東北某市配水管網改擴建模型構建及工況分析

張　鑫,郭　鵬,趙　晴,王　偉,張　敏,于　佳,高金良

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

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東北某市配水管網改擴建模型構建及工況分析

張鑫1,郭鵬2,趙晴3,王偉1,張敏1,于佳4,高金良5

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

摘要：配水管網改擴建模型構建是對既有管線功能挖潛、再利用，是解決管網漏損率高、提高供水安全性等問題的有效措施，結合北方寒地實際情況對H市配水管網的改擴建進行合理規(guī)劃，在提高整個供水系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎上，可節(jié)約投資，降低日常運行成本，更可縮短工程進度，提高整個供水系統(tǒng)應付突發(fā)事件的能力。解決供需矛盾需通過建立可靠的管網模型對配水管網改擴建進行規(guī)劃。通過建立H市管網改擴建模型，分析H市管網模擬運行工況，對其管網布局進行合理的優(yōu)化設計，使城市配水管網與水廠配套，滿足城市供水要求，并保障供水安全性。

關鍵詞：配水管網；規(guī)劃；改擴建；數(shù)字化模型

改革開放以來，伴隨著經濟快速發(fā)展，大量農村人口涌向城市，城市化水平不斷提高。中國出現(xiàn)一批大城市、特大城市，隨著城市居民生活水平的提高，全社會用水量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，城市供水問題已經成為制約我國城市經濟社會發(fā)展的重要因素。配水管網是整個供水系統(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，配水管網就是整個供水系統(tǒng)的控制工程，一旦出現(xiàn)問題，就會影響問題區(qū)域正常的生產、生活，會帶來巨大直接經濟損失和不可估量的間接經濟損失。配水管網建設造價占整個市政供水系統(tǒng)整體工程造價的60%～80%，配水管網的規(guī)劃建設，不僅要考慮工程造價，還要考慮日常維護成本以及自然災害特殊應急供水的需要[1-3]。考慮到上述因素后，在實際規(guī)劃建設過程中，管網計算量大，計算復雜，僅憑經驗確定管網布局、走向以及一系列參數(shù)，很難滿足經濟合理的基本要求，最優(yōu)化更是無從談起。但是隨著人民生活水平的提高，人民群眾生產生活日益增長對供水的多樣化需求與落后的配水管網體系的矛盾成為供水問題的主要矛盾。解決這一矛盾必須建立一個可靠的模型，對配水管網改擴建進行規(guī)劃，通過小城市應用實例對模型進行參數(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城市配水管網拓撲結構建立

作為模擬城市配水管網仿真運行模擬計算的必要基礎，配水管網系統(tǒng)拓撲結構模型建立是一項至關重要的工作[6-7]。

對H市配水管網基礎數(shù)據的收集，最終利用AUTOCAD繪圖軟件將管道的管徑、管長及路由等重要基礎數(shù)據落實在H市總體規(guī)劃圖上。在模型建立過程中，不僅要求基礎資料全，更重要的是在滿足計算精度的前提下對基礎資料的篩除，這樣就需要對管線進行分支管與支管的合并、雙管并行敷設時以同等過流量的單一管道替代等非常重要技術處理，以便于后期模型計算[8-9]。

對初步建立起的H市配水管網拓撲結構圖相應進行了簡化，最終形成管段154條，節(jié)點94個。H市供水管網改擴建規(guī)劃拓撲結構如圖1所示。

圖1　H市供水管網改擴建規(guī)劃拓撲結構

2節(jié)點流量的確定

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的節(jié)點上，從最高日、最大時的用水量中減掉集中流量，所剩的居民、機關、商業(yè)用水和用水量小于300 t/d的工廠用水量按長度比流量向所承擔的配水管段的管長進行水量分配，由此得出該配水管網節(jié)點流量[10-12]。

3管道阻力系數(shù)(C值)的確定

根據管道運行工況情況實際測定，并綜合其他城市對不同年代的配水管道的測試結果，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市改擴建配水管網工況分析

H市配水管網改擴建模型建立之后，可以進行模擬配水管網實際運行工況，通過管網平差等水力計算方法，得到管網中水流方向、管段流速、管段水頭損失、管段運行負荷、管網各處壓力分布、總水頭分布等重要的管網運行控制因子的詳細信息。掌握了這些管網運行控制因子的詳細信息后，就可準確地分析出管網運行中問題存在的原因，指導下一步解決方法[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供水高峰時自由水頭分布狀況

H市供水系統(tǒng)供水高峰時自由水頭分布狀況如圖3所示。

圖3　供水高峰時全市自由水頭分布

4.3供水高峰時絕對水頭分布狀況

H市供水系統(tǒng)供水高峰時絕對分布狀況如圖4所示。

圖4　供水高峰時全市絕對水頭分布

4.4供水高峰時流量分布狀況

H市供水系統(tǒng)供水高峰時流量分布狀況如圖5所示。

圖5　供水高峰時全市流量分布

4.5供水高峰時管道流速

H市供水系統(tǒng)供水高峰時管道流速如圖6所示。

圖6　供水高峰時全市管網運行流速

由圖3～圖6可知，管網自由水頭分布合理，供水高峰時流量能夠滿足城市供水要求，管道基本在其經濟流速區(qū)間之內，屬于合理經濟負荷運行狀態(tài)。

5結束語

通過對H市配水管網系統(tǒng)固有特性的探討和研究，詳細地介紹給水管網建模理論知識以及其在實際工程的應用。通過對H市改擴建配水管網的建模，利用模型對H市配水管網進行模擬運行。結合城市總體規(guī)劃，為利用模型進行技術以及經濟最優(yōu)化的設計提供基礎，使城市配水管網與水廠配套，滿足城市供水要求，同時保障供水安全性。

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[責任編輯：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

基金項目：黑龍江省教育廳資助項目(12531545)

作者簡介：張鑫(1983-)，男，講師，研究方向：城市配水管網建模及最優(yōu)化理論.

中圖分類號：TU94

文獻標識碼：A

文章編號：1671-4679(2016)03-0019-04