寧波市供水主干管環網規劃與水力模型校核
摘要：文中作者從實際工程經驗和 理論 出發，提出了寧波市供水主干管環網系統的布置形式，編寫了 計算 機程序進行供水主干管環網口徑優化計算， 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 供水主干管環網 規劃 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 發展 ，市區現有日供水能力達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網規劃和水力模型校核 方法 [2]，利用計算機軟件加以實現，在寧波市供水環網主干管環網工程規劃(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
本供水工程規劃范圍涉及寧波市海曙區、江東區、江北區、北侖區、鎮海區和鄞州區，寧波市自來水總公司現有的供水區域主要是除鄞州區之外的其它區的建成區，現狀管網主要集中在中心城區(三江片)，現有主要的四座水廠中的三座位于中心城區，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，距中心城區較遠，相對獨立。見圖1。
根據水源和現狀條件，規劃的三座水廠分別位于中心城區的外圍，距中心城區較遠，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。
由于現狀中心城區大規模的管網改擴建工程實施較困難，中心城區地形較平坦，水廠又位于中心城區外圍，宜在城外建供水管網主干管環網，分別向環內中心城區和環外其它供水區域輸配水量。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：供水主干管環網總體布置圖
寧波城市供水采用城市供水主干管環網的解決方案，有以下優點：(1)主干管環網上任意一點的水可來自兩個方向，工程維修、事故斷水時，不影響供水系統正常供水，供水的安全可靠性高;(2)采用主干管環網供水可避免在城市供水規模和供水重心發生變化的情況下，出現的對現有管網系統進行大范圍改造，適用范圍更廣;(3)主干管環網建設在城市中心城區外圍，排管施工、管線維護、改擴建工程等較中心城區方便、經濟;(4)更有利于供水系統的運行調度和管理。
2 供水主干管環網優化計算
2.1 資料準備
1)出流點位置的確定
供水主干管環網內現狀中心城區大口徑管道和供水主干管環網均相交，選定為供水主干管環網向現狀中心城輸配水點。如圖2中節點5和中心城區DN1000和DN600管道在聯豐路接通，節點17和中心城區DN600管道在望春路接通，節點16和中心城區DN1000和DN500管道在新星路接通，節點14和中心城區DN800管道在慈甬公路接通，節點12和中心城區DN600和DN800管道在甬鎮公路接通，節點11和中心城區DN1000、DN600和DN500管道在江南公路接通，節點10和中心城區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，與節點7接通，南郊水廠停用。
供水主干管環網向環外出流點位置的確定是結合環外區域規劃進行，分別位于節點3、4、16、17、15、14、13、12、11、10、21、22和節點18。
圖2：供水主干環網節點示意圖
2)輸配水量的確定
據 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年供水環網供水量合計100萬噸/d，分別來自毛家坪水廠(節點1)和東錢湖水廠(節點20)，環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(節點19)各50萬噸/日，環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
|
60
|
60.5
|
|
北部地區
|
9
|
13.5
|
|
鎮海區
|
7
|
10
|
|
江北轉輸
|
4
|
4
|
|
北侖轉輸
|
0
|
5
|
|
東部地區
|
12.5
|
21
|
|
東錢湖地區及邱隘鎮
|
17.5
|
17.5
|
|
西部地區
|
20
|
20
|
|
鄞西、東地區
|
10
|
18.5
|
|
合計
|
140
|
170
|
2.2 主干管環網優化計算數學模型[6]
1)目標函數
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計參數;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--節點總數和管段總數。
上述優化 問題 的求解屬于流量已分配條件下環狀管網優化計算課題，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n取0.013(曼寧公式)。主干管環網上壓力最低控制值為高程壓力30m。供水主干管環網優化計算以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= 1.2。
經優化計算后，得到一組非標準口徑優化計算結果，經管徑取整，得到多個被選方案，經主干管環網模擬計算，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
|
|
|
北渡水廠與環網接管點壓力(m)
|
39.73
|
39.65
|
39.55
|
39.44
|
|
|
主干管環網上壓力最低點值(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、主干管環網管道口徑為優化計算結果。
3 建立現狀管網水力模型
選用上海敢創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，用于規劃的2010年及2020年寧波市供水主干管環網多工況校核。
供水管網模型中 計算 機圖形[3][5]的相關屬性數據和空間數據資料主要來自寧波市供水管網地理信息系統，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。
節點流量的計算[3][4]：節點流量計算的基礎資料主要來自寧波市自來水營業收費系統2003年的用水量數據。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點，大用戶用水量約占系統總用水量的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域，建立管網模型中用水量節點和抄表簿或用戶帳號之間的關聯，計算出平均節點流量;供水系統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年日變化系數和時變化系數分別為1.188和1.2。
管網模型的校驗基礎數據來自寧波市給水管網SCADA系統。2003年寧波市供水管網系統中最高日最高時用水發生在7月25日20:00，取同時刻的測壓點的壓力數據和水廠進網水量作為校驗數據，共有7個測壓點數據(其中2個遠傳數據無效)和三個水量數據。寧波市中心城區供水管網模型校驗結果見表3和表4。
管道阻力系數的確定[5]：按照寧波市供水管網地理信息系統記錄的管齡來確定。
圖3：寧波市中心城區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
|
節點編號
|
計算值
|
實測值
|
誤差百分數
|
|
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：測壓點實測數據和計算數據對比
|
序號
|
測壓點地址
|
節點編號
|
地面標高(m)
|
實測數據(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 在供水系統的日常運行調度和管理，而是用于供水系統的宏觀規劃，重在對現狀管網的整體水力狀態進行把握，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網模型和現狀中心城區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。主干環網和現狀中心城管網模型相交處為接管點，在充分利用現有管線系統的基礎上，進行管網系統的擴建設計。
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：主干管環網上壓力最低值均大于高程壓力30m，供水系統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：主干環網上壓力最低值均大于高程壓力30m，供水系統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實際情況，采用供水主干管環網的供水布置形式，有其明顯的優越性，它不僅方便了寧波市供水系統日常的運行調度和管理，更重要的是對于一個 發展 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管網圖形和在地形圖上劃定節點流量區域的 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 理論 與分析，北京： 中國 建筑 工業 出版社，2003。
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