水力模型在蘇州某供水管網(wǎng)中的應(yīng)用

劉永濤，卜祥菊

(吳江華衍水務(wù)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(shè)費(fèi)用占給水工程總投資的60%～80%，投資較高。因此，供水管網(wǎng)運(yùn)行是否合理直接影響水司的經(jīng)濟(jì)效益。蘇州某水司根據(jù)水力模型進(jìn)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(xué)制定方案提供了有力的依據(jù)。

1 管網(wǎng)模型意義及應(yīng)用

1.1 水力模型意義

我國(guó)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(guó)大部分城市的水廠建設(shè)滯后于城市管網(wǎng)建設(shè)，因此，管網(wǎng)是整個(gè)供水系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，也是所有水司重點(diǎn)關(guān)注的部分。由于給水管網(wǎng)的敷設(shè)情況復(fù)雜，資料久遠(yuǎn)，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(yùn)行狀態(tài)是水司管理者的必然要求。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)學(xué)模型，建立一個(gè)仿真模擬管網(wǎng)運(yùn)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(shí)時(shí)運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，為管網(wǎng)維護(hù)和改造提供科學(xué)依據(jù)；另一方面，通過模型可以進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，為水廠及泵站提高運(yùn)行效率、節(jié)能降耗提供決策支持。

1.2 水力模型應(yīng)用

水力模型的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1)水廠及泵站優(yōu)化調(diào)度：以SCADA系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過水量預(yù)測(cè)功能，運(yùn)用最優(yōu)化技術(shù)，從所有的調(diào)度方案中選擇運(yùn)行費(fèi)用最省、可靠性最高，且能滿足用戶給水要求的調(diào)度方案，從而最大程度降低水司運(yùn)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(jìn)行現(xiàn)狀管網(wǎng)的中長(zhǎng)期規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，利用水力模型進(jìn)行更新方案的水力計(jì)算，并分析方案前后管網(wǎng)運(yùn)行情況的差別。(3)對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)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(cè)點(diǎn)的優(yōu)化。(5)爆管預(yù)警分析。具體的功能應(yīng)用根據(jù)水司需求量身定做，每個(gè)水司可根據(jù)自己的要求建立不同功能的水力模型[2]。

2 水力模型的建立

2.1 模型簡(jiǎn)介

水力模型分為靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)模型，蘇州某水司建設(shè)的是靜態(tài)水力模型，該模型于2012年建設(shè)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(zhǎng)度大概為4 534 km。模型節(jié)點(diǎn)為32 207個(gè)，管段為44 556個(gè)，閥門為6 142個(gè)，水表為5 154個(gè)。管網(wǎng)在線壓力表共330個(gè)，測(cè)流點(diǎn)共2 231個(gè)。模型建好之后，精度可以達(dá)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

2.2 模型更新維護(hù)

自模型投入使用以來，為確保精度，每年需對(duì)其進(jìn)行更新維護(hù)，取最高日供水量進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，選擇供水最高日為模型校驗(yàn)日[3]。模型的更新維護(hù)主要包含以下幾個(gè)方面：第一，管道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的更新，將GIS的shp文件與模型進(jìn)行對(duì)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(shí)管網(wǎng)維護(hù)時(shí)及時(shí)記錄開關(guān)狀態(tài)改變的閥門，并建立臺(tái)賬，將閥門的改變信息隨時(shí)更新到模型中；第三，測(cè)壓點(diǎn)及測(cè)流點(diǎn)的更新，對(duì)于新增、廢除、移位的測(cè)壓點(diǎn)或測(cè)流點(diǎn)，及時(shí)建立臺(tái)賬，將這些信息隨時(shí)更新到模型中[4]。

3 管網(wǎng)應(yīng)用介紹

蘇州水司管網(wǎng)模型建成后，根據(jù)實(shí)際需要，主要用于以下幾個(gè)方面：(1)管網(wǎng)新建方案的評(píng)估，輔助判斷方案是否合理；(2)管網(wǎng)改建方案合理性評(píng)估；(3)新建管道進(jìn)行沖洗時(shí)沖洗方案的合理性評(píng)估，判斷周圍是否存在低壓區(qū)；(4)調(diào)度方案分析[5]。

通過2個(gè)案例對(duì)以上管網(wǎng)模型的應(yīng)用進(jìn)行闡述分析。

3.1 案例1：管網(wǎng)方案合理性的評(píng)估

(1)存在問題

由于蘇州某區(qū)內(nèi)管網(wǎng)較復(fù)雜，無法通過簡(jiǎn)單計(jì)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(yùn)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(shí)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(jì)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(guān)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(duì)水壓的改善情況，進(jìn)而判斷方案的可行性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)未預(yù)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(duì)現(xiàn)有區(qū)域內(nèi)的幾處壓力控制點(diǎn)水壓變化進(jìn)行分析，以鎮(zhèn)區(qū)三門弄壓力點(diǎn)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(duì)現(xiàn)有壓力點(diǎn)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(1)通過管網(wǎng)新建及改造，該區(qū)整體壓力能達(dá)到25 m以上，能夠解決該區(qū)域低壓?jiǎn)栴}，有效解決民生問題，該建設(shè)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(guān)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(shè)的合理性，又可以發(fā)現(xiàn)在管網(wǎng)建設(shè)中其他的運(yùn)行問題。

3.2 案例2：大管道沖洗方案及管網(wǎng)調(diào)度的合理性評(píng)估

(1)存在問題

蘇州某區(qū)震盛公路DN1200已完成施工，但對(duì)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(xiàng)目。

(2)工程概況

震盛公路DN1200給水工程施工完畢后，水壓試驗(yàn)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(shè)置情況，將此段管道分為3個(gè)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(fù)責(zé)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(duì)震桃公路S230交叉口測(cè)壓點(diǎn)、廟震公路318國(guó)道北測(cè)壓點(diǎn)建設(shè)銀行北橋測(cè)壓點(diǎn)等6個(gè)測(cè)壓點(diǎn)進(jìn)行模擬。如圖6所示，以震桃公路S230交叉口壓力點(diǎn)為例，正常管道運(yùn)行時(shí)，此壓力點(diǎn)最低壓力為27 m；管道沖洗時(shí)，此壓力點(diǎn)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(shí)，參照閥門開度和口徑設(shè)置某閥門泄水量為2 000 m3/h，沖洗過程中調(diào)度關(guān)閉某泵站。

經(jīng)過水力模型模擬比對(duì)，得出以下結(jié)論。

(1)在第一階段：對(duì)閥門開度進(jìn)行調(diào)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(dá)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(diào)度閥門、泵站等開啟及關(guān)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(huì)出現(xiàn)局部地區(qū)的低壓供水，但管道沖洗在夜間進(jìn)行，不會(huì)影響居民生活需求。

4 結(jié)語

通過以上2個(gè)案例可以充分說明，管網(wǎng)水力模型能夠有效指導(dǎo)水司對(duì)管網(wǎng)建設(shè)方案的合理性進(jìn)行分析，并指導(dǎo)調(diào)度對(duì)施工期間及管道正常運(yùn)行期采取不同的指令，使管網(wǎng)達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。而且可以提出預(yù)警，及時(shí)發(fā)布給受影響區(qū)域的居民，避免在管網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)行中出現(xiàn)低壓、斷水等情況，造成不良的社會(huì)影響。

水力模型是水司掌握給水管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要工具，運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)模擬，可幫助水司了解管網(wǎng)中各個(gè)管段的流量、壓力狀態(tài)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了給水管網(wǎng)的科學(xué)設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理，為實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行、節(jié)省投資、提高水司的服務(wù)水平提供了重要保障。