陶建科¹ 任基成² 鄭國興³ 李文波² 費杰² 余盛¹ 戴鋒偉¹
1上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司201203 2寧波市自來水總公司315041 3上海市政工程設(shè)計研究院200092

　　【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WaterSim for GIS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)鍵詞：寧波市 供水主干管環(huán)網(wǎng) 規(guī)劃 水力模型 校核

Study on Ningbo City Water Supply Ring Main Planning and Verifying with Hydraulic Models

Tao Jianke¹ Ren Jicheng² Zhen Guoxing³ Li Wenbo² Fei Jie² Yu Sheng¹ Dai Fenwei¹

1Shanghai Ganchuang Information Technology Co. Ltd.(201203) 2Lingbo Municipal Waterworks General Co.(315041) 3Shanghai Municipal Engineering and Design Institution(200092)

Abstract：With the help of their real engineering experiences and theories the authors in the article present Ningbo city water supply ring main layout. The optimized pipe-sizes of Ningbo city water supply ring main are decided with the designed computer software by ourselves. Ningbo city water distribution models for maximum day’s maximum hourly demand in 2003 are built with WaterSim for GIS software and a long-term and a short-term water distribution are verified with hydraulic model in multiple load condition. The results indicate the layout for Ningbo city water supply ring main meets with the water supply requirement of a short-time and a long-time and are suitable.

Keywords： Ningbo city Water supply ring main Planning Hydraulic model Verifying

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。

圖1：供水主干管環(huán)網(wǎng)總體布置圖

　　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。
　　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)

60

60.5

北部地區(qū)

9

13.5

鎮(zhèn)海區(qū)

7

10

江北轉(zhuǎn)輸

4

4

北侖轉(zhuǎn)輸

0

5

東部地區(qū)

12.5

21

東錢湖地區(qū)及邱隘鎮(zhèn)

17.5

17.5

西部地區(qū)

20

20

鄞西、東地區(qū)

10

18.5

合計

140

170

2.2 主干管環(huán)網(wǎng)優(yōu)化計算數(shù)學(xué)模型^[6]

1)目標(biāo)函數(shù)



2)約束條件


　　式中：D_i--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；l_i--第i管段長度，m；H_Fi, H_Ti-- 管段i的起點和終點壓力值，m；P_i，q_i，h_Fi--分別為泵站經(jīng)濟指標(biāo)，元/(m3/(S·m·d))、管段流量(m³/s)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(biāo)計算得造價公式C=300+2716*D^1.68，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)_k時= 1.2。
　　經(jīng)優(yōu)化計算后，得到一組非標(biāo)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=7.98

2.0

2.0

2.0

2.0

L2-3=3.92

2.0

2.0

2.0

2.0

L3-5=7.3

1.8

1.8

1.8

1.8

L2-4=3.32

2.0

2.0

2.0

2.0

L4-6=6.4

2.0

2.0

2.0

2.0

L20-23=5.6

2.0

2.0

2.0

2.0

L8-23=4.7

1.8

1.8

1.8

1.8

L22-23=2.36

2.0

2.0

2.0

2.0

L21-22=4.82

1.8

1.8

1.8

1.8

L9-21=1.99

1.5

1.5

1.5

1.5

L6-7=1.5

1.8

1.8

1.8

1.8

L5-6=5.5

2.0

2.0

2.0

2.0

L5-17=1.44

2.2

2.4

2.0

2.2

L16-17=1.53

2.0

2.2

2.0

2.0

L15-16=2.03

2.0

2.0

2.0

1.8

L14-15=4.3

2.0

1.8

2.0

1.8

L13-14=5.3

1.8

1.8

1.8

1.8

L12-13=3.65

1.8

1.8

1.8

1.8

L11-12=2.02

1.8

1.8

1.8

2.0

L10-11=1.3

1.8

2.0

1.8

2.0

L9-10=3.43

2.0

2.0

2.2

2.2

L8-9=6.95

2.0

2.0

2.0

2.0

L8-18=4.15

1.8

1.8

1.8

1.8

L7-18=3.6

1.8

1.8

1.8

1.8

毛家坪水廠清水池水位高程（m）

47.5

47.5

47.5

47.5

東錢湖水廠清水池水位高程（m）

45.23

44.97

44.64

44.19

北渡水廠與環(huán)網(wǎng)接管點壓力（m）

39.73

39.65

39.55

39.44

主干管環(huán)網(wǎng)上壓力最低點值（m）

30.03

30.04

30.13

30.01

管道造價（元）

A

A-1308912

A+1441357

A-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（WaterSim For GIS）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

10560212J13

2865.3

2853.89

-0.399%

2

江東水廠

10460601J192

5298.4

5299.45

0.02%

3

梅林水廠

3223

734.47

743.8

1.254%

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(biāo)高

（m）

實測數(shù)據(jù)

(m)

平差結(jié)果(m)

差值（m）

1

江東北

10760712J6

2.53

25.6

29.74

-1.61

2

甬港路

10560615J121

2.56

28.8

30.96

+0.4

3

高塘

10760302J81

2.32

24.8

27.69

-0.57

4

開明街

10660415J2

4.64

23.2

29.71

+1.85

5

鄞奉路

10460309J8

2.57

26.9

31.15

-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WaterSim for GIS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、 Herman M.Orth, Model-Based Design of Water Distribution and Sewage Systems, John Wiley ＆ Sons Ltd. 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，給水排水，1997，23（6）：5～8。
4、 陶建科,建立給水管網(wǎng)動態(tài)模型中的水量分析方法,給水排水,1998，24（1）：26～30。
5、 陶建科，建立上海市計算機給水管網(wǎng)動態(tài)水力模型研究，給水排水，1999，15（4）：11～13。
6、 Walski, Thomas M., Optimization and pipe-sizing decision, Jour. of Water Resource Planning and Management V121, July/Aug. 1995, P340-343.
7、 趙洪賓. 給水管網(wǎng)系統(tǒng)理論與分析，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003。

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作者通訊地址： 陶建科 201203上海市浦東新區(qū)張江郭守敬路498號3202室 （國家軟件產(chǎn)業(yè)基地和出口基地上海浦東軟件園133信箱）
　　上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司 博士 高級工程師　電話：(21)51314368 13601779169 E-mail:taojianke@china.com

任基成 寧波市自來水總公司 總工程師 教授級高工
鄭國興 上海市政工程設(shè)計研究院 副總工程師 教授級高工
李文波 寧波市自來水總公司 總工辦主任 高級工程師
費杰 寧波市自來水總公司 總工辦付主任 高級工程師
余 盛 上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司 碩士 工程師
戴鋒偉 上海敢創(chuàng)信息技術(shù)有限公司 雙學(xué)士 工程師