目生命周期
    int ENopen(String inpFile, String rptFile, String outFile);
    int ENclose();
    int ENsaveinpfile(String filename);

    // 水力分析
    int ENsolveH();
    int ENopenH();
    int ENinitH(int saveFlag);
    int ENrunH(IntByReference currentTime);
    int ENnextH(IntByReference nextTime);
    int ENcloseH();

    // 水质分析
    int ENsolveQ();
    int ENopenQ();
    int ENinitQ(int saveFlag);
    int ENrunQ(IntByReference currentTime);
    int ENnextQ(IntByReference nextTime);
    int ENcloseQ();

    // 节点操作
    int ENgetnodeindex(String id, IntByReference index);
    int ENgetnodeid(int index, byte[] id);
    int ENgetnodetype(int index, IntByReference type);
    int ENgetnodevalue(int index, int param, FloatByReference value);
    int ENsetnodevalue(int index, int param, float value);

    // 管段操作
    int ENgetlinkindex(String id, IntByReference index);
    int ENgetlinkid(int index, byte[] id);
    int ENgetlinktype(int index, IntByReference type);
    int ENgetlinknodes(int index, IntByReference fromNode, IntByReference toNode);
    int ENgetlinkvalue(int index, int param, FloatByReference value);
    int ENsetlinkvalue(int index, int param, float value);
}

常量定义

public class EpanetConstants {
    // 节点类型
    public static final int EN_JUNCTION = 0;
    public static final int EN_RESERVOIR = 1;
    public static final int EN_TANK = 2;

    // 连接类型
    public static final int EN_CVPIPE = 0;
    public static final int EN_PIPE = 1;
    public static final int EN_PUMP = 2;
    public static final int EN_PRV = 3;
    public static final int EN_PSV = 4;
    public static final int EN_PBV = 5;
    public static final int EN_FCV = 6;
    public static final int EN_TCV = 7;
    public static final int EN_GPV = 8;

    // 节点参数
    public static final int EN_ELEVATION = 0;
    public static final int EN_BASEDEMAND = 1;
    public static final int EN_PATTERN = 2;
    public static final int EN_EMITTER = 3;
    public static final int EN_INITQUAL = 4;
    public static final int EN_SOURCEQUAL = 5;
    public static final int EN_SOURCEPAT = 6;
    public static final int EN_SOURCETYPE = 7;
    public static final int EN_TANKLEVEL = 8;
    public static final int EN_DEMAND = 9;
    public static final int EN_HEAD = 10;
    public static final int EN_PRESSURE = 11;
    public static final int EN_QUALITY = 12;
    public static final int EN_SOURCEMASS = 13;

    // 连接参数
    public static final int EN_DIAMETER = 0;
    public static final int EN_LENGTH = 1;
    public static final int EN_ROUGHNESS = 2;
    public static final int EN_MINORLOSS = 3;
    public static final int EN_INITSTATUS = 4;
    public static final int EN_INITSETTING = 5;
    public static final int EN_KBULK = 6;
    public static final int EN_KWALL = 7;
    public static final int EN_FLOW = 8;
    public static final int EN_VELOCITY = 9;
    public static final int EN_HEADLOSS = 10;
    public static final int EN_STATUS = 11;
    public static final int EN_SETTING = 12;
    public static final int EN_ENERGY = 13;

    // 时间参数
    public static final int EN_DURATION = 0;
    public static final int EN_HYDSTEP = 1;
    public static final int EN_QUALSTEP = 2;
    public static final int EN_PATTERNSTEP = 3;
    public static final int EN_PATTERNSTART = 4;
    public static final int EN_REPORTSTEP = 5;
    public static final int EN_REPORTSTART = 6;
    public static final int EN_RULESTEP = 7;
    public static final int EN_STATISTIC = 8;
    public static final int EN_PERIODS = 9;
}

6.3 完整 Java 调用示例

import com.sun.jna.ptr.FloatByReference;
import com.sun.jna.ptr.IntByReference;

public class EpanetExample {

    public static void main(String[] args) {
        String inpFile = "network.inp";
        String rptFile = "report.txt";
        String outFile = "output.out";

        try {
            // 1. 打开项目
            int error = Epanet2.INSTANCE.ENopen(inpFile, rptFile, outFile);
            checkError(error, "ENopen");

            // 2. 运行完整水力分析
            error = Epanet2.INSTANCE.ENsolveH();
            checkError(error, "ENsolveH");

            // 3. 运行完整水质分析
            error = Epanet2.INSTANCE.ENsolveQ();
            checkError(error, "ENsolveQ");

            // 4. 提取结果
            printNodeResults();
            printLinkResults();

            // 5. 关闭项目
            Epanet2.INSTANCE.ENclose();
            System.out.println("仿真完成！");

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void printNodeResults() {
        IntByReference nodeCount = new IntByReference();
        Epanet2.INSTANCE.ENgetcount(EpanetConstants.EN_NODECOUNT, nodeCount);

        System.out.println("\n=== 节点结果 ===");
        System.out.printf("%-10s %-15s %-15s %-15s%n", "节点ID", "水头(m)", "压力(m)", "水质");

        for (int i = 1; i <= nodeCount.getValue(); i++) {
            byte[] id = new byte[32];
            Epanet2.INSTANCE.ENgetnodeid(i, id);
            String nodeId = new String(id).trim();

            FloatByReference head = new FloatByReference();
            FloatByReference pressure = new FloatByReference();
            FloatByReference quality = new FloatByReference();

            Epanet2.INSTANCE.ENgetnodevalue(i, EpanetConstants.EN_HEAD, head);
            Epanet2.INSTANCE.ENgetnodevalue(i, EpanetConstants.EN_PRESSURE, pressure);
            Epanet2.INSTANCE.ENgetnodevalue(i, EpanetConstants.EN_QUALITY, quality);

            System.out.printf("%-10s %-15.2f %-15.2f %-15.4f%n",
                nodeId, head.getValue(), pressure.getValue(), quality.getValue());
        }
    }

    private static void printLinkResults() {
        IntByReference linkCount = new IntByReference();
        Epanet2.INSTANCE.ENgetcount(EpanetConstants.EN_LINKCOUNT, linkCount);

        System.out.println("\n=== 管段结果 ===");
        System.out.printf("%-10s %-15s %-15s %-15s%n", "管段ID", "流量(L/s)", "流速(m/s)", "水头损失(m)");

        for (int i = 1; i <= linkCount.getValue(); i++) {
            byte[] id = new byte[32];
            Epanet2.INSTANCE.ENgetlinkid(i, id);
            String linkId = new String(id).trim();

            FloatByReference flow = new FloatByReference();
            FloatByReference velocity = new FloatByReference();
            FloatByReference headloss = new FloatByReference();

            Epanet2.INSTANCE.ENgetlinkvalue(i, EpanetConstants.EN_FLOW, flow);
            Epanet2.INSTANCE.ENgetlinkvalue(i, EpanetConstants.EN_VELOCITY, velocity);
            Epanet2.INSTANCE.ENgetlinkvalue(i, EpanetConstants.EN_HEADLOSS, headloss);

            System.out.printf("%-10s %-15.2f %-15.2f %-15.4f%n",
                linkId, flow.getValue(), velocity.getValue(), headloss.getValue());
        }
    }

    private static void checkError(int errorCode, String functionName) {
        if (errorCode != 0) {
            throw new RuntimeException(
                String.format("EPANET 函数 %s 返回错误码: %d", functionName, errorCode));
        }
    }
}

6.4 分步仿真控制

对于需要实时监控或干预的场景，可以使用分步仿真：

// 打开水力分析系统
Epanet2.INSTANCE.ENopenH();

// 初始化（参数1表示保存结果到水力文件）
Epanet2.INSTANCE.ENinitH(1);

IntByReference currentTime = new IntByReference();
IntByReference nextTime = new IntByReference();

// 逐步运行水力仿真
do {
    int error = Epanet2.INSTANCE.ENrunH(currentTime);
    checkError(error, "ENrunH");

    // 在此可以读取当前时刻的结果
    System.out.println("当前仿真时间: " + currentTime.getValue() + " 秒");

    // 推进到下一个时间步
    error = Epanet2.INSTANCE.ENnextH(nextTime);
    checkError(error, "ENnextH");

} while (nextTime.getValue() > 0);

Epanet2.INSTANCE.ENcloseH();

6.5 动态修改模型

Toolkit API 支持在仿真前或分步仿真中修改模型参数：

// 修改节点需水量
int nodeIndex = ...; // 获取节点索引
Epanet2.INSTANCE.ENsetnodevalue(
    nodeIndex,
    EpanetConstants.EN_BASEDEMAND,
    100.0f  // 新的需水量
);

// 修改管段状态（开启/关闭）
int linkIndex = ...;
Epanet2.INSTANCE.ENsetlinkvalue(
    linkIndex,
    EpanetConstants.EN_STATUS,
    0  // 0=关闭, 1=开启
);

// 修改水泵转速设置
Epanet2.INSTANCE.ENsetlinkvalue(
    linkIndex,
    EpanetConstants.EN_SETTING,
    1.2f  // 转速比（1.0=额定转速）
);

7. 完整建模示例

7.1 问题描述

构建一个简单的供水系统模型：

1 个水源水库（R1），水头 120m
1 个水泵（PU1）将水提升至管网
2 个连接点（J1、J2）代表用户
1 个水塔（T1）用于调节水量

7.2 INP 文件

[TITLE]
简单供水系统示例

[JUNCTIONS]
;ID    Elevation   BaseDemand
J1     100.0       50.0
J2     95.0        30.0

[RESERVOIRS]
;ID    Head
R1     120.0

[TANKS]
;ID    Elevation   InitLevel   MinLevel   MaxLevel   Diameter   VolumeCurve
T1     110.0       10.0        5.0        15.0       20.0

[PIPES]
;ID    Node1   Node2   Length   Diameter   Roughness   MinorLoss   Status
P1     J1      J2      500      200        100         0           Open
P2     T1      J1      300      250        100         0           Open

[PUMPS]
;ID    Node1   Node2   Properties
PU1    R1      T1      HEAD PU1_CURVE

[CURVES]
;ID       Flow   Head
PU1_CURVE 0      50
PU1_CURVE 100    45
PU1_CURVE 200    35
PU1_CURVE 300    20

[PATTERNS]
;ID         Multipliers
DEMAND_PAT  0.5 0.6 0.8 1.0 1.2 1.5 1.3 1.0
            0.8 0.6 0.5 0.4 0.4 0.5 0.6 0.8
            1.0 1.2 1.0 0.8 0.6 0.5 0.4 0.4

[CONTROLS]
LINK PU1 OPEN IF NODE T1 LEVEL BELOW 6.0
LINK PU1 CLOSE IF NODE T1 LEVEL ABOVE 14.0

[OPTIONS]
UNITS LPS
HEADLOSS H-W
SPECIFIC GRAVITY 1.0
VISCOSITY 1.0
TRIALS 40
ACCURACY 0.001
UNBALANCED CONTINUE 10
DEMAND MULTIPLIER 1.0

[TIMES]
DURATION 24:00
HYDRAULIC TIMESTEP 1:00
QUALITY TIMESTEP 0:05
PATTERN TIMESTEP 1:00
PATTERN START 0
REPORT TIMESTEP 1:00
REPORT START 0

[REPORT]
STATUS YES
SUMMARY YES
NODES ALL
LINKS ALL

[END]

7.3 Java 分析代码

public class SimpleNetworkAnalysis {

    public static void main(String[] args) {
        Epanet2 epanet = Epanet2.INSTANCE;

        // 打开模型
        int err = epanet.ENopen("simple.inp", "simple.rpt", "simple.out");
        if (err != 0) {
            System.err.println("打开模型失败，错误码: " + err);
            return;
        }

        try {
            // 运行完整分析
            err = epanet.ENsolveH();
            if (err != 0) throw new RuntimeException("水力分析失败: " + err);

            err = epanet.ENsolveQ();
            if (err != 0) throw new RuntimeException("水质分析失败: " + err);

            // 输出结果报告
            epanet.ENreport();

            // 提取关键指标
            analyzeResults(epanet);

        } finally {
            epanet.ENclose();
        }
    }

    private static void analyzeResults(Epanet2 epanet) {
        System.out.println("=== 系统分析结果 ===\n");

        // 获取节点数量
        IntByReference count = new IntByReference();
        epanet.ENgetcount(0, count); // EN_NODECOUNT = 0
        int nodeCount = count.getValue();

        // 检查压力最低节点
        float minPressure = Float.MAX_VALUE;
        String minPressureNode = "";

        for (int i = 1; i <= nodeCount; i++) {
            byte[] id = new byte[32];
            epanet.ENgetnodeid(i, id);

            FloatByReference pressure = new FloatByReference();
            epanet.ENgetnodevalue(i, EpanetConstants.EN_PRESSURE, pressure);

            if (pressure.getValue() < minPressure) {
                minPressure = pressure.getValue();
                minPressureNode = new String(id).trim();
            }
        }

        System.out.println("最低压力节点: " + minPressureNode);
        System.out.println("最低压力值: " + String.format("%.2f", minPressure) + " m");

        // 获取水泵能耗
        IntByReference linkCount = new IntByReference();
        epanet.ENgetcount(2, linkCount); // EN_LINKCOUNT = 2

        for (int i = 1; i <= linkCount.getValue(); i++) {
            IntByReference linkType = new IntByReference();
            epanet.ENgetlinktype(i, linkType);

            if (linkType.getValue() == EpanetConstants.EN_PUMP) {
                byte[] id = new byte[32];
                epanet.ENgetlinkid(i, id);

                FloatByReference energy = new FloatByReference();
                epanet.ENgetlinkvalue(i, EpanetConstants.EN_ENERGY, energy);

                System.out.println("水泵 " + new String(id).trim() +
                    " 能耗: " + String.format("%.2f", energy.getValue()) + " kW");
            }
        }
    }
}

8. 常见问题与调试

8.1 模型构建问题

问题	可能原因	解决方案
模型不收敛	管网不连通	检查所有节点是否连接到水源
模型不收敛	管径过小	检查管径设置是否合理
模型不收敛	阀门设置冲突	检查 PRV/PSV 的串联和并联规则
负压力警告	水泵扬程不足	增加水泵扬程或减少下游需求
水池溢出	进水流量过大	调整控制规则或增加出水管径

8.2 Java 集成问题

问题	可能原因	解决方案
UnsatisfiedLinkError	DLL/SO 文件未找到	确保库文件在 `java.library.path` 中
错误码 200+	INP 文件格式错误	检查 INP 文件语法
内存访问错误	JNA 类型映射错误	检查指针和引用类型的使用
中文路径失败	编码问题	使用 ASCII 路径或设置文件编码

8.3 调试技巧

启用详细报告：在 [REPORT] 节设置 STATUS FULL 查看每次迭代的状态变化
分步仿真：使用 ENopenH / ENrunH / ENnextH 序列逐步检查
简化模型：从最简单的管网开始，逐步增加复杂度
验证质量守恒：检查总流入量是否等于总流出量

9. 进阶学习路径

9.1 深入方向

方向	内容	应用场景
优化算法	结合遗传算法优化管网设计	管网改扩建规划
实时仿真	EPANET-RTX 实时扩展	SCADA 系统集成
多物种反应	EPANET-MSX 扩展	复杂水质化学反应
不确定性分析	蒙特卡洛模拟	风险评估
管网简化	等效管段方法	大规模管网加速

9.2 推荐资源

EPANET 2.2 用户手册：https://usepa.github.io/EPANET2.2/
EPANET 开源项目：https://github.com/USEPA/EPANET2.2
Toolkit API 文档：随 EPANET 安装包提供
EPANET-MATLAB Toolkit：学习 API 调用模式（尽管是 MATLAB 版本）

9.3 Java 生态相关项目

项目	说明	链接
Baseform-Epanet-Java-Library	成熟的 Java 封装库	搜索 GitHub
JGrassTools	包含 EPANET JNA 封装	开源 GIS 工具集

附录：常用 Toolkit API 速查

项目生命周期

函数	功能
`ENopen`	打开项目
`ENclose`	关闭项目
`ENsaveinpfile`	保存为 INP 文件

仿真控制

函数	功能
`ENsolveH`	完整水力分析
`ENopenH` / `ENinitH` / `ENrunH` / `ENnextH` / `ENcloseH`	分步水力分析
`ENsolveQ`	完整水质分析
`ENopenQ` / `ENinitQ` / `ENrunQ` / `ENnextQ` / `ENcloseQ`	分步水质分析

数据访问

函数	功能
`ENgetcount`	获取对象数量
`ENgetnodeindex` / `ENgetnodeid`	节点索引/ID 转换
`ENgetnodevalue` / `ENsetnodevalue`	读取/设置节点参数
`ENgetlinkvalue` / `ENsetlinkvalue`	读取/设置连接参数
`ENgetpatternvalue`	读取模式乘数
`ENgetcontrol` / `ENsetcontrol`	读取/设置控制规则

本手册基于 EPANET 2.2 版本编写。EPANET 是公共领域软件，可自由复制和分发。

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EPANET 学习手册：面向 Java 工程师的入门指南

yelangking1

EPANET 学习手册：面向 Java 工程师的入门指南

目录

1. EPANET 概述

1.1 什么是 EPANET

1.2 核心能力

1.3 架构视角

2. 核心对象模型

2.1 物理对象

2.1.1 节点（Nodes）

2.1.2 连接（Links）

2.2 非物理对象

2.2.1 Curve（曲线）

2.2.2 Pattern（时间模式）

2.2.3 Control（控制规则）

2.3 对象关系图

3. 建模流程

3.1 建模步骤

3.2 INP 文件结构

3.3 单位系统

4. 水力仿真原理

4.1 数学基础

4.2 全局梯度算法（GGA）

4.3 线性方程求解

4.4 压力驱动需求（PDA）

5. 水质仿真原理

5.1 水质分析类型

5.2 水质传输模型

5.3 水质时间步长

6. EPANET 与 Java 集成

6.1 集成方案概述

6.2 使用 JNA 集成

6.3 完整 Java 调用示例

6.4 分步仿真控制

6.5 动态修改模型

7. 完整建模示例

7.1 问题描述

7.2 INP 文件

7.3 Java 分析代码

8. 常见问题与调试

8.1 模型构建问题

8.2 Java 集成问题

8.3 调试技巧

9. 进阶学习路径

9.1 深入方向

9.2 推荐资源

9.3 Java 生态相关项目

附录：常用 Toolkit API 速查

项目生命周期

仿真控制

数据访问

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