摘要：文中作者從實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)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(jì)算 機(jī)程序進(jìn)行供水主干管環(huán)網(wǎng)口徑優(yōu)化計(jì)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(shí)水力模型，并進(jìn)行了近期和遠(yuǎn)期管網(wǎng)水力模型多工況校核，計(jì)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(yuǎn)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(duì)供水系統(tǒng)的運(yùn)行和管理 影響 較大，受到給水工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)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(dá)82萬(wàn)噸，DN100mm以上供水管道1057km。2003年最高日供水量達(dá)86.1萬(wàn)噸，近五年來(lái)平均日供水量年平均凈增9.42%，而且增長(zhǎng)的趨勢(shì)在逐年加大。預(yù)測(cè)寧波市自來(lái)水總公司2010年總需水量為170萬(wàn)噸/日，2020年總需水量為200萬(wàn)噸/日[1]，如何將這么大的需水量安全的、 經(jīng)濟(jì) 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(yùn)行可靠性是一個(gè)需要進(jìn)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(jì)算機(jī)軟件加以實(shí)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(wàn)噸/日)加以驗(yàn)證。結(jié)果表明這一方法具有較高的實(shí)用價(jià)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(lái)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(yuǎn)，相對(duì)獨(dú)立。見(jiàn)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(yuǎn)，能力各為50萬(wàn)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(wàn)噸/日，遠(yuǎn)期僅保留江東水廠，供水能力降到20萬(wàn)噸/日。

由于現(xiàn)狀中心城區(qū)大規(guī)模的管網(wǎng)改擴(kuò)建工程實(shí)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(guò)實(shí)地勘查、多方案經(jīng)濟(jì)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(diǎn)：(1)主干管環(huán)網(wǎng)上任意一點(diǎn)的水可來(lái)自兩個(gè)方向，工程維修、事故斷水時(shí)，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(duì)現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)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(hù)、改擴(kuò)建工程等較中心城區(qū)方便、經(jīng)濟(jì);(4)更有利于供水系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度和管理。

2 供水主干管環(huán)網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算

2.1 資料準(zhǔn)備

1)出流點(diǎn)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(diǎn)。如圖2中節(jié)點(diǎn)5和中心城區(qū)DN1000和DN600管道在聯(lián)豐路接通，節(jié)點(diǎn)17和中心城區(qū)DN600管道在望春路接通，節(jié)點(diǎn)16和中心城區(qū)DN1000和DN500管道在新星路接通，節(jié)點(diǎn)14和中心城區(qū)DN800管道在慈甬公路接通，節(jié)點(diǎn)12和中心城區(qū)DN600和DN800管道在甬鎮(zhèn)公路接通，節(jié)點(diǎn)11和中心城區(qū)DN1000、DN600和DN500管道在江南公路接通，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)位置的確定是結(jié)合環(huán)外區(qū)域規(guī)劃進(jìn)行，分別位于節(jié)點(diǎn)3、4、16、17、15、14、13、12、11、10、21、22和節(jié)點(diǎn)18。

圖2：供水主干環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)示意圖

2)輸配水量的確定

據(jù) 文獻(xiàn) [1]預(yù)測(cè)寧波城市2010年及2020年需水量確定出流水量大小，見(jiàn)表1。2010年供水環(huán)網(wǎng)供水量合計(jì)100萬(wàn)噸/d，分別來(lái)自毛家坪水廠(節(jié)點(diǎn)1)和東錢湖水廠(節(jié)點(diǎn)20)，環(huán)網(wǎng)內(nèi)的南郊水廠供水15萬(wàn)噸/日和江東水廠供水25萬(wàn)噸/日，總計(jì)140萬(wàn)噸/日;2020年供水環(huán)網(wǎng)供水量合計(jì)150萬(wàn)噸/日，毛家坪水廠、東錢湖水廠及北渡水廠(節(jié)點(diǎn)19)各50萬(wàn)噸/日，環(huán)網(wǎng)內(nèi)的南郊水廠停役，江東水廠供水20萬(wàn)噸/日，合計(jì)170萬(wàn)噸/日。

表1：2010年、2020年預(yù)測(cè)用水量及分布

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

1)目標(biāo)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(zhǎng)度造價(jià)公式統(tǒng)計(jì)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(fèi)率，P%,一般取P=2.5～3.0左右;--第i管段長(zhǎng)度，m;H, H-- 管段i的起點(diǎn)和終點(diǎn)壓力值，m;--分別為泵站經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，元/()、管段流量()和泵站最大時(shí)揚(yáng)程，m;N,M--節(jié)點(diǎn)總數(shù)和管段總數(shù)。

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

2.3、優(yōu)化計(jì)算與 分析

計(jì)算條件：利用寧波城市近年來(lái)供水管線綜合造價(jià)指標(biāo)計(jì)算得造價(jià)公式C=300+2716*，電價(jià)為0.6元/Kwh，項(xiàng)目計(jì)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(jì)算以170萬(wàn)噸/日作為計(jì)算水量，并進(jìn)行140萬(wàn)噸/日工況校核。取最高日時(shí)變化系數(shù)= 1.2。

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

表2：被選方案

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(jì)，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(jì)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(shí)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(jì)算 機(jī)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(lái)自寧波市供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，建立起來(lái)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(jì)算機(jī)圖形見(jiàn)圖3。

節(jié)點(diǎn)流量的計(jì)算[3][4]：節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算的基礎(chǔ)資料主要來(lái)自寧波市自來(lái)水營(yíng)業(yè)收費(fèi)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(guò)1000噸的用戶為大用戶，共有217戶，在管網(wǎng)模型中單獨(dú)作為一個(gè)用水量節(jié)點(diǎn)，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(lái)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(diǎn)和抄表簿或用戶帳號(hào)之間的關(guān)聯(lián)，計(jì)算出平均節(jié)點(diǎn)流量;供水系統(tǒng)中無(wú)計(jì)量用水的分配是按比流量(管線長(zhǎng)度)進(jìn)行。經(jīng) 分析 歷史 供水量資料，確定2003年日變化系數(shù)和時(shí)變化系數(shù)分別為1.188和1.2。

管網(wǎng)模型的校驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)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(shí)用水發(fā)生在7月25日20:00，取同時(shí)刻的測(cè)壓點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)和水廠進(jìn)網(wǎng)水量作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)，共有7個(gè)測(cè)壓點(diǎn)數(shù)據(jù)(其中2個(gè)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)無(wú)效)和三個(gè)水量數(shù)據(jù)。寧波市中心城區(qū)供水管網(wǎng)模型校驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(lái)確定。

圖3：寧波市中心城區(qū)供水管網(wǎng)模型計(jì)算機(jī)圖形

表3：水廠進(jìn)網(wǎng)水量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

表4：測(cè)壓點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

分析和結(jié)論：

從表3和表4中可以看出模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本吻合，測(cè)壓點(diǎn)的對(duì)比誤差稍大，作者認(rèn)為模擬計(jì)算值應(yīng)更符合實(shí)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(kāi)度與實(shí)際有差距;(2)儀器采集點(diǎn)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(yùn)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(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)的整體水力狀態(tài)進(jìn)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(shí)管網(wǎng)模型進(jìn)行組合，建立起的組合管網(wǎng)模型見(jiàn)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(diǎn)，在充分利用現(xiàn)有管線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)的擴(kuò)建設(shè)計(jì)。

圖4：組合模型

4.2 水力模型工況校核

最大用水時(shí)校核：最大用水時(shí)的流量按高日高時(shí)設(shè)計(jì)。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(diǎn)的高程壓力均大于24m，滿足要求。

事故校核：事故時(shí)的流量為最大用水時(shí)的70%。針對(duì)2010年管網(wǎng)進(jìn)行14種事故工況校核，針對(duì)2020年管網(wǎng)分別進(jìn)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(diǎn)的高程壓力均大于24m，滿足要求。

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

5 結(jié)論

本文針對(duì)寧波城市多水源供水系統(tǒng)實(shí)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(yùn)行調(diào)度和管理，更重要的是對(duì)于一個(gè) 發(fā)展 迅速的城市而言，它具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

參考 文獻(xiàn) ：

1、上海市政工程設(shè)計(jì) 研究 院/浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院. 寧波市周公宅、皎口水庫(kù)引水及城市供水環(huán)網(wǎng)工程可行性研究報(bào)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)管網(wǎng)圖形和在地形圖上劃定節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(jì)算機(jī)給水管網(wǎng)動(dòng)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(guó) 建筑 工業(yè) 出版社，2003。

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