曾嬌嬌，朱玉璽，李佳佩

(珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東珠海 519002)

供水系統(tǒng)水力模型在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣泛，尤其在多水廠聯(lián)合供水的分析評(píng)估中具有較大的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有供水管網(wǎng)模型多著重探討水力模型在系統(tǒng)問(wèn)題排查、管網(wǎng)改造及供水調(diào)度方面的應(yīng)用，對(duì)水廠新建后的影響分析較少涉及[1-2]。珠海市目前為多水廠聯(lián)合供水，現(xiàn)有水廠布局及規(guī)模無(wú)法負(fù)荷近年水量的增長(zhǎng)，受用地限制及城市發(fā)展布局影響，需新建一座梅溪水廠。本文通過(guò)搭建珠海市多水廠聯(lián)合供水系統(tǒng)水力模型，分析新建水廠及其配套管網(wǎng)是否滿足城市近期用水需求，為各水廠規(guī)模及出廠水壓平衡、新建管道規(guī)模等提供科學(xué)論證[3-5]。

1 區(qū)域概況

珠海市凈化水給水系統(tǒng)大致可以分為中部城區(qū)系統(tǒng)和西部地區(qū)系統(tǒng)，相對(duì)獨(dú)立但不乏聯(lián)系，已建成規(guī)模運(yùn)行水廠共9座，形成112萬(wàn)m3/d的供水總規(guī)模，2018年最高日用水量已達(dá)127.2萬(wàn)m3/d。中部城區(qū)系統(tǒng)由唐家水廠、香洲水廠、南區(qū)水廠及拱北水廠供水，供水能力合計(jì)60萬(wàn)m3/d，各水廠分別負(fù)責(zé)各自供水區(qū)域內(nèi)的供水，亦可通過(guò)給水管網(wǎng)的聯(lián)通相互調(diào)配。西部地區(qū)現(xiàn)有西區(qū)水廠、乾務(wù)水廠和龍井水廠3座主力水廠，負(fù)責(zé)區(qū)域性給水；蓮溪水廠、三灶水廠2座非主力水廠僅負(fù)責(zé)小范圍內(nèi)的給水，西部現(xiàn)狀供水能力合計(jì)52 m3/d。

全市現(xiàn)有大于DN200的凈化水管道共計(jì)1 289.22 km，其中東部城區(qū)為530.59 km，西部地區(qū)為758.63 km；現(xiàn)有5座中途加壓泵站運(yùn)行，均位于西部地區(qū)；共有3座高位水池，有效容積總計(jì)4 000 m3，全市現(xiàn)狀廠站設(shè)施規(guī)模及分布如表1及圖1所示。

圖1 珠海市現(xiàn)狀廠站設(shè)施分布圖Fig.1 Distribution of WTPs in Zhuhai

表1 現(xiàn)狀廠站設(shè)施規(guī)模Tab.1 Capacity of Existing WTP, Pumping Station and Elevated Reservoir

2 模型構(gòu)建

供水管網(wǎng)是一類大規(guī)模且復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，本次采用MIKE URBAN WD對(duì)珠海市現(xiàn)狀供水管網(wǎng)(≥DN200)進(jìn)行模型構(gòu)建，將系統(tǒng)簡(jiǎn)化和抽象為管段和節(jié)點(diǎn)兩類元素，并賦予工程屬性，以便用水力學(xué)、圖論和數(shù)學(xué)分析理論等進(jìn)行表達(dá)和分析計(jì)算。

2.1 管道阻力系數(shù)初設(shè)

管道內(nèi)壁的粗糙度對(duì)流體的傳輸能力有很大的影響，不同管材、服務(wù)年限、傳輸介質(zhì)管道的粗糙度是不同的。就供水管網(wǎng)而言，管道粗糙度的增加會(huì)使管道阻力增大，通水能力下降，影響用戶服務(wù)水頭。本次對(duì)管網(wǎng)沿程水頭損失系數(shù)采用海曾-威廉公式，建模初設(shè)的管道粗糙系數(shù)采用MIKE URBAN模型手冊(cè)推薦粗糙系數(shù)Cw的經(jīng)驗(yàn)取值。如表2所示，珠海市現(xiàn)狀管材多為鑄鐵管，本次模型構(gòu)建主要結(jié)合現(xiàn)狀管網(wǎng)的管材及管齡進(jìn)行選取，管齡較大的管段Cw一般初設(shè)為100，管齡較小的管段Cw一般初設(shè)為110～120。

表2 MIKE URBAN模型手冊(cè)推薦的海曾-威廉粗糙系數(shù)CwTab.2 Cw of Hazen-William Roughness Factor Recommended by MIKE URBEN Model Manual

2.2 基礎(chǔ)資料收集及整理

利用MIKE URBAN WD進(jìn)行供水管網(wǎng)建模需用到的管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料較多，根據(jù)來(lái)源可以分為管網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和派生數(shù)據(jù)，按照管網(wǎng)各組成要素可分為節(jié)點(diǎn)、管道、閥門、水池、水塔及水泵等。各部分資料的獲取可以有多種方式，在建模工作中可以根據(jù)實(shí)際情況選取快速有效的方式。一般情況下，供水管網(wǎng)建模所應(yīng)獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的種類、內(nèi)容及來(lái)源如表3所示。

本次模型構(gòu)建獲取了全市供水管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)庫(kù)，2017年抄表數(shù)據(jù)、SCADA實(shí)測(cè)流量、壓力數(shù)據(jù)、供水泵房機(jī)組統(tǒng)計(jì)等相關(guān)資料。依據(jù)2017年抄表數(shù)據(jù)，全市共有用水戶69.89萬(wàn)戶，扣除6個(gè)月無(wú)用水的戶數(shù)、月均用水量少于1 t的用水戶(漏水、長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人居住的情況)，剩余有效用水戶53.66萬(wàn)戶，通過(guò)地圖API調(diào)用得到各用水戶的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，用于模型水量掛靠。全市有效用水戶空間分布及2017年最高日SCADA實(shí)測(cè)流量、壓力數(shù)據(jù)如圖2所示。

表3 供水管網(wǎng)模型基礎(chǔ)資料及來(lái)源Tab.3 Basic Data and Sources of Water Supply Network Model

圖2 抄表數(shù)據(jù)分布及實(shí)測(cè)流量、壓力過(guò)程圖Fig.2 Procedure Chart of Meter Reading Data Distribution and Flow/Pressure

經(jīng)概化，全市給水系統(tǒng)模型主要包括水廠9座、給水管道1 289.2 km，中途加壓泵站5座，覆蓋建成區(qū)面積為294.11 km2，供水系統(tǒng)模型概化成果如圖3所示。

圖3 珠海市給水管網(wǎng)模型概化及抄表數(shù)據(jù)掛靠圖Fig.3 Water Supply Network Model Generalization and Data Chart of Meter Reading in Zhuhai

2.3 節(jié)點(diǎn)流量分配

節(jié)點(diǎn)流量分配是供水管網(wǎng)建模工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，直接關(guān)系到管網(wǎng)水力模型的準(zhǔn)確性及其后續(xù)的應(yīng)用效果。常用的分配方法是比流量法，適用于管網(wǎng)密集、用戶和用水量分布平均的供水管網(wǎng)，對(duì)于管網(wǎng)疏密分布不均、用水量情況復(fù)雜的區(qū)域則不適用，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。為了準(zhǔn)確進(jìn)行節(jié)點(diǎn)流量分配，本次主要采取營(yíng)抄數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)流量掛靠的方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)流量的分配，主要將用水點(diǎn)的位置和水量信息批量導(dǎo)入模型，定義各用水點(diǎn)與最近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匹配，將用水點(diǎn)掛靠到最近的節(jié)點(diǎn)上。本次對(duì)每戶抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行全年平均計(jì)算得到平均日用水量，針對(duì)不同水廠服務(wù)范圍內(nèi)的抄表數(shù)據(jù)，采用平均日水量乘以最高日系數(shù)再乘以最高時(shí)系數(shù)的方式得到高日高時(shí)用水戶用水量數(shù)據(jù)，對(duì)漏失水量和未計(jì)量水量采用比流量法進(jìn)行分配，珠海市各水廠日變化系數(shù)幅度為1.10～1.55，時(shí)變化系數(shù)變化幅度為1.17～1.71。

2.4 模型率定

初步建立的供水管網(wǎng)水力模型一般很難符合實(shí)際運(yùn)行工況，需對(duì)其不斷修正以逐步接近實(shí)際運(yùn)行工況，達(dá)到允許的誤差精度，該過(guò)程稱為供水管網(wǎng)模型校核。管網(wǎng)模型校核，實(shí)際上是對(duì)供水管網(wǎng)的參數(shù)估計(jì)(不隨時(shí)間改變的量，如管道摩阻系數(shù)Cw等)和狀態(tài)估計(jì)(隨時(shí)間改變的量，如節(jié)點(diǎn)流量值、水廠供水量及水壓等)不斷修正的過(guò)程。

珠海市供水管網(wǎng)模型構(gòu)建主要用于指導(dǎo)管網(wǎng)規(guī)劃，因此，僅建立了靜態(tài)水力模型。本次選擇哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出的管網(wǎng)模型校核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型率定[6-7]，模型構(gòu)建過(guò)程中水量分配已同步與分區(qū)高日高時(shí)供水量進(jìn)行了匹配修正，在模型率定中主要通過(guò)修正水泵特性曲線、部分節(jié)點(diǎn)標(biāo)高、部分管道糙率系數(shù)Cw來(lái)提高模型精度。

模型率定中共選取了44個(gè)有效測(cè)壓點(diǎn)進(jìn)行模型校驗(yàn)，校驗(yàn)后約5%的測(cè)壓點(diǎn)的模擬壓力與實(shí)測(cè)壓力存在較大差值，經(jīng)補(bǔ)充調(diào)研，這些點(diǎn)均是由于做了降壓處理，實(shí)測(cè)壓力比模擬壓力低得多；約10%的測(cè)壓點(diǎn)的模擬壓力與實(shí)測(cè)壓力差值為0.02～0.025 MPa；約85%的測(cè)壓點(diǎn)的模擬壓力與實(shí)測(cè)壓力相當(dāng)，差值均在0.02 MPa以內(nèi)，經(jīng)率定后的模型基本可以滿足下一步的分析評(píng)估。實(shí)測(cè)壓力分布如圖4所示，模擬壓力與實(shí)測(cè)壓力差值如圖5所示。

圖4 實(shí)測(cè)壓力分布Fig.4 Measured Pressure Profile

圖5 模擬壓力與實(shí)測(cè)壓力差值Fig.5 Differences between Simulated Pressure and Measured Pressure

3 模型評(píng)估及應(yīng)用

3.1 模型評(píng)估工況

珠海市現(xiàn)狀香洲水廠、拱北水廠及南區(qū)水廠超產(chǎn)嚴(yán)重，依據(jù)《珠海市給水工程系統(tǒng)規(guī)劃(2006—2020)修編》，為解決香洲城區(qū)的供水需求和上沖等區(qū)域水量水壓不足的問(wèn)題，擬新建一座梅溪水廠，規(guī)劃規(guī)模為30萬(wàn)m3/d，梅溪水廠的建設(shè)投產(chǎn)能可極大緩解主城區(qū)用水需求。考慮到梅溪水廠及其配套管網(wǎng)的建設(shè)會(huì)對(duì)主城區(qū)現(xiàn)狀供水系統(tǒng)格局造成較大變化，必須對(duì)主城區(qū)給水系統(tǒng)在現(xiàn)狀工況下進(jìn)行核算。本次主要采用全市現(xiàn)狀供水系統(tǒng)模型對(duì)梅溪水廠及其配套管網(wǎng)新建進(jìn)行模型評(píng)估，主要評(píng)估梅溪水廠及其配套供水干管建成后在不同工況下香洲區(qū)供水壓力分布、管網(wǎng)水損情況。

3.2 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《珠海市城市規(guī)劃技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則》(2017版)，城市配水管網(wǎng)的供水水壓宜滿足用戶接管點(diǎn)處服務(wù)水頭0.28 MPa的要求，供水管網(wǎng)干線壓力不應(yīng)低于0.14 MPa。局部地勢(shì)較高的地區(qū)和高層建筑水壓不能滿足要求時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)局部加壓系統(tǒng)。本次結(jié)合區(qū)域規(guī)劃要求，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如下：給水干管(DN≥600)節(jié)點(diǎn)自由水頭≥32 m；局部以低層為主的地區(qū)或地勢(shì)高差較大地區(qū)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定管網(wǎng)的服務(wù)水壓，一般保證節(jié)點(diǎn)壓力≥28 m，特殊地區(qū)≥16 m，供水管網(wǎng)干線壓力不低于0.14 MPa。

3.3 運(yùn)行工況計(jì)算

3.3.1 最高日最高時(shí)工況管網(wǎng)校核計(jì)算

(1)梅溪、拱北及香洲水廠聯(lián)合供水

根據(jù)管網(wǎng)模型模擬結(jié)果，梅溪水廠建成運(yùn)行后，將極大緩解香洲城區(qū)用水壓力，新香洲片區(qū)自由水頭會(huì)有較大程度的提升，多數(shù)節(jié)點(diǎn)的自由水頭在0.28 MPa以上，梅溪水廠建設(shè)前后壓力分布如圖6、圖7所示。部分地勢(shì)較高或位于管網(wǎng)末端的節(jié)點(diǎn)自由水頭較低，相關(guān)參數(shù)如表4所示。

圖6 最高時(shí)工況節(jié)點(diǎn)壓力分布圖(新建梅溪水廠前)Fig.6 Pressure Distribution Diagram of Nodes under the Highest Working Condition (before the Construction of Meixi WTP)

圖7 最高時(shí)工況節(jié)點(diǎn)壓力分布圖(新建梅溪水廠后)Fig.7 Pressure Distribution Diagram of Nodes under the Highest Working Condition (after the Construction of Meixi WTP)

對(duì)香洲城區(qū)管網(wǎng)的千米水損進(jìn)行分析，現(xiàn)狀千米水損較大的管段主要集中在拱北水廠附近，原因是拱北水廠及周邊給水管網(wǎng)建設(shè)年代較早，管道規(guī)模偏小。較大千米水損管段參數(shù)如表5所示。

(2)梅溪及香洲水廠聯(lián)合供水，拱北水廠工藝改造

梅溪水廠建成運(yùn)行后，拱北水廠有條件進(jìn)行工藝提升改造，在最高日最高時(shí)工況對(duì)僅有梅溪水廠及香洲水廠的工況進(jìn)行模擬，壓力分布如圖8所示。模型分析得出，拱北水廠全廠同時(shí)改造時(shí)，吉大片壓力普遍偏低，無(wú)法保證區(qū)域水量水壓需求，必須進(jìn)行分期改造，經(jīng)進(jìn)一步分析，建議拱北水廠進(jìn)行半改造半正常供水。

表4 最高時(shí)工況最不利節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)(新建梅溪水廠后)Tab.4 Statistics of the Most Unfavorable Nodes in the Highest Working Condition (after the Construction of Meixi WTP)

表5 現(xiàn)狀給水管網(wǎng)水頭損失較大管段統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of Larger Head Loss of Existing Water Supply Network

圖8 最高時(shí)工況節(jié)點(diǎn)壓力分布圖(拱北水廠同期全改造)Fig.8 Distribution Diagram of Nodes Pressure in the Highest Working Condition (during Reconstruction of Gongbei WTP)

3.3.2 事故工況管網(wǎng)校核計(jì)算

根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行主要輸水管道發(fā)生事故校核驗(yàn)算：梅溪水廠有2根DN1800的規(guī)劃出廠管，出廠后至金鳳路后分為3根主干管，分別為向北的DN1000管和向南的DN1000管、DN1800管。本次對(duì)金鳳路向南的DN1000管進(jìn)行事故工況管網(wǎng)模擬校核，事故流量按正常流量的70%計(jì)算。

校核得到各水廠供水規(guī)模均為正常規(guī)劃的70%，金鳳路向南的剩余1根DN1000主干管流速為1.66 m/s，千米水損為2.88 m，主城區(qū)內(nèi)自由水頭大多高于32 m，地勢(shì)稍高的自由水頭大多大于25 m，局部地勢(shì)較高的區(qū)域節(jié)點(diǎn)(地勢(shì)>23.0 m)自由水頭在16～19 m，基本滿足主城區(qū)水量水壓需求。梅溪水廠出廠管事故工況管網(wǎng)平差校核如圖9所示。

圖9 梅溪水廠出廠管事故工況管網(wǎng)平差校核圖Fig.9 Verification and Calibration of Finished Water Supply Main Pipes under Accident Conditions in Meixi WTP

3.3.3 消防工況管網(wǎng)校核計(jì)算

根據(jù)2017年人口統(tǒng)計(jì)情況，香洲區(qū)常住人口為88.06萬(wàn)，根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50974—2014)，當(dāng)規(guī)劃人口大于70萬(wàn)時(shí)，同一時(shí)間內(nèi)的火災(zāi)起數(shù)取3次，單次火災(zāi)用水量為100 L/s。將火災(zāi)發(fā)生處布置在管網(wǎng)最不利點(diǎn)，分別分布于建業(yè)四路與石花西路交叉口處，健民路與梅界路交叉口及海韻城處，具體起火點(diǎn)分布如圖10所示。對(duì)消防工況進(jìn)行管網(wǎng)校核驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果顯示：海韻城自由水頭低于10 m，不滿足消防驗(yàn)算要求，主要原因是現(xiàn)狀過(guò)野貍島給水管管徑僅為DN200，過(guò)流能力不足；建業(yè)四路與石花西路交叉口處起火后自由水頭為15.5 m，健民路與梅界路交叉口起火后自由水頭為19.3 m，可滿足城市消防的要求。消防工況管網(wǎng)平差校驗(yàn)如圖10所示。

圖10 消防工況管網(wǎng)平差校驗(yàn)圖Fig.10 Verification and Calibration under Fire Fighting Accident Conditions in Meixi WTP

經(jīng)上述評(píng)估分析得出：規(guī)劃梅溪水廠的選址、規(guī)模及出廠水壓基本合理，能滿足近期最高日最高時(shí)、事故及消防工況下主城區(qū)水量水壓的需求。結(jié)合評(píng)估情況提出以下建議：(1)平差分析顯示吉大片區(qū)部分區(qū)域自由水頭較小(16～23 m)，建議針對(duì)該片區(qū)進(jìn)行集中二次加壓或建設(shè)高位水池；(2)梅溪水廠建成投產(chǎn)后可啟動(dòng)拱北水廠工藝改造，但不能同時(shí)對(duì)拱北水廠全套系統(tǒng)進(jìn)行改造，建議進(jìn)行半改造半運(yùn)行，以保證吉大片區(qū)的水量水壓需求；(3)本次平差有部分特殊節(jié)點(diǎn)自由水頭低于16 m，建議各特殊節(jié)點(diǎn)通過(guò)二次加壓解決局部自由水頭不足的問(wèn)題。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于多廠聯(lián)合供水的城市，通過(guò)建立水力模型對(duì)各種運(yùn)行工況進(jìn)行分析評(píng)估，可為不同的方案提供更直觀的理論依據(jù)，對(duì)供水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)決策有重要的輔助作用。

(2)供水管網(wǎng)水力模型的準(zhǔn)確度和精度與供水公司的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)緊密相關(guān)[8]，其中水量分配及管網(wǎng)糙率系數(shù)會(huì)對(duì)模型模擬結(jié)果產(chǎn)生較大影響。對(duì)于現(xiàn)狀供水系統(tǒng)的水量分配，建議收集自來(lái)水公司的營(yíng)業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行水量掛靠，對(duì)于漏失水量和未計(jì)量水量采用比流量法進(jìn)行分配；模型構(gòu)建完成后一定要采用SCADA系統(tǒng)的實(shí)測(cè)流量、壓力數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定后，才能應(yīng)用于后續(xù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)分析。

(3)供水系統(tǒng)模型在進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)評(píng)估時(shí)，需保證各節(jié)點(diǎn)的工作壓力不低于0.14 MPa，在進(jìn)行消防工況驗(yàn)算時(shí)，需保證各節(jié)點(diǎn)工作壓力不低于0.1 MPa。