特大型山地城市区域供水互联互通设计研究

黄 军，钟祖良，熊一丹，唐上丁

（1.重庆市观景口水利开发有限公司，401336，重庆；2.重庆大学土木工程学院，400045，重庆；3.库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心（重庆），400045，重庆）

一、山地城市供水特点

1.水资源来源较单一

山地城市多依水而建，水资源来源主要依赖城市区域地表径流，但山地河流水位受季节影响较大，主干河流丰水期和枯水期供水能力差别明显。以长江为例，其洪水位与枯水位相差最高可达20 m，部分次级河流枯水期甚至没有供水能力，加之城市内部储水能力差，供水保障率低。

2.地势低的区域管网压力大、泵站能耗高

山地城市地形起伏大、地势落差大，区域内地形高低悬殊，布设供水管网时常需设置多级加压泵站及调节构筑物，消耗大量能耗，甚至造成爆管现象。以重庆市涪陵区为例，该区地势高的区域与地势低的区域相差超过300 m，管网铺设时设置了五级加压泵站才能将区域地势低的水送至区域地势高的管网。

3.供水区域不集中

城市居民区依地形建设，市区发展分散，因此很难采取集中供水，管网也很难成环状布置，导致管网铺设范围广、延伸长度远，重庆市部分供水管网长度可达18 km。

从城市发展规划角度看，山地城市一般采用分区供水，形成多区域、多中心的整体结构。旧城区旧管网，新城区新管网，当部分老城区供水能力跟不上发展水平时，部分具有富余供水能力的城区却因彼此独立，连通较少，使得城区间管网调节困难，造成城市区域缺水问题。

4.管线穿越地形复杂

山地城市人口主要集中在低海拔丘陵区域，而水源主要集中在距离城市较远的河流区，中间山峰林立，地形多变，供水管网难以铺设与连通。山地城市的供水管网常设置在街道路面之下，由于城市道路交通多依山而建，受地形约束很大，山地城市输水管道建设受道路路线限制，长度非常长，并且曲折多弯道，必要时需穿越山地河流等特殊地形，增加了管线施工和维护难度。

5.蓄水量大，有水质污染风险

山地城市因水资源来源主要依赖地表径流，为了提升城市供水稳定性，常采用修建水库来储备水资源。以重庆市为例，2018年在役水库共242座，蓄水总量达120.2亿m3。 水库中储存的大量水资源需加强管理，避免遭受污染影响水质。

二、水资源规划

1.重庆市水资源概况

（1）地表水

本文利用共振柱系统分别在围压50 kPa，100 kPa，200 kPa，300 kPa下研究软黏土剪切模量G随时间的变化。试验所用土样为东南沿海典型的淤泥质软黏土，基本物理参数如下：密度ρ为1.7 g/cm3～1.8 g/cm3，含水率为42%～50%，比重Gs为2.71，液限ωL=57%，塑限ωp=26%，黏粒含量为54.6%，细粒含量为92.4%。试验中围压施加后每个试样的试验持续时间为7 d，在这期间每隔一定的时间测量一次土样的共振频率，然后计算得到土体的剪切模量G。

重庆市河流纵横，主要有长江、嘉陵江、乌江、涪江等大小河流，构成不对称的网状水系。根据2018年《重庆市水资源公报》，重庆市将所有水资源按照流域划分为六大水资源二级区：岷、沱江，嘉陵江，乌江，宜宾至宜昌（长江水系），洞庭湖水系，汉江。在2018年流域分布上，嘉陵江地表水资源量约46亿m3，岷、沱江约12亿m3，乌江约140亿m3，宜宾至宜昌（长江水系）约270亿m3，洞庭湖水系约50亿m3，汉江约25亿m3。

（2）地下水

2018年重庆全市地下水资源量103.954亿m3，其中嘉陵江、乌江、宜宾至宜昌等长江干流区流域地下水资源丰富，西部地区地下水水量较少。

（3）降水量

2018年全市平均降水量1 134.8 mm，折合降水量935.068亿m3。洞庭湖水系降水量最大，约1388.8mm；降水量最小为岷、沱江，约1004.2mm；其他水系降水量在1 014.4～1 328.1 mm之间。

2.重庆市水资源总量

2018年重庆市水资源总量为524.24亿m3。

三、区域水量供需平衡计算

2018年重庆市总需水量、各行政区需水量及各行政区水资源供需平衡判断见表1。

表1 2018年重庆市各行政区水资源供需平衡判断（亿m3）

从整体来看，2018年重庆市可利用水资源总量完全能够支撑起城市发展需求。但从区域来看，重庆主城渝中区、大渡口区、江北区、沙坪坝区、九龙坡区和南岸区可利用水资源无法满足区域用水需求，造成重庆市局部区域资源型缺水问题。

基于以上认识，需加强重庆市水源统筹规划，促进渝中区等6个水源缺乏区域与周围水源富余区域之间的互连互通，建立符合重庆市实际需求的水资源分配体系，保证区域供水能力与经济发展相协调。

四、供水管网互联互通

1.供需差额

供需平衡判断后，即可计算区域供需差额，即区域需水量与区域可利用水资源量两者之差。供需差额代表着缺水区域目前的需水缺口，是进行区域之间互联互通规划的依据，也是进行互联互通规划的目的，计算出供需差额，才能进行下一步区域供水管网互联互通规划设计。2018年重庆市缺水区域供需差额见表2。

表2 2018年重庆市各行政区水资源供需差额（亿m3）

2.区域管网互联互通

（1）供水管网规划原则

计算出供需差额后，要进行互联互通设计还需确定区域之间的管网分布，根据区域之间的地形以及城市管网规划方案进行。

《城市水系规划规范》中关于给水管网的规划提出了以下要求：一是管网布置应采用环状管网布置方式，以确保供水安全可靠；二是干管位置应尽可能布置在两侧均有较大用户的道路上；三是规划供水应达到100%普及率，管线应覆盖整个规划区域，并保证用户的用水需求；四是从降低管网造价与供水能量、费用角度考虑，应尽量以最短距离铺设管线；五是给水管网布置时应从发展的角度出发，考虑一定弹性系数，满足输水需求。同时，结合重庆市山地城市的特点，供水方式应选择分区供水，当区域呈狭长方式发展时，适合采用并联分区供水；当区域沿等高线垂直方向发展时，适合采用串联分区供水。山地城市区域管网分布应避免高差过大，以免管内输送水压超过水管承受压力而产生漏水和爆管现象，同时管网分布应尽量集中，方便维修与管理。

（2）互联互通与水资源再分配

确定供水方式和管网分布后，通过管网水力计算即可进行区域间水资源互连互通，实现水资源再分配。

管网流量计算：将水资源供需差额量平均到每日每时，分配到新建管网各管段，确定新建管网管段管径；再将最高用水时管网用水量减去每时供需差额，并分配到管网旧管段，以此作为新旧管网初始流量分配。

管网水力平差：水力平差计算方法根据未知量的不同分为流量法和水压法，流量法中的典型方法是哈代—克罗斯法,水压法中的典型方法是牛顿迭代法。在进行平差计算时，因是多水源供给管网计算，根据各个供水点规模比例将管网平差计算流量差额分配到各个供水点，再结合供水点与需水点之间高差及中间泵送站，确定各节点水压，对区域供水管网进行多次流量与水压平差计算，最终确定供水管网中各节点流量水压及管网管径。

（3）紧急情况互连互通

城市发生特殊突发情况可能会导致水资源的紧急短缺，例如当发生少见大面积火灾而消防储备水资源不够需要大量征用其他用水，或者水资源来源被大范围污染而短时间不具有供水能力等，以上突发事件会影响用水需求和供水稳定。针对这类紧急用水问题，可采用实时监测和通信调配技术，建立城市供水调度运行系统，实现各部门的信息交互，通过管网互联互通高效解决紧急问题，保障供水系统安全运行。

五、结 语

山地城市地形特殊，多采用分区供水，水资源分布不均匀，区域协调能力弱。通过对重庆市现有水资源分布和需水量的分析，虽然水资源整体能够支撑起城市发展需求，但渝北区等区域已经形成了局部缺水，加强区域互联互通可以缓解缺水问题，提升供水系统保障率。结合供水方式和管网规划，通过需水缺口和管网的水力计算，可确定供水管网内各节点水量和水压。针对城市突发情况导致的水资源短缺问题，提出可使用监测和通信技术实现信息交互，通过管网互联互通提升水资源合理调配能力，高效应对紧急情况，为特大山地城市供水安全提供保障。