摘要：文中作者從實際工程經(jīng)驗和 理論 出發(fā)，提出了寧波市供水主干管環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的布置形式，編寫了 計算 機程序進行供水主干管環(huán)網(wǎng)口徑優(yōu)化計算， 應(yīng)用 WaterSim for GIS管網(wǎng)建模軟件建立了寧波市給水管網(wǎng)2003年高日高時水力模型，并進行了近期和遠期管網(wǎng)水力模型多工況校核，計算結(jié)果表明寧波城市供水主干管環(huán)網(wǎng)布置滿足近期和遠期的供水要求，是合適的。

關(guān)鍵詞：寧波市 供水主干管環(huán)網(wǎng) 規(guī)劃 水力模型 校核

0 引言

給水管網(wǎng)是城市供水的重要基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)投資占給水工程建設(shè)總投資的65%左右，對供水系統(tǒng)的運行和管理 影響 較大，受到給水工程建設(shè)和運營管理部門的高度重視。

寧波城市供水經(jīng)歷了七十多年的不斷 發(fā)展 ，市區(qū)現(xiàn)有日供水能力達82萬噸，DN100mm以上供水管道1057km。2003年最高日供水量達86.1萬噸，近五年來平均日供水量年平均凈增9.42%，而且增長的趨勢在逐年加大。預(yù)測寧波市自來水總公司2010年總需水量為170萬噸/日，2020年總需水量為200萬噸/日[1]，如何將這么大的需水量安全的、 經(jīng)濟 的、高效的轉(zhuǎn)輸和配送到用戶，提高供水管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行可靠性是一個需要進行深入 研究 的課題。

本文提出的給水管網(wǎng)主干管環(huán)網(wǎng)規(guī)劃和水力模型校核 方法 [2]，利用計算機軟件加以實現(xiàn)，在寧波市供水環(huán)網(wǎng)主干管環(huán)網(wǎng)工程規(guī)劃(170萬噸/日)加以驗證。結(jié)果表明這一方法具有較高的實用價值。

1 供水管網(wǎng)主干管布置形式

本供水工程規(guī)劃范圍涉及寧波市海曙區(qū)、江東區(qū)、江北區(qū)、北侖區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)和鄞州區(qū)，寧波市自來水總公司現(xiàn)有的供水區(qū)域主要是除鄞州區(qū)之外的其它區(qū)的建成區(qū)，現(xiàn)狀管網(wǎng)主要集中在中心城區(qū)(三江片)，現(xiàn)有主要的四座水廠中的三座位于中心城區(qū)，分別是南郊水廠、江東水廠和梅林水廠，另外一座是北侖水廠，距中心城區(qū)較遠，相對獨立。見圖1。

根據(jù)水源和現(xiàn)狀條件，規(guī)劃的三座水廠分別位于中心城區(qū)的外圍，距中心城區(qū)較遠，能力各為50萬噸/日，其中二座水廠采用重力流供水。中心城區(qū)原供水能力65萬噸/日，遠期僅保留江東水廠，供水能力降到20萬噸/日。

由于現(xiàn)狀中心城區(qū)大規(guī)模的管網(wǎng)改擴建工程實施較困難，中心城區(qū)地形較平坦，水廠又位于中心城區(qū)外圍，宜在城外建供水管網(wǎng)主干管環(huán)網(wǎng)，分別向環(huán)內(nèi)中心城區(qū)和環(huán)外其它供水區(qū)域輸配水量。經(jīng)過實地勘查、多方案經(jīng)濟比較和論證，采用如圖1所示布置方式。

圖1：供水主干管環(huán)網(wǎng)總體布置圖

寧波城市供水采用城市供水主干管環(huán)網(wǎng)的解決方案，有以下優(yōu)點：(1)主干管環(huán)網(wǎng)上任意一點的水可來自兩個方向，工程維修、事故斷水時，不影響供水系統(tǒng)正常供水，供水的安全可靠性高;(2)采用主干管環(huán)網(wǎng)供水可避免在城市供水規(guī)模和供水重心發(fā)生變化的情況下，出現(xiàn)的對現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)進行大范圍改造，適用范圍更廣;(3)主干管環(huán)網(wǎng)建設(shè)在城市中心城區(qū)外圍，排管施工、管線維護、改擴建工程等較中心城區(qū)方便、經(jīng)濟;(4)更有利于供水系統(tǒng)的運行調(diào)度和管理。

2 供水主干管環(huán)網(wǎng)優(yōu)化計算

2.1 資料準備

1)出流點位置的確定

供水主干管環(huán)網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)狀中心城區(qū)大口徑管道和供水主干管環(huán)網(wǎng)均相交，選定為供水主干管環(huán)網(wǎng)向現(xiàn)狀中心城輸配水點。如圖2中節(jié)點5和中心城區(qū)DN1000和DN600管道在聯(lián)豐路接通，節(jié)點17和中心城區(qū)DN600管道在望春路接通，節(jié)點16和中心城區(qū)DN1000和DN500管道在新星路接通，節(jié)點14和中心城區(qū)DN800管道在慈甬公路接通，節(jié)點12和中心城區(qū)DN600和DN800管道在甬鎮(zhèn)公路接通，節(jié)點11和中心城區(qū)DN1000、DN600和DN500管道在江南公路接通，節(jié)點10和中心城區(qū)DN1200、DN1000、DN900和DN500管道在通途路接通，原南郊水廠DN1600原水管改為清水管，與節(jié)點7接通，南郊水廠停用。

供水主干管環(huán)網(wǎng)向環(huán)外出流點位置的確定是結(jié)合環(huán)外區(qū)域規(guī)劃進行，分別位于節(jié)點3、4、16、17、15、14、13、12、11、10、21、22和節(jié)點18。

圖2：供水主干環(huán)網(wǎng)節(jié)點示意圖

2)輸配水量的確定

據(jù) 文獻 [1]預(yù)測寧波城市2010年及2020年需水量確定出流水量大小，見表1。2010年供水環(huán)網(wǎng)供水量合計100萬噸/d，分別來自毛家坪水廠(節(jié)點1)和東錢湖水廠(節(jié)點20)，環(huán)網(wǎng)內(nèi)的南郊水廠供水15萬噸/日和江東水廠供水25萬噸/日，總計140萬噸/日;2020年供水環(huán)網(wǎng)供水量合計150萬噸/日，毛家坪水廠、東錢湖水廠及北渡水廠(節(jié)點19)各50萬噸/日，環(huán)網(wǎng)內(nèi)的南郊水廠停役，江東水廠供水20萬噸/日，合計170萬噸/日。

表1：2010年、2020年預(yù)測用水量及分布

 

年份地域	2010年(萬)	2020年(萬)
中心城區(qū)	60	60.5
北部地區(qū)	9	13.5
鎮(zhèn)海區(qū)	7	10
江北轉(zhuǎn)輸	4	4
北侖轉(zhuǎn)輸	0	5
東部地區(qū)	12.5	21
東錢湖地區(qū)及邱隘鎮(zhèn)	17.5	17.5
西部地區(qū)	20	20
鄞西、東地區(qū)	10	18.5
合計	140	170

 

2.2 主干管環(huán)網(wǎng)優(yōu)化計算數(shù)學(xué)模型[6]

1)目標函數(shù)

MinW== ----------------------①

2)約束條件

H- H=- ,i=1,2,……,M -----------------------②

, j=1,2,……,N ------------------------③

H≤H≤H , j=1,2,……,N -------------------------④

≥0 , i=1,2,……,M ----------------------⑤

式中：--第i管段直徑，m;a,b ,α--管道單位長度造價公式統(tǒng)計參數(shù);T--管網(wǎng)建設(shè)投資償還期，a; P--管網(wǎng)年折舊和大修費率，P%,一般取P=2.5～3.0左右;--第i管段長度，m;H, H-- 管段i的起點和終點壓力值，m;--分別為泵站經(jīng)濟指標，元/()、管段流量()和泵站最大時揚程，m;N,M--節(jié)點總數(shù)和管段總數(shù)。

上述優(yōu)化 問題 的求解屬于流量已分配條件下環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)化計算課題，采用莫希寧(Л.Φ.Μοшнин)提出了虛流量法進行求解計算[7]。

2.3、優(yōu)化計算與 分析

計算條件：利用寧波城市近年來供水管線綜合造價指標計算得造價公式C=300+2716*，電價為0.6元/Kwh，項目計算期為20年;投資收益率取5%;水泵效率取80%。管道局部阻力取沿程阻力的10%，鋼管，粗糙系數(shù)n取0.013(曼寧公式)。主干管環(huán)網(wǎng)上壓力最低控制值為高程壓力30m。供水主干管環(huán)網(wǎng)優(yōu)化計算以170萬噸/日作為計算水量，并進行140萬噸/日工況校核。取最高日時變化系數(shù)= 1.2。

經(jīng)優(yōu)化計算后，得到一組非標準口徑優(yōu)化計算結(jié)果，經(jīng)管徑取整，得到多個被選方案，經(jīng)主干管環(huán)網(wǎng)模擬計算，確定滿足要求的四個被選的比較方案，如表2。

表2：被選方案

 

	管 線 長 度(Km)	方案1管徑(m)	方案2管徑(m)	方案3管徑(m)	方案4管徑(m)
管線	L1-2=7.98	2.0	2.0	2.0	2.0
	L2-3=3.92	2.0	2.0	2.0	2.0
	L3-5=7.3	1.8	1.8	1.8	1.8
	L2-4=3.32	2.0	2.0	2.0	2.0
	L4-6=6.4	2.0	2.0	2.0	2.0
	L20-23=5.6	2.0	2.0	2.0	2.0
	L8-23=4.7	1.8	1.8	1.8	1.8
	L22-23=2.36	2.0	2.0	2.0	2.0
	L21-22=4.82	1.8	1.8	1.8	1.8
	L9-21=1.99	1.5	1.5	1.5	1.5
	L6-7=1.5	1.8	1.8	1.8	1.8
	L5-6=5.5	2.0	2.0	2.0	2.0
	L5-17=1.44	2.2	2.4	2.0	2.2
	L16-17=1.53	2.0	2.2	2.0	2.0
	L15-16=2.03	2.0	2.0	2.0	1.8
	L14-15=4.3	2.0	1.8	2.0	1.8
	L13-14=5.3	1.8	1.8	1.8	1.8
	L12-13=3.65	1.8	1.8	1.8	1.8
	L11-12=2.02	1.8	1.8	1.8	2.0
	L10-11=1.3	1.8	2.0	1.8	2.0
	L9-10=3.43	2.0	2.0	2.2	2.2
	L8-9=6.95	2.0	2.0	2.0	2.0
	L8-18=4.15	1.8	1.8	1.8	1.8
	L7-18=3.6	1.8	1.8	1.8	1.8
毛家坪水廠清水池水位高程(m)		47.5	47.5	47.5	47.5
東錢湖水廠清水池水位高程(m)		45.23	44.97	44.64	44.19
北渡水廠與環(huán)網(wǎng)接管點壓力(m)		39.73	39.65	39.55	39.44
主干管環(huán)網(wǎng)上壓力最低點值(m)		30.03	30.04	30.13	30.01
管道造價(元)		A	A-1308912	A+1441357	A-1389520

 

表2表明：四種被選方案都滿足主干管環(huán)網(wǎng)最低控制壓力要求，方案4較方案1、方案2、方案3經(jīng)濟，方案4的管道口徑更合理。初步選定方案4的水廠出廠清水管、主干管環(huán)網(wǎng)管道口徑為優(yōu)化計算結(jié)果。

3 建立現(xiàn)狀管網(wǎng)水力模型

選用上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司管網(wǎng)建模軟件(WaterSim For GIS)建立寧波市給水管網(wǎng)2003年最高日最高時管網(wǎng)水力模型，用于規(guī)劃的2010年及2020年寧波市供水主干管環(huán)網(wǎng)多工況校核。

供水管網(wǎng)模型中 計算 機圖形[3][5]的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)資料主要來自寧波市供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，建立起來的供水管線口徑大于或等于DN500的供水管網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)計算機圖形見圖3。

節(jié)點流量的計算[3][4]：節(jié)點流量計算的基礎(chǔ)資料主要來自寧波市自來水營業(yè)收費系統(tǒng)2003年的用水量數(shù)據(jù)。首先定義每月平均用水量超過1000噸的用戶為大用戶，共有217戶，在管網(wǎng)模型中單獨作為一個用水量節(jié)點，大用戶用水量約占系統(tǒng)總用水量的18.80%;除大用戶外的其它自來水用戶共91218戶或748本抄表簿，分別在地形圖上表明其具體的供水區(qū)域，建立管網(wǎng)模型中用水量節(jié)點和抄表簿或用戶帳號之間的關(guān)聯(lián)，計算出平均節(jié)點流量;供水系統(tǒng)中無計量用水的分配是按比流量(管線長度)進行。經(jīng) 分析 歷史 供水量資料，確定2003年日變化系數(shù)和時變化系數(shù)分別為1.188和1.2。

管網(wǎng)模型的校驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自寧波市給水管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)。2003年寧波市供水管網(wǎng)系統(tǒng)中最高日最高時用水發(fā)生在7月25日20:00，取同時刻的測壓點的壓力數(shù)據(jù)和水廠進網(wǎng)水量作為校驗數(shù)據(jù)，共有7個測壓點數(shù)據(jù)(其中2個遠傳數(shù)據(jù)無效)和三個水量數(shù)據(jù)。寧波市中心城區(qū)供水管網(wǎng)模型校驗結(jié)果見表3和表4。

管道阻力系數(shù)的確定[5]：按照寧波市供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)記錄的管齡來確定。

圖3：寧波市中心城區(qū)供水管網(wǎng)模型計算機圖形

表3：水廠進網(wǎng)水量實測值與計算值對比

 

序號	名稱	節(jié)點編號	計算值	實測值	誤差百分數(shù)
1	南郊水廠	10560212J13	2865.3	2853.89	-0.399%
2	江東水廠	10460601J192	5298.4	5299.45	0.02%
3	梅林水廠	3223	734.47	743.8	1.254%

 

表4：測壓點實測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)對比

 

序號	測壓點地址	節(jié)點編號	地面標高(m)	實測數(shù)據(jù)(m)	平差結(jié)果(m)	差值(m)
1	江東北	10760712J6	2.53	25.6	29.74	-1.61
2	甬港路	10560615J121	2.56	28.8	30.96	+0.4
3	高塘	10760302J81	2.32	24.8	27.69	-0.57
4	開明街	10660415J2	4.64	23.2	29.71	+1.85
5	鄞奉路	10460309J8	2.57	26.9	31.15	-1.68

 

分析和結(jié)論：

從表3和表4中可以看出模型計算值和實測值基本吻合，測壓點的對比誤差稍大，作者認為模擬計算值應(yīng)更符合實際情況，形成這種誤差的原因可能是(1)部分管道的連接或者閥門的開度與實際有差距;(2)儀器采集點的高程誤差。

由于本次管網(wǎng)模型成果不是 應(yīng)用 在供水系統(tǒng)的日常運行調(diào)度和管理，而是用于供水系統(tǒng)的宏觀規(guī)劃，重在對現(xiàn)狀管網(wǎng)的整體水力狀態(tài)進行把握，該管網(wǎng)模型能夠滿足要求。

4管網(wǎng)水力模型工況校核

4.1 建立組合管網(wǎng)模型

應(yīng)用WaterSim for GIS軟件將寧波市供水主干管環(huán)網(wǎng)模型和現(xiàn)狀中心城區(qū)高日高時管網(wǎng)模型進行組合，建立起的組合管網(wǎng)模型見圖4。主干環(huán)網(wǎng)和現(xiàn)狀中心城管網(wǎng)模型相交處為接管點，在充分利用現(xiàn)有管線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進行管網(wǎng)系統(tǒng)的擴建設(shè)計。

圖4：組合模型

4.2 水力模型工況校核

最大用水時校核：最大用水時的流量按高日高時設(shè)計。2010年及2020年管網(wǎng)模型校核結(jié)果：主干管環(huán)網(wǎng)上壓力最低值均大于高程壓力30m，供水系統(tǒng)中所有點的高程壓力均大于24m，滿足要求。

事故校核：事故時的流量為最大用水時的70%。針對2010年管網(wǎng)進行14種事故工況校核，針對2020年管網(wǎng)分別進行15種事故工況校核，校核結(jié)果表明：主干環(huán)網(wǎng)上壓力最低值均大于高程壓力30m，供水系統(tǒng)中所有點的高程壓力均大于24m，滿足要求。

消防校核：消防時是在最大時流量的基礎(chǔ)上，增加兩個流量為80L/S的消防點，計算結(jié)果表明滿足消防要求。

5 結(jié)論

本文針對寧波城市多水源供水系統(tǒng)實際情況，采用供水主干管環(huán)網(wǎng)的供水布置形式，有其明顯的優(yōu)越性，它不僅方便了寧波市供水系統(tǒng)日常的運行調(diào)度和管理，更重要的是對于一個 發(fā)展 迅速的城市而言，它具有較強的適應(yīng)性。

參考 文獻 ：

1、上海市政工程設(shè)計 研究 院/浙江省水利水電勘測設(shè)計院. 寧波市周公宅、皎口水庫引水及城市供水環(huán)網(wǎng)工程可行性研究報告，2004年9月。

2、Herman M.Orth, Model-Based Design of Water Distribution and Sewage Systems, John Wiley & Sons Ltd. 1996.

3、陶建科等，給水管網(wǎng)建模中建立計算機系統(tǒng)管網(wǎng)圖形和在地形圖上劃定節(jié)點流量區(qū)域的 方法 ，給水排水，1997，23(6)：5～8。

4、陶建科,建立給水管網(wǎng)動態(tài)模型中的水量分析方法,給水排水,1998，24(1)：26～30。

5、陶建科，建立上海市計算機給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型研究，給水排水，1999，15(4)：11～13。

6、Walski, Thomas M., Optimization and pipe-sizing decision, Jour. of Water Resource Planning and Management V121, July/Aug. 1995, P340-343.

7、趙洪賓. 給水管網(wǎng)系統(tǒng) 理論 與分析，北京： 中國 建筑 工業(yè) 出版社，2003。