K市地处中国西南,供水水源均来自于水库蓄容,因连年持续干旱降雨稀少,导致库塘蓄水不断下滑,水库库容曾一度接近死水位,城市供水形势严峻。面临巨大的供水资源缺口,合理调配现有水库库容,适量减少城市日供水量,最大程度发挥现有水库蓄水量,保障居民日常用水的安全与稳定,已成为一个亟待解决的难题。对于城市供水调度,我国大多数城市仍采用传统的人工经验调度方式,主要依据区域水压分布,利用增加或减少水泵开启的台数,使管网中各区域水压保持在经验设定的最佳服务范围之内^[1]。这种粗放型的供水管理模式缺乏科学性及预见性,已难以适应日渐复杂的供水环境及特殊工况调度的客观要求^[2]。管网水力模型的应用实践为供水管网的科学合理调度提供了有效的决策依据。对于水力模型的应用研究,以模型建立以及校验方法研究最为多见^[3,4],或者将水力模型用于辅助供水管网、泵站设计^[5]。而现有的文献针对供水调度的模型辅助研究,常以科学调度决策支持系统的建立^[1],或者以调度优化算法为主^[3,6],将模型用于指导城市供水应急调度的实际应用案例尚不多见。

　　 K市日均供水85万m³,拥有8个供水厂,其中5个为主力供水厂,DN100以上管网总长1 900km,供水人口220万,供水面积达200km²。该市于2006年开始实施管网水力模型的建设,现已完成了模型的建立和校核工作,其中包含14 333个节点,15 299根管段,35台水泵,最大管径为1 600 mm,最小管径为100mm,模型管段总长度为12 00km,投入校核的测压点69个。该模型经过校核,74%的测压点的实测压力和经由水力模型模拟的压力误差在2m范围内,各出厂水实测流量和模型模拟流量误差在5%范围内,该精度已达到模型校核精度评价标准,完全可用于管网规划、优化调度等方面,充分发挥水力模型辅助决策的重要作用。本文以K市主城区为例,针对该市所面临的原水短缺的供水困境,通过模型建立不同调度方案,进行综合比选,对现有原水量实现减量供水调配,科学地指导供水调度决策。

　　 为充分验证减量供水调度方案的可行性,在建立水力模型后,首先对正常运行直至原水短缺后供水时的管网关键节点的压力、流量情况进行分析,评估供水系统在该状态下的运行情况,为是否实施减量供水提供依据。其次,在实施减量供水方案条件下,探讨两种减量供水方式对供水管网的影响作用,即分片区停水方式(划定特定片区轮值减量供水)和全城保时段减量供水(保证特定时段管网输配压力),为实施减量供水的具体形式提供辅助决策依据。本研究选取管网系统中反映各片区流量压力的典型监测点A~H进行各方案下供水系统流量和压力的比较,监测点分布见图1。

　　 不提前减量供水方案的实施办法为供水系统仍按正常日供水85万m³运行,直至原水严重不足,水厂不得不按供水量为54万m³/d运行,正常运行和原水不足后各水厂的日供水量见表1。

　　 根据表1中原水不足时各水厂的日供水量,采用水力模型对K市的管网压力进行模拟,管网典型监测点A~H的压力状况见表2。

　　 正常运行状态下,根据供水管网的SCADA系统监测显示,K市主城区的管网供水压力均保持在30m左右。由表2可知,因原水严重不足,在削减各厂供水量后,管网压力大幅下降,全市管网平均压力仅为13.4m。可见,突然削减供水量会造成K市大面积缺水或低压供水,全市绝大部分地区供水压力不能达到基本用水需求,3楼以上的用户无水,部分片区甚至全时段停水,城市工企业和居民生活将会受到严重影响,城市公共服务功能丧失。

　　 对于分片区轮值供水方案,根据原水的供需水量核算,将日供水量由85万m³调减为75万m³,划分停水区域,确定停水的影响面积和人口,以各个水厂的供水范围为参考,采取水厂停机和管网阀门隔断的方法,实施各水厂周一至周日分片区轮值供水方案。模拟过程中,以某日的各厂供水量为基准,对一周的各厂停水计划进行设计模拟。由于二水厂、五水厂(西线)、六水厂3个厂的配水由二泵房完成,可通过控制水泵出流量来控制供水量,在模拟中,采用定流模拟,而其他各水厂为重力流水厂,实施定压模拟。各水厂轮值供水计划见表3。

　　 根据表3的轮值供水计划,通过水力模型,对各水厂轮值供水时的管网压力进行模拟,模拟得到的各水厂服务区域内的管网平均压力如图2所示。

　　 由于各水厂日供水能力不尽相同,水厂输出的供水压力和流量均不相同,致使各水厂对管网整体的影响力不一,所以在不同水厂轮值分片区供水条件下,管网压力波动明显,每日影响片区和人口浮动也较大;同时,通过管网阀门物理隔断来控制停水区域,使每日的管网运行调整难度增大。由表3可知,七水厂为K市主力供水厂,该厂供水量占全市供水总量的50%以上,且为重力供水,具有压力水头高、水量大的特点。由图2可见,在七水厂A管和B管分别停产的边界条件下,供水管网只在夜间低峰用水时段保持较低水头,为5~10m,而在白天高峰用水时段管网压力骤然降低,全市大部分片区管网压力无法保障。而四水厂的覆盖范围仅为K市北部片区,减停水量仅为3万m³/d左右,带来的管网压力影响有限。由图2可见,四水厂停产后,供水平均压力仍能达到20m,对全市供水影响不大。

　　 由此可见,分片区供水的方案虽然能够以水厂轮流停水的方式削减供水量,但暴露了管网压力、流量不稳定等问题,且控制难度较大,减量供水方案需进一步改善及优化。

　　 鉴于分片区轮值供水方案压力存在流量不稳,操作性、可控性差的不足之处,拟采用削减低峰时段供水量,保证高峰时段供水量和管网压力的方法,利用水力模型,检验方案的可行性。模型分别对日削减供水量至75万m³和65万m³进行了模拟。研究发现,采用保时段减量供水方案时,日供水量为65万m³即可满足城市供水需求,可最大限度地节省原水水量。该方案具体实施方法为:将每天的供水划分为低峰时段0:00~6:00,缩减该时段瞬时供水量至35~40万m³/d;平峰时段8:00~16:00和22:00~24:00,该时段的瞬时供水量稳定在45~65万m³/d;高峰时段16:00~22:00,将该时段供水量提高至85~100万m³/d。通过高、低、平峰的调度控制,在低峰用水时段尽量削减供水量,平峰时段满足供水压力的最低要求,保障K市二环内主城区的最低水压要求,高峰时段则全力供水满足全市各片区压力需求,最终将累计供水量稳定在65万m³/d,达到削减供水量的调度要求。图3为采用保时段减量供水方案时,经水力模型模拟得到的K市单日供水量的变化曲线图。

　　 对保时段减量供水方案平峰和高峰时期的管网压力进行模拟,如图4所示。

　　 由图4a可见,K市平峰时段除城中和西北等部分高程较高的片区外,二环内大部分片区可保证压力在16m以上,东北部片区可以保证压力在24m以上;由图4b可见,对于高峰时段,除东南部偏远地区外,全市供水压力可以得到有效保障,二环内主城区压力能保障在30~36m。

　　 对不采取减量供水、分片区轮值供水和保时段减量供水3种方案的技术优缺点进行比较,结果见表4。

　　 由表4可见,保时段减量供水既能有效地削减供水量,同时也能在一定时段内保障用户用水需求,通过错峰运行,使用户在高峰时段尽量用水并定期蓄水,而在低峰和平峰时段达到削减供水量并节约水资源消耗的目的。

　　 通过多种方案优选,K市最终选择了保时段供水的方式削减供水量,并予以实施,取得了较好的效果。为了验证模型运行的可靠性,本研究在方案实施过程中,利用管网SCADA系统压力监测数据,将A~H点实测压力与保时段减量供水方案模拟压力进行对比,评价方案模拟精度。以A点为例,将实测和模拟压力进行对比,如图5所示。

　　 由图5可见,A点实测压力与经由水力模型模拟的压力变化曲线吻合度较高,模型模拟得到的趋势与实际压力监测数据变化趋势相同。采用SPSS软件对A~H各点的压力实测和模拟值的平均误差和相关性进行分析,结果见表5。

　　 由表5可知,保时段供水方案的实测和模型模拟压力值的平均误差为2.05 m,Pearson相关系数为0.887,具有高度正相关性,由此可见模型方案可靠,可以较好地反应保时段供水方案下,管网各片区压力、流量的分布、变化,为减量供水的合理化实施提供科学有效的决策依据。

　　 通过水力模型对不同减量供水方案进行了模拟对比,优选保时段供水方案做为最终方案并予以实施,且效果良好。K市通过水力模型实施减量供水的成功经验,可进一步为其他水源性缺水城市的供水调度提供借鉴和参考。水力模型的模拟避免了传统人工经验调度方式的不确定性,使供水调度由粗放型向科学性、合理性迈进,提高了供水效率,改善了供水企业的现代化管理水平,使供水企业的社会和经济效益得到了大幅的提升。