某城市郊区供水管网优化方案的设计思路

某城市郊区供水管网优化方案的设计思路

刘晓芸

上海浦东威立雅自来水有限公司

摘要：近年来随着城市化的不断发展，用水量需求的不断的提升，对城市供水管网的供水安全性、可靠性提出更高的要求。本文通过市政供水管网现状资料，借助水力模型的计算进行分析、研究，从管网布置、管道材质等方面着手，找出现状供水管网存在的问题，并提出相应的优化方案，从而提升供水管网的供水安全可靠性。

背景：供水管网的建设涉及千家万户，是重要的民生工程，也是实现高质量发展和创造高品质生活的重要保障。根据《上海市供水规划(2019-2035年)》要求至2035年，上海将建成“节水优先、安全优质、智慧低碳、服务高效”的城市供水系统，供水水质对标世界发达国家同期水平。为达到上述要求，规划指出近期实施重点是对材质落后的供水管道进行改造，远期进一步完善供水系统等工程。

本文通过某城市郊区的市政供水管网的优化项目，阐述管网优化设计过程中，遇到的相关问题及解决对策。项目研究的主要内容为：1）分析现状供水管网的水力情况，针对管网薄弱处提出优化方案。2）统计落后材质的供水管道的数量，提出改造方案。

给水管网是大规模且复杂多变的管道网络系统，为了方便管网优化、日常运行管理、维护及紧急情况的调度，如今都通过计算机模拟成图形和数据进行表示和计算分析管网状态。本项目主要通过供水管网GIS系统数据及水力计算模型相结合的方式进行管网优化设计分析。

供水管网地理信息系统（GIS）目前已经广泛应用于城市供水管理部门，该系统可以提供管网项目所需要的的相关资料数据，例如：管道、水表及阀门所在位置；管道的管径、管长、材质、敷设方式、埋深等相关基础数据。本项目的供水管理部门已经建立了GIS平台，相关的基础资料均从GIS平台中获取。

管网优化设计过程：

（1）分析现状供水管网水力情况

首先通过GIS平台，建立水力模型。水力模型是对管网中管段流量、节点压力等水力参数进行状态模拟和分析的计算机防真系统。水力模型又分为静态模型和动态模型，静态模型是针对一个特定工况（如最高日最大时、消防时）进行模拟的系统，一般常用于规划设计、管网宏观状态的评估；动态模型则是对连续多个时段进行动态模拟的系统，常用于管网运行状态诊断、优化调度和水质模拟。本项目主要为供水管网系统的优化分析，故采用静态模型对管网的现状情况及优化方案进行最大转输时、消防时、最不利管段发生故障时三种工况下的水量和水压进行分析。

水力模型分析评估中参照的现规范及标准有：《城镇供水管网模型建设技术导则》DB31/T800-2014、《室外给水设计标准》GB50013-2018、《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-2014、《城镇给排水技术规范》GB50788-2012、《镇（乡）村给水工程技术规程》CJJ123-2008、《城镇供水管网运行、维护及安全技术规程》CJJ207-2013。分析过程中有关数据的来源主要有：供水管网竣工资料、地理信息系统（GIS）、营收业务系统、数据采集与监视控制系统（SCADA系统），这些数据都可以从供水管理部门获得。

本项目的模型层次设定为状态评估与运行调度层次，根据《城镇供水管网模型建设技术导则》DB31/T800-2014规定，最小计算管径为DN300。首先通过对管网数据处理，然后将供水管理部门提供的流量、压力数据根据按照对应的点位采用自动和或者手动的方式输入管网中，然后对现状供水管网进行三种工况时的流量和压力的水力模型计算分析。

1. 根据项目要求在最高日最大时工况计算时，考虑管网末梢最不利点的压力需满足地方标准要求的不小于0.16MPa的要求。模型的计算结果显示现状管网中该区域东北工业园区及西南农村地区管网末梢（五角星）的节点水压，其压力范围为大于等于1.0MPa及小于1.6MPa，低于地方标准要求的0.16MPa的要求。节点压力分布及比例见图1。

图1 最高日最大时工况时压力计算（优化前）

2. 消防工况计算时，按照当地常住人口约176万人计,根据现行《消防给水及消火栓系统技术规范》规定，考虑同时发生火灾次数为3次，一起火灾灭火设计流量为100L/s,最不利市政消火栓的出流量不应小于15L/s，且供水压力从地面算起不小于0.10MPa，火灾发生位置选在人口密集的3个集镇。模型计算结果显示现状管网中该区域中南大型居住社区（五角星）的节点水压，低于规范要求的0.10MPa的要求。节点压力分布及比例见图2。

图2 火灾工况时压力计算（优化前）

3. 事故工况计算时，按照最不利管段发生故障考虑，假定该区域内某水厂出水管中的一根DN800给水干管发生故障断水，系统用水量按最高日最高时用水量70%计，管网末梢最不利点压力需满足地方标准要求不小于0.16MPa的要求，模型计算结果显示现状管网中该区域东北工业园区及西南农村地区（五角星）管网末梢的节点水压，低于地方标准0.16MPa的要求。节点压力分布及比例见图3。

图3 事故工况时压力计算（优化前）

通过以上计算发现，三种工况时出现的压力不足的区域基本上都是相同的，存在问题的区域主要为工业园区、大型居住区、农村地区管网末端。这些区域的管网的特点是高峰时用水量大、管道为支状管网或者是末端较长的供水管道。

（2）提出管网优化思路及方案

根据上述问题，在不提高水厂及提升泵站出厂压力的前提下，优化方案考虑采用增加管道连通管、局部新增环状供水管网的方式进行优化改造，例如：在某工业园区，现状供水方式是由南侧DN700的输水管道上接出的一根DN300的配水管向园区供水，且在园区内管道呈支状供水，根据资料，在园区的北侧已经敷设过一根DN500的输水管，优化方案拟考虑在500的管道上接出一根DN300的给水管道，与园区现状DN300管道接通，并在园区内改造呈环状供水，见图4图5。

图4 某工业园区现状供水管道布置示意 图5 某工业园区优化后供水管道布置示意

在某农村区域，现状的供水干管布置为支状，且管道长度较长，末端压力出现不足的现象，且如果某段管道出现事故，容易照成大范围的停水，对居民日常生活产生影响，考虑到现状支状干管呈平行布置，本次优化方案考虑结合现状地形布置，在两根供水干管中间敷设一根给水管，起到连通管的作用，从而保证区域供水压力，提高供水管网的供水的安全可靠性。

（3）校核优化后的供水管网

为验证优化方案对现状区域供水管网不足情况的改善，考虑将相关管道添加到水力模型中，再次进行水力计算。水力模型计算最高日最大时、消防、事故工况节点压力分布及比例见图4、5、6。

图4 最高日最大时工况时压力计算（优化后）

图5 火灾工况时压力计算（优化后）

图6 事故工况时压力计算（优化后）

通过优化前后的对比，优化后原先供水压力不足的区域，供水的压力明显得到了提升。因此我们认为本次改造方案是有效可行的。

落后管材改造过程：

根据某市的供水规划要求，滚动实施老旧管网的更新改造，先期改造管龄50年以上（部分地区30年）的供水管道，以及混凝土管、灰口铸铁管、PVC等材质落后的供水管道，逐步改造内涂层损坏、腐蚀、漏点和异物等有安全隐患的供水管道；不断完善供水管道更新改造长效机制。

通过供水管理部门提供的数据资料进行整理后发现，现有供水区域内的管道材质有球墨铸铁管、灰口铸铁管、钢管、PVC塑料给水管和PE塑料给水管，管道总长度约为3278.96km，各种管材的对应管道数量见表1。

表1 管材及数量统计表

本项目优先改造灰口铸铁管及PVC塑料给水管这两种落后管材。在GIS中找出该些管道的分布位置、口径，分轻重缓急、分片区、分阶段的原则，并结合该区域的其他市政项目规划对区域内管径偏小、老化严重、破损严重的供水管道进行改造。

问题及建议：

管网GIS数据的完善程度决定了模型计算的精度，在GIS系统生成的拓扑模型结构图中，发现由于GIS系统维护不及时存在着不少问题，比如管网存在孤立的用水点，局部管道不连通，管道重叠以及用水营收系统数据水表编号和GIS系统的水表编号无法对应的问题。为此设计人员协同供水管理部门工作人员花费了大量的时间，对相关数据进行整理确认。

由于供水管网范围庞大，如果将所有的管道都导入的管网模型中计算，会耗费大量的时间和精力，其实是没有必要的。为便于计算将部分管线进行了简化，管线简化的主要方法有：采用等效原则将并联管线简化为单线；合并相近交叉点，减少管线数量；删除次要管线（如管径较小的支管）等。

为保证管网计算的准确度，在水力模型计算后应对计算结果进行校核，校核的方式如下：①根据管网的规模，选取相应数量的节点进行压力点及管段流量的校核，本项目的供水规模约70万m³/d，建议选取50个以上的节点进行校核。②选用出厂干管，增压泵站进水管道及主要连通管进行流量校核，校验点的数据建议采用多日数据，本次水力模型为静态模型，其精度可按照90%的节点压力模拟计算结果与压力检测点数据的平均误差小于20kPa，90%的流量模拟计算结果与流量检测点数据的平均误差小于10%考虑。

结论：

⑴ 市政供水管网由于涉及的管网规模大且复杂多变，目前均采用计算机模拟水力工况进行分析，过程中除需要用到大量的基础资料外，还需要与相关部门就资料准确性进行沟通确认，如果有需要还应该进行现场实际情况的勘察。因此优化设计过程所耗费的时间和精力较长，过程中应广泛听取行业部门的意见，采用分步进行，逐步细化的原则进行管网优化设计。

⑵ 市政供水管网静态水力模型建立过程中用到的供水管网地理信息系统（GIS）、数据采集与监控系统（ SCAD ）和营业收费系统等供水信息化数据可以作为管网微观模型的基础，为建立管网动态水力模型创造条件，从而为供水部门提供及时的管网的运行状态诊断、水量调度及水质情况。

[参考文献]

[1]《城镇供水管网模型建设技术导则》 DB31/T800-2014

[2]《城镇供水管网运行、维护及安全技术规程》 CJJ207-2013

[3]《供水管网压力调控系统的建模与优化》 刘冬明 上海交通大学

[4]《水力模型在某区供水管网优化方案分析中的应用》 王彤 张浩祥等 长安大学建筑工程学院