珠海市供水管网模型的建模与应用

曾娇娇，朱玉玺，李佳佩

(珠海市规划设计研究院，广东珠海 519002)

供水系统水力模型在城市规划设计中应用较广泛，尤其在多水厂联合供水的分析评估中具有较大的优势。现有供水管网模型多着重探讨水力模型在系统问题排查、管网改造及供水调度方面的应用，对水厂新建后的影响分析较少涉及[1-2]。珠海市目前为多水厂联合供水，现有水厂布局及规模无法负荷近年水量的增长，受用地限制及城市发展布局影响，需新建一座梅溪水厂。本文通过搭建珠海市多水厂联合供水系统水力模型，分析新建水厂及其配套管网是否满足城市近期用水需求，为各水厂规模及出厂水压平衡、新建管道规模等提供科学论证[3-5]。

1 区域概况

珠海市净化水给水系统大致可以分为中部城区系统和西部地区系统，相对独立但不乏联系，已建成规模运行水厂共9座，形成112万m3/d的供水总规模，2018年最高日用水量已达127.2万m3/d。中部城区系统由唐家水厂、香洲水厂、南区水厂及拱北水厂供水，供水能力合计60万m3/d，各水厂分别负责各自供水区域内的供水，亦可通过给水管网的联通相互调配。西部地区现有西区水厂、乾务水厂和龙井水厂3座主力水厂，负责区域性给水；莲溪水厂、三灶水厂2座非主力水厂仅负责小范围内的给水，西部现状供水能力合计52 m3/d。

全市现有大于DN200的净化水管道共计1 289.22 km，其中东部城区为530.59 km，西部地区为758.63 km；现有5座中途加压泵站运行，均位于西部地区；共有3座高位水池，有效容积总计4 000 m3，全市现状厂站设施规模及分布如表1及图1所示。

图1 珠海市现状厂站设施分布图Fig.1 Distribution of WTPs in Zhuhai

表1 现状厂站设施规模Tab.1 Capacity of Existing WTP, Pumping Station and Elevated Reservoir

2 模型构建

供水管网是一类大规模且复杂多变的网络系统，本次采用MIKE URBAN WD对珠海市现状供水管网(≥DN200)进行模型构建，将系统简化和抽象为管段和节点两类元素，并赋予工程属性，以便用水力学、图论和数学分析理论等进行表达和分析计算。

2.1 管道阻力系数初设

管道内壁的粗糙度对流体的传输能力有很大的影响，不同管材、服务年限、传输介质管道的粗糙度是不同的。就供水管网而言，管道粗糙度的增加会使管道阻力增大，通水能力下降，影响用户服务水头。本次对管网沿程水头损失系数采用海曾-威廉公式，建模初设的管道粗糙系数采用MIKE URBAN模型手册推荐粗糙系数Cw的经验取值。如表2所示，珠海市现状管材多为铸铁管，本次模型构建主要结合现状管网的管材及管龄进行选取，管龄较大的管段Cw一般初设为100，管龄较小的管段Cw一般初设为110～120。

表2 MIKE URBAN模型手册推荐的海曾-威廉粗糙系数CwTab.2 Cw of Hazen-William Roughness Factor Recommended by MIKE URBEN Model Manual

2.2 基础资料收集及整理

利用MIKE URBAN WD进行供水管网建模需用到的管网基础数据资料较多，根据来源可以分为管网属性数据、运行监测数据、实测数据和派生数据，按照管网各组成要素可分为节点、管道、阀门、水池、水塔及水泵等。各部分资料的获取可以有多种方式，在建模工作中可以根据实际情况选取快速有效的方式。一般情况下，供水管网建模所应获取的基础数据资料的种类、内容及来源如表3所示。

本次模型构建获取了全市供水管网普查数据库，2017年抄表数据、SCADA实测流量、压力数据、供水泵房机组统计等相关资料。依据2017年抄表数据，全市共有用水户69.89万户，扣除6个月无用水的户数、月均用水量少于1 t的用水户(漏水、长时间无人居住的情况)，剩余有效用水户53.66万户，通过地图API调用得到各用水户的经纬度数据，用于模型水量挂靠。全市有效用水户空间分布及2017年最高日SCADA实测流量、压力数据如图2所示。

表3 供水管网模型基础资料及来源Tab.3 Basic Data and Sources of Water Supply Network Model

图2 抄表数据分布及实测流量、压力过程图Fig.2 Procedure Chart of Meter Reading Data Distribution and Flow/Pressure

经概化，全市给水系统模型主要包括水厂9座、给水管道1 289.2 km，中途加压泵站5座，覆盖建成区面积为294.11 km2，供水系统模型概化成果如图3所示。

图3 珠海市给水管网模型概化及抄表数据挂靠图Fig.3 Water Supply Network Model Generalization and Data Chart of Meter Reading in Zhuhai

2.3 节点流量分配

节点流量分配是供水管网建模工作中的一项重要内容，直接关系到管网水力模型的准确性及其后续的应用效果。常用的分配方法是比流量法，适用于管网密集、用户和用水量分布平均的供水管网，对于管网疏密分布不均、用水量情况复杂的区域则不适用，会产生较大的误差。为了准确进行节点流量分配，本次主要采取营抄数据节点流量挂靠的方法进行节点流量的分配，主要将用水点的位置和水量信息批量导入模型，定义各用水点与最近节点进行匹配，将用水点挂靠到最近的节点上。本次对每户抄表数据进行全年平均计算得到平均日用水量，针对不同水厂服务范围内的抄表数据，采用平均日水量乘以最高日系数再乘以最高时系数的方式得到高日高时用水户用水量数据，对漏失水量和未计量水量采用比流量法进行分配，珠海市各水厂日变化系数幅度为1.10～1.55，时变化系数变化幅度为1.17～1.71。

2.4 模型率定

初步建立的供水管网水力模型一般很难符合实际运行工况，需对其不断修正以逐步接近实际运行工况，达到允许的误差精度，该过程称为供水管网模型校核。管网模型校核，实际上是对供水管网的参数估计(不随时间改变的量，如管道摩阻系数Cw等)和状态估计(随时间改变的量，如节点流量值、水厂供水量及水压等)不断修正的过程。

珠海市供水管网模型构建主要用于指导管网规划，因此，仅建立了静态水力模型。本次选择哈尔滨工业大学提出的管网模型校核标准进行模型率定[6-7]，模型构建过程中水量分配已同步与分区高日高时供水量进行了匹配修正，在模型率定中主要通过修正水泵特性曲线、部分节点标高、部分管道糙率系数Cw来提高模型精度。

模型率定中共选取了44个有效测压点进行模型校验，校验后约5%的测压点的模拟压力与实测压力存在较大差值，经补充调研，这些点均是由于做了降压处理，实测压力比模拟压力低得多；约10%的测压点的模拟压力与实测压力差值为0.02～0.025 MPa；约85%的测压点的模拟压力与实测压力相当，差值均在0.02 MPa以内，经率定后的模型基本可以满足下一步的分析评估。实测压力分布如图4所示，模拟压力与实测压力差值如图5所示。

图4 实测压力分布Fig.4 Measured Pressure Profile

图5 模拟压力与实测压力差值Fig.5 Differences between Simulated Pressure and Measured Pressure

3 模型评估及应用

3.1 模型评估工况

珠海市现状香洲水厂、拱北水厂及南区水厂超产严重，依据《珠海市给水工程系统规划(2006—2020)修编》，为解决香洲城区的供水需求和上冲等区域水量水压不足的问题，拟新建一座梅溪水厂，规划规模为30万m3/d，梅溪水厂的建设投产能可极大缓解主城区用水需求。考虑到梅溪水厂及其配套管网的建设会对主城区现状供水系统格局造成较大变化，必须对主城区给水系统在现状工况下进行核算。本次主要采用全市现状供水系统模型对梅溪水厂及其配套管网新建进行模型评估，主要评估梅溪水厂及其配套供水干管建成后在不同工况下香洲区供水压力分布、管网水损情况。

3.2 评估标准

依据《珠海市城市规划技术标准与准则》(2017版)，城市配水管网的供水水压宜满足用户接管点处服务水头0.28 MPa的要求，供水管网干线压力不应低于0.14 MPa。局部地势较高的地区和高层建筑水压不能满足要求时，应设计局部加压系统。本次结合区域规划要求，评估标准如下：给水干管(DN≥600)节点自由水头≥32 m；局部以低层为主的地区或地势高差较大地区应根据实际情况确定管网的服务水压，一般保证节点压力≥28 m，特殊地区≥16 m，供水管网干线压力不低于0.14 MPa。

3.3 运行工况计算

3.3.1 最高日最高时工况管网校核计算

(1)梅溪、拱北及香洲水厂联合供水

根据管网模型模拟结果，梅溪水厂建成运行后，将极大缓解香洲城区用水压力，新香洲片区自由水头会有较大程度的提升，多数节点的自由水头在0.28 MPa以上，梅溪水厂建设前后压力分布如图6、图7所示。部分地势较高或位于管网末端的节点自由水头较低，相关参数如表4所示。

图6 最高时工况节点压力分布图(新建梅溪水厂前)Fig.6 Pressure Distribution Diagram of Nodes under the Highest Working Condition (before the Construction of Meixi WTP)

图7 最高时工况节点压力分布图(新建梅溪水厂后)Fig.7 Pressure Distribution Diagram of Nodes under the Highest Working Condition (after the Construction of Meixi WTP)

对香洲城区管网的千米水损进行分析，现状千米水损较大的管段主要集中在拱北水厂附近，原因是拱北水厂及周边给水管网建设年代较早，管道规模偏小。较大千米水损管段参数如表5所示。

(2)梅溪及香洲水厂联合供水，拱北水厂工艺改造

梅溪水厂建成运行后，拱北水厂有条件进行工艺提升改造，在最高日最高时工况对仅有梅溪水厂及香洲水厂的工况进行模拟，压力分布如图8所示。模型分析得出，拱北水厂全厂同时改造时，吉大片压力普遍偏低，无法保证区域水量水压需求，必须进行分期改造，经进一步分析，建议拱北水厂进行半改造半正常供水。

表4 最高时工况最不利节点统计(新建梅溪水厂后)Tab.4 Statistics of the Most Unfavorable Nodes in the Highest Working Condition (after the Construction of Meixi WTP)

表5 现状给水管网水头损失较大管段统计Tab.5 Statistics of Larger Head Loss of Existing Water Supply Network

图8 最高时工况节点压力分布图(拱北水厂同期全改造)Fig.8 Distribution Diagram of Nodes Pressure in the Highest Working Condition (during Reconstruction of Gongbei WTP)

3.3.2 事故工况管网校核计算

根据国家相关规范要求进行主要输水管道发生事故校核验算：梅溪水厂有2根DN1800的规划出厂管，出厂后至金凤路后分为3根主干管，分别为向北的DN1000管和向南的DN1000管、DN1800管。本次对金凤路向南的DN1000管进行事故工况管网模拟校核，事故流量按正常流量的70%计算。

校核得到各水厂供水规模均为正常规划的70%，金凤路向南的剩余1根DN1000主干管流速为1.66 m/s，千米水损为2.88 m，主城区内自由水头大多高于32 m，地势稍高的自由水头大多大于25 m，局部地势较高的区域节点(地势>23.0 m)自由水头在16～19 m，基本满足主城区水量水压需求。梅溪水厂出厂管事故工况管网平差校核如图9所示。

图9 梅溪水厂出厂管事故工况管网平差校核图Fig.9 Verification and Calibration of Finished Water Supply Main Pipes under Accident Conditions in Meixi WTP

3.3.3 消防工况管网校核计算

根据2017年人口统计情况，香洲区常住人口为88.06万，根据《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974—2014)，当规划人口大于70万时，同一时间内的火灾起数取3次，单次火灾用水量为100 L/s。将火灾发生处布置在管网最不利点，分别分布于建业四路与石花西路交叉口处，健民路与梅界路交叉口及海韵城处，具体起火点分布如图10所示。对消防工况进行管网校核验算，计算结果显示：海韵城自由水头低于10 m，不满足消防验算要求，主要原因是现状过野狸岛给水管管径仅为DN200，过流能力不足；建业四路与石花西路交叉口处起火后自由水头为15.5 m，健民路与梅界路交叉口起火后自由水头为19.3 m，可满足城市消防的要求。消防工况管网平差校验如图10所示。

图10 消防工况管网平差校验图Fig.10 Verification and Calibration under Fire Fighting Accident Conditions in Meixi WTP

经上述评估分析得出：规划梅溪水厂的选址、规模及出厂水压基本合理，能满足近期最高日最高时、事故及消防工况下主城区水量水压的需求。结合评估情况提出以下建议：(1)平差分析显示吉大片区部分区域自由水头较小(16～23 m)，建议针对该片区进行集中二次加压或建设高位水池；(2)梅溪水厂建成投产后可启动拱北水厂工艺改造，但不能同时对拱北水厂全套系统进行改造，建议进行半改造半运行，以保证吉大片区的水量水压需求；(3)本次平差有部分特殊节点自由水头低于16 m，建议各特殊节点通过二次加压解决局部自由水头不足的问题。

4 结论

(1)对于多厂联合供水的城市，通过建立水力模型对各种运行工况进行分析评估，可为不同的方案提供更直观的理论依据，对供水系统规划设计的科学决策有重要的辅助作用。

(2)供水管网水力模型的准确度和精度与供水公司的基础数据紧密相关[8]，其中水量分配及管网糙率系数会对模型模拟结果产生较大影响。对于现状供水系统的水量分配，建议收集自来水公司的营业收费系统进行水量挂靠，对于漏失水量和未计量水量采用比流量法进行分配；模型构建完成后一定要采用SCADA系统的实测流量、压力数据对模型进行率定后，才能应用于后续的规划设计分析。

(3)供水系统模型在进行规划设计评估时，需保证各节点的工作压力不低于0.14 MPa，在进行消防工况验算时，需保证各节点工作压力不低于0.1 MPa。