供水管網可靠性研究綜述

張連強樊曉晨/ .重慶市設計院 .中機中聯工程有限公司

供水管網可靠性研究綜述

張連強1樊曉晨2/ 1.重慶市設計院 2.中機中聯工程有限公司

隨著城市的現代化發展，城市的生產、生活會越來越依賴城市給水系統，而給水管網是城市給水系統重要的組成部分，其可靠運作對于充分發揮整個給水系統的經濟效益與社會效益有著舉足輕重的作用。因此研究給水管網的可靠性，提高其供水可靠度，使之更好的完成其給水功能是給水系統設計中的一個重要課題。隨著城市的現代化發展。城市的生產、生活會越來越依賴生命線工程系統。對生命線工程進行抗震研究是地震工程研究領域的重要課題。生命線工程系統的抗震性能和受強震襲擊后的運行功能，可以從系統可靠度的角度進行研究分析。

供水管網；水力分析；可靠性；抗震可靠性；管網優化設計

一、供水現狀及存在的問題

城市給水管網系統是現代化城市最重要的基礎設施之一，是城市文明、經濟發展和現代化水平的重要標志。主要功能是：及時可靠地向用戶提供符合衛生質量要求的水；為用戶提供充足的水量和水壓。

由于供水設施陳舊、技術水平較低、管理體制不完善等諸多原因使我國城市供水漏損現象嚴重。目前我國城市的供水現狀也還面臨著許多十分嚴峻的問題，正有待解決。主要表現在以下幾個方面：水資源短缺，水環境污染嚴重，城市供水量不足；供水水質偏低，二次污染嚴重；管網漏損嚴重；供水管理科學性不強。按供水行業的特點，對供水系統的安全可靠性要求特別高，強調安全不問斷地供應質量良好的水，因此如何減少給水系統的故障和損失，提高供水可靠性，使之更好的完成其給水功能是給水系統設計中的一個重要課題[1]。

二、國內外研究動態

二十世紀七十年代，Darnelin等人首次提出將可靠性理論運用于城市給水管網的優化設計，并初步探討了輸水管道的可靠性問題，隨后關于給水管網可靠性理論的研究逐漸引起了眾多學者的興趣[2]。早期的給水可靠性研究大都是停留在理論研究上，沒有更好的與實際工程結合起來，發展比較緩慢。隨著研究的發展，Wagner等人在“輸配水系統可靠性一分析篇”中，他提出了給水可靠性的3個指標：(1)節點與水源點相通的概率； (2)系統全部節點與水源點相通的概率；(3)系統的每個節點滿足水壓要求的概率。隨著研究的深入，研究者們逐漸意識到單一地分析機械可靠性或水力可靠性具有一定的缺陷，20世紀90年代以來，研究者開始試著把機械可靠度和水力可靠度結合起來分析給水系統的可靠性，即在先滿足可達性和可連接性等機械可靠性的基礎上，再加上評估能否滿足用戶需水量和水壓要求，以其滿足上述要求的概率來表征系統的可靠度由于模擬管網水力工況需要花費大量的時間，促使很多學者力求尋找度量管網可靠性的間接方法。

我國關于城市給水管網系統可靠性理論的研究工作開展較晚，只有十幾年的時間，目前尚處于探索性階段。

三、.水管網可靠性研究方法

（一）系統可靠性研究方法

從定量角度分析給水管網的可靠度，涉及到兩種不同類型的管網故障，一種是部件失效，如主干管爆裂、泵站故障，這都使得管網的結構發生了變化—連通性變差，即非水源點與水源點相通的概率降低，從而管網變得不可靠。另外一種是動態變化的因素，如：隨著管道的腐蝕和沉積作用，管道輸水能力降低；城市用水量的增加超過管網設計負荷值。

因而，目前的研究主要集中在兩個層次[3～4]，一種是結構可靠性研究，即給水管網的拓撲結構是否合理從而達到其供水要求；另一種是水力可靠性研究，考慮任意時刻可能出現的用水量變化及管道粗糙系數變化是否造成管網不能達到其供水要求。

（二） 管網可靠性分析方法

由于給水管網本身比較復雜，而且受多種因素影響，給水管網可靠性分析方法發展較緩慢，目前還沒有一種方法得到普遍的認可，并應用于實際工程設計中。從方法總體分類，考慮管網輸水能力及考慮閥門配置等方面對已有的各種方法進行了歸納、總結，可供可靠性分析及設計、維修等參考。

目前，在給水管網系統設計中，可靠性的考慮一般限于采用定性的原則表示對其具體的可靠性定義及如何定量的評價、量測等仍沒有統一的概念。一般可采用概率方法[5]，通過引入概率來說明某一偶然性事件對系統供水情況的影響。分析中，根據選擇的評價標準不同，可以采用不同的指標以反映中斷供水或供水不足的程度、持續時間、發生頻率、用戶受影響的程度等。所采用的方法主要是在Wagner和Shamir等于1988年提出的解析法和模擬法的基礎上不斷深化發展起來的。

1.解析法。

本方法是由Wagner和Shamir等于1988年提出的。根據整個給水系統的組成部分的劃分的詳細程度將其可靠性分析方法分為三類：①供應、需求都歸并到一起；②需求歸并在一起分析供應和傳輸過程；③供應、需求都詳細考慮。即網絡的形式表示給水管網系統。

2.模擬法。

該方法亦是由Wagner和Shamir等于1988年提出的。系統中管線和設備（如水源、泵站、蓄水池、閥門及其他控制設備）以網絡模型代表。模型的準確詳細水平應與分析的問題相一致，如要研究連接性、閥門的配置（從可靠度角度出發），有必要包括小尺寸的管子；另一方面，要研究整個供水區的供水可靠度，模型只能包含一些設備和主要的傳輸系統即可。水源、管段破裂、泵損壞和電力故障等都可能引起供水不足。

四、結語

綜上所述，由于給水管網本身比較復雜，而且受多種因素影響，更由于水的可存儲性等，給水管網可靠性分析方法發展較緩慢，目前還沒有一種方法得到普遍的認可并應用于實際工程設計中。本文從方法總體分類，考慮管網輸水能力及考慮閥門配置等方面對已有的各種方法進行了歸納，總結，可供可靠性分析及設計維修等參考。

[1]王圃,龍騰銳等. 城市給水管網可靠性分析與應用[J].給水排水.2005.

[2]趙新華,劉英梅,喬字.城市給水管網可靠度的計算[J].中國給水排水.2002.

[3]Y.Setiadi,T.T.Tanyimboh, A.B.Templeman.Modelling errors,entropy and the hydraulic reliability of water distribution systems[J].Advance in Engineering Sofware.2005.

[4]趙洪賓,嚴煦世.給水管網系統理論與分析[M].北京:中國建筑工業出版社.2003.

[5]金星,洪延姬.工程系統可靠性數值分析方法.國防工業出版社,2002.