基于WaterGEMS农村供水管网联并对供水压力影响分析

韩进军，　周　蜜，　刘海涛

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009；2.安徽省城建设计研究院，安徽 合肥　230051；3.安徽水安建设集团有限公司，安徽 合肥　230601)



基于WaterGEMS农村供水管网联并对供水压力影响分析

韩进军1，周蜜2，刘海涛3

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009；2.安徽省城建设计研究院，安徽 合肥230051；3.安徽水安建设集团有限公司，安徽 合肥230601)

摘要：文章以安徽省某县农村饮水安全工程为例，选择具有管网联并条件的A、B、C水厂为研究对象，以水厂设计资料提供的静态属性数据为基础，运用WaterGEMS软件建立给水管网水力模型，分析供水管网联并后不同工况运行对供水压力的影响。研究结果表明，正常工况下，管网联并后对A、B水厂所属管网节点水压的调节作用显著，对 C水厂基本没有调节作用，A水厂高压区压力增大，B水厂高压区范围缩小，各水厂低压区压力稍有提高；事故工况下，管网联并后各水厂高压区压力降低，A或C水厂停水时，B水厂高压区压力变为33～36 m，整体压力稍有降低，各水厂供水区域供水压力分布比联并前更趋均衡。

关键词：农村供水；管网联并；水力模型；正常工况；事故工况；供水压力

农村供水管网联并系统是将具有联并条件的管网连成一片的供水系统，它把一片区域内的若干净水厂联合为一体[1-4]，统一开发、分配水资源，并根据区域具体情况，因地制宜，建立一种总体为树状管网、局部为环状管网的新型混合管网，以保障用水的安全性。管网联并后，管网水力负荷、管道流速、节点水龄、水质以及供水压力分布等一系列因子均发生相应变化，本文主要分析管网联并对供水压力分布的影响[5-6]。

通过供水压力分布图，能清晰查看管网的压力分布规律[7-8]，可直观查看管网中的低压区和高压区的分布情况[9]，从而评估管网的压力状态是否合理，为管网联并提供技术依据。

1供水工程概况

本文研究区位于淮北平原中南部，全县地形由西北向东南缓缓倾斜，自然比降为1/8 500，海拔为21～29.5 m，境内除西北部有少量零星残丘外，平原面积广阔。该区孔隙承压水水量丰富，开发利用程度低，开发潜力较大，因其埋藏较深不易受到污染，水质优良，是农村生活用水安全水源[10]。截止2010年底，该区农村供水工程共新建工程51处，受益总人口21.24万人，供水规模最大可达19 796.26 m3/d。

“十二五”期间已新建供水工程14处，供水能力为32 200 m3/d；改扩建供水工程8处，供水能力为16 100 m3/d；管网延伸工程1处，供水能力为2 850 m3/d。该工程总受益人口为64.93万人。本文结合研究区已建和在建水厂的地理位置和当前给水管网布置形式，选择具备管网联并条件的A、B、C水厂集中供水工程作为研究对象。

(1) 王集水厂：设计使用年限为15年，供水范围为10个行政村，供水人口为2.27万人，供水规模为1 700 m3/d。

(2) 板桥水厂：设计使用年限为15年，供水范围为1个集镇、10个行政村和172个自然庄，供水人口为5.56万人，供水规模为4 388 m3/d。

(3) 唐集水厂：设计使用年限为15年，供水范围为7个行政村和91个自然庄，供水人口为3.10万人，供水规模为2 500 m3/d。

2拟定管网联并方式

农村供水管网主要以树状管网的形式向供水范围周边扩张，联并管道对2个独立管网中相距较近的支管末梢进行连接，将原树状管网转化成具有多个闭合环的树状-环状混合管网。这种管网联并方式需要新建的管道长度较小，能最大限度地利用原有管网的供水能力，而且形成了多个环状管网，能够提高供水的可靠性和安全性[11]。

图1所示为联并后给水管网布置图。本文在评价管网联并形式对供水压力的影响时，优先将管径作为控制因素，仅采取新建管道的方式对各个水厂管网进行联并，管径取为75 mm。

图1　联并后给水管网布置图

3给水管网模型建立与校核

3.1模型建立

给水管网水力模型数据包含管网静态、动态和实测数据[12]。鉴于研究内容和现场实测条件的限制，本文基于工程设计资料提供的静态属性数据建立模型。将研究区各水厂以背景图层加载，管网节点和管线导入的同时，生成节点高程、管长、管径及管材等信息。确定水泵和泵站的具体位置，在图形中添加水源和泵站，进行泵站参数设置，同时依据各水厂的设计水量数据，在模型中进行节点水量分配，同时导入各类用户用水量变化规律数据[13]，最终形成管网水力模型。

3.2模型校核

模型建立完成后，需对模型进行反复校核，逐步完善[14]。通过校核建模过程中的各项静态属性数据，适当调节对模型结果有重要影响的参数，如节点流量等，直到满足模型精度要求[15]。校核过程中最重要的是节点水压和管段单位水头损失的精度要求。

由于缺乏管网动态实测数据，本文将模型模拟结果与原设计的水力计算结果进行对比，衡量校核后的结果是否满足管网模型精度要求。由于管网规模较大，选取B水厂为例，图2、图3所示分别为管段单位水头损失设计值与模拟值、节点自由水压设计值与模拟值的对比图。表1、表2所列为节选的管段单位水头损失和节点压力误差情况。

图2　管段单位水头损失设计值与模拟值对比图

图3　节点自由水压设计值与模拟值对比图

管段编号模拟值设计值损失差P-2860.00190.0033-0.0014P-2870.00370.0054-0.0017P-2920.01440.00390.0105P-2970.00200.0021-0.0001P-2980.00390.00310.0008P-2990.00250.0028-0.0003P-3020.00330.00230.0010P-3030.00260.00160.0010P-3040.00380.00090.0029P-3070.00370.0041-0.0004P-3080.00290.0033-0.0004P-3090.00200.0024-0.0004

表2　节点压力误差情况(节选) 　　　　　m

经对比后发现，管段单位水头损失及压力与模型模拟值存在一定的误差。管段P-292处的单位水头损失模拟值与设计值误差最大，最大单位水头损失差达0.010 5 m。节点J-247处自由水头压力差最大，最大达6.49 m。考虑到与原设计节点高程取值的差别，管段单位水头损失和节点自由水压与原设计整体相差不大，因此，可以判定该模型基本正确，能反映原设计情况。

4结果分析

4.1正常工况下压力分布

采用相同管径的管道对3个既有水源的树状管网进行联并，受原管网节点用水量和布置形式的影响，对C水厂所属管网，联并管段几乎没有产生流量转输，对其节点水压基本没有调节作用；对A、B水厂所属管网，对节点水压的调节作用明显。联并前后供水压力分布如图4所示。联并前后水泵出口和最不利点压力数据见表3所列。

图4　联并前后供水压力分布

联并方式位置压力ABC联并前水泵出口最不利点35.0016.4941.6016.6238.4015.79联并后水泵出口最不利点36.7019.6041.0015.6838.2019.45

结果表明，联并后，A水厂高压区压力增大，B水厂高压区范围缩小，各水厂低压区范围缩小，压力稍有提高。A水厂所属管网的送水泵站出水口处的压力提高了1.7 m，最不利点自由水压为19.6 m，比联并前提高了3.11 m，其供水区域内的节点水压均稍有提高，其中与B水厂管网进行联并的区域范围内的管网节点水压提高幅度较大；B水厂所属管网的送水泵站出水口处水压下降了0.6 m，最不利点自由水压为15.68 m，比联并前下降了0.94 m，其供水区域内的节点水压稍许下降；C水厂所属管网的送水泵站出水口处水压下降了0.2 m，最不利点自由水压为19.45 m，比联并前提高了3.66 m，其供水区域内的节点水压稍许提高。总体而言，A、B和C水厂供水区域的供水压力分布比联并前更趋均衡。

4.2事故工况下压力分布

农村供水易发生供水安全事故，造成大范围长时段停水，供水保证率低，为了实现管网联并的目标，根据A、B、C水厂地理位置和供水情况，按照A或C水厂停水的最不利情况分别对B、A管网与B、C管网两两联并时进行事故工况模拟，如图5所示。

图5　事故工况下管网联并前后供水压力分布

在假设A水厂停水的情况下，最不利点水压为12.25 m，小于15 m的入村水压要求。不能满足设计水压的节点个数有15个，占A水厂管网节点总数的12%。B水厂水泵出口压力为42.32 m。在假设C水厂停水的情况下，最不利点水压为10.27 m，小于15 m的入村水压要求。不能满足设计水压的节点个数有44个，占唐集管网节点总数的29%。B水厂水泵出口压力为40.82 m。

结果表明，由图4(a)可知，联并前高压区主要分布在水厂水源周边，B和C水厂高压多为36～39 m。由图5可知，联并后高压区压力降低，A或C水厂停水时，B水厂高压区压力变为33～36 m，整体压力均稍有降低。A水厂停水时，联并后最不利点水压为12.25 m，比联并前降低了4.24 m；C水厂停水时，联并后最不利点水压为10.27m，比联并前降低了5.52 m。在A水厂停水、A和B水厂联并时，不能满足设计水压的节点个数占节点总数比例较少，此时供水保证率高，压力分布更为均衡。

5结论

(1) 正常工况下，联并后A、B水厂所属管网，对节点水压的调节作用明显，C水厂基本无调节作用。A水厂高压区压力增大，B水厂高压区范围缩小，各水厂低压区压力稍有提高。A水厂送水泵站出口压

力提高了1.7 m，B、C水厂送水泵站出口压力分别下降了0.6 m和0.2 m；A、C水厂最不利点水压分别提高了3.11 m和3.66 m，B水厂下降了0.94 m。总体而言，A、B、C水厂供水区域的供水压力分布比联并前更趋均衡。

(2) 事故工况下，联并后高压区压力降低，A或C水厂停水时，B水厂高压区压力变为33～36 m，整体压力稍有降低。A、C水厂分别停水时，不能满足设计水压的节点个数分别为15个和44个，并分别占总节点个数12%和29%，整体压力稍有降低。

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收稿日期：2016-02-22;修改日期：2016-02-25

作者简介：韩进军(1987-)，男，宁夏固原人，合肥工业大学硕士生．

中图分类号：TU991.33

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)01-0074-04