基于管網(wǎng)水力模型的水廠替代方案研究實例

侯英娜 路接蘭 俞國平

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.廈門水務(wù)規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，福建 廈門 361000； 3.廈門水務(wù)(建甌)城建投資有限公司，福建 建甌 353100)

基于管網(wǎng)水力模型的水廠替代方案研究實例

侯英娜1,2路接蘭3俞國平1

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.廈門水務(wù)規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，福建 廈門 361000； 3.廈門水務(wù)(建甌)城建投資有限公司，福建 建甌 353100)

針對高鐵建甌西站建設(shè)的相關(guān)要求，基于管網(wǎng)水力模型平臺，從供水量、供水壓力、配水管網(wǎng)的供水能力等角度出發(fā)，提出了合理的水廠替代方案，實踐表明，應(yīng)用管網(wǎng)水力模型輔助方案研究，能夠給決策者一個較為明確的數(shù)據(jù)依據(jù)，有助于提高供水方案的科學(xué)性、合理性以及安全性。

管網(wǎng)，供水，水壓，模型，方案

1 背景

1.1 供水現(xiàn)狀

建甌市區(qū)現(xiàn)有人口13.5萬人，由三座自來水廠負(fù)責(zé)整個市區(qū)的供水，即水西水廠、東門水廠和七里街水廠。其中，東門水廠和水西水廠由廈門水務(wù)(建甌)城建投資有限公司管理，七里街水廠由市水利局管理。東門水廠，位于東門外5 km處，占地約2 ha。以松溪水為水源，取水方式為真空式岸邊泵房、取水口位于岸邊，輸水泵房位于岸邊。水處理(凈水)工藝：反應(yīng)、沉淀、過濾、消毒。設(shè)計規(guī)模為供水能力5萬t/d，設(shè)計使用年限50年。建成于1987年，一期建設(shè)設(shè)計供水能力1萬t/d。1996年已擴(kuò)建至3萬t/d?，F(xiàn)實際供水量為2.0萬t/d，出廠壓力0.40 MPa，輸水管為一根DN700鑄鐵管，主要供應(yīng)老城區(qū)，水西橋以東，水南橋以北區(qū)域的用水。水西與東門兩座水廠通過水西大橋上DN300管道相連。

水西水廠，位于水西龜山，占地約1.6 ha，建成于1973年，最大供水能力達(dá)到1萬t/d，現(xiàn)實際供水量為6 000 t/d，重力式供水，主要供應(yīng)水西區(qū)和新區(qū)部分地段用水，同時在城區(qū)與東門水廠聯(lián)網(wǎng)，承擔(dān)著城區(qū)水南、解放路西段，人民路南端兩側(cè)等區(qū)的供水任務(wù)。取水口位于水西大橋附近，以建溪為水源。一級泵房位于水西橋頭邊，用一臺90 kW或一臺75 kW水泵抽水，由一根DN250水管輸送往反應(yīng)沉淀池。凈化車間坐落于水西饅頭山上，無二級泵房，靠高差四十幾米的重力式供水。

1.2 水廠替代背景

建甌市近年經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但與福建省其他城市相比仍有較大差距。合福鐵路在建甌設(shè)站將給建甌帶來新的發(fā)展機(jī)遇。隨著交通格局的改變，建甌市與福州市的經(jīng)濟(jì)互補(bǔ)的空間距離縮短，成為福州城市經(jīng)濟(jì)三小時經(jīng)濟(jì)圈的輻射城鎮(zhèn)，可以與武夷山市的旅游資源優(yōu)勢互補(bǔ)，有利于建甌經(jīng)濟(jì)發(fā)展，北與上海、浙江等長江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)的經(jīng)濟(jì)交流空間也大大拓展，成為福建沿海與長江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)陸地交通的連結(jié)點(diǎn)。新的區(qū)位優(yōu)勢的形成，是建甌市新一輪經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。為配合高鐵建甌西站建設(shè)的相關(guān)要求，水西水廠取水口予以關(guān)停，水西片區(qū)暫由東門水廠供給。相應(yīng)的水量、水壓、配水管網(wǎng)的供水能力是否能夠滿足要求需要進(jìn)一步論證并提出相應(yīng)的保證方案。

2 基于管網(wǎng)水力模型的水廠替代方案研究

2.1 水量

東門水廠目前有兩套制水設(shè)備，其中一套的制水能力為1萬m3/d的制水系統(tǒng)，建于20世紀(jì)80年代，另一套制水能力為2萬m3/d的制水系統(tǒng)，建于20世紀(jì)90年代，總制供水能力為3萬m3/d。目前城區(qū)用水量為2萬m3/d，東門水廠制水能力尚有1萬m3/d盈余，短期內(nèi)有能力滿足對水西片區(qū)的供水需求。根據(jù)規(guī)劃，東門水廠遠(yuǎn)期規(guī)模為5萬t，遠(yuǎn)期可通過對東門水廠擴(kuò)建滿足供水需求。

2.2 水壓

根據(jù)廈門水務(wù)(建甌)城建投資有限公司的日常測壓記錄，水西橋下的供水壓力為0.3 MPa左右，高峰時個別位置如臨江門處壓力偏低，高峰時不足0.24 MPa。因此，水西片區(qū)不能由東門水廠市政管網(wǎng)直接供水，需建設(shè)加壓泵站由東門水廠二次供水。

2.3 現(xiàn)狀供水管網(wǎng)配水能力分析

根據(jù)廈門水務(wù)(建甌)城建投資有限公司提供的管網(wǎng)資料，采用《同濟(jì)大學(xué)WSZ供水管網(wǎng)模型計算軟件2.6版》建立管網(wǎng)模型，分析水西片區(qū)建立加壓泵站由東門水廠供水的配水管網(wǎng)的供水能力。

2.3.1 模擬4月30日供水中峰期的管網(wǎng)運(yùn)行狀況

提供的壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)為2014年4月30日15點(diǎn)～16點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)，因此，建立該日的供水中峰期的模型，模擬該時段的管網(wǎng)運(yùn)行狀況，用來校核管網(wǎng)模型。

1)收集數(shù)據(jù)，建立管網(wǎng)模型。a.已知水量、水壓數(shù)據(jù)：東門水廠水量：641.875 m3/h，東門水廠出廠壓力0.38 MPa。b.管網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)：建甌市的管網(wǎng)拓?fù)浔４嬖谝粡圕AD圖紙并隨管網(wǎng)改造不斷有工作人員更新維護(hù)，只要對近期的管網(wǎng)改造成果予以更新，之后導(dǎo)入管網(wǎng)模型軟件即可。c.節(jié)點(diǎn)水量分配：經(jīng)過對建甌的營業(yè)管理模式進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)建甌市有明確的片區(qū)劃分，主要有水西、水南、筍竹城C區(qū)及城區(qū)幾個片區(qū)，同時各大小區(qū)均安裝了監(jiān)控表，據(jù)此確定了相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)水量分配方法。首先將建甌市的用戶按照用水量進(jìn)行分類分級，確定月均用水量500 t以上非生活類用戶為大用戶單獨(dú)列出，共計50戶，有監(jiān)控表的小區(qū)單獨(dú)列出，共計30戶；接下來在管網(wǎng)拓?fù)渲姓业揭陨嫌脩舻南鄳?yīng)位置，并在管網(wǎng)模型中找到對應(yīng)節(jié)點(diǎn)，記錄節(jié)點(diǎn)編號；然后總水量剔除以上用戶的用水量后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)水量分配，以上用戶的水量一一錄入模型；最后按照片區(qū)進(jìn)行水量平衡，以此提高水量分配的準(zhǔn)確性。d.管道的摩阻系數(shù)：根據(jù)管網(wǎng)的材質(zhì)以及埋設(shè)年代，結(jié)合GB 50012-2006室外給水設(shè)計規(guī)范的有關(guān)經(jīng)驗取值范圍的規(guī)定，對各管段的摩阻系數(shù)進(jìn)行了賦值。2)模擬計算。模擬結(jié)果與實測壓力對比：由東門水廠供水至水西片區(qū)，水西大橋附近的節(jié)點(diǎn)為控制點(diǎn)，因此，選取水西大橋附近的壓力監(jiān)測點(diǎn)：人民路、南街頭崗?fù)?、鄉(xiāng)鎮(zhèn)長公寓22號、臨江門作為對比對象，對比結(jié)果見表1。

表1 實測壓力和模擬壓力對比表 MPa

從表1可以看出，模型模擬結(jié)果的誤差在0.008 MPa～0.028 MPa之間，能夠滿足應(yīng)用要求。

2.3.2 模擬高、中、低峰配水方案

1)確定變化系數(shù)。根據(jù)提供的東門水廠6月1日～6月10日時供水量，擬合供水規(guī)律曲線(見圖1)，最終計算得出高峰期系數(shù)為1.208 1、中峰期系數(shù)為0.963 6、低峰期系數(shù)為0.600 5(見圖2)。

2)模擬計算。a.關(guān)鍵參數(shù)確定。水量：東門水廠供水量為19 000 m3/d(根據(jù)2013年1月～2014年6月的供水量統(tǒng)計，東門水廠最高供水量17 948 m3/d，考慮0.5%的增長，確定東門水廠的供水量為19 000 m3/d，不包括筍竹加壓泵站)，根據(jù)高、中、低峰的系數(shù)計算得出，三個時段的供水量分別為956.421 2 m3/d，762.820 6 m3/d，475.360 4 m3/d。出廠壓力：0.44 MPa。b.計算結(jié)果。模擬結(jié)果顯示，東門水廠可往水西片區(qū)供水5 000 m3/d，具體為高峰期100 m3/h、中峰期250 m3/h、低峰期380 m3/h；高峰和中峰期人民路壓力點(diǎn)壓力為0.31 MPa，低峰期人民路壓力點(diǎn)壓力為0.289 MPa；中山東路DN300管流速達(dá)1.92 m/s、水西大橋下DN250管流速達(dá)2.17 m/s。而目前水西片區(qū)的需水量為5 600 m3/d，配水管網(wǎng)無法滿足供水需求，需要擴(kuò)建。

2.4 配水管網(wǎng)優(yōu)化方案

2.4.1 方案比較

方案一：公園路DN150管改造擴(kuò)建為DN200管，改造長度330 m，中山東路新建DN400管與現(xiàn)狀DN300管并聯(lián)，新建管道長度約700 m，工程投資約100萬元。模擬結(jié)果顯示，東門水廠可往水西片區(qū)供水9 260 m3/d，具體為高峰期300 m3/h、中峰期420 m3/h、低峰期520 m3/h；臨江門壓力點(diǎn)的壓力分別為高峰期0.259 MPa、中峰期0.211 MPa、低峰期0.187 MPa；中山東路(公園路以東段)DN300管流速0.81 m/s、新建DN400管流速0.9 m/s、中山路(公園路以西段)DN300管流速1.71 m/s、水西大橋下(中山路段)DN250管低峰時流速達(dá)3.11 m/s。

方案二：中山東路DN300管改造擴(kuò)建為DN500管，改造長度約700 m，工程投資約100萬元。模擬結(jié)果顯示，東門水廠可往水西片區(qū)供水9 100 m3/d，具體為高峰期300 m3/h、中峰期400 m3/h、低峰期520 m3/h；臨江門壓力點(diǎn)的壓力分別為高峰期0.251 MPa、中峰期0.217 MPa、低峰期0.178 MPa；中山東路(公園路以東段)DN500管流速0.97 m/s、中山路(公園路以西段)DN300管流速1.8 m/s、水西大橋下(中山路段)DN250管低峰時流速達(dá)3.11 m/s。

方案三：中山東路DN300管改造擴(kuò)建為DN500管，改造長度約700 m，解放路(中山路至歐米購物中心)DN150管改造擴(kuò)建為DN400管，改造長度約650 m，工程投資約180萬元。

模擬結(jié)果顯示，東門水廠可往水西片區(qū)供水10 600 m3/d，具體為高峰期400 m3/h、中峰期450 m3/h、低峰期520 m3/h；臨江門壓力點(diǎn)的壓力分別為高峰期0.27 MPa、中峰期0.264 MPa、低峰期0.253 MPa；中山東路(公園路以東段)DN500管流速1.01 m/s、中山路(公園路以西段)DN300管流速1.18 m/s、解放路DN400管流速0.92 m/s、水西大橋下(中山路段)DN250管低峰時流速達(dá)3.11 m/s。

從以上方案的模擬結(jié)果看，管網(wǎng)優(yōu)化后仍存在兩個問題：一是臨江門受到影響很大，壓力偏低；二是水西大橋下(中山路段)DN250管低峰時流速偏高，爆管幾率提高，供水不安全。因此，建議臨江路與江濱路DN150管環(huán)通，長度約60 m，工程投資約2萬元。臨江門壓力點(diǎn)的壓力低峰時可提高3 m～4 m，水西大橋下(中山路段)DN250管低峰時流速為2.53 m/s。

2.4.2 優(yōu)化方案確定

表2 蓄水池調(diào)節(jié)水量分析

公園路、中山東路和解放路段管道的敷設(shè)年限均已超過30年，管道材質(zhì)較差，均需改造，近期中山東路和解放路段(中山路至歐米購物中心)道路改造，管線可配合道路同時改造，方案三具有可實施性，同時中山路作為通往水西片區(qū)的重要途徑，而中山西路道路近年已翻新，中山西路管道改造近幾年不可能實施，所以考慮解放路作為中山西路的替代，因此確定采用方案三，另外，為降低對臨江路的影響，同時采用臨江路與江濱路DN150管環(huán)通的方案。最終確定，本次工程實施的方案為：中山東路DN300管改造擴(kuò)建為DN500管，改造長度約700 m，解放路(中山路至歐米購物中心)DN150管改造擴(kuò)建為DN400管，改造長度約650 m，臨江路與江濱路DN150管環(huán)通，長度約60 m。改造后，可供水10 600 m3/d，滿足近期用水需求的發(fā)展。

2.4.3 蓄水池調(diào)節(jié)水量分析

根據(jù)用水量和管網(wǎng)補(bǔ)水量分析計算水池調(diào)節(jié)水量，具體詳見表2。由表2得出，蓄水池的調(diào)節(jié)容積不小于1 600 m3。

3 水廠替代方案確定

水西取水口關(guān)停后，水西片區(qū)暫由東門水廠供水的近期配套建設(shè)方案如下：1)近期配水管網(wǎng)優(yōu)化方案：中山東路DN300管改造擴(kuò)建為DN500管，改造長度約700 m，解放路(中山路至歐米購物中心)DN150管改造擴(kuò)建為DN400管，改造長度約650 m，臨江路與江濱路DN150管環(huán)通，長度約60 m。2)水西加壓泵站建設(shè)方案：水西加壓泵站位置選擇在水西橋西北側(cè)，緊鄰五里街。用地面積4 204.63 m2。泵站近期規(guī)模0.6萬t/d，遠(yuǎn)期規(guī)模1.0萬t/d，泵站土建工程一次建設(shè)完成，設(shè)備分期安裝；蓄水池有效容積2 000 t，分兩格設(shè)計。上述配套建設(shè)完成后可以保證水西片區(qū)的供水需求，但解放路西段DN200未改造管道、中山西路(水西橋下段)DN250管、水西橋DN300管仍是供水瓶頸，建議適時進(jìn)行擴(kuò)徑改造，以提高供水安全性。

4 結(jié)語

實踐表明，應(yīng)用管網(wǎng)水力模型平臺輔助方案研究，能夠給決策者一個較為明確的數(shù)據(jù)依據(jù)，有助于提高供水方案的科學(xué)性、合理性以及安全性。隨著管網(wǎng)模型的不斷深入應(yīng)用，供水企業(yè)將會對建立管網(wǎng)水力模型有更深入的了解和認(rèn)識，建立管網(wǎng)水力模型平臺輔助管網(wǎng)管理和供水調(diào)度是大趨所勢。 相信隨著計算機(jī)軟件的不斷發(fā)展、供水企業(yè)管理水平的不斷提高、管網(wǎng)數(shù)據(jù)的不斷完善和可靠，管網(wǎng)水力模型必將發(fā)揮更大的作用。

[1] GB 50016-2006，室外給水設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 信昆侖，劉遂慶.城市給水管網(wǎng)水力模型準(zhǔn)確度的影響因素[J].中國給水排水，2003(4)：52-55.

[3] 中國城市供水協(xié)會.城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

Researchonwatertreatmentplantreplacementschemebasedonpipenetworkhydraulicmodel

HOUYing-na1,2LUJie-lan3YUGuo-ping1

(1.EnvironmentScienceandEngineeringCollege,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.XiamenWaterPlanningandDesignandResearchCo.,Ltd,Xiamen361000,China; 3.XiamenWaterTreatment(Jian’ou)UrbanConstructionInvestmentCo.,Ltd,Jian’ou353100,China)

According to related requirements for the construction of the express railway Jian’ou West Station, the paper points out reasonable water treatment plant displacement scheme from the water supply volume, water-supply pressure, and water-supply capacity of the water-supply pipe network, and proves by the practice that the pipe network hydraulic model auxiliary scheme can provide more accurate data so it is helpful for making the water-supply schemes more scientific, reasonable and secure.

pipe network, water-supply, water pressure, model, scheme

1009-6825(2014)33-0118-03

2014-09-15

侯英娜(1983- )，女，在讀工程碩士，工程師

TU990.3

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