周建華，趙洪賓
( 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　150090)

　　摘　要： 分析了我國(guó)供水系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題，指出目前采用的管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)水力模型的優(yōu)越性和局限性。提出了給水管網(wǎng)分區(qū)的新概念，即在管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行給水管網(wǎng)分區(qū)，然后用模型指導(dǎo)管網(wǎng)的運(yùn)行。闡述了適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的管網(wǎng)建模和管網(wǎng)分區(qū)方法。
　　關(guān)鍵詞：給水管網(wǎng)；管網(wǎng)建模；管網(wǎng)分區(qū)
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TU991.33
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)11-0030-03

1　現(xiàn)行給水管網(wǎng)系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題

1.1　用戶對(duì)供水安全性的要求提高
　　給水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的“反應(yīng)器”，經(jīng)水廠處理合格的水，在管網(wǎng)中會(huì)發(fā)生一系列的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)而導(dǎo)致水質(zhì)下降。用戶對(duì)水量和水質(zhì)要求的提高也加大了供水系統(tǒng)的運(yùn)行難度。
1.2　供水效益亟待提高
　　在滿足社會(huì)需求和環(huán)境保護(hù)要求的前提下，必須盡量減少供水成本。
　　電費(fèi)在自來(lái)水成本中所占比例較大(一般為30%～40%^[1])，故降低電耗始終是貫徹節(jié)能方針、提高供水企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)。
　　管網(wǎng)漏失在計(jì)算供水成本時(shí)往往被忽視，實(shí)際上它應(yīng)是影響供水企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最重要因素。一般采用供水產(chǎn)銷(xiāo)差代替漏失量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。供水產(chǎn)銷(xiāo)差過(guò)大是長(zhǎng)期困擾我國(guó)供水行業(yè)的一個(gè)老大難問(wèn)題。
　　隨著近年來(lái)勞動(dòng)力價(jià)格的提高，勞動(dòng)力成本成為供水成本中一個(gè)不可忽視的項(xiàng)目。
1.3　管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行要求管網(wǎng)布局科學(xué)
　　由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、城市化發(fā)展快、自來(lái)水普及率提高迅速而導(dǎo)致供水系統(tǒng)布局和規(guī)劃有欠科學(xué)，忽略了供水系統(tǒng)是一個(gè)多目標(biāo)問(wèn)題，致使管線連接復(fù)雜、鋪設(shè)冗余，出現(xiàn)了管理困難、停留時(shí)間長(zhǎng)、事故影響范圍大等問(wèn)題，故應(yīng)逐步改善管網(wǎng)布局以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。

2　給水管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)建模

　　隨著遙測(cè)遠(yuǎn)傳設(shè)備價(jià)格的下降，SCADA系統(tǒng)和優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)入了實(shí)用化階段；計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也使GPS、GIS、MIS及OA等系統(tǒng)走向成熟；信息技術(shù)，傳感器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制等技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了大型系統(tǒng)的控制和管理水平提高；優(yōu)化技術(shù)、模擬技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為模擬大型的動(dòng)態(tài)變化的給水管網(wǎng)系統(tǒng)提供了條件。
　　建立與實(shí)際管網(wǎng)系統(tǒng)特征相符的動(dòng)態(tài)模型是優(yōu)化管理、優(yōu)化調(diào)度及優(yōu)化改(擴(kuò))建的基礎(chǔ)，是診斷管網(wǎng)異常、提高管理水平的保證。建模技術(shù)流程見(jiàn)圖1^[2]。

　　給水管網(wǎng)模型主要應(yīng)用于信息的查詢顯示、現(xiàn)狀分析(供水路徑、水流方向、管道負(fù)荷、供水趨勢(shì)等)、事故處理分析、實(shí)用輔助改(擴(kuò))建以及漏失控制、優(yōu)化調(diào)度、水質(zhì)監(jiān)控等。

3　城市給水管網(wǎng)分區(qū)

　　給水管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)建模對(duì)解決管網(wǎng)現(xiàn)存問(wèn)題至關(guān)重要，但由于管網(wǎng)布局不盡合理，故系統(tǒng)的微觀動(dòng)態(tài)建模對(duì)改善管網(wǎng)運(yùn)行的作用十分有限，為此提出了城市給水管網(wǎng)分區(qū)的新理念。
　　國(guó)外城市分區(qū)供水起步于20世紀(jì)80年代，英國(guó)倫敦的給水管網(wǎng)被改造為16個(gè)區(qū)域，日本東京的管網(wǎng)由50多個(gè)區(qū)域組成，大阪的管網(wǎng)有18個(gè)區(qū)域^[3]。
3.1　城市給水管網(wǎng)分區(qū)新概念
　　給水管網(wǎng)分區(qū)對(duì)提高供水系統(tǒng)管理水平、提高供水效益、優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行以及減小產(chǎn)銷(xiāo)差等具有重要意義。這里的“分區(qū)”不同于一般概念上的管網(wǎng)并聯(lián)或串聯(lián)分區(qū)，而是將現(xiàn)有的管網(wǎng)系統(tǒng)改造為若干個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)分區(qū)供水，實(shí)施區(qū)域管理。為保證安全用水，各區(qū)域之間用應(yīng)急管道連通。分區(qū)后管網(wǎng)的供水管和配水管功能明確，各區(qū)域的進(jìn)水點(diǎn)數(shù)目少(見(jiàn)圖2) 。

3.2　給水管網(wǎng)分區(qū)方法
　　一般應(yīng)根據(jù)管網(wǎng)分區(qū)目的來(lái)確定分區(qū)，其技術(shù)流程如圖3所示。
　　整個(gè)分區(qū)過(guò)程可分為以下幾部分：管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)模型建立，選擇區(qū)域系統(tǒng)階層數(shù)，確定區(qū)域規(guī)模，劃定區(qū)域邊界，設(shè)定進(jìn)水點(diǎn)及區(qū)域的規(guī)整等。
　　①選擇區(qū)域系統(tǒng)階層數(shù)
　　第一階層分區(qū)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)合理配水，除此以外的其他功能(如流量計(jì)量、壓力控制、改善低壓區(qū)、減少漏失量、提高水質(zhì)等)應(yīng)在第二階層或第三階層分區(qū)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。一般根據(jù)管網(wǎng)規(guī)模、可靠性要求及資金狀況等確定階層。我國(guó)的給水管網(wǎng)系統(tǒng)分區(qū)應(yīng)至少采用兩階層系統(tǒng)，如資金不足可分步實(shí)施。?

　　②劃定區(qū)域規(guī)模
　　在保證用戶水壓足夠的前提下，分區(qū)后管網(wǎng)應(yīng)均衡水壓，盡可能實(shí)現(xiàn)低壓供水以利于減少漏失量、能耗和事故發(fā)生率。為將區(qū)域水壓控制在一定范圍內(nèi)，需考慮以下因素來(lái)確定區(qū)域規(guī)模：區(qū)域內(nèi)地形標(biāo)高差、管道的水頭損失、區(qū)域的形狀、進(jìn)水點(diǎn)的位置、人口密度及工業(yè)用水情況等。為減少管網(wǎng)改造費(fèi)用，也應(yīng)根據(jù)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有主要管道的管徑確定管段流量，設(shè)計(jì)分區(qū)規(guī)模。另外，分區(qū)之后的區(qū)域規(guī)模應(yīng)便于漏失調(diào)查和區(qū)域計(jì)量。
　　③確定進(jìn)水點(diǎn)數(shù)目和位置
　　區(qū)域的進(jìn)水點(diǎn)數(shù)目與區(qū)域內(nèi)水壓控制、流量測(cè)定以及事故發(fā)生時(shí)的解決措施等有關(guān)。在保證供水安全可靠的情況下，進(jìn)水點(diǎn)數(shù)目應(yīng)盡量少。單點(diǎn)進(jìn)水時(shí)有利于設(shè)定進(jìn)水管的位置和確定水壓控制點(diǎn)，而多點(diǎn)進(jìn)水時(shí)則難于確定水壓控制點(diǎn)，但當(dāng)發(fā)生事故時(shí)多點(diǎn)進(jìn)水則相對(duì)容易保證供水安全可靠。區(qū)域規(guī)模不大時(shí)一般建議采用2個(gè)進(jìn)水點(diǎn)，主要是為了當(dāng)發(fā)生事故或用水量變化較大時(shí)易于管理。必須通過(guò)反復(fù)的水力模擬計(jì)算來(lái)確定進(jìn)水點(diǎn)的數(shù)目和位置。
　　④劃定區(qū)域邊界
　　分區(qū)邊界應(yīng)考慮的主要因素是：地面標(biāo)高(分高、低區(qū))；地形(江河、鐵路、主要街道)；用戶用水類(lèi)型；現(xiàn)有水廠的供水能力(經(jīng)濟(jì)合理)；水壓分界線等。
　　⑤區(qū)域的規(guī)整
　　分區(qū)確定之后應(yīng)通過(guò)水力模擬計(jì)算確定其合理性并進(jìn)一步完善方案，明確給水管網(wǎng)系統(tǒng)中的主要送水干管，限制干管配水，對(duì)部分管道實(shí)施閘斷、改造或加設(shè)供水設(shè)施。為減少管網(wǎng)內(nèi)死水的發(fā)生，應(yīng)使管道末梢部分形成環(huán)狀或在管道末端部分設(shè)置排水設(shè)備。
3.3　分區(qū)的作用
　　①給水管網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃。可掌握各個(gè)區(qū)域的水量，易計(jì)算分配水量、布置管道、計(jì)算管徑等；明確各管路的功能及重要性，便于提出舊管道的改建方案。
　　②控制水壓。根據(jù)安裝在區(qū)域邊界和區(qū)域末梢的儀表數(shù)據(jù)，調(diào)整進(jìn)水管線上的控制閥，可方便準(zhǔn)確地控制壓力，均衡管網(wǎng)水壓，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)低壓供水，從而減少漏失量并節(jié)省能耗。
　　③控制水質(zhì)。余氯是管網(wǎng)水質(zhì)的主要控制指標(biāo)，通過(guò)余氯監(jiān)測(cè)儀可了解區(qū)域內(nèi)余氯含量，通過(guò)區(qū)域內(nèi)加氯可均衡管網(wǎng)余氯含量；當(dāng)管道清洗后恢復(fù)使用時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致濁度增加，分區(qū)可將其控制在某一區(qū)域；當(dāng)管網(wǎng)受“二次污染”時(shí)，易于追查水質(zhì)變化的原因，減小影響范圍。
　　④減小供水產(chǎn)銷(xiāo)差。區(qū)域計(jì)量是管網(wǎng)分區(qū)的主要目的，可有效減小供水產(chǎn)銷(xiāo)差，提高經(jīng)濟(jì)效益。?

4　結(jié)語(yǔ)

　　水資源的日益緊張、用戶要求的提高、經(jīng)濟(jì)意識(shí)的加強(qiáng)以及計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使得傳統(tǒng)的給水管網(wǎng)模式及運(yùn)行方式難以滿足要求，而給水管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)建模可從一定程度上緩解矛盾，但有其局限性。在城市給水管網(wǎng)微觀動(dòng)態(tài)建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行管網(wǎng)分區(qū)，然后用分區(qū)后的管網(wǎng)模型指導(dǎo)管網(wǎng)運(yùn)行，才是較有前途的解決問(wèn)題的根本途徑。?

參考文獻(xiàn)：

　　[1]汪光燾.城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993.
　　[2]趙洪賓，周建華. 微觀建模在城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)中的實(shí)踐[J].給水排水,2002,28(5):59-61.
　　[3]Toru AOYAMA,Shinji KAWAMOTO.Establishment of water distribution block system in OSAKA municipal waterworks[J].Water Supply,1999，(17):269-275.

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　　收稿日期：2002-07-30