不少城市在进行供水管网改造时, 受限于管网基础资料不完善, 往往只能根据经验制定改造方案, 缺少理论支持, 具有较大的主观性。目前基于供水管网水力模型提出改造方案在国内的相关研究和工程实例中仍然较少。构建供水管网水力模型符合“智慧水务”发展要求, 有利于提高决策的科学性、服务质量以及用户满意度^[1]。在软件方面, 要求建立管网Geographic Information System (GIS) 数据库, 存储管线属性信息, 构建电子地图。在硬件方面, 需要布设一定数量的压力、流量监测点, 与GIS系统互通。在此基础上, 可以建立管网水力计算模型, 分析管网运行状况, 为运行管理优化、节能降耗, 管网改造提供理论支持^[2,3,4]。

管网改造不仅可以满足用水需求、提高管理水平, 而且有助于节能降耗, 保障供水系统长期的安全稳定运行^[5,6]。为了取得更好的模型模拟精度, 管网模型校核中的各种优化算法纷纷涌现^[7]。Nash等^[8]将灵敏度分析用于管道阻力系数的校核, 讨论了管道摩阻系数的初始估计以及管网模型校核结果的灵敏度情况。Kang等^[9,10]在实时管网模拟中, 采用基于加权最小二乘法组合分析和卡尔曼滤波应用的递归方法, 对管网参数进行实时估计。王云海等^[11]提出利用节点水压与流量的灵敏度矩阵, 调整节点流量分配, 实现了高效率的水力模型校正方法。袁一星^[7]提出了获取管网模型校核中不确定性参数初始值的方法, 通过试算取得了较好的结果。赵新华等^[12]利用路径熵的分析方法, 定义了管网水质熵, 建立了水质熵计算模型。

本研究以吉林省某市江北供水管网为例, 论述了基于供水管网建模制定改造方案的方法和步骤。在此基础上, 提出了管网改造方案, 并利用该模型验证了改造后的效果。

建立供水管网水力模型需要充分的基础数据, 主要包括以下方面:

(1) 供水管网GIS数据库。在构建水力计算模型之前, 该数据库主要服务于管网的检修、维护, 包括20个图层, 涵盖了水厂、管道、管件、阀门以及附属设施等。管线的主要属性包括管材、管径、敷设年代、编号等属性, 节点的主要属性包括地面标高、埋深、编号等。

(2) 压力、流量数据。目前, 该市共设有4座给水厂, 其中第二水厂为江北管网供水。水务集团提供了2016年5月的第二水厂出厂流量、压力数据, 以及该区域的大用户、加压泵站的用水量数据。本研究仅对一次网进行水力计算, 因此可将加压泵站作为节点处理, 将大用户、加压泵站的用水量均作为集中流量。

(1) 校核、补录GIS数据并简化管网。补录竣工管线, 并校核拓扑关系是否正确。补录管线的关键属性信息, 例如管材、管径、敷设年代、编号、所在街道属性, 节点的地面标高、埋深、编号等信息。与此同时, GIS地理数据库中的排气阀、消火栓等附属设施, 对于构建水力计算模型并不必要, 因此对它们删除或简化。管径DN100以下的树状管线不再计算。经过简化以后, 江北供水管网一次网的总管长为97.4km, 节点数共580个。

(2) 设置节点流量。供水管网水力计算时, 必须首先获取大用户的用水量信息, 作为节点流量。该市管网具有数量较多的二级加压泵站, 本研究仅对一次网进行水力计算, 不考虑加压泵站及二次网, 因此可将加压泵站作为节点处理。江北管网总供水流量为1 117.11L/s, 其中集中流量为852L/s, 两者之差作为均布流量, 按照长度比流量法分配到管段上。

(3) 水力计算。水头损失的计算采用HazenWilliams公式。考虑管材、使用年限的不同, 并经过多次水力计算的试算, 确定的系数C_h的取值见表1。然后, 采用Infoworks WS软件进行24h延时模拟。根据模拟的结果, 分析各节点计算得到的压力, 与压力监测点所实测的压力相比较, 从而验证模拟的结果是否与实际情况相吻合, 模型是否正确。

该市水务集团在江北的重要路段以及管网末端布设了多个压力监测点。按照“分布合理, 具有代表性”的原则, 现在仅对其中的3个压力监测点的计算压力、实测压力进行对比、分析。在管网的东部、中部和北部各选择一个压力监测点, 将实测压力与计算压力相比较, 其结果见图1。可以看出, 中部压力监测点的计算压力与实测压力的变化趋势一致, 吻合较好。东部、北部压力监测点的计算压力与实测压力变化趋势基本一致, 仅有个别时段有所不同。总体上看, 水力模型的计算偏差在可以接受的范围内。

最高日最高时工况下, 该区域的压力分布如图2所示。

最高日最高时工况下, 南部的节点压力均达到28mH₂O以上, 东部、西部有一些节点压力在16～24 mH₂O, 管网北部末端的节点压力均低于10mH₂O, 形成一个低压区。节点压力在20mH₂O以上的节点数为418个, 占该区节点总数的72.1%。由此可见, 在此工况下有一定数量的节点压力偏低, 需要进行二次加压才能满足用户处的用水压力要求。

该区域地势平坦, 地面标高约为190m, 与第二水厂的送水泵站的输水管起点标高相差不大, 地面标高不是形成低压区的制约因素。管网北部末端处距离第二水厂较远, 上游的一些管段管径偏小, 水头损失过大。从第二水厂向西北方向供水的三段干管 (见图3标注的管段1、管段2、管段3) 的管径分别为DN500、DN400、DN400, 总管长仅为1 470 m, 而水头损失分别为4.9 mH₂O、4.5 mH₂O、5.6mH₂O, 总水头损失为15 mH₂O, 单位水头损失达10.2mH₂O/km。

管段1的管径为DN500, 管段2、管段3的管径均为DN400, 且敷设年代均为1991年。从减少管网漏损、保障水质安全、降低水头损失、节能降耗等多方面考虑, 都有必要淘汰原有旧管, 重新敷设新的管道。因此提出如下改造方案:对于敷设的新管, 管段1的管径建议改为DN700, 管段2、管段3的管径建议改为DN600。

对以上管段, 采用改造后的管径进行水力计算。结果表明, 最高日最高时工况下, 管段1、管段2、管段3的水头损失显著降低, 分别为1.7mH₂O、1.7mH₂O和2.1mH₂O, 总水头损失为5.5mH₂O, 降低为原来的36.7%, 且流速为0.6～0.7m/s, 符合供水管网最低流速的要求。改造以后的压力分布如图4所示。改造前后不同压力范围内的节点个数分布情况如图5所示。

由图4可以看出, 改造以后节点自由水压小于16mH₂O的低压区已基本消除。江北管网绝大部分的节点压力达到了24mH₂O, 管网北部最末端的自由水压提高到了20mH₂O以上。由图5可以看出, 改造以后, 最高日最高时工况下, 有438个节点的压力达到了28 mH₂O以上, 占节点总数的75.5%, 97%的节点的压力达到了20mH₂O以上, 改造对节点压力的提升效果是非常明显的。

该改造方案的制定过程, 经过了与该市水务集团的多次沟通、论证, 在充分考虑江北管网的现状的基础上, 结合未来的发展趋势, 本方案选择使用年代较久、对供水压力制约较大的管段进行改造。该方案已被水务集团接受, 并将按照该方案逐步施工。将来竣工以后, 预期管网供水压力将有较大程度改善, 有望取消部分二级加压泵站, 从而降低运行费用。

以吉林省某市江北供水管网为例, 通过比较计算压力与实测压力, 验证了水力模型的正确性。并在此基础上, 提出了改造建议, 并通过水力计算验证了改造的效果, 提高了管网末端的节点压力。这对于降低运行成本, 提高供水企业的服务水平具有重要意义。