多水源給水管網現狀評價與節能優化研究

趙星明，劉鋒范，徐 軍，趙興忠

(1.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018; 2. 青島市城陽區自來水公司，山東 青島 266109;3. 青島市城陽區書院水庫管理所，山東 青島 266109

改革開放以來，青島市城陽區的城市化進程加快，人口密度增大，生活用水量急劇增加，自來水的服務范圍外延，給水管網擴展重疊，供水水源也增加到4個，供水能力達到25.4 萬m3/d。供水管網隨著城市的發展不斷擴展改造，因供水水源的增加、高層建筑的興建引起用水量集中、供水分布發生變化等因素，使部分管段的供水方向改變，某些主干管道的流速和水頭損失增大，從而降低了節點壓力而影響了用戶的用水，供水水泵只能在高揚程下運行，提高了供水能耗。

對多水源的現有給水管網進行水力分析和評價，提出行之有效的改造措施，不僅能夠節能降耗，而且還能提高管網的服務水頭，改善用戶的用水狀況。收集和分析現有用水資料及現有給水管網資料是進行改造的前提，利用營業抄表用水量統計得出整個管網的節點流量。實地摸清所埋管線情況，提取衛星地圖的地形，掌握給水管網的管徑、管長、管材和節點標高等，弄清管網的拓撲關系，建立水力分析管網模型。采用多水源環狀管網平差計算方法，得到最大用水量的運行工況，作出科學的供水管網現狀評價，提出降低能耗的有效措施，同時也為管網改擴建工程提供科學依據。

1 現狀給水管網模型的構建

1.1 管網拓撲關系的建立

對多水源給水管網進行現狀評價，首先要構建管網模型，理清節點與管段之間的拓撲關系，建立有向管網圖[1]。給水管網的數字地圖價格昂貴，但給水管網模型對節點位置和高程的精度要求不是很高，采取了對供水管網平面圖數字采集的方法，利用AutoCAD對采集的照片矢量化建立管網拓撲圖[2]，如圖1所示。

城陽區管網拓撲圖共有64條管段和47個節點，管網的節點和管段進行了編號，確定各管段長度和管徑。節點地面標高通過衛星地圖獲取，精度能達到平差計算要求，城陽區地面比較平坦，高程約為17.25 m左右。青島市城陽區供水水源有5個，即雙龍水廠、夏莊水廠、江家莊水廠、棘洪灘水廠和一座高位水池，用水高峰同時向管網供水，給水管網的最小服務水頭為28 m。

1.2 管網節點流量的確定

在供水管網的現狀評價中，節點流量是一個非常重要的計算參數，它影響著管網平差結果的準確性和管網模型的相似性。節點流量是利用自來水公司的營業水費帳單計算的，能夠保證計算精度，但由于自來水公司是按月抄表，所以折算到節點的是平均流量[3]。首先對用戶的用水量進行大小排序，確定了22個用水大用戶，最后合并到11個節點作為集中流量。在最高時5個水源的供水流量為1 005.55 L/s，集中流量為282.72 L/s，占總流量的28.12%。采用大比例的集中流量，使節點流量計算結果更接近用水量實際值，能夠解決城市管道布設密度差別較大等客觀問題[3]。

對供水區域分塊，把分塊圖中的一般用戶用水量統計出來，作為節點流量與管網模型對應[4]。無計量用水和漏損水量用總生產水量減去水表總記錄的用水量，并按沿線流量均勻分配到所有配水管道上，再把沿線流量等效到每個節點上。這樣，抄表水量與無計量用水量之和即為平均節點流量[5]。，乘以時變化系數Kh折算為最高時流量。

圖1 給水管網模型Fig.1 Water supply network model

1.3 時變化系數的計算

給水管網的時變化系數體現了連續用水24 h的時周期性，由城市性質、生活習慣和生產規律等所決定，在不同月份差別不大，但節假日與工作日相差明顯[6]。因為是對現狀管網的評價，故只對工作日的用水量進行分析。從城陽供水遙測系統讀取各水廠的供水量，發現水廠每個時段的供水量基本平穩，變化幅度比較小，這不符合小型城市的用水變化規律。變化較大的是高位水池的水位，說明高位水池起了很大的調節作用，削弱了水廠供水量的變化。因此，可以關閉高位水池的運行，以保證供水量與用水量相等，只要讀取水廠供水量就可以準確地計算時變化系數。考慮到關閉了高位水池會影響整個管網系統的正常運行，故采用了遙測系統的高位水池的水位變化數據，按下式推算管網的用水量：

Q2=Q1-ΔHA

式中：Q1為水泵流量，m3/h；Q2為管網用水量，m3/h；A為高位水池有效平面面積，m2；ΔH為高位水池在單位時間的水位變化高度，m/h。

當Q1>Q2時，表示水池進水，ΔH為正值；當Q1

根據用水量繪制管網用水曲線，確定時變化系數為1.58。

1.4 有效管徑的等效

進行水力模擬計算時，可以使用新管的Hazen-Williams系數Cz和有效管徑Dz，也可以使用舊管的當前C值和新管的公稱直徑D[6]。對現狀管網的模擬評價，為方便起見，采用輸入舊管的有效管徑Dz，而Hazen-Williams系數采用新管的值。城陽區給水管道材料主要是球墨鑄鐵管，最大輸水管徑為DN1 000，配水管網最小管徑150 mm，主要管徑為DN300和DN400 2種規格，隨著使用年限的增長，其管徑按斜率kd直線減少，則有效管徑的計算式為Dz=D-kd×使用年限，這樣在進行現狀評價時就可以對每條管道進行等效簡化[7]。研究可知，kd與公稱直徑有關，其相關性如表1所示。

2 現狀給水管網運行工況分析

把建立完成的現狀給水管網拓撲關系，通過AutoCAD數據交換接口引入Bentley WaterCAD平臺上，每個節點附加最高時工況流量，采用單目標遺傳算法優化功能對模型進行水力平差計算。平差計算過程中，設定高位水池的壓力為已知，而其余水廠和節點的壓力未知，根據平差計算結果主要分析節點自由壓力，以最省的管網改造費用，削除供水低壓區，降低各水廠供水泵站的揚程。現狀給水管網最高時工況的平差結果如圖2所示，節點標注值和等水壓線值為自由水壓。

表1 kd與公稱管徑的關系Tab.1 Relationship between kd and nominal pipe diameter

圖2 給水管網等水壓線Fig.2 Isohydraulic diagram of water supply network

2.1 供水低壓區改善方案

分析給水管網等水壓線圖2得知，在城區的西南方向存在一個自由水壓低于27.40 m的低壓供水區域，與居民經常投訴水壓不足相一致。此區域人口密集，需水量較大，達到了1 152 m3/h，主要由位于城陽區西部的棘洪灘水廠供水。棘洪灘水廠輸水管段(54)、(55)、(56)和(48)的管徑是DN1 000，但是從西北方位和節點接入管網的連接管(53)和(50)只有DN300，管網上的和節點并沒有與輸水管相接，大部分水需要繞道到節點進入管網。在管網模型上，連接節點和再并聯一條DN300管道，把和節點與DN1 000輸水管道搭接，可縮短低壓區的供水路徑。圖3中的粗虛線為增設的3條連接管。經平差計算低壓區的水壓提高了3 m左右，這樣可保證服務水頭超過28 m。

作為主要供水水源的夏莊水廠，其供水量為826 m3/h，僅由一條DN500的輸水管道向北供水，管線長和流速大造成水頭損失偏大。后經調研得知，夏莊水廠實際上向西有一條DN200的輸水管線，但沒有與管網相連。若夏莊水廠的出水向西分流，把DN200的輸水管線延伸至節點③與管網連接，如圖3所示，經平差計算的結果是：夏莊水廠的DN500輸水管流速由1.17 m/s降到0.54 m/s，低壓區的節點壓力都升高了1.4 m以上，更重要的是可以降低夏莊水廠10 m的水泵揚程。

圖3 輸水管與管網相連Fig.3 Delivery pipe is connected to water supply network

另外，管網在擴建過程中，沒有進行系統地規劃，對管道成環的重要性和作用認識不足，存在配水管道沒有連成環的問題，影響了連通性和供水安全。因此，應優先把位于城市中心的節點⑩和與管段(6)相接，節點⑥與管段(3)相接，節點⑧與管段(14)相接，模擬計算結果表明，可有助于改善管網的水流狀態，并能縮小低壓區的范圍。

2.2 水廠供水范圍的界定

對供水管道流速分布進行分析，可確定南北供水區域是以和陽路為界的。雙龍和夏莊水廠負責南部占全區40%的供水任務，其余的60%的供水任務由棘洪灘水廠和江家莊水廠負責，并且在枯水期城市北部主要由棘洪灘水廠供水。棘洪灘水廠的原水來自引黃濟青工程，黃河水污染較重，生產的飲用水口感略差。確定了棘洪灘水廠以及各水廠的供水范圍，供水區域的交界是幾個水廠的混合給水區，會引起水質頻繁變化，應加強水質監控[8]。

2.3 供水泵站改造方案

棘洪灘水廠離城區較遠，屬于遠距離輸水，來水壓力為49.5 m。其他3個水廠由于擴建和維護更換的原因，泵站水泵型號較多，經過實地調查摸清了水泵的型號和生產廠家，并通過查閱手冊或與廠家聯系獲得水泵的性能參數，水泵效率都較低，大多為70%～72%，最低的只有61%，較新的泵可達到77%。高位水池的地勢高，位于江家莊水廠北側，為向高位水池供水，原有水泵揚程為63 m，但平差計算結果是若不向高位水池供水，江家莊水廠的水泵揚程僅為35.53 m就能滿足管網的供水要求，即原有水泵揚程超出27.47 m，應作為首先改造的項目工程，需更換所有水泵，并采用變頻控制。

隨著城市管網的建設，各水廠增設了一些水泵，但與供水系統匹配存在不合理性，水泵揚程高于管網阻力，變頻調速節能技術也沒有得到應用，從而使水泵一直在低效率范圍內運行，運行成本較高。為降低水泵的運行費用，應選擇運行效率高、同性能參數而功率相對較小的產品。經估算，更換高效率水泵的設備費和安裝費總投資為68.7 萬元，帶來的經濟效益是每年可節省24.1 萬元的電費，在3 a內可收回用于泵組設備改造的投資。

3 結 語

在對供水管網的現狀評價過程中，數據處理和建模等準備工作是非常重要的。必須要保證管網拓撲結構的準確性，重要管線應到現場勘查，與第一線的維修工人師傅交流。小規模的給水管網可以不簡化，以減少模擬的誤差。現狀管道已銹蝕，應科學地確定Hazen-Williams系數C值，并根據管道的使用年限其管徑按斜率kd直線減少的規律，對管徑進行等效簡化。

通過給水管網現狀分析，較準確地掌握管網水流方向、流速、壓降和節點自由水壓等運行工況。等水壓線圖可較精準確定供水不足的區域，有助于發現管網布置不合理的因素，提出正確的改善壓力不足的管道改造方案，確定水廠供水界線，為管網的科學管理提供決策支持。同時對原有的水泵進行優化，降低水泵揚程，提高運行效率，也可降低漏失率。