張　鑫,郭　鵬,趙　晴,王　偉,張　敏,于　佳,高金良

(1.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.哈爾濱綜合開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028；3.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；4.黑龍江省食品藥品檢驗(yàn)檢測(cè)所，黑龍江 哈爾濱 150088；5.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

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東北某市配水管網(wǎng)改擴(kuò)建模型構(gòu)建及工況分析

張?chǎng)?,郭鵬2,趙晴3,王偉1,張敏1,于佳4,高金良5

(1.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.哈爾濱綜合開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028；3.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；4.黑龍江省食品藥品檢驗(yàn)檢測(cè)所，黑龍江 哈爾濱 150088；5.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

摘要：配水管網(wǎng)改擴(kuò)建模型構(gòu)建是對(duì)既有管線功能挖潛、再利用，是解決管網(wǎng)漏損率高、提高供水安全性等問(wèn)題的有效措施，結(jié)合北方寒地實(shí)際情況對(duì)H市配水管網(wǎng)的改擴(kuò)建進(jìn)行合理規(guī)劃，在提高整個(gè)供水系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，可節(jié)約投資，降低日常運(yùn)行成本，更可縮短工程進(jìn)度，提高整個(gè)供水系統(tǒng)應(yīng)付突發(fā)事件的能力。解決供需矛盾需通過(guò)建立可靠的管網(wǎng)模型對(duì)配水管網(wǎng)改擴(kuò)建進(jìn)行規(guī)劃。通過(guò)建立H市管網(wǎng)改擴(kuò)建模型，分析H市管網(wǎng)模擬運(yùn)行工況，對(duì)其管網(wǎng)布局進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使城市配水管網(wǎng)與水廠配套，滿足城市供水要求，并保障供水安全性。

關(guān)鍵詞：配水管網(wǎng)；規(guī)劃；改擴(kuò)建；數(shù)字化模型

改革開(kāi)放以來(lái)，伴隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大量農(nóng)村人口涌向城市，城市化水平不斷提高。中國(guó)出現(xiàn)一批大城市、特大城市，隨著城市居民生活水平的提高，全社會(huì)用水量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，城市供水問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。配水管網(wǎng)是整個(gè)供水系統(tǒng)中重要的組成部分，也是供水系統(tǒng)中“最后一公里”，在水源可靠、充足的情況下，配水管網(wǎng)就是整個(gè)供水系統(tǒng)的控制工程，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)影響問(wèn)題區(qū)域正常的生產(chǎn)、生活，會(huì)帶來(lái)巨大直接經(jīng)濟(jì)損失和不可估量的間接經(jīng)濟(jì)損失。配水管網(wǎng)建設(shè)造價(jià)占整個(gè)市政供水系統(tǒng)整體工程造價(jià)的60%～80%，配水管網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)，不僅要考慮工程造價(jià)，還要考慮日常維護(hù)成本以及自然災(zāi)害特殊應(yīng)急供水的需要[1-3]?？紤]到上述因素后，在實(shí)際規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中，管網(wǎng)計(jì)算量大，計(jì)算復(fù)雜，僅憑經(jīng)驗(yàn)確定管網(wǎng)布局、走向以及一系列參數(shù)，很難滿足經(jīng)濟(jì)合理的基本要求，最優(yōu)化更是無(wú)從談起。但是隨著人民生活水平的提高，人民群眾生產(chǎn)生活日益增長(zhǎng)對(duì)供水的多樣化需求與落后的配水管網(wǎng)體系的矛盾成為供水問(wèn)題的主要矛盾。解決這一矛盾必須建立一個(gè)可靠的模型，對(duì)配水管網(wǎng)改擴(kuò)建進(jìn)行規(guī)劃，通過(guò)小城市應(yīng)用實(shí)例對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)校正，將合理可靠的模型逐步推廣到中等城市、大城市、特大城市中[4-5]。

1城市配水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立

作為模擬城市配水管網(wǎng)仿真運(yùn)行模擬計(jì)算的必要基礎(chǔ)，配水管網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型建立是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作[6-7]。

對(duì)H市配水管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集，最終利用AUTOCAD繪圖軟件將管道的管徑、管長(zhǎng)及路由等重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)落實(shí)在H市總體規(guī)劃圖上。在模型建立過(guò)程中，不僅要求基礎(chǔ)資料全，更重要的是在滿足計(jì)算精度的前提下對(duì)基礎(chǔ)資料的篩除，這樣就需要對(duì)管線進(jìn)行分支管與支管的合并、雙管并行敷設(shè)時(shí)以同等過(guò)流量的單一管道替代等非常重要技術(shù)處理，以便于后期模型計(jì)算[8-9]。

對(duì)初步建立起的H市配水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖相應(yīng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，最終形成管段154條，節(jié)點(diǎn)94個(gè)。H市供水管網(wǎng)改擴(kuò)建規(guī)劃拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　H市供水管網(wǎng)改擴(kuò)建規(guī)劃拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2節(jié)點(diǎn)流量的確定

在水量分配上，用水量大于300 t/d的用水大戶作為集中流量直接分配在所承擔(dān)的節(jié)點(diǎn)上，從最高日、最大時(shí)的用水量中減掉集中流量，所剩的居民、機(jī)關(guān)、商業(yè)用水和用水量小于300 t/d的工廠用水量按長(zhǎng)度比流量向所承擔(dān)的配水管段的管長(zhǎng)進(jìn)行水量分配，由此得出該配水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)流量[10-12]。

3管道阻力系數(shù)(C值)的確定

根據(jù)管道運(yùn)行工況情況實(shí)際測(cè)定，并綜合其他城市對(duì)不同年代的配水管道的測(cè)試結(jié)果，現(xiàn)暫定給水水管道C值，按表1取值。

表1　管道阻力系數(shù)(C)取值

4H市改擴(kuò)建配水管網(wǎng)工況分析

H市配水管網(wǎng)改擴(kuò)建模型建立之后，可以進(jìn)行模擬配水管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況，通過(guò)管網(wǎng)平差等水力計(jì)算方法，得到管網(wǎng)中水流方向、管段流速、管段水頭損失、管段運(yùn)行負(fù)荷、管網(wǎng)各處壓力分布、總水頭分布等重要的管網(wǎng)運(yùn)行控制因子的詳細(xì)信息。掌握了這些管網(wǎng)運(yùn)行控制因子的詳細(xì)信息后，就可準(zhǔn)確地分析出管網(wǎng)運(yùn)行中問(wèn)題存在的原因，指導(dǎo)下一步解決方法[13-15]。

4.1地面高程

H市地面高程如圖2所示。

圖2　地面高程

4.2供水高峰時(shí)自由水頭分布狀況

H市供水系統(tǒng)供水高峰時(shí)自由水頭分布狀況如圖3所示。

圖3　供水高峰時(shí)全市自由水頭分布

4.3供水高峰時(shí)絕對(duì)水頭分布狀況

H市供水系統(tǒng)供水高峰時(shí)絕對(duì)分布狀況如圖4所示。

圖4　供水高峰時(shí)全市絕對(duì)水頭分布

4.4供水高峰時(shí)流量分布狀況

H市供水系統(tǒng)供水高峰時(shí)流量分布狀況如圖5所示。

圖5　供水高峰時(shí)全市流量分布

4.5供水高峰時(shí)管道流速

H市供水系統(tǒng)供水高峰時(shí)管道流速如圖6所示。

圖6　供水高峰時(shí)全市管網(wǎng)運(yùn)行流速

由圖3～圖6可知，管網(wǎng)自由水頭分布合理，供水高峰時(shí)流量能夠滿足城市供水要求，管道基本在其經(jīng)濟(jì)流速區(qū)間之內(nèi)，屬于合理經(jīng)濟(jì)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)H市配水管網(wǎng)系統(tǒng)固有特性的探討和研究，詳細(xì)地介紹給水管網(wǎng)建模理論知識(shí)以及其在實(shí)際工程的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)H市改擴(kuò)建配水管網(wǎng)的建模，利用模型對(duì)H市配水管網(wǎng)進(jìn)行模擬運(yùn)行。結(jié)合城市總體規(guī)劃，為利用模型進(jìn)行技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，使城市配水管網(wǎng)與水廠配套，滿足城市供水要求，同時(shí)保障供水安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]周贊文.給水管網(wǎng)漏耗的原因分析與治漏降耗對(duì)策[J].安徽建筑,2013(1):165-166.

[2]鄭小明.給水管網(wǎng)運(yùn)行面臨的問(wèn)題與對(duì)策[J].建設(shè)科技,2015(1):32-34.

[3]趙占軍，高桂青.市政給水管網(wǎng)漏耗控制分析及對(duì)策研究[J].山西建筑,2014(14):136-137.

[4]何永，胡浩磊.給水管網(wǎng)可靠性計(jì)算方法[J].中華建設(shè),2015(4):90-91.

[5]李樹(shù)平，周巍巍，侯玉棟，等.基于管段重要性的給水管網(wǎng)布局分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(3):433-436.

[6]閆鹍.哈爾濱市供水管網(wǎng)優(yōu)化改造模型研究及其應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[7]嚴(yán)煦世，趙洪賓.給水管網(wǎng)理論和計(jì)算[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1986.

[8]許文斌，王穎.樹(shù)狀給水管網(wǎng)布置形式優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2014(6):226-230.

[9]徐宇琪.淺析城市供水管網(wǎng)現(xiàn)狀及技術(shù)改造[J].科技與企業(yè),2014(6):201-204.

[10] YUAN X C，WEI Y M，PAN S Y.Urban Household Water Demand in Beijing by 2020:An Agent-Based Model[J].Water Resources Management,2014,28(10):2967-2980.

[11] SIGEL K，ALTANTUUL K，BASANDORJ D.Household needs and demand for improved water supply and sanitation in peri-urban ger areas:the case of Darkhan,Mongolia[J].Environmental Earth Sciences,2012,65(5):1561-1566.

[12] PANAGOPOULOS G P.Assessing the impacts of socio-economic and hydrological factors on urban water demand:A multivariate statistical approach[J].Journal of Hydrology,2014,518:42-48.

[13] 郭海霞.府谷縣城供水存在問(wèn)題與對(duì)策[J].陜西水利,2015(3):48-49.

[14] 鐘業(yè)勛,胡寶清,朱重光.基本地貌形態(tài)數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào),2014(5):1-2.

[15] 易新兵.加強(qiáng)供水管網(wǎng)改造的幾點(diǎn)建議[J].廣東科技,2013(20):135.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Modelling and engineering analysis of planning and rehabilitation of urban water supply network in Northeast of China

ZHANG Xin1,GUO Peng2,ZHAO Qing3,WANG Wei1,ZHANG Min1,YU Jia4,GAO Jinliang5

(1.Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China; 2.Harbin General Development and Construction Co.,Ltd,Harbin 150028,China; 3.School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China;4.Heilongjiang Institute for Food and Drug Control,Harbin 150088,China;5.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

Abstract：The water distribution network rebuilding and extending modeling is an effective measure to exploit the potentialities of pipelines and reuse them,in order to decrease the high leakage rate and improve the safety of water supply.To enhance the stability of the entire water supply system,a reasonable planning of water distribution in H City,according to the practical situations in the cold region in North China,can save investment,reduce operating costs,shorten the construction schedule and strengthen the abilities toward emergencies.It's necessary to plan the water distribution system with a reliable model to solve contradictions between supply and demand.Simulating operating conditions are analyzed in this paper by building a model of pipelines network in H City to optimize the layout,make the pipe network match the water plant,satisfy the demand and guarantee the safety of water supply.

Key words：water supply network; planning; rebuilding and extending; digital analysis model

DOI:10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.03.005

收稿日期：2016-04-05

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳資助項(xiàng)目(12531545)

作者簡(jiǎn)介：張?chǎng)?1983-)，男，講師，研究方向：城市配水管網(wǎng)建模及最優(yōu)化理論.

中圖分類號(hào)：TU94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-4679(2016)03-0019-04