韓進軍，　周　蜜，　劉海濤

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥　230009；2.安徽省城建設計研究院，安徽 合肥　230051；3.安徽水安建設集團有限公司，安徽 合肥　230601)

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基于WaterGEMS農(nóng)村供水管網(wǎng)聯(lián)并對供水壓力影響分析

韓進軍1，周蜜2，劉海濤3

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009；2.安徽省城建設計研究院，安徽 合肥230051；3.安徽水安建設集團有限公司，安徽 合肥230601)

摘要：文章以安徽省某縣農(nóng)村飲水安全工程為例，選擇具有管網(wǎng)聯(lián)并條件的A、B、C水廠為研究對象，以水廠設計資料提供的靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)為基礎，運用WaterGEMS軟件建立給水管網(wǎng)水力模型，分析供水管網(wǎng)聯(lián)并后不同工況運行對供水壓力的影響。研究結果表明，正常工況下，管網(wǎng)聯(lián)并后對A、B水廠所屬管網(wǎng)節(jié)點水壓的調(diào)節(jié)作用顯著，對 C水廠基本沒有調(diào)節(jié)作用，A水廠高壓區(qū)壓力增大，B水廠高壓區(qū)范圍縮小，各水廠低壓區(qū)壓力稍有提高；事故工況下，管網(wǎng)聯(lián)并后各水廠高壓區(qū)壓力降低，A或C水廠停水時，B水廠高壓區(qū)壓力變?yōu)?3～36 m，整體壓力稍有降低，各水廠供水區(qū)域供水壓力分布比聯(lián)并前更趨均衡。

關鍵詞：農(nóng)村供水；管網(wǎng)聯(lián)并；水力模型；正常工況；事故工況；供水壓力

農(nóng)村供水管網(wǎng)聯(lián)并系統(tǒng)是將具有聯(lián)并條件的管網(wǎng)連成一片的供水系統(tǒng)，它把一片區(qū)域內(nèi)的若干凈水廠聯(lián)合為一體[1-4]，統(tǒng)一開發(fā)、分配水資源，并根據(jù)區(qū)域具體情況，因地制宜，建立一種總體為樹狀管網(wǎng)、局部為環(huán)狀管網(wǎng)的新型混合管網(wǎng)，以保障用水的安全性。管網(wǎng)聯(lián)并后，管網(wǎng)水力負荷、管道流速、節(jié)點水齡、水質(zhì)以及供水壓力分布等一系列因子均發(fā)生相應變化，本文主要分析管網(wǎng)聯(lián)并對供水壓力分布的影響[5-6]。

通過供水壓力分布圖，能清晰查看管網(wǎng)的壓力分布規(guī)律[7-8]，可直觀查看管網(wǎng)中的低壓區(qū)和高壓區(qū)的分布情況[9]，從而評估管網(wǎng)的壓力狀態(tài)是否合理，為管網(wǎng)聯(lián)并提供技術依據(jù)。

1供水工程概況

本文研究區(qū)位于淮北平原中南部，全縣地形由西北向東南緩緩傾斜，自然比降為1/8 500，海拔為21～29.5 m，境內(nèi)除西北部有少量零星殘丘外，平原面積廣闊。該區(qū)孔隙承壓水水量豐富，開發(fā)利用程度低，開發(fā)潛力較大，因其埋藏較深不易受到污染，水質(zhì)優(yōu)良，是農(nóng)村生活用水安全水源[10]。截止2010年底，該區(qū)農(nóng)村供水工程共新建工程51處，受益總人口21.24萬人，供水規(guī)模最大可達19 796.26 m3/d。

“十二五”期間已新建供水工程14處，供水能力為32 200 m3/d；改擴建供水工程8處，供水能力為16 100 m3/d；管網(wǎng)延伸工程1處，供水能力為2 850 m3/d。該工程總受益人口為64.93萬人。本文結合研究區(qū)已建和在建水廠的地理位置和當前給水管網(wǎng)布置形式，選擇具備管網(wǎng)聯(lián)并條件的A、B、C水廠集中供水工程作為研究對象。

(1) 王集水廠：設計使用年限為15年，供水范圍為10個行政村，供水人口為2.27萬人，供水規(guī)模為1 700 m3/d。

(2) 板橋水廠：設計使用年限為15年，供水范圍為1個集鎮(zhèn)、10個行政村和172個自然莊，供水人口為5.56萬人，供水規(guī)模為4 388 m3/d。

(3) 唐集水廠：設計使用年限為15年，供水范圍為7個行政村和91個自然莊，供水人口為3.10萬人，供水規(guī)模為2 500 m3/d。

2擬定管網(wǎng)聯(lián)并方式

農(nóng)村供水管網(wǎng)主要以樹狀管網(wǎng)的形式向供水范圍周邊擴張，聯(lián)并管道對2個獨立管網(wǎng)中相距較近的支管末梢進行連接，將原樹狀管網(wǎng)轉化成具有多個閉合環(huán)的樹狀-環(huán)狀混合管網(wǎng)。這種管網(wǎng)聯(lián)并方式需要新建的管道長度較小，能最大限度地利用原有管網(wǎng)的供水能力，而且形成了多個環(huán)狀管網(wǎng)，能夠提高供水的可靠性和安全性[11]。

圖1所示為聯(lián)并后給水管網(wǎng)布置圖。本文在評價管網(wǎng)聯(lián)并形式對供水壓力的影響時，優(yōu)先將管徑作為控制因素，僅采取新建管道的方式對各個水廠管網(wǎng)進行聯(lián)并，管徑取為75 mm。

圖1　聯(lián)并后給水管網(wǎng)布置圖

3給水管網(wǎng)模型建立與校核

3.1模型建立

給水管網(wǎng)水力模型數(shù)據(jù)包含管網(wǎng)靜態(tài)、動態(tài)和實測數(shù)據(jù)[12]。鑒于研究內(nèi)容和現(xiàn)場實測條件的限制，本文基于工程設計資料提供的靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)建立模型。將研究區(qū)各水廠以背景圖層加載，管網(wǎng)節(jié)點和管線導入的同時，生成節(jié)點高程、管長、管徑及管材等信息。確定水泵和泵站的具體位置，在圖形中添加水源和泵站，進行泵站參數(shù)設置，同時依據(jù)各水廠的設計水量數(shù)據(jù)，在模型中進行節(jié)點水量分配，同時導入各類用戶用水量變化規(guī)律數(shù)據(jù)[13]，最終形成管網(wǎng)水力模型。

3.2模型校核

模型建立完成后，需對模型進行反復校核，逐步完善[14]。通過校核建模過程中的各項靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)，適當調(diào)節(jié)對模型結果有重要影響的參數(shù)，如節(jié)點流量等，直到滿足模型精度要求[15]。校核過程中最重要的是節(jié)點水壓和管段單位水頭損失的精度要求。

由于缺乏管網(wǎng)動態(tài)實測數(shù)據(jù)，本文將模型模擬結果與原設計的水力計算結果進行對比，衡量校核后的結果是否滿足管網(wǎng)模型精度要求。由于管網(wǎng)規(guī)模較大，選取B水廠為例，圖2、圖3所示分別為管段單位水頭損失設計值與模擬值、節(jié)點自由水壓設計值與模擬值的對比圖。表1、表2所列為節(jié)選的管段單位水頭損失和節(jié)點壓力誤差情況。

圖2　管段單位水頭損失設計值與模擬值對比圖

圖3　節(jié)點自由水壓設計值與模擬值對比圖

管段編號模擬值設計值損失差P-2860.00190.0033-0.0014P-2870.00370.0054-0.0017P-2920.01440.00390.0105P-2970.00200.0021-0.0001P-2980.00390.00310.0008P-2990.00250.0028-0.0003P-3020.00330.00230.0010P-3030.00260.00160.0010P-3040.00380.00090.0029P-3070.00370.0041-0.0004P-3080.00290.0033-0.0004P-3090.00200.0024-0.0004

表2　節(jié)點壓力誤差情況(節(jié)選) 　　　　　m

經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)，管段單位水頭損失及壓力與模型模擬值存在一定的誤差。管段P-292處的單位水頭損失模擬值與設計值誤差最大，最大單位水頭損失差達0.010 5 m。節(jié)點J-247處自由水頭壓力差最大，最大達6.49 m?？紤]到與原設計節(jié)點高程取值的差別，管段單位水頭損失和節(jié)點自由水壓與原設計整體相差不大，因此，可以判定該模型基本正確，能反映原設計情況。

4結果分析

4.1正常工況下壓力分布

采用相同管徑的管道對3個既有水源的樹狀管網(wǎng)進行聯(lián)并，受原管網(wǎng)節(jié)點用水量和布置形式的影響，對C水廠所屬管網(wǎng)，聯(lián)并管段幾乎沒有產(chǎn)生流量轉輸，對其節(jié)點水壓基本沒有調(diào)節(jié)作用；對A、B水廠所屬管網(wǎng)，對節(jié)點水壓的調(diào)節(jié)作用明顯。聯(lián)并前后供水壓力分布如圖4所示。聯(lián)并前后水泵出口和最不利點壓力數(shù)據(jù)見表3所列。

圖4　聯(lián)并前后供水壓力分布

聯(lián)并方式位置壓力ABC聯(lián)并前水泵出口最不利點35.0016.4941.6016.6238.4015.79聯(lián)并后水泵出口最不利點36.7019.6041.0015.6838.2019.45

結果表明，聯(lián)并后，A水廠高壓區(qū)壓力增大，B水廠高壓區(qū)范圍縮小，各水廠低壓區(qū)范圍縮小，壓力稍有提高。A水廠所屬管網(wǎng)的送水泵站出水口處的壓力提高了1.7 m，最不利點自由水壓為19.6 m，比聯(lián)并前提高了3.11 m，其供水區(qū)域內(nèi)的節(jié)點水壓均稍有提高，其中與B水廠管網(wǎng)進行聯(lián)并的區(qū)域范圍內(nèi)的管網(wǎng)節(jié)點水壓提高幅度較大；B水廠所屬管網(wǎng)的送水泵站出水口處水壓下降了0.6 m，最不利點自由水壓為15.68 m，比聯(lián)并前下降了0.94 m，其供水區(qū)域內(nèi)的節(jié)點水壓稍許下降；C水廠所屬管網(wǎng)的送水泵站出水口處水壓下降了0.2 m，最不利點自由水壓為19.45 m，比聯(lián)并前提高了3.66 m，其供水區(qū)域內(nèi)的節(jié)點水壓稍許提高?？傮w而言，A、B和C水廠供水區(qū)域的供水壓力分布比聯(lián)并前更趨均衡。

4.2事故工況下壓力分布

農(nóng)村供水易發(fā)生供水安全事故，造成大范圍長時段停水，供水保證率低，為了實現(xiàn)管網(wǎng)聯(lián)并的目標，根據(jù)A、B、C水廠地理位置和供水情況，按照A或C水廠停水的最不利情況分別對B、A管網(wǎng)與B、C管網(wǎng)兩兩聯(lián)并時進行事故工況模擬，如圖5所示。

圖5　事故工況下管網(wǎng)聯(lián)并前后供水壓力分布

在假設A水廠停水的情況下，最不利點水壓為12.25 m，小于15 m的入村水壓要求。不能滿足設計水壓的節(jié)點個數(shù)有15個，占A水廠管網(wǎng)節(jié)點總數(shù)的12%。B水廠水泵出口壓力為42.32 m。在假設C水廠停水的情況下，最不利點水壓為10.27 m，小于15 m的入村水壓要求。不能滿足設計水壓的節(jié)點個數(shù)有44個，占唐集管網(wǎng)節(jié)點總數(shù)的29%。B水廠水泵出口壓力為40.82 m。

結果表明，由圖4(a)可知，聯(lián)并前高壓區(qū)主要分布在水廠水源周邊，B和C水廠高壓多為36～39 m。由圖5可知，聯(lián)并后高壓區(qū)壓力降低，A或C水廠停水時，B水廠高壓區(qū)壓力變?yōu)?3～36 m，整體壓力均稍有降低。A水廠停水時，聯(lián)并后最不利點水壓為12.25 m，比聯(lián)并前降低了4.24 m；C水廠停水時，聯(lián)并后最不利點水壓為10.27m，比聯(lián)并前降低了5.52 m。在A水廠停水、A和B水廠聯(lián)并時，不能滿足設計水壓的節(jié)點個數(shù)占節(jié)點總數(shù)比例較少，此時供水保證率高，壓力分布更為均衡。

5結論

(1) 正常工況下，聯(lián)并后A、B水廠所屬管網(wǎng)，對節(jié)點水壓的調(diào)節(jié)作用明顯，C水廠基本無調(diào)節(jié)作用。A水廠高壓區(qū)壓力增大，B水廠高壓區(qū)范圍縮小，各水廠低壓區(qū)壓力稍有提高。A水廠送水泵站出口壓

力提高了1.7 m，B、C水廠送水泵站出口壓力分別下降了0.6 m和0.2 m；A、C水廠最不利點水壓分別提高了3.11 m和3.66 m，B水廠下降了0.94 m。總體而言，A、B、C水廠供水區(qū)域的供水壓力分布比聯(lián)并前更趨均衡。

(2) 事故工況下，聯(lián)并后高壓區(qū)壓力降低，A或C水廠停水時，B水廠高壓區(qū)壓力變?yōu)?3～36 m，整體壓力稍有降低。A、C水廠分別停水時，不能滿足設計水壓的節(jié)點個數(shù)分別為15個和44個，并分別占總節(jié)點個數(shù)12%和29%，整體壓力稍有降低。

〔參考文獻〕

[1] 駱實．關于農(nóng)村飲水安全工程運行管理的探討[J]．社科縱橫，2011，26(10)：62．

[2]汪秀剛．我國新農(nóng)村文化建設研究[D]．濟南：山東大學，2013．

[3]劉希勤．招遠市新農(nóng)村建設模式研究[D]．青島：中國海洋大學，2011．

[4]孫建華．供水設施的區(qū)域共享技術研究[D]．重慶：重慶大學，2011．

[5]戴雄奇．供水管網(wǎng)重大漏損事故模擬、定位與控制技術[D]．天津：天津大學，2010．

[6]張楠．城市供水管網(wǎng)分區(qū)管理技術優(yōu)化研究[D]．天津：天津大學，2012．

[7]厲劍光，侯傳紅，趙斌．供水管網(wǎng)分區(qū)域計量降低漏失水量的實踐探討[J]．供水技術，2010，4(2)：58-60．

[8]邵堅，王天選，許拯民．基于給水管網(wǎng)建模技術對DMA分區(qū)的研究[J]．華北水利水電學院學報，2010，31(6)：123-125．

[9]劉興君．城市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)探析[J]．科協(xié)論壇，2011(6)：25-26．

[10]黃金書．平原地區(qū)農(nóng)村供水工程建設及系統(tǒng)優(yōu)化研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學，2009．

[11]杜延超．城市供水管網(wǎng)優(yōu)化設計計算[J]．西南民族大學學報(自然科學版)，2008，34(3)：552-559．

[12]王卓然．給水管網(wǎng)管道阻力系數(shù)校正試驗研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012．

[13]汪明文．城市用水量組合預測模型的應用與研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006．

[14]汪明文．基于AQUIS的供水管網(wǎng)仿真及運營管理系統(tǒng)開發(fā)研究[J]．供水技術，2011，5(4)：48-51．

[15]曹穎．天津市給水管網(wǎng)水力模型的建立與應用[D]．天津：天津大學，2008．

收稿日期：2016-02-22;修改日期：2016-02-25

作者簡介：韓進軍(1987-)，男，寧夏固原人，合肥工業(yè)大學碩士生．

中圖分類號：TU991.33

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0074-04