东北某市配水管网改扩建模型构建及工况分析

张　鑫,郭　鹏,赵　晴,王　伟,张　敏,于　佳,高金良

(1.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050；2.哈尔滨综合开发建设有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028；3.广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006；4.黑龙江省食品药品检验检测所，黑龙江 哈尔滨 150088；5.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)



东北某市配水管网改扩建模型构建及工况分析

张鑫1,郭鹏2,赵晴3,王伟1,张敏1,于佳4,高金良5

(1.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050；2.哈尔滨综合开发建设有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028；3.广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006；4.黑龙江省食品药品检验检测所，黑龙江 哈尔滨 150088；5.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

摘要：配水管网改扩建模型构建是对既有管线功能挖潜、再利用，是解决管网漏损率高、提高供水安全性等问题的有效措施，结合北方寒地实际情况对H市配水管网的改扩建进行合理规划，在提高整个供水系统稳定性的基础上，可节约投资，降低日常运行成本，更可缩短工程进度，提高整个供水系统应付突发事件的能力。解决供需矛盾需通过建立可靠的管网模型对配水管网改扩建进行规划。通过建立H市管网改扩建模型，分析H市管网模拟运行工况，对其管网布局进行合理的优化设计，使城市配水管网与水厂配套，满足城市供水要求，并保障供水安全性。

关键词：配水管网；规划；改扩建；数字化模型

改革开放以来，伴随着经济快速发展，大量农村人口涌向城市，城市化水平不断提高。中国出现一批大城市、特大城市，随着城市居民生活水平的提高，全社会用水量呈现爆发式增长，城市供水问题已经成为制约我国城市经济社会发展的重要因素。配水管网是整个供水系统中重要的组成部分，也是供水系统中“最后一公里”，在水源可靠、充足的情况下，配水管网就是整个供水系统的控制工程，一旦出现问题，就会影响问题区域正常的生产、生活，会带来巨大直接经济损失和不可估量的间接经济损失。配水管网建设造价占整个市政供水系统整体工程造价的60%～80%，配水管网的规划建设，不仅要考虑工程造价，还要考虑日常维护成本以及自然灾害特殊应急供水的需要[1-3]。考虑到上述因素后，在实际规划建设过程中，管网计算量大，计算复杂，仅凭经验确定管网布局、走向以及一系列参数，很难满足经济合理的基本要求，最优化更是无从谈起。但是随着人民生活水平的提高，人民群众生产生活日益增长对供水的多样化需求与落后的配水管网体系的矛盾成为供水问题的主要矛盾。解决这一矛盾必须建立一个可靠的模型，对配水管网改扩建进行规划，通过小城市应用实例对模型进行参数校正，将合理可靠的模型逐步推广到中等城市、大城市、特大城市中[4-5]。

1城市配水管网拓扑结构建立

作为模拟城市配水管网仿真运行模拟计算的必要基础，配水管网系统拓扑结构模型建立是一项至关重要的工作[6-7]。

对H市配水管网基础数据的收集，最终利用AUTOCAD绘图软件将管道的管径、管长及路由等重要基础数据落实在H市总体规划图上。在模型建立过程中，不仅要求基础资料全，更重要的是在满足计算精度的前提下对基础资料的筛除，这样就需要对管线进行分支管与支管的合并、双管并行敷设时以同等过流量的单一管道替代等非常重要技术处理，以便于后期模型计算[8-9]。

对初步建立起的H市配水管网拓扑结构图相应进行了简化，最终形成管段154条，节点94个。H市供水管网改扩建规划拓扑结构如图1所示。

图1　H市供水管网改扩建规划拓扑结构

2节点流量的确定

在水量分配上，用水量大于300 t/d的用水大户作为集中流量直接分配在所承担的节点上，从最高日、最大时的用水量中减掉集中流量，所剩的居民、机关、商业用水和用水量小于300 t/d的工厂用水量按长度比流量向所承担的配水管段的管长进行水量分配，由此得出该配水管网节点流量[10-12]。

3管道阻力系数(C值)的确定

根据管道运行工况情况实际测定，并综合其他城市对不同年代的配水管道的测试结果，现暂定给水水管道C值，按表1取值。

表1　管道阻力系数(C)取值

4H市改扩建配水管网工况分析

H市配水管网改扩建模型建立之后，可以进行模拟配水管网实际运行工况，通过管网平差等水力计算方法，得到管网中水流方向、管段流速、管段水头损失、管段运行负荷、管网各处压力分布、总水头分布等重要的管网运行控制因子的详细信息。掌握了这些管网运行控制因子的详细信息后，就可准确地分析出管网运行中问题存在的原因，指导下一步解决方法[13-15]。

4.1地面高程

H市地面高程如图2所示。

图2　地面高程

4.2供水高峰时自由水头分布状况

H市供水系统供水高峰时自由水头分布状况如图3所示。

图3　供水高峰时全市自由水头分布

4.3供水高峰时绝对水头分布状况

H市供水系统供水高峰时绝对分布状况如图4所示。

图4　供水高峰时全市绝对水头分布

4.4供水高峰时流量分布状况

H市供水系统供水高峰时流量分布状况如图5所示。

图5　供水高峰时全市流量分布

4.5供水高峰时管道流速

H市供水系统供水高峰时管道流速如图6所示。

图6　供水高峰时全市管网运行流速

由图3～图6可知，管网自由水头分布合理，供水高峰时流量能够满足城市供水要求，管道基本在其经济流速区间之内，属于合理经济负荷运行状态。

5结束语

通过对H市配水管网系统固有特性的探讨和研究，详细地介绍给水管网建模理论知识以及其在实际工程的应用。通过对H市改扩建配水管网的建模，利用模型对H市配水管网进行模拟运行。结合城市总体规划，为利用模型进行技术以及经济最优化的设计提供基础，使城市配水管网与水厂配套，满足城市供水要求，同时保障供水安全性。

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[责任编辑：郝丽英]

Modelling and engineering analysis of planning and rehabilitation of urban water supply network in Northeast of China

ZHANG Xin1,GUO Peng2,ZHAO Qing3,WANG Wei1,ZHANG Min1,YU Jia4,GAO Jinliang5

(1.Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China; 2.Harbin General Development and Construction Co.,Ltd,Harbin 150028,China; 3.School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China;4.Heilongjiang Institute for Food and Drug Control,Harbin 150088,China;5.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

Abstract：The water distribution network rebuilding and extending modeling is an effective measure to exploit the potentialities of pipelines and reuse them,in order to decrease the high leakage rate and improve the safety of water supply.To enhance the stability of the entire water supply system,a reasonable planning of water distribution in H City,according to the practical situations in the cold region in North China,can save investment,reduce operating costs,shorten the construction schedule and strengthen the abilities toward emergencies.It's necessary to plan the water distribution system with a reliable model to solve contradictions between supply and demand.Simulating operating conditions are analyzed in this paper by building a model of pipelines network in H City to optimize the layout,make the pipe network match the water plant,satisfy the demand and guarantee the safety of water supply.

Key words：water supply network; planning; rebuilding and extending; digital analysis model

DOI:10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.03.005

收稿日期：2016-04-05

基金项目：黑龙江省教育厅资助项目(12531545)

作者简介：张鑫(1983-)，男，讲师，研究方向：城市配水管网建模及最优化理论.

中图分类号：TU94

文献标识码：A

文章编号：1671-4679(2016)03-0019-04