寧波市供水主干管環(huán)網(wǎng)規(guī)劃與水力模型校核

寧波市供水主干管環(huán)網(wǎng)規(guī)劃與水力模型校核

摘要：文中作者從實際工程經(jīng)驗和理論出發(fā)，提出了寧波市供水主干管環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的布置形式，編寫了計算機程序進行供水主干管環(huán)網(wǎng)口徑優(yōu)化計算，應(yīng)用WaterSimforGIS管網(wǎng)建模軟件建立了寧波市給水管網(wǎng)2003年高日高時水力模型，并進行了近期和遠期管網(wǎng)水力模型多工況校核，計算結(jié)果表明寧波城市供水主干管環(huán)網(wǎng)布置滿足近期和遠期的供水要求，是合適的。

關(guān)鍵字：寧波市供水主干管環(huán)網(wǎng)規(guī)劃水力模型校核0引言給水管網(wǎng)是城市供水的重要基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)投資占給水工程建設(shè)總投資的65％左右，對供水系統(tǒng)的運行和管理影響較大，受到給水工程建設(shè)和運營管理部門的高度重視。寧波城市供水經(jīng)歷了七十多年的不斷發(fā)展，市區(qū)現(xiàn)有日供水能力達82萬噸，DN100mm以上供水管道1057km。2003年最高日供水量達86.1萬噸，近五年來平均日供水量年平均凈增9.42%，而且增長的趨勢在逐年加大。預(yù)測寧波市自來水總公司2010年總需水量為170萬噸/日，2020年總需水量為200萬噸/日[1]，如何將這么大的需水量安全的、經(jīng)濟的、高效的轉(zhuǎn)輸和配送到用戶，提高供水管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行可靠性是一個需要進行深入研究的課題。本文提出的給水管網(wǎng)主干管環(huán)網(wǎng)規(guī)劃和水力模型校核方法[2]，利用計算機軟件加以實現(xiàn)，在寧波市供水環(huán)網(wǎng)主干管環(huán)網(wǎng)工程規(guī)劃(170萬噸/日)加以驗證。結(jié)果表明這一方法具有較高的實用價值。1供水管網(wǎng)主干管布置形式本供水工程規(guī)劃范圍涉及寧波市海曙區(qū)、江東區(qū)、江北區(qū)、北侖區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)和鄞州區(qū)，寧波市自來水總公司現(xiàn)有的供水區(qū)域主要是除鄞州區(qū)之外的其它區(qū)的建成區(qū)，現(xiàn)狀管網(wǎng)主要集中在中心城區(qū)(三江片)，現(xiàn)有主要的四座水廠中的三座位于中心城區(qū)，分別是南郊水廠、江東水廠和梅林水廠，另外一座是北侖水廠，距中心城區(qū)較遠，相對獨立。見圖1。根據(jù)水源和現(xiàn)狀條件，規(guī)劃的三座水廠分別位于中心城區(qū)的外圍，距中心城區(qū)較遠，能力各為50萬噸/日，其中二座水廠采用重力流供水。中心城區(qū)原供水能力65萬噸/日，遠期僅保留江東水廠，供水能力降到20萬噸/日。由于現(xiàn)狀中心城區(qū)大規(guī)模的管網(wǎng)改擴建工程實施較困難，中心城區(qū)地形較平坦，水廠又位于中心城區(qū)外圍，宜在城外建供水管網(wǎng)主干管環(huán)網(wǎng)，分別向環(huán)內(nèi)中心城區(qū)和環(huán)外其它供水區(qū)域輸配水量。經(jīng)過實地勘查、多方案經(jīng)濟比較和論證，采用如圖1所示布置方式。圖1：供水主干管環(huán)網(wǎng)總體布置圖寧波城市供水采用城市供水主干管環(huán)網(wǎng)的解決方案，有以下優(yōu)點：(1)主干管環(huán)網(wǎng)上任意一點的水可來自兩個方向，工程維修、事故斷水時，不影響供水系統(tǒng)正常供水，供水的安全可靠性高；(2)采用主干管環(huán)網(wǎng)供水可避免在城市供水規(guī)模和供水重心發(fā)生變化的情況下，出現(xiàn)的對現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)進行大范圍改造，適用范圍更廣；(3)主干管環(huán)網(wǎng)建設(shè)在城市中心城區(qū)外圍，排管施工、管線維護、改擴建工程等較中心城區(qū)方便、經(jīng)濟；(4)更有利于供水系統(tǒng)的運行調(diào)度和管理。2供水主干管環(huán)網(wǎng)優(yōu)化計算2.1資料準備1)出流點位置的確定供水主干管環(huán)網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)狀中心城區(qū)大口徑管道和供水主干管環(huán)網(wǎng)均相交，選定為供水主干管環(huán)網(wǎng)向現(xiàn)狀中心城輸配水點。如圖2中節(jié)點5和中心城區(qū)DN1000和DN600管道在聯(lián)豐路接通，節(jié)點17和中心城區(qū)DN600管道在望春路接通，節(jié)點16和中心城區(qū)DN1000和DN500管道在新星路接通，節(jié)點14和中心城區(qū)DN800管道在慈甬公路接通，節(jié)點12和中心城區(qū)DN600和DN800管道在甬鎮(zhèn)公路接通，節(jié)點11和中心城區(qū)DN1000、DN600和DN500管道在江南公路接通，節(jié)點10和中心城區(qū)DN1200、DN1000、DN900和DN500管道在通途路接通，原南郊水廠DN1600原水管改為清水管，與節(jié)點7接通，南郊水廠停用。供水主干管環(huán)網(wǎng)向環(huán)外出流點位置的確定是結(jié)合環(huán)外區(qū)域規(guī)劃進行，分別位于節(jié)點3、4、16、17、15、14、13、12、11、10、21、22和節(jié)點18。圖2：供水主干環(huán)網(wǎng)節(jié)點示意圖2)輸配水量的確定據(jù)文獻[1]預(yù)測寧波城市2010年及2020年需水量確定出流水量大小，見表1。2010年供水環(huán)網(wǎng)供水量合計100萬噸/d，分別來自毛家坪水廠(節(jié)點1)和東錢湖水廠(節(jié)點20)，環(huán)網(wǎng)內(nèi)的南郊水廠供水15萬噸/日和江東水廠供水25萬噸/日，總計140萬噸/日；2020年供水環(huán)網(wǎng)供水量合計150萬噸/日，毛家坪水廠、東錢湖水廠及北渡水廠(節(jié)點19)各50萬噸/日，環(huán)網(wǎng)內(nèi)的南郊水廠停役，江東水廠供水20萬噸/日，合計170萬噸/日。表1：2010年、2020年預(yù)測用水量及分布

年份地域2010年(萬)2020年(萬)中心城區(qū)6060.5北部地區(qū)913.5鎮(zhèn)海區(qū)710江北轉(zhuǎn)輸44北侖轉(zhuǎn)輸05東部地區(qū)12.521東錢湖地區(qū)及邱隘鎮(zhèn)17.517.5西部地區(qū)2020鄞西、東地區(qū)1018.5合計1401702.2主干管環(huán)網(wǎng)優(yōu)化計算數(shù)學模型[6]1)目標函數(shù)MinW==----------------------①2)約束條件

H-H=-,i=1,2,……,M-----------------------②

,

j=1,2,……,N------------------------③

H≤H≤H

,

j=1,2,……,N

-------------------------④

≥0,

i=1,2,……,M

----------------------⑤式中：--第i管段直徑，m;a,b,α--管道單位長度造價公式統(tǒng)計參數(shù)；T--管網(wǎng)建設(shè)投資償還期，a;P--管網(wǎng)年折舊和大修費率，P%,一般取P=2.5～3.0左右；--第i管段長度，m；H,H--管段i的起點和終點壓力值，m；--分別為泵站經(jīng)濟指標，元/()、管段流量()和泵站最大時揚程，m；N,M--節(jié)點總數(shù)和管段總數(shù)。上述優(yōu)化問題的求解屬于流量已分配條件下環(huán)狀管網(wǎng)優(yōu)化計算課題，采用莫希寧(Л.Φ.Μοшнин)提出了虛流量法進行求解計算[7]。2.3、優(yōu)化計算與分析計算條件：利用寧波城市近年來供水管線綜合造價指標計算得造價公式C=300+2716*，電價為0.6元/Kwh，項目計算期為20年；投資收益率取5%；水泵效率取80%。管道局部阻力取沿程阻力的10％，鋼管，粗糙系數(shù)n取0.013(曼寧公式)。主干管環(huán)網(wǎng)上壓力最低控制值為高程壓力30m。供水主干管環(huán)網(wǎng)優(yōu)化計算以170萬噸/日作為計算水量，并進行140萬噸/日工況校核。取最高日時變化系數(shù)=1.2。經(jīng)優(yōu)化計算后，得到一組非標準口徑優(yōu)化計算結(jié)果，經(jīng)管徑取整，得到多個被選方案，經(jīng)主干管環(huán)網(wǎng)模擬計算，確定滿足要求的四個被選的比較方案，如表2。表2：被選方案管線長度(Km)方案1管徑(m)方案2管徑(m)方案3管徑(m)方案4管徑(m)管線L1-2=7.982.02.02.02.0L2-3=3.922.02.02.02.0L3-5=7.31.81.81.81.8L2-4=3.322.02.02.02.0L4-6=6.42.02.02.02.0L20-23=5.62.02.02.02.0L8-23=4.71.81.81.81.8L22-23=2.362.02.02.02.0L21-22=4.821.81.81.81.8L9-21=1.991.51.51.51.5L6-7=1.51.81.81.81.8L5-6=5.52.02.02.02.0L5-17=1.442.22.42.02.2L16-17=1.532.02.22.02.0L15-16=2.032.02.02.01.8L14-15=4.32.01.82.01.8L13-14=5.31.81.81.81.8L12-13=3.651.81.81.81.8L11-12=2.021.81.81.82.0L10-11=1.31.82.01.82.0L9-10=3.432.02.02.22.2L8-9=6.952.02.02.02.0L8-18=4.151.81.81.81.8L7-18=3.61.81.81.81.8毛家坪水廠清水池水位高程(m)47.547.547.547.5東錢湖水廠清水池水位高程(m)45.2344.9744.6444.19北渡水廠與環(huán)網(wǎng)接管點壓力(m)39.7339.6539.5539.44主干管環(huán)網(wǎng)上壓力最低點值(m)30.0330.0430.1330.01管道造價(元)AA-1308912A+1441357A-1389520表2表明：四種被選方案都滿足主干管環(huán)網(wǎng)最低控制壓力要求，方案4較方案1、方案2、方案3經(jīng)濟，方案4的管道口徑更合理。初步選定方案4的水廠出廠清水管、主干管環(huán)網(wǎng)管道口徑為優(yōu)化計算結(jié)果。3建立現(xiàn)狀管網(wǎng)水力模型選用上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司管網(wǎng)建模軟件(WaterSimForGIS)建立寧波市給水管網(wǎng)2003年最高日最高時管網(wǎng)水力模型，用于規(guī)劃的2010年及2020年寧波市供水主干管環(huán)網(wǎng)多工況校核。供水管網(wǎng)模型中計算機圖形[3][5]的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)資料主要來自寧波市供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，建立起來的供水管線口徑大于或等于DN500的供水管網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)計算機圖形見圖3。節(jié)點流量的計算[3][4]：節(jié)點流量計算的基礎(chǔ)資料主要來自寧波市自來水營業(yè)收費系統(tǒng)2003年的用水量數(shù)據(jù)。首先定義每月平均用水量超過1000噸的用戶為大用戶，共有217戶，在管網(wǎng)模型中單獨作為一個用水量節(jié)點，大用戶用水量約占系統(tǒng)總用水量的18.80％；除大用戶外的其它自來水用戶共91218戶或748本抄表簿，分別在地形圖上表明其具體的供水區(qū)域，建立管網(wǎng)模型中用水量節(jié)點和抄表簿或用戶帳號之間的關(guān)聯(lián)，計算出平均節(jié)點流量；供水系統(tǒng)中無計量用水的分配是按比流量(管線長度)進行。經(jīng)分析歷史供水量資料，確定2003年日變化系數(shù)和時變化系數(shù)分別為1.188和1.2。管網(wǎng)模型的校驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自寧波市給水管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)。2003年寧波市供水管網(wǎng)系統(tǒng)中最高日最高時用水發(fā)生在7月25日20:00，取同時刻的測壓點的壓力數(shù)據(jù)和水廠進網(wǎng)水量作為校驗數(shù)據(jù)，共有7個測壓點數(shù)據(jù)(其中2個遠傳數(shù)據(jù)無效)和三個水量數(shù)據(jù)。寧波市中心城區(qū)供水管網(wǎng)模型校驗結(jié)果見表3和表4。管道阻力系數(shù)的確定[5]：按照寧波市供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)記錄的管齡來確定。圖3：寧波市中心城區(qū)供水管網(wǎng)模型計算機圖形表3：水廠進網(wǎng)水量實測值與計算值對比序號名稱節(jié)點編號計算值實測值誤差百分數(shù)1南郊水廠10560212J132865.32853.89-0.399%2江東水廠10460601J1925298.45299.450.02%3梅林水廠3223734.47743.81.254%表4：測壓點實測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)對比序號測壓點地址節(jié)點編號地面標高(m)實測數(shù)據(jù)(m)平差結(jié)果(m)差值(m)1江東北10760712J62.5325.629.74-1.612甬港路10560615J1212.5628.830.96+0.43高塘10760302J812.3224.827.69-0.574開明街10660415J24.6423.229.71+1.855鄞奉路10460309J82.5726.931.15-1.68分析和結(jié)論：從表3和表4中可以看出模型計算值和實測值基本吻合，測壓點的對比誤差稍大，作者認為模擬計算值應(yīng)更符合實際情況，形成這種誤差的原因可能是(1)部分管道的連接或者閥門的開度與實際有差距；(2)儀器采集點的高程誤差。由于本次管網(wǎng)模型成果不是應(yīng)用在供水系統(tǒng)的日常運行調(diào)度和管理，而是用于供水系統(tǒng)的宏觀規(guī)劃，重在對現(xiàn)狀管網(wǎng)的整體水力狀態(tài)進行把握，該管網(wǎng)模型能夠滿足要求。4管網(wǎng)水力模型工況校核4.1建立組合管網(wǎng)模型應(yīng)用WaterSimforGIS軟件將寧波市供水主干管環(huán)網(wǎng)模型和現(xiàn)狀中心城區(qū)高日高時管網(wǎng)模型進行組合，建立起的組合管網(wǎng)模型見圖4。主干環(huán)網(wǎng)和現(xiàn)狀中心城管網(wǎng)模型相交處為接管點，在充分利用現(xiàn)有管線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進行管網(wǎng)系統(tǒng)的擴建設(shè)計。圖4：組合模型4.2水力模型工況校核最大用水時校核：最大用水時的流量按高日高時設(shè)計。2010年及2020年管網(wǎng)模型校核結(jié)果：主干管環(huán)網(wǎng)上壓力最低值均大于高程壓力30m，供水系統(tǒng)中所有點的高程壓力均大于24m，滿足要求。事故校核：事故時的流量為最大用水時的70%。針對2010年管網(wǎng)進行14種事故工況校核，針對2020年管網(wǎng)分別進行15種事故工況校核，校核結(jié)果表明：主干環(huán)網(wǎng)上壓力最低值均大于高程壓力30m，供水系統(tǒng)中所有點的高程壓力均大于24m，滿足要求。消防校核：消防時是在最大時流量的基礎(chǔ)上，增加兩個流量為80L/S的消防點，計算結(jié)果表明滿足消防要求。5結(jié)論本文針對寧波城市多水源供水系統(tǒng)實際情況，采用供水主干管環(huán)網(wǎng)的供水布置形式，有其明顯的優(yōu)越性，它不僅方便了寧波市供水系統(tǒng)日常的運行調(diào)度和管理，更重要的是對于一個發(fā)展迅速的城市而言，它具有較強的適應(yīng)性。參考文獻：1、上海市政工程設(shè)計研究院/浙江省水利水電勘測設(shè)計院.寧波市周公宅、皎口水庫引水及城市供水環(huán)網(wǎng)工程可行性研究報告，2004年9月。2、HermanM.Orth,Model-BasedDesignofWaterDistributionandSewageSystems,JohnWiley＆SonsLtd.1996.3、陶建科等，給水管網(wǎng)建模中建立計算機系統(tǒng)管網(wǎng)圖形和在地形圖上劃定節(jié)點流量區(qū)域的方法