劉俊良¹　袁一星²　高永¹　熊必勇²　高桂芝²
(1 河北建筑工程學院　2 哈爾濱工業(yè)大學 )

　　摘　要：針對山區(qū)城市供水管網規(guī)劃計算及運行過程中存在的問題，研究并提出了適合山區(qū)地形管網子差計算的方法，即“環(huán)方程法與節(jié)點方程法相結合”的平差方法。該方法可使各加壓泵站的流量分配更加合理，提高了平差過程的收斂性和計算結果的準確性。
　　關鍵詞：山區(qū) 供水　規(guī)劃　管網平差

STUDY　ON　THE　TECHNIQUES OF PLANNING OF THE URBAN WATER
SUPPLY NETWORK IN MOUNTAINOUS AREAS
LiuJunliang¹　YuanYixing²　GaoYong¹　XiongBiyong²　GaoGuizhi²
(1 har bin institute of industry　2 Hebei Institute of Architectural Engineering)

　　Abstract：Aiming at the problems founded during the calculation and function of the urban water supply network in mountainous areas，the method of flow equations of loops combined with pressure equations of nodes for hydraulic calculating of network in mountainous areas is brought out．The advantage of this method are the distribution of flows of booster pump stations are more reasonable，the rcsults of calculation of network in mountainous are more precise and the constringency of computer program is more fast than traditional methods．
　　Keywords： mountainous areas　　the urban water supply　　planning hydraulic calculating of network

1 引言

　　城市供水管網規(guī)劃是城市供水規(guī)劃的主要組成部分。對于山區(qū)城市，由于其地形特點，城市供水管網規(guī)劃及運行過程中還存在一些亟待解決的技術問題。由于地形高差大，增大了供水管網的敷設及供水調度的技術難度。在進行城市供水管網規(guī)劃時應根據當地實際情況，結合地形、城區(qū)布局及水源分布情況等采取合理的輸配水方式，以節(jié)能降耗，保證城市供水的安全可靠性。

2 山區(qū)供水管網的特點

　　(1)市區(qū)各部分、市區(qū)與水源地之間地形高差都很大(常常超過40米)，這給供水管網的布置及運行調度帶來諸多困難。一是由于管網各部分地面標高相差太大，容易造成低區(qū)管內壓力過高，發(fā)生爆管及管件損壞；而高區(qū)則會出現管網壓力不足，甚至不能將水供至最不利點。二是運行調度困難。由于地形高差大，必須實施分區(qū)供水。要保證全區(qū)供水的安全可靠性，就必須服務壓力及水量均在合理范圍內。這就對供水系統(tǒng)的管線布置及調度系統(tǒng)的調度能力提出了更高的要求。
　　(2)由于受地形限制，各區(qū)一般依地形而建，不太集中?；蚍殖上嗷オ毩⒌膸讉€區(qū)，如河北承德市，依山谷分為三區(qū)；或建成狹長城區(qū)，如河北張家口市區(qū)，由于東、西、北三面環(huán)山，只能向南發(fā)展，整個城區(qū)呈南北狹長分布。這樣就增加了輸水的距離。
　　(3)由于地處山區(qū)，水源地距市區(qū)距離往往很遠，且可供水量季節(jié)性變化很大。受地形限制，地表水蓄水能力差，豐水期與枯水期可供水量相差很大。地下水供水量雖相對穩(wěn)定，也受地表徑流補給水量變化的影響而使地下水位發(fā)生季節(jié)性變化。如張家口市北水源，主要取河流淺層滲透水，枯水期最低供水量為2.5萬噸/日，豐水期最高供水量達7.5萬噸/日，相差近三倍。因此，在確定管網管徑時，需考慮不同季節(jié)各水源地可供水量的變化。
　　(4)受地形影響，各水源地供水的成本有很大差別。因為地處山區(qū)，各水源地的地面標高相差很大。地面標高較高的水源地可以借助重力，使水泵揚程大大降低，也就降低了供水成本；而地面標高較低的水源地，必須克服地面高差產生的靜水壓力，使水泵揚程大大提高。因此在平衡各水源地供水量時，不但要考慮各水源地的供水能力，還應考慮他們的供水成本。
　　(5)由于二級泵站出口至最不利點地面高差大，一般采用分區(qū)供水，并設加壓站及調節(jié)構筑物。如果采用一級供水，為保持管網末端所需水壓，二級泵房的揚程將很高，使泵房附近干管壓力過高，既不經濟也不安全。采用分區(qū)供水，在各區(qū)中間增設加壓泵房，進行中途加壓，這樣使二級泵房的揚程只須滿足加壓泵房附近管網的服務水壓。當二級泵房附近的管網用水量占很大比例時，所節(jié)約的抽水能量極為明顯。同時也可保證管網各部分供水壓力更均勻，便于用戶使用，也降低了管網的事故率。如果晝夜用水量相差較大，高峰用水時間較短，可考慮在適當位置設調節(jié)水池和泵房，利用夜間用水量減少進行蓄水，日間供水，增加高峰用水時的供水量。從而縮小高峰用水時水廠供水范圍、降低出廠干管的高峰供水量。
　　(6)在管網規(guī)劃設計時，由于地形高差大，使環(huán)狀網的平差難度增大。采用分區(qū)供水時，涉及到如何劃定各分區(qū)的界限，各區(qū)之間水量如何統(tǒng)一協(xié)調；由于地形高差大，起伏大，使得平差初始數據偏差較大，從而致使平差收斂速度減緩，甚至不能收斂以及采用分區(qū)加壓供水加壓泵站的流量如何分配等問題。
　　(7)由于地形條件，可利用重力流輸水，以節(jié)省動力費用。當水源高于用水區(qū)時，采用重力流輸水無需動力費用，重力流輸水管的單位長度造價比壓力管低。

3 山區(qū)城市供水管網平差技術

　　由于山區(qū)城市一般地形高差較大，山區(qū)城市供水管網在進行平差時，常常會遇到以下問題：
　　(1)對于分區(qū)供水管網的平差，通常采用各區(qū)分別平差的方法。這樣往往使平差結果雖然各區(qū)內較合理，但缺乏整體于衡，各區(qū)間銜接不夠合理。
　　(2)由于地形高差較大，使輸入的平差初始數據，往往與最終的平差結果相差很大，尤其對于新建管網更是如此。這樣就會導致平差收斂緩慢，甚至發(fā)散。
　　(3)對于串聯(lián)分區(qū)時，若兩區(qū)之間在幾條聯(lián)絡管上同時設置加壓泵站，各加壓泵站的流量分配不易確定。
　　(4)采用節(jié)點方程法子差時，會因各節(jié)點高程相差太大而使各泵站揚程難以合理確定，更容易出現因初始數據誤差太大而不易收斂。
　　針對以上問題，本文提出采用環(huán)方程法與節(jié)點方程法相結合的平差方法，對地形高差較大的分區(qū)管網進行平差。具體平差方法如下：
　　由于環(huán)方程法不需要節(jié)點高程等與地形相關的初始數據，因此地形高差大不會影響環(huán)方程法的收斂速度。利用環(huán)方程法平差出各管段的流量、流向，不考慮地形高差，根據平差結果算出各節(jié)點供水總壓力。根據服務水頭、地面標高算出各節(jié)點需水總壓力，對供水總壓力及需水總壓力進行比較。在供水壓力不能滿足需水總壓力的節(jié)點所在區(qū)域設加壓泵站加壓。加壓泵站前設調節(jié)水池，利用水池前管網供水壓力為水池供水。但是由于環(huán)方程法平差過程中未考慮地形情況，各區(qū)管網局部壓力仍不夠合理。然后利用節(jié)點方程法結合節(jié)點標高對各分區(qū)進行平差，確定合理的節(jié)點壓力和管段流量。串聯(lián)分區(qū)時各區(qū)間的加壓泵站及聯(lián)絡管的流量分配仍按照整個管網環(huán)平差結果進行分配。
　　例如在張家口市供水管網中，將第一制水分公司、西泵站、三泵站作為三個“水源”。利用環(huán)方程法對整個管網進行平差，平差出各管段的流量、流向。不考慮地形高差，根據平差結果算出各節(jié)點供水總壓力。根據服務水頭、地面標高算出各節(jié)點需水總壓力， 在供水壓力不能滿足需水總壓力的節(jié)點所在區(qū)域設置西泵站、三泵站進行加壓。加壓泵站前設調節(jié)水池，利用水池前管網供水壓力為水池供水。然后利用節(jié)點方程法對加壓泵站至第一制水分公司之間管網進行平差，平差結果作為增設加壓泵站后三泵站、第一制水分公司、西泵站之間的局部管網干差結果。
　　由于三泵站、西泵站、第二制水分公司、第三制水分公司之間的管網地形較為平坦，利用環(huán)方程法進行的管網平差結果，在該區(qū)域比較符合實際需求，故采用整個管網平差時該區(qū)域的平差結果作為最終平差結果。各區(qū)間的加壓泵站三泵站、西泵站、流量分配仍按照整個管網環(huán)平差結果進行分配。(張家口市管網布置見圖1，圖中數字為節(jié)點標高。)
　　應用結果表明，上述平差方法市平差結果更符合地形高差相差懸殊的山區(qū)城市的管網的實際情況，是流量和水壓的分配更為科學合理，明顯提高了管網供水的可靠性和經濟性。

4 結論

　　(1)山區(qū)緘市供水系統(tǒng)應根據地形及水源分布情況，從技術上和經濟上制定不同的分區(qū)方案，通過比較確定經濟合理的分區(qū)方案。
　　(2)山區(qū)地形城市供水管網平差方法：當城市地形高差較大，采用分區(qū)供水時，可采用環(huán)方程法與節(jié)點方程法相結合的平差方法，進行管網平差。該平差方法的優(yōu)點是可以更合理地分配分區(qū)管網各加壓泵站之間的流量，提高平差的收斂性和準確性。

參考文獻
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　　[2] 包志仁、劉國華．給水管網平差環(huán)方程法的改進．浙江大學學報：工學版，2000
　　[3] lindell E O, Kevin E L. Optimal of water supply pumping systems. J water Resources Planning and Management,1994, 120(2) :273-252