市政供水管網(wǎng)平差研究

呂晨

（安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

市政供水管網(wǎng)是城市建設(shè)的重要一環(huán)，要想使供水過(guò)程更加可靠且安全，必須對(duì)管網(wǎng)平差引起重視，根據(jù)平差計(jì)算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保證管網(wǎng)建設(shè)效果最大程度接近預(yù)期。鑒于此，本文選擇以實(shí)際項(xiàng)目為落腳點(diǎn)，圍繞管網(wǎng)平差展開(kāi)討論，供設(shè)計(jì)人員參考。

1 研究背景

管網(wǎng)平差指在流量得到初步分配且管徑確定的前提下，由于管網(wǎng)閉合差無(wú)法滿(mǎn)足能量方程、連續(xù)性方程要求，需要再次結(jié)合各管段情況分配既有流量，通過(guò)多次計(jì)算，最終達(dá)到不同方程要求的過(guò)程[1]。管網(wǎng)平差能夠?yàn)楣芫W(wǎng)提供可靠指導(dǎo)，確保管網(wǎng)設(shè)計(jì)、管網(wǎng)改造和管網(wǎng)運(yùn)行的效果均可以達(dá)到預(yù)期。作為前期規(guī)劃、中期調(diào)試運(yùn)行的主要依據(jù)，管網(wǎng)平差結(jié)果通常會(huì)對(duì)日常管理工作產(chǎn)生較大影響，應(yīng)當(dāng)引起重視。

2 管網(wǎng)平差計(jì)算方法

2.1 HardyˉCross 法

HardyˉCross 法需要先參考節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程對(duì)管段流量進(jìn)行假設(shè)，再對(duì)各環(huán)流量加以確定，忽略相鄰環(huán)、高次微量所產(chǎn)生影響，依次調(diào)整各環(huán)流量，確保各環(huán)均滿(mǎn)足有關(guān)要求[2]。若設(shè)計(jì)人員所設(shè)置初始流量不科學(xué)，則會(huì)造成計(jì)算次數(shù)增多和收斂放緩的情況，甚至?xí)斐刹皇諗康膯?wèn)題。

2.2 NewtonˉRaphson 法

早期NewtonˉRaphson 法主要用來(lái)計(jì)算非線(xiàn)性方程，后在計(jì)算環(huán)方程的領(lǐng)域大放異彩。將該方法用于平差計(jì)算的步驟如下：首先，假設(shè)管路內(nèi)部流量與連續(xù)方程、環(huán)方程相契合，其次，對(duì)方程求解，最后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果修正初始流量。事實(shí)證明，該方法具有考慮全面以及理論嚴(yán)密的優(yōu)點(diǎn)，只要做到科學(xué)選擇初始點(diǎn)，便可以使收斂效果達(dá)到預(yù)期。

2.3 有限元法

有限元法的本質(zhì)為計(jì)算節(jié)點(diǎn)方程，通常分為4 步：①對(duì)連續(xù)方程、能量方程加以組合。②假定管路流量與管徑，將數(shù)據(jù)帶入方程組，確定管段磨損值。③確定節(jié)點(diǎn)矩陣方程，通過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)結(jié)果。④反復(fù)選代，直至各節(jié)點(diǎn)均與連續(xù)方程所提出要求相符，方可停止選代。

2.4 線(xiàn)性法

線(xiàn)性法強(qiáng)調(diào)將管段實(shí)際流量設(shè)為未知量，設(shè)立相應(yīng)的環(huán)方程、節(jié)點(diǎn)方程，通過(guò)對(duì)非線(xiàn)性參數(shù)做線(xiàn)性化處理的方式，獲得線(xiàn)性方程結(jié)果，隨后，經(jīng)由迭代逼近對(duì)流量分配方案加以確定。該方法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在4 個(gè)方面：①概念簡(jiǎn)潔清晰。②無(wú)須對(duì)流量初始分配做出假設(shè)。③計(jì)算頻次有限。④收斂速度理想。

2.5 圖論法

利用該方法計(jì)算環(huán)方程、割方程，通常需要先將變量劃分成兩部分，并對(duì)一部分變量進(jìn)行求解，再根據(jù)計(jì)算階段確定剩余變量，將該方法用于管網(wǎng)計(jì)算，通?？梢匀〉檬掳牍Ρ兜男Ч?/p>

3 將管網(wǎng)平差用于市政供水管網(wǎng)的意義

管網(wǎng)平差的作用主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面：①為管網(wǎng)提供科學(xué)且系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃[2]。②確定管網(wǎng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)，確保設(shè)計(jì)方案具有實(shí)際意義。③全面分析管網(wǎng)負(fù)荷，結(jié)合管網(wǎng)水壓篩選低壓、超壓管路，快速確定改擴(kuò)建計(jì)劃，模擬改擴(kuò)建效果，為設(shè)計(jì)人員確定最終方案提供便利。④為管網(wǎng)維護(hù)運(yùn)營(yíng)管理等工作的開(kāi)展提供便利。

在管網(wǎng)運(yùn)維階段，管網(wǎng)平差意義重大：①模擬管網(wǎng)運(yùn)行狀況，輔助運(yùn)營(yíng)人員制定調(diào)度方案，使閥門(mén)開(kāi)度更具有經(jīng)濟(jì)性。②對(duì)關(guān)閉閥門(mén)的方案、項(xiàng)目施工方案進(jìn)行分析，判斷較易出現(xiàn)漏水、爆管問(wèn)題的區(qū)域，提前擬定相應(yīng)的處理方案，使服務(wù)水平達(dá)到用戶(hù)預(yù)期。③根據(jù)管網(wǎng)、閥門(mén)狀態(tài)，判斷水錘及其他常見(jiàn)問(wèn)題的發(fā)生概率，采取恰當(dāng)措施予以規(guī)避。④為檢漏工作提供科學(xué)指導(dǎo)，對(duì)比實(shí)際工況、模擬工況，確定漏水位置及成因，將該問(wèn)題所產(chǎn)生影響降至最低[3]。

4 管網(wǎng)平差的在山區(qū)供水管網(wǎng)項(xiàng)目中的應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目概況

在城市化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)的當(dāng)下，大量山區(qū)城市選擇對(duì)既有供水管網(wǎng)進(jìn)行改擴(kuò)建，由于山區(qū)高差相對(duì)較大，海拔較高的地區(qū)向海拔較低的地區(qū)供水時(shí)，管網(wǎng)極易受到靜水壓力影響，進(jìn)而出現(xiàn)爆管或其他問(wèn)題，導(dǎo)致供水管網(wǎng)所具有可靠性、安全性無(wú)法達(dá)到預(yù)期，因此，在制定設(shè)計(jì)方案時(shí)，工作人員先要將管網(wǎng)系統(tǒng)劃分成不同區(qū)域，再結(jié)合各區(qū)情況增設(shè)相應(yīng)的減壓裝置。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，無(wú)論是分區(qū)、確定裝置調(diào)壓范圍，還是安裝減壓裝置，均會(huì)受到平差計(jì)算的影響，本文以山區(qū)供水管網(wǎng)項(xiàng)目為例，圍繞管網(wǎng)平差的實(shí)際應(yīng)用展開(kāi)了討論，以供參考[4]。項(xiàng)目為某山區(qū)城市管網(wǎng)改造，該城市地勢(shì)特點(diǎn)為北高南低、西高東低，西北與東南區(qū)域的高度差能夠達(dá)到百米。本次所改造系統(tǒng)位于城市最高區(qū)域，在確定主力水源、補(bǔ)充水源后，工作人員便著手對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，將給水壓力控制在0.6MPa 左右，便能夠確保92%以上節(jié)點(diǎn)壓力符合要求。

4.2 平差方法

計(jì)算山區(qū)管網(wǎng)平差前，通常需要先按照供水壓力劃分供水區(qū)域，再分區(qū)計(jì)算平差，該項(xiàng)工作往往包含以下環(huán)節(jié)：①布置管網(wǎng)并計(jì)算用水量，對(duì)各節(jié)點(diǎn)實(shí)際流量加以確定。②結(jié)合不利點(diǎn)壓力，對(duì)泵房額定出水壓力加以推算。③綜合考慮管材性能、用水壓力，對(duì)管網(wǎng)工作壓力加以確定。④計(jì)算管網(wǎng)平差，核對(duì)泵房壓力，結(jié)合管網(wǎng)壓力分區(qū)，將第一分區(qū)斷開(kāi)，酌情確定減壓節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)接入下游管網(wǎng)，第一分區(qū)、用水總量之差即為實(shí)際用水量。⑤重新計(jì)算其他區(qū)域的平差，將接入第一分區(qū)的減壓節(jié)點(diǎn)作為水源，第一節(jié)點(diǎn)、用水總量之差為實(shí)際水量，根據(jù)不利點(diǎn)壓力確定運(yùn)行壓力。待計(jì)算平差的環(huán)節(jié)告一段落，再次核實(shí)減壓范圍并確定第二分區(qū)。⑥對(duì)第二分區(qū)實(shí)際用水量進(jìn)行計(jì)算，斷開(kāi)管網(wǎng)后，將減壓節(jié)點(diǎn)接入管網(wǎng)，通過(guò)平差計(jì)算確定第二分區(qū)實(shí)際平差。⑦重復(fù)上述步驟，待自由水頭達(dá)到管網(wǎng)運(yùn)行需求，便可以結(jié)束計(jì)算平差的工作。

4.3 計(jì)算步驟

①建立模型。先簡(jiǎn)化供水管網(wǎng)，分別將管段、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，并繪制相應(yīng)的計(jì)算簡(jiǎn)圖。再將管段長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)編號(hào)及標(biāo)高寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的平差程序，獲得與現(xiàn)場(chǎng)情況相符的管網(wǎng)模型。②分配流量。在本項(xiàng)目中，工作人員計(jì)劃通過(guò)用地性質(zhì)法計(jì)算節(jié)點(diǎn)流量，具體步驟如下：首先，參考有關(guān)部門(mén)所制定規(guī)劃確定各區(qū)域性質(zhì)。其次，計(jì)算用水量并對(duì)用水量進(jìn)行分配。最后，將節(jié)點(diǎn)流量寫(xiě)入對(duì)應(yīng)平差程序，用來(lái)對(duì)平差加以計(jì)算。③確定管徑。工作人員應(yīng)綜合考慮各管段流量、經(jīng)濟(jì)流速，對(duì)其管徑進(jìn)行確定。上文所提及經(jīng)濟(jì)流速指的是規(guī)定時(shí)限內(nèi)，能夠?qū)⒐芫W(wǎng)管理成本、造價(jià)之和維持在較低水平的流速，除特殊情況外管路的經(jīng)濟(jì)流速均處于0.6～0.9m/s，如果項(xiàng)目所使用管路的規(guī)格在DN400 及以上，則其經(jīng)濟(jì)流速的下限為0.9m/s。④計(jì)算平差。在平差程序的輔助下，計(jì)算管網(wǎng)平差，以管網(wǎng)分區(qū)為前提，依次確定減壓設(shè)施的安裝位置及有效范圍。

5 管網(wǎng)平差的在平原供水管網(wǎng)項(xiàng)目中的應(yīng)用

某市自來(lái)水廠(chǎng)建于經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)較為平緩，為了做到持續(xù)、穩(wěn)定供水，需對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)建，要求施工方綜合考慮路網(wǎng)布設(shè)要點(diǎn)、行業(yè)規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)供水管網(wǎng)布局加以確定，保證管網(wǎng)與道路同向，整體呈環(huán)形。

5.1 前期準(zhǔn)備

將管網(wǎng)視為由用戶(hù)、管段和節(jié)點(diǎn)配水源共同構(gòu)成的有向圖，則管段、節(jié)點(diǎn)均與水頭損失、變量—流量相關(guān)，因此，在管網(wǎng)計(jì)算前，先要獲取大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，只有這樣才能確保所建立模型與實(shí)際情況相符。本項(xiàng)目所涉及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：①工程需水量。工廠(chǎng)由指定管路負(fù)責(zé)供水，其需水量無(wú)須納入管網(wǎng)平差的考慮范圍。②不利服務(wù)水頭。③每時(shí)、每日的變化系數(shù)。④不利管段出現(xiàn)異常的用水量。⑤清水池的水位高度。除此之外，施工方還需要以防火規(guī)范所提出要求為依據(jù)，結(jié)合人口規(guī)模及數(shù)量，對(duì)消防用水量加以確定。明確以上參數(shù)后，便可以著手選擇計(jì)算方法。對(duì)市政供水管網(wǎng)而言，可用來(lái)計(jì)算管網(wǎng)平差的方法相對(duì)較多，包括但不限于管段流量求解法、節(jié)點(diǎn)法以及環(huán)方法，不同方法均具有明顯的優(yōu)點(diǎn)與不足。求解法涉及大量未知數(shù)，前期準(zhǔn)備工作稍顯煩瑣，環(huán)方法所涉及未知數(shù)的數(shù)量相對(duì)較少，但需要自動(dòng)編程，加之在管網(wǎng)平差前，先要對(duì)初始流量進(jìn)行分配，該方法的計(jì)算難度有目共睹。與上述方法相比，節(jié)點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)極為明顯，一方面，節(jié)點(diǎn)法所涉及未知數(shù)的數(shù)量適中，另一方面，節(jié)點(diǎn)法并未對(duì)管網(wǎng)形狀提出特殊要求，利用該方法計(jì)算多水源管網(wǎng)，既能夠保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，又可以使工作量得到有力控制[5]。

5.2 建立模型

供水管網(wǎng)往往包含兩類(lèi)水力要素，分別是水頭、流量，以上要素可以細(xì)分為節(jié)點(diǎn)水頭、管段流量等，各要素均與管網(wǎng)水力特征密切相關(guān)。在管路展示出恒定流特點(diǎn)時(shí)，恒定流方程會(huì)給水頭、流量關(guān)系產(chǎn)生決定性影響，此時(shí)，只需確定水頭、流量部分取值，便可以計(jì)算出其他取值。水力分析的初衷主要是根據(jù)已知參數(shù)，對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行求解，考慮到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)布局較為復(fù)雜，既有管路的直徑跨度較大，且不同管路的長(zhǎng)度、位置關(guān)系均有所不同，因此，要想使水力模型發(fā)揮出應(yīng)有作用，一方面要確保計(jì)算結(jié)果具有實(shí)際意義，另一方面要對(duì)簡(jiǎn)化管網(wǎng)的工作引起重視，嚴(yán)格遵循以下原則完成簡(jiǎn)化工作：首先，模型僅保留特定管徑的管路。其次，除特殊情況外，均不需要保留過(guò)路管。再次，不得對(duì)道路兩側(cè)既有管路做合并處理。最后，將不同管路的交點(diǎn)設(shè)為模型節(jié)點(diǎn)。簡(jiǎn)化管網(wǎng)的工作結(jié)束后，盡快結(jié)合實(shí)際用水情況及管路長(zhǎng)度，分配節(jié)點(diǎn)流量，該環(huán)節(jié)應(yīng)重點(diǎn)考慮大用戶(hù)的需求，按照最大流量制定設(shè)計(jì)方案，分別從不利管段、消防流量+最高流量的情況出發(fā)，核實(shí)設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上，分批、分期敷設(shè)供水管路，確保所敷設(shè)管路能夠發(fā)揮出應(yīng)有作用。

5.3 結(jié)果分析

工作人員應(yīng)以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，優(yōu)化既有供水管網(wǎng)，通過(guò)調(diào)整管網(wǎng)布局、劃分供水系統(tǒng)、更改管段管徑等方式，確保管網(wǎng)能夠最大限度滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。項(xiàng)目管網(wǎng)呈環(huán)形，其中，多數(shù)節(jié)點(diǎn)均已配有相應(yīng)的加壓裝置，本次討論的重點(diǎn)為西側(cè)區(qū)域，鑒于該區(qū)域所采取加壓方式，不應(yīng)給管網(wǎng)壓力產(chǎn)生直接影響，且各區(qū)域自由水頭均應(yīng)當(dāng)達(dá)到或超過(guò)規(guī)定值，工作人員決定增設(shè)二級(jí)泵站，由二級(jí)泵站負(fù)責(zé)加壓供水。分析發(fā)現(xiàn)，特定情況下，不利服務(wù)水頭仍然能夠達(dá)到或超過(guò)預(yù)設(shè)值的下限，這表明即使不利管段出現(xiàn)異常，其他節(jié)點(diǎn)服務(wù)水頭仍不會(huì)受到影響。

利用數(shù)據(jù)對(duì)管網(wǎng)平差加以表現(xiàn)，一方面能夠保證管網(wǎng)情況得到如實(shí)展示，另一方面可使后續(xù)所開(kāi)展調(diào)度等工作有據(jù)可依。對(duì)本項(xiàng)目而言，后處理所涉及內(nèi)容相對(duì)較多，包括但不限于：①獲取水力坡度。②獲取管網(wǎng)流速。③繪制水壓曲線(xiàn)。工作人員可以根據(jù)等壓線(xiàn)所提供信息，對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀加以了解，在準(zhǔn)確判斷管網(wǎng)水流方向、壓力是否符合要求的前提下，全面了解空間管網(wǎng)、枝狀管網(wǎng)之間所存在關(guān)聯(lián)，結(jié)合管網(wǎng)所處狀態(tài)，對(duì)管網(wǎng)建設(shè)方案加以確定。事實(shí)證明，將平差計(jì)算用于管網(wǎng)設(shè)計(jì)，可在保證設(shè)計(jì)方案科學(xué)的前提下，提升建設(shè)速度，日后在管網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)管網(wǎng)平差引起重視，以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)方案加以調(diào)整，在保證建設(shè)質(zhì)效的前提下，最大程度延長(zhǎng)管網(wǎng)壽命，確保用戶(hù)所提出需求能夠得到充分滿(mǎn)足。

6 市政供水管網(wǎng)應(yīng)用管網(wǎng)平差的意義

通過(guò)分析不難看出，基于管網(wǎng)平差設(shè)計(jì)并建設(shè)供水管網(wǎng)，在提高設(shè)計(jì)科學(xué)性、縮短建設(shè)工期等方面，具有極為重要的作用，管網(wǎng)平差的價(jià)值主要體現(xiàn)在以下方面：①工作人員只需根據(jù)管網(wǎng)情況，對(duì)既有平差算法進(jìn)行科學(xué)選用，便能夠使管網(wǎng)平差所具有指導(dǎo)作用得到充分發(fā)揮，在為設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)的前提下，使分區(qū)設(shè)置更為合理。②運(yùn)用管網(wǎng)平差能夠降低管網(wǎng)設(shè)計(jì)難度，通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況的方式，達(dá)到節(jié)能減排的目的。③管網(wǎng)平差有助于工作人員提前預(yù)判管網(wǎng)建設(shè)期間可能遭遇的突發(fā)情況，包括但不限于漏水、管路爆裂等，通過(guò)制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案的方式，將以上事故所造成影響降至最低，在保證供水穩(wěn)定的前提下，為居民生活、企業(yè)生產(chǎn)助力。綜上，將管網(wǎng)平差融入管網(wǎng)建設(shè)，可以在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的同時(shí)降低常見(jiàn)問(wèn)題的發(fā)生率，使建設(shè)效率最大限度接近預(yù)期。

7 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，國(guó)內(nèi)將管網(wǎng)平差用于管網(wǎng)建設(shè)的流程已趨于完善，只有準(zhǔn)確掌握管網(wǎng)平差的內(nèi)涵和算法，才能使其所具有價(jià)值得到最大化實(shí)現(xiàn)。未來(lái)對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與建設(shè)期間，工作人員應(yīng)立足實(shí)際，對(duì)管網(wǎng)平差加以運(yùn)用，以管網(wǎng)平差為指導(dǎo)，盡快制定設(shè)計(jì)方案，在保證設(shè)計(jì)科學(xué)的前提下，最大限度壓縮工期，使項(xiàng)目盡快投入運(yùn)行，為居民生活、企業(yè)生產(chǎn)提供便利。