劉永濤,卜祥菊
(吳江華衍水務有限公司,江蘇蘇州 100124)
供水管網(wǎng)是水司給水系統(tǒng)中的重要組成部分,給水管網(wǎng)的建設費用占給水工程總投資的60%~80%,投資較高。因此,供水管網(wǎng)運行是否合理直接影響水司的經(jīng)濟效益。蘇州某水司根據(jù)水力模型進行管網(wǎng)改建、新建合理化分析、新建管道的沖洗等,為水司科學制定方案提供了有力的依據(jù)。
我國城市供水行業(yè)至今已有100多年,尤其是改革開放以來,城市給水發(fā)展迅速[1]。給水管網(wǎng)是城市供水系統(tǒng)中的重要組成部分,在保證穩(wěn)定的水壓等方面起重要的作用,為用戶得到安全可靠的飲用水提供保障。目前,我國大部分城市的水廠建設滯后于城市管網(wǎng)建設,因此,管網(wǎng)是整個供水系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),也是所有水司重點關注的部分。由于給水管網(wǎng)的敷設情況復雜,資料久遠,很多管線存在安全隱患,造成多次給水事故。因此,掌握給水管網(wǎng)的運行狀態(tài)是水司管理者的必然要求。利用計算機技術及數(shù)學模型,建立一個仿真模擬管網(wǎng)運行狀態(tài)的水力模型顯得尤為重要。通過模型,一方面可以讓水司管理者掌握管網(wǎng)的實時運行情況,及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)潛在的風險,為管網(wǎng)維護和改造提供科學依據(jù);另一方面,通過模型可以進行科學調度,為水廠及泵站提高運行效率、節(jié)能降耗提供決策支持。
水力模型的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。(1)水廠及泵站優(yōu)化調度:以SCADA系統(tǒng)為基礎,通過水量預測功能,運用最優(yōu)化技術,從所有的調度方案中選擇運行費用最省、可靠性最高,且能滿足用戶給水要求的調度方案,從而最大程度降低水司運行成本。(2)管網(wǎng)在線方案模擬:舊管網(wǎng)改造、閥門狀態(tài)改變,或進行現(xiàn)狀管網(wǎng)的中長期規(guī)劃設計時,利用水力模型進行更新方案的水力計算,并分析方案前后管網(wǎng)運行情況的差別。(3)對現(xiàn)狀管網(wǎng)運行狀態(tài)進行評估,對不合理之處根據(jù)顏色做出展示,并提出合理化改造建議。(4)DMA分區(qū)測點的優(yōu)化。(5)爆管預警分析。具體的功能應用根據(jù)水司需求量身定做,每個水司可根據(jù)自己的要求建立不同功能的水力模型[2]。
水力模型分為靜態(tài)模型與動態(tài)模型,蘇州某水司建設的是靜態(tài)水力模型,該模型于2012年建設完成投入使用,模型供水覆蓋面積為1 177 km2,涉及管道直徑為DN75以上所有管道,總長度大概為4 534 km。模型節(jié)點為32 207個,管段為44 556個,閥門為6 142個,水表為5 154個。管網(wǎng)在線壓力表共330個,測流點共2 231個。模型建好之后,精度可以達到100%壓力差≤5 m,80%壓力差≤3 m,滿足模型使用要求。模型展示如圖1所示。
圖1 模型展示圖Tab. 1 Model Diagram
自模型投入使用以來,為確保精度,每年需對其進行更新維護,取最高日供水量進行數(shù)據(jù)更新,選擇供水最高日為模型校驗日[3]。模型的更新維護主要包含以下幾個方面:第一,管道拓撲結構的更新,將GIS的shp文件與模型進行對比,將差別部分全部更新到模型中;第二,閥門的狀態(tài)更新,平時管網(wǎng)維護時及時記錄開關狀態(tài)改變的閥門,并建立臺賬,將閥門的改變信息隨時更新到模型中;第三,測壓點及測流點的更新,對于新增、廢除、移位的測壓點或測流點,及時建立臺賬,將這些信息隨時更新到模型中[4]。
蘇州水司管網(wǎng)模型建成后,根據(jù)實際需要,主要用于以下幾個方面:(1)管網(wǎng)新建方案的評估,輔助判斷方案是否合理;(2)管網(wǎng)改建方案合理性評估;(3)新建管道進行沖洗時沖洗方案的合理性評估,判斷周圍是否存在低壓區(qū);(4)調度方案分析[5]。
通過2個案例對以上管網(wǎng)模型的應用進行闡述分析。
(1)存在問題
由于蘇州某區(qū)內管網(wǎng)較復雜,無法通過簡單計算確定新建管網(wǎng)及改建管網(wǎng)方案是否合理,需通過管網(wǎng)模型模擬管道系統(tǒng)運行情況確定是否新建及改造。
(2)工程概況
蘇州某區(qū)某段時間居民反映壓力低,為了消除用水低壓區(qū),改善居民用水條件,水司計劃雙龍路新建DN600管道工程,舜湖西路新建DN600管道。
(3)模擬分析
將雙龍路及舜湖西路關鍵定義為DN600,建立水力模型模擬,通過供水狀態(tài)模擬,確定此方案對水壓的改善情況,進而判斷方案的可行性,同時發(fā)現(xiàn)未預見的一些問題。新建管道位置如圖2所示。
圖2 新建管道位置Tab. 2 New Pipeline Location
通過水力模型對現(xiàn)有區(qū)域內的幾處壓力控制點水壓變化進行分析,以鎮(zhèn)區(qū)三門弄壓力點為例(圖3)。
圖3 鎮(zhèn)區(qū)三門弄壓力模擬Tab. 3 Pressure Simulation of Sanmennong
通過水力模型對現(xiàn)有壓力點進行分析,得出以下結論。
(1)通過管網(wǎng)新建及改造,該區(qū)整體壓力能達到25 m以上,能夠解決該區(qū)域低壓問題,有效解決民生問題,該建設方案合理、有效。
(2)通過水力模型模擬,發(fā)現(xiàn)此地區(qū)多處主干管出現(xiàn)逆流情況,需將某處管網(wǎng)DN500閥門關閉,防止主干管發(fā)生回流(圖4)。
圖4 管道回流示意圖Tab. 4 Pipe Backflow Diagram
(3)通過管網(wǎng)模擬分析,既可以有效分析管網(wǎng)建設的合理性,又可以發(fā)現(xiàn)在管網(wǎng)建設中其他的運行問題。
(1)存在問題
蘇州某區(qū)震盛公路DN1200已完成施工,但對于管道沖洗方案無法統(tǒng)一各部門意見,且工程較緊急,急需完成該項目。
(2)工程概況
震盛公路DN1200給水工程施工完畢后,水壓試驗已經(jīng)合格,滿足沖洗消毒條件。如圖5所示,主要的沖洗方案是根據(jù)管道閥門設置情況,將此段管道分為3個階段沖洗。由于沖洗水量較大,需停水保證沖洗水量,方案的合理性非常重要。
圖5 沖洗方案示意圖Tab. 5 Scheme Diagram of Pipes Flushing
(3)模型分析
第一階段:管道流向由西向東,震桃公路DN1400管負責供水。沖洗持續(xù)5 h,泄水量為4 000 m3/h。在保證此泄水量的前提下,對震桃公路S230交叉口測壓點、廟震公路318國道北測壓點建設銀行北橋測壓點等6個測壓點進行模擬。如圖6所示,以震桃公路S230交叉口壓力點為例,正常管道運行時,此壓力點最低壓力為27 m;管道沖洗時,此壓力點最低壓力為26 m,有1 m左右的壓降。
圖6 震桃公路S230交叉口壓力模擬Tab. 6 Pressure Simulation of Intersection
第二階段和第三階段沖洗時,參照閥門開度和口徑設置某閥門泄水量為2 000 m3/h,沖洗過程中調度關閉某泵站。
經(jīng)過水力模型模擬比對,得出以下結論。
(1)在第一階段:對閥門開度進行調整,沖洗管段前半段流速為0.98 m/s,后半段流速為0.8 m/s,流速較高,基本滿足管道沖洗要求,管道沖洗壓力基本在18 m以上。附近某路DN1400管壓力下降約0.7 m,該區(qū)約有5 m壓降,部分區(qū)域最低壓力可能低至9 m。
(2)在第二、三階段:管道流速為0.5 m/s,不足以滿足沖洗要求。該區(qū)域整體約有3 m的壓降,局部地區(qū)最大壓降達到5 m,沖洗管道的壓力基本保持在10 m以上。
(3)綜合考慮,通過模擬調度閥門、泵站等開啟及關閉,第一階段沖洗能滿足沖洗要求;由于第二、三階段沖洗流速不滿足本次管網(wǎng)的沖洗要求,需重新制定其他沖洗方案;整體沖洗方案會出現(xiàn)局部地區(qū)的低壓供水,但管道沖洗在夜間進行,不會影響居民生活需求。
通過以上2個案例可以充分說明,管網(wǎng)水力模型能夠有效指導水司對管網(wǎng)建設方案的合理性進行分析,并指導調度對施工期間及管道正常運行期采取不同的指令,使管網(wǎng)達到最佳的運行狀態(tài)。而且可以提出預警,及時發(fā)布給受影響區(qū)域的居民,避免在管網(wǎng)建設及運行中出現(xiàn)低壓、斷水等情況,造成不良的社會影響。
水力模型是水司掌握給水管網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要工具,運行狀態(tài)的動態(tài)模擬,可幫助水司了解管網(wǎng)中各個管段的流量、壓力狀態(tài),進一步實現(xiàn)了給水管網(wǎng)的科學設計與運行管理,為實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行、節(jié)省投資、提高水司的服務水平提供了重要保障。