基于WaterGEMS農村供水管網聯并對供水壓力影響分析

韓進軍，　周　蜜，　劉海濤

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥　230009；2.安徽省城建設計研究院，安徽 合肥　230051；3.安徽水安建設集團有限公司，安徽 合肥　230601)

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基于WaterGEMS農村供水管網聯并對供水壓力影響分析

韓進軍1，周蜜2，劉海濤3

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009；2.安徽省城建設計研究院，安徽 合肥230051；3.安徽水安建設集團有限公司，安徽 合肥230601)

摘要：文章以安徽省某縣農村飲水安全工程為例，選擇具有管網聯并條件的A、B、C水廠為研究對象，以水廠設計資料提供的靜態屬性數據為基礎，運用WaterGEMS軟件建立給水管網水力模型，分析供水管網聯并后不同工況運行對供水壓力的影響。研究結果表明，正常工況下，管網聯并后對A、B水廠所屬管網節點水壓的調節作用顯著，對 C水廠基本沒有調節作用，A水廠高壓區壓力增大，B水廠高壓區范圍縮小，各水廠低壓區壓力稍有提高；事故工況下，管網聯并后各水廠高壓區壓力降低，A或C水廠停水時，B水廠高壓區壓力變為33～36 m，整體壓力稍有降低，各水廠供水區域供水壓力分布比聯并前更趨均衡。

關鍵詞：農村供水；管網聯并；水力模型；正常工況；事故工況；供水壓力

農村供水管網聯并系統是將具有聯并條件的管網連成一片的供水系統，它把一片區域內的若干凈水廠聯合為一體[1-4]，統一開發、分配水資源，并根據區域具體情況，因地制宜，建立一種總體為樹狀管網、局部為環狀管網的新型混合管網，以保障用水的安全性。管網聯并后，管網水力負荷、管道流速、節點水齡、水質以及供水壓力分布等一系列因子均發生相應變化，本文主要分析管網聯并對供水壓力分布的影響[5-6]。

通過供水壓力分布圖，能清晰查看管網的壓力分布規律[7-8]，可直觀查看管網中的低壓區和高壓區的分布情況[9]，從而評估管網的壓力狀態是否合理，為管網聯并提供技術依據。

1供水工程概況

本文研究區位于淮北平原中南部，全縣地形由西北向東南緩緩傾斜，自然比降為1/8 500，海拔為21～29.5 m，境內除西北部有少量零星殘丘外，平原面積廣闊。該區孔隙承壓水水量豐富，開發利用程度低，開發潛力較大，因其埋藏較深不易受到污染，水質優良，是農村生活用水安全水源[10]。截止2010年底，該區農村供水工程共新建工程51處，受益總人口21.24萬人，供水規模最大可達19 796.26 m3/d。

“十二五”期間已新建供水工程14處，供水能力為32 200 m3/d；改擴建供水工程8處，供水能力為16 100 m3/d；管網延伸工程1處，供水能力為2 850 m3/d。該工程總受益人口為64.93萬人。本文結合研究區已建和在建水廠的地理位置和當前給水管網布置形式，選擇具備管網聯并條件的A、B、C水廠集中供水工程作為研究對象。

(1) 王集水廠：設計使用年限為15年，供水范圍為10個行政村，供水人口為2.27萬人，供水規模為1 700 m3/d。

(2) 板橋水廠：設計使用年限為15年，供水范圍為1個集鎮、10個行政村和172個自然莊，供水人口為5.56萬人，供水規模為4 388 m3/d。

(3) 唐集水廠：設計使用年限為15年，供水范圍為7個行政村和91個自然莊，供水人口為3.10萬人，供水規模為2 500 m3/d。

2擬定管網聯并方式

農村供水管網主要以樹狀管網的形式向供水范圍周邊擴張，聯并管道對2個獨立管網中相距較近的支管末梢進行連接，將原樹狀管網轉化成具有多個閉合環的樹狀-環狀混合管網。這種管網聯并方式需要新建的管道長度較小，能最大限度地利用原有管網的供水能力，而且形成了多個環狀管網，能夠提高供水的可靠性和安全性[11]。

圖1所示為聯并后給水管網布置圖。本文在評價管網聯并形式對供水壓力的影響時，優先將管徑作為控制因素，僅采取新建管道的方式對各個水廠管網進行聯并，管徑取為75 mm。

圖1　聯并后給水管網布置圖

3給水管網模型建立與校核

3.1模型建立

給水管網水力模型數據包含管網靜態、動態和實測數據[12]。鑒于研究內容和現場實測條件的限制，本文基于工程設計資料提供的靜態屬性數據建立模型。將研究區各水廠以背景圖層加載，管網節點和管線導入的同時，生成節點高程、管長、管徑及管材等信息。確定水泵和泵站的具體位置，在圖形中添加水源和泵站，進行泵站參數設置，同時依據各水廠的設計水量數據，在模型中進行節點水量分配，同時導入各類用戶用水量變化規律數據[13]，最終形成管網水力模型。

3.2模型校核

模型建立完成后，需對模型進行反復校核，逐步完善[14]。通過校核建模過程中的各項靜態屬性數據，適當調節對模型結果有重要影響的參數，如節點流量等，直到滿足模型精度要求[15]。校核過程中最重要的是節點水壓和管段單位水頭損失的精度要求。

由于缺乏管網動態實測數據，本文將模型模擬結果與原設計的水力計算結果進行對比，衡量校核后的結果是否滿足管網模型精度要求。由于管網規模較大，選取B水廠為例，圖2、圖3所示分別為管段單位水頭損失設計值與模擬值、節點自由水壓設計值與模擬值的對比圖。表1、表2所列為節選的管段單位水頭損失和節點壓力誤差情況。

圖2　管段單位水頭損失設計值與模擬值對比圖

圖3　節點自由水壓設計值與模擬值對比圖

管段編號模擬值設計值損失差P-2860.00190.0033-0.0014P-2870.00370.0054-0.0017P-2920.01440.00390.0105P-2970.00200.0021-0.0001P-2980.00390.00310.0008P-2990.00250.0028-0.0003P-3020.00330.00230.0010P-3030.00260.00160.0010P-3040.00380.00090.0029P-3070.00370.0041-0.0004P-3080.00290.0033-0.0004P-3090.00200.0024-0.0004

表2　節點壓力誤差情況(節選) 　　　　　m

經對比后發現，管段單位水頭損失及壓力與模型模擬值存在一定的誤差。管段P-292處的單位水頭損失模擬值與設計值誤差最大，最大單位水頭損失差達0.010 5 m。節點J-247處自由水頭壓力差最大，最大達6.49 m?？紤]到與原設計節點高程取值的差別，管段單位水頭損失和節點自由水壓與原設計整體相差不大，因此，可以判定該模型基本正確，能反映原設計情況。

4結果分析

4.1正常工況下壓力分布

采用相同管徑的管道對3個既有水源的樹狀管網進行聯并，受原管網節點用水量和布置形式的影響，對C水廠所屬管網，聯并管段幾乎沒有產生流量轉輸，對其節點水壓基本沒有調節作用；對A、B水廠所屬管網，對節點水壓的調節作用明顯。聯并前后供水壓力分布如圖4所示。聯并前后水泵出口和最不利點壓力數據見表3所列。

圖4　聯并前后供水壓力分布

聯并方式位置壓力ABC聯并前水泵出口最不利點35.0016.4941.6016.6238.4015.79聯并后水泵出口最不利點36.7019.6041.0015.6838.2019.45

結果表明，聯并后，A水廠高壓區壓力增大，B水廠高壓區范圍縮小，各水廠低壓區范圍縮小，壓力稍有提高。A水廠所屬管網的送水泵站出水口處的壓力提高了1.7 m，最不利點自由水壓為19.6 m，比聯并前提高了3.11 m，其供水區域內的節點水壓均稍有提高，其中與B水廠管網進行聯并的區域范圍內的管網節點水壓提高幅度較大；B水廠所屬管網的送水泵站出水口處水壓下降了0.6 m，最不利點自由水壓為15.68 m，比聯并前下降了0.94 m，其供水區域內的節點水壓稍許下降；C水廠所屬管網的送水泵站出水口處水壓下降了0.2 m，最不利點自由水壓為19.45 m，比聯并前提高了3.66 m，其供水區域內的節點水壓稍許提高。總體而言，A、B和C水廠供水區域的供水壓力分布比聯并前更趨均衡。

4.2事故工況下壓力分布

農村供水易發生供水安全事故，造成大范圍長時段停水，供水保證率低，為了實現管網聯并的目標，根據A、B、C水廠地理位置和供水情況，按照A或C水廠停水的最不利情況分別對B、A管網與B、C管網兩兩聯并時進行事故工況模擬，如圖5所示。

圖5　事故工況下管網聯并前后供水壓力分布

在假設A水廠停水的情況下，最不利點水壓為12.25 m，小于15 m的入村水壓要求。不能滿足設計水壓的節點個數有15個，占A水廠管網節點總數的12%。B水廠水泵出口壓力為42.32 m。在假設C水廠停水的情況下，最不利點水壓為10.27 m，小于15 m的入村水壓要求。不能滿足設計水壓的節點個數有44個，占唐集管網節點總數的29%。B水廠水泵出口壓力為40.82 m。

結果表明，由圖4(a)可知，聯并前高壓區主要分布在水廠水源周邊，B和C水廠高壓多為36～39 m。由圖5可知，聯并后高壓區壓力降低，A或C水廠停水時，B水廠高壓區壓力變為33～36 m，整體壓力均稍有降低。A水廠停水時，聯并后最不利點水壓為12.25 m，比聯并前降低了4.24 m；C水廠停水時，聯并后最不利點水壓為10.27m，比聯并前降低了5.52 m。在A水廠停水、A和B水廠聯并時，不能滿足設計水壓的節點個數占節點總數比例較少，此時供水保證率高，壓力分布更為均衡。

5結論

(1) 正常工況下，聯并后A、B水廠所屬管網，對節點水壓的調節作用明顯，C水廠基本無調節作用。A水廠高壓區壓力增大，B水廠高壓區范圍縮小，各水廠低壓區壓力稍有提高。A水廠送水泵站出口壓

力提高了1.7 m，B、C水廠送水泵站出口壓力分別下降了0.6 m和0.2 m；A、C水廠最不利點水壓分別提高了3.11 m和3.66 m，B水廠下降了0.94 m。總體而言，A、B、C水廠供水區域的供水壓力分布比聯并前更趨均衡。

(2) 事故工況下，聯并后高壓區壓力降低，A或C水廠停水時，B水廠高壓區壓力變為33～36 m，整體壓力稍有降低。A、C水廠分別停水時，不能滿足設計水壓的節點個數分別為15個和44個，并分別占總節點個數12%和29%，整體壓力稍有降低。

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收稿日期：2016-02-22;修改日期：2016-02-25

作者簡介：韓進軍(1987-)，男，寧夏固原人，合肥工業大學碩士生．

中圖分類號：TU991.33

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0074-04