趙星明，劉鋒范，徐 軍，趙興忠

(1.山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018; 2. 青島市城陽區(qū)自來水公司，山東 青島 266109;3. 青島市城陽區(qū)書院水庫管理所，山東 青島 266109

改革開放以來，青島市城陽區(qū)的城市化進程加快，人口密度增大，生活用水量急劇增加，自來水的服務范圍外延，給水管網(wǎng)擴展重疊，供水水源也增加到4個，供水能力達到25.4 萬m3/d。供水管網(wǎng)隨著城市的發(fā)展不斷擴展改造，因供水水源的增加、高層建筑的興建引起用水量集中、供水分布發(fā)生變化等因素，使部分管段的供水方向改變，某些主干管道的流速和水頭損失增大，從而降低了節(jié)點壓力而影響了用戶的用水，供水水泵只能在高揚程下運行，提高了供水能耗。

對多水源的現(xiàn)有給水管網(wǎng)進行水力分析和評價，提出行之有效的改造措施，不僅能夠節(jié)能降耗，而且還能提高管網(wǎng)的服務水頭，改善用戶的用水狀況。收集和分析現(xiàn)有用水資料及現(xiàn)有給水管網(wǎng)資料是進行改造的前提，利用營業(yè)抄表用水量統(tǒng)計得出整個管網(wǎng)的節(jié)點流量。實地摸清所埋管線情況，提取衛(wèi)星地圖的地形，掌握給水管網(wǎng)的管徑、管長、管材和節(jié)點標高等，弄清管網(wǎng)的拓撲關系，建立水力分析管網(wǎng)模型。采用多水源環(huán)狀管網(wǎng)平差計算方法，得到最大用水量的運行工況，作出科學的供水管網(wǎng)現(xiàn)狀評價，提出降低能耗的有效措施，同時也為管網(wǎng)改擴建工程提供科學依據(jù)。

1 現(xiàn)狀給水管網(wǎng)模型的構建

1.1 管網(wǎng)拓撲關系的建立

對多水源給水管網(wǎng)進行現(xiàn)狀評價，首先要構建管網(wǎng)模型，理清節(jié)點與管段之間的拓撲關系，建立有向管網(wǎng)圖[1]。給水管網(wǎng)的數(shù)字地圖價格昂貴，但給水管網(wǎng)模型對節(jié)點位置和高程的精度要求不是很高，采取了對供水管網(wǎng)平面圖數(shù)字采集的方法，利用AutoCAD對采集的照片矢量化建立管網(wǎng)拓撲圖[2]，如圖1所示。

城陽區(qū)管網(wǎng)拓撲圖共有64條管段和47個節(jié)點，管網(wǎng)的節(jié)點和管段進行了編號，確定各管段長度和管徑。節(jié)點地面標高通過衛(wèi)星地圖獲取，精度能達到平差計算要求，城陽區(qū)地面比較平坦，高程約為17.25 m左右。青島市城陽區(qū)供水水源有5個，即雙龍水廠、夏莊水廠、江家莊水廠、棘洪灘水廠和一座高位水池，用水高峰同時向管網(wǎng)供水，給水管網(wǎng)的最小服務水頭為28 m。

1.2 管網(wǎng)節(jié)點流量的確定

在供水管網(wǎng)的現(xiàn)狀評價中，節(jié)點流量是一個非常重要的計算參數(shù)，它影響著管網(wǎng)平差結果的準確性和管網(wǎng)模型的相似性。節(jié)點流量是利用自來水公司的營業(yè)水費帳單計算的，能夠保證計算精度，但由于自來水公司是按月抄表，所以折算到節(jié)點的是平均流量[3]。首先對用戶的用水量進行大小排序，確定了22個用水大用戶，最后合并到11個節(jié)點作為集中流量。在最高時5個水源的供水流量為1 005.55 L/s，集中流量為282.72 L/s，占總流量的28.12%。采用大比例的集中流量，使節(jié)點流量計算結果更接近用水量實際值，能夠解決城市管道布設密度差別較大等客觀問題[3]。

對供水區(qū)域分塊，把分塊圖中的一般用戶用水量統(tǒng)計出來，作為節(jié)點流量與管網(wǎng)模型對應[4]。無計量用水和漏損水量用總生產(chǎn)水量減去水表總記錄的用水量，并按沿線流量均勻分配到所有配水管道上，再把沿線流量等效到每個節(jié)點上。這樣，抄表水量與無計量用水量之和即為平均節(jié)點流量[5]。，乘以時變化系數(shù)Kh折算為最高時流量。

圖1 給水管網(wǎng)模型Fig.1 Water supply network model

1.3 時變化系數(shù)的計算

給水管網(wǎng)的時變化系數(shù)體現(xiàn)了連續(xù)用水24 h的時周期性，由城市性質(zhì)、生活習慣和生產(chǎn)規(guī)律等所決定，在不同月份差別不大，但節(jié)假日與工作日相差明顯[6]。因為是對現(xiàn)狀管網(wǎng)的評價，故只對工作日的用水量進行分析。從城陽供水遙測系統(tǒng)讀取各水廠的供水量，發(fā)現(xiàn)水廠每個時段的供水量基本平穩(wěn)，變化幅度比較小，這不符合小型城市的用水變化規(guī)律。變化較大的是高位水池的水位，說明高位水池起了很大的調(diào)節(jié)作用，削弱了水廠供水量的變化。因此，可以關閉高位水池的運行，以保證供水量與用水量相等，只要讀取水廠供水量就可以準確地計算時變化系數(shù)。考慮到關閉了高位水池會影響整個管網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行，故采用了遙測系統(tǒng)的高位水池的水位變化數(shù)據(jù)，按下式推算管網(wǎng)的用水量：

Q2=Q1-ΔHA

式中：Q1為水泵流量，m3/h；Q2為管網(wǎng)用水量，m3/h；A為高位水池有效平面面積，m2；ΔH為高位水池在單位時間的水位變化高度，m/h。

當Q1>Q2時，表示水池進水，ΔH為正值；當Q1

根據(jù)用水量繪制管網(wǎng)用水曲線，確定時變化系數(shù)為1.58。

1.4 有效管徑的等效

進行水力模擬計算時，可以使用新管的Hazen-Williams系數(shù)Cz和有效管徑Dz，也可以使用舊管的當前C值和新管的公稱直徑D[6]。對現(xiàn)狀管網(wǎng)的模擬評價，為方便起見，采用輸入舊管的有效管徑Dz，而Hazen-Williams系數(shù)采用新管的值。城陽區(qū)給水管道材料主要是球墨鑄鐵管，最大輸水管徑為DN1 000，配水管網(wǎng)最小管徑150 mm，主要管徑為DN300和DN400 2種規(guī)格，隨著使用年限的增長，其管徑按斜率kd直線減少，則有效管徑的計算式為Dz=D-kd×使用年限，這樣在進行現(xiàn)狀評價時就可以對每條管道進行等效簡化[7]。研究可知，kd與公稱直徑有關，其相關性如表1所示。

2 現(xiàn)狀給水管網(wǎng)運行工況分析

把建立完成的現(xiàn)狀給水管網(wǎng)拓撲關系，通過AutoCAD數(shù)據(jù)交換接口引入Bentley WaterCAD平臺上，每個節(jié)點附加最高時工況流量，采用單目標遺傳算法優(yōu)化功能對模型進行水力平差計算。平差計算過程中，設定高位水池的壓力為已知，而其余水廠和節(jié)點的壓力未知，根據(jù)平差計算結果主要分析節(jié)點自由壓力，以最省的管網(wǎng)改造費用，削除供水低壓區(qū)，降低各水廠供水泵站的揚程?，F(xiàn)狀給水管網(wǎng)最高時工況的平差結果如圖2所示，節(jié)點標注值和等水壓線值為自由水壓。

表1 kd與公稱管徑的關系Tab.1 Relationship between kd and nominal pipe diameter

圖2 給水管網(wǎng)等水壓線Fig.2 Isohydraulic diagram of water supply network

2.1 供水低壓區(qū)改善方案

分析給水管網(wǎng)等水壓線圖2得知，在城區(qū)的西南方向存在一個自由水壓低于27.40 m的低壓供水區(qū)域，與居民經(jīng)常投訴水壓不足相一致。此區(qū)域人口密集，需水量較大，達到了1 152 m3/h，主要由位于城陽區(qū)西部的棘洪灘水廠供水。棘洪灘水廠輸水管段(54)、(55)、(56)和(48)的管徑是DN1 000，但是從西北方位和節(jié)點接入管網(wǎng)的連接管(53)和(50)只有DN300，管網(wǎng)上的和節(jié)點并沒有與輸水管相接，大部分水需要繞道到節(jié)點進入管網(wǎng)。在管網(wǎng)模型上，連接節(jié)點和再并聯(lián)一條DN300管道，把和節(jié)點與DN1 000輸水管道搭接，可縮短低壓區(qū)的供水路徑。圖3中的粗虛線為增設的3條連接管。經(jīng)平差計算低壓區(qū)的水壓提高了3 m左右，這樣可保證服務水頭超過28 m。

作為主要供水水源的夏莊水廠，其供水量為826 m3/h，僅由一條DN500的輸水管道向北供水，管線長和流速大造成水頭損失偏大。后經(jīng)調(diào)研得知，夏莊水廠實際上向西有一條DN200的輸水管線，但沒有與管網(wǎng)相連。若夏莊水廠的出水向西分流，把DN200的輸水管線延伸至節(jié)點③與管網(wǎng)連接，如圖3所示，經(jīng)平差計算的結果是：夏莊水廠的DN500輸水管流速由1.17 m/s降到0.54 m/s，低壓區(qū)的節(jié)點壓力都升高了1.4 m以上，更重要的是可以降低夏莊水廠10 m的水泵揚程。

圖3 輸水管與管網(wǎng)相連Fig.3 Delivery pipe is connected to water supply network

另外，管網(wǎng)在擴建過程中，沒有進行系統(tǒng)地規(guī)劃，對管道成環(huán)的重要性和作用認識不足，存在配水管道沒有連成環(huán)的問題，影響了連通性和供水安全。因此，應優(yōu)先把位于城市中心的節(jié)點⑩和與管段(6)相接，節(jié)點⑥與管段(3)相接，節(jié)點⑧與管段(14)相接，模擬計算結果表明，可有助于改善管網(wǎng)的水流狀態(tài)，并能縮小低壓區(qū)的范圍。

2.2 水廠供水范圍的界定

對供水管道流速分布進行分析，可確定南北供水區(qū)域是以和陽路為界的。雙龍和夏莊水廠負責南部占全區(qū)40%的供水任務，其余的60%的供水任務由棘洪灘水廠和江家莊水廠負責，并且在枯水期城市北部主要由棘洪灘水廠供水。棘洪灘水廠的原水來自引黃濟青工程，黃河水污染較重，生產(chǎn)的飲用水口感略差。確定了棘洪灘水廠以及各水廠的供水范圍，供水區(qū)域的交界是幾個水廠的混合給水區(qū)，會引起水質(zhì)頻繁變化，應加強水質(zhì)監(jiān)控[8]。

2.3 供水泵站改造方案

棘洪灘水廠離城區(qū)較遠，屬于遠距離輸水，來水壓力為49.5 m。其他3個水廠由于擴建和維護更換的原因，泵站水泵型號較多，經(jīng)過實地調(diào)查摸清了水泵的型號和生產(chǎn)廠家，并通過查閱手冊或與廠家聯(lián)系獲得水泵的性能參數(shù)，水泵效率都較低，大多為70%～72%，最低的只有61%，較新的泵可達到77%。高位水池的地勢高，位于江家莊水廠北側，為向高位水池供水，原有水泵揚程為63 m，但平差計算結果是若不向高位水池供水，江家莊水廠的水泵揚程僅為35.53 m就能滿足管網(wǎng)的供水要求，即原有水泵揚程超出27.47 m，應作為首先改造的項目工程，需更換所有水泵，并采用變頻控制。

隨著城市管網(wǎng)的建設，各水廠增設了一些水泵，但與供水系統(tǒng)匹配存在不合理性，水泵揚程高于管網(wǎng)阻力，變頻調(diào)速節(jié)能技術也沒有得到應用，從而使水泵一直在低效率范圍內(nèi)運行，運行成本較高。為降低水泵的運行費用，應選擇運行效率高、同性能參數(shù)而功率相對較小的產(chǎn)品。經(jīng)估算，更換高效率水泵的設備費和安裝費總投資為68.7 萬元，帶來的經(jīng)濟效益是每年可節(jié)省24.1 萬元的電費，在3 a內(nèi)可收回用于泵組設備改造的投資。

3 結 語

在對供水管網(wǎng)的現(xiàn)狀評價過程中，數(shù)據(jù)處理和建模等準備工作是非常重要的。必須要保證管網(wǎng)拓撲結構的準確性，重要管線應到現(xiàn)場勘查，與第一線的維修工人師傅交流。小規(guī)模的給水管網(wǎng)可以不簡化，以減少模擬的誤差。現(xiàn)狀管道已銹蝕，應科學地確定Hazen-Williams系數(shù)C值，并根據(jù)管道的使用年限其管徑按斜率kd直線減少的規(guī)律，對管徑進行等效簡化。

通過給水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析，較準確地掌握管網(wǎng)水流方向、流速、壓降和節(jié)點自由水壓等運行工況。等水壓線圖可較精準確定供水不足的區(qū)域，有助于發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)布置不合理的因素，提出正確的改善壓力不足的管道改造方案，確定水廠供水界線，為管網(wǎng)的科學管理提供決策支持。同時對原有的水泵進行優(yōu)化，降低水泵揚程，提高運行效率，也可降低漏失率。