寧波市供水主干管環(huán)網規(guī)劃與水力模型校核
摘要：文中作者從實際工程經驗和 理論 出發(fā)，提出了寧波市供水主干管環(huán)網系統(tǒng)的布置形式，編寫了 計算 機程序進行供水主干管環(huán)網口徑優(yōu)化計算， 應用 WaterSim for GIS管網建模軟件建立了寧波市給水管網2003年高日高時水力模型，并進行了近期和遠期管網水力模型多工況校核，計算結果表明寧波城市供水主干管環(huán)網布置滿足近期和遠期的供水要求，是合適的。
關鍵詞：寧波市 供水主干管環(huán)網 規(guī)劃 水力模型 校核
0 引言
給水管網是城市供水的重要基礎設施，建設投資占給水工程建設總投資的65%左右，對供水系統(tǒng)的運行和管理 影響 較大，受到給水工程建設和運營管理部門的高度重視。
寧波城市供水經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、 經濟 的、高效的轉輸和配送到用戶，提高供水管網系統(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主干管環(huán)網規(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)網主干管環(huán)網工程規(guī)劃(170萬噸/日)加以驗證。結果表明這一方法具有較高的實用價值。
1 供水管網主干管布置形式
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主干管環(huán)網，分別向環(huán)內中心城區(qū)和環(huán)外其它供水區(qū)域輸配水量。經過實地勘查、多方案經濟比較和論證，采用如圖1所示布置方式。
圖1：供水主干管環(huán)網總體布置圖
寧波城市供水采用城市供水主干管環(huán)網的解決方案，有以下優(yōu)點：(1)主干管環(huán)網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)有管網系統(tǒng)進行大范圍改造，適用范圍更廣;(3)主干管環(huán)網建設在城市中心城區(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、經濟;(4)更有利于供水系統(tǒng)的運行調度和管理。
2 供水主干管環(huán)網優(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)網內現(xiàn)狀中心城區(qū)大口徑管道和供水主干管環(huán)網均相交，選定為供水主干管環(huán)網向現(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)網向環(huán)外出流點位置的確定是結合環(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)網節(jié)點示意圖
2)輸配水量的確定
據(jù) 文獻 [1]預測寧波城市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)網內的南郊水廠供水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)網內的南郊水廠停役，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
|
|
江北轉輸
|
4
|
4
|
|
北侖轉輸
|
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)網優(yōu)化計算數(shù)學模型[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--管網建設投資償還期，a; P--管網年折舊和大修費率，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)網上壓力最低控制值為高程壓力30m。供水主干管環(huán)網優(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。
經優(yōu)化計算后，得到一組非標準口徑優(yōu)化計算結果，經管徑取整，得到多個被選方案，經主干管環(huán)網模擬計算，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)網接管點壓力(m)
|
39.73
|
39.65
|
39.55
|
39.44
|
|
|
主干管環(huán)網上壓力最低點值(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)網最低控制壓力要求，方案4較方案1、方案2、方案3經濟，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)網管道口徑為優(yōu)化計算結果。
3 建立現(xiàn)狀管網水力模型
選用上海敢創(chuàng)信息技術有限公司管網建模軟件(WaterSim For GIS)建立寧波市給水管網2003年最高日最高時管網水力模型，用于規(guī)劃的2010年及2020年寧波市供水主干管環(huán)網多工況校核。
供水管網模型中 計算 機圖形[3][5]的相關屬性數(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的供水管網模型結構計算機圖形見圖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，建立管網模型中用水量節(jié)點和抄表簿或用戶帳號之間的關聯(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 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。
管網模型的校驗基礎數(shù)據(jù)來自寧波市給水管網SCADA系統(tǒng)。2003年寧波市供水管網系統(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)供水管網模型校驗結果見表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)供水管網模型計算機圖形
表3：水廠進網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。
由于本次管網模型成果不是 應用 在供水系統(tǒng)的日常運行調度和管理，而是用于供水系統(tǒng)的宏觀規(guī)劃，重在對現(xiàn)狀管網的整體水力狀態(tài)進行把握，該管網模型能夠滿足要求。
4管網水力模型工況校核
4.1 建立組合管網模型
應用WaterSim for GIS軟件將寧波市供水主干管環(huán)網模型和現(xiàn)狀中心城區(qū)高日高時管網模型進行組合，建立起的組合管網模型見圖4。主干環(huán)網和現(xiàn)狀中心城管網模型相交處為接管點，在充分利用現(xiàn)有管線系統(tǒng)的基礎上，進行管網系統(tǒng)的擴建設計。
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計。2010年及2020年管網模型校核結果：主干管環(huán)網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年管網進行14種事故工況校核，針對2020年管網分別進行15種事故工況校核，校核結果表明：主干環(huán)網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上，增加兩個流量為80L/S的消防點，計算結果表明滿足消防要求。
5 結論
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，它具有較強的適應性。
參考 文獻 ：
1、上海市政工程設計 研究 院/浙江省水利水電勘測設計院. 寧波市周公宅、皎口水庫引水及城市供水環(huán)網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，給水管網建模中建立計算機系統(tǒng)管網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. 給水管網系統(tǒng) 理論 與分析，北京： 中國 建筑 工業(yè) 出版社，2003。
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