區(qū)塊化供水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)水點(diǎn)設(shè)計(jì)分析

鄭杰慧

摘要：相比于傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的區(qū)域計(jì)量分區(qū)設(shè)計(jì)而言，管網(wǎng)區(qū)塊化供水的模式既能夠?qū)崿F(xiàn)用水量的分區(qū)統(tǒng)計(jì)，還能實(shí)現(xiàn)均衡整體管道內(nèi)水壓和水齡的功能，尤其是在水質(zhì)優(yōu)化和降漏止損上的表現(xiàn)更加突出。區(qū)塊化供水管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵，地形的變化和管道內(nèi)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的變化都會(huì)極大影響到進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)計(jì)工作。本文以杭州市某區(qū)的供水區(qū)管網(wǎng)進(jìn)水點(diǎn)設(shè)計(jì)為例，在施工設(shè)計(jì)復(fù)盤和施工現(xiàn)場還原中展示管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊化;供水管網(wǎng);進(jìn)水點(diǎn);優(yōu)化設(shè)計(jì)

城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的快速擴(kuò)展和集群化建設(shè)是現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢，也是提升城市生活質(zhì)量、建設(shè)城市文明的重要途徑。對城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)來說，供水管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的水壓維持、漏損控制以及日常運(yùn)營等都是極為重要的保障性項(xiàng)目。為了進(jìn)一步提升城市供水管網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，需要在總結(jié)國內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、梳理相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究成果的同時(shí)，重視本地供水管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)營情況和發(fā)展前景。區(qū)塊化供水管理不僅可以實(shí)現(xiàn)對區(qū)域用水量的獨(dú)立統(tǒng)計(jì)，更可以維持管網(wǎng)內(nèi)部水壓和水齡分布的平衡，提升供水質(zhì)量和供水管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

一、研究對象與研究方法

（一）研究對象

本文以杭州市某區(qū)的供水區(qū)管網(wǎng)進(jìn)水點(diǎn)設(shè)計(jì)為例，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)記載的供水管網(wǎng)分區(qū)管理方案，建立起該區(qū)域的立體供水管網(wǎng)模型。（如圖1所示）借助這一模型，將該區(qū)域進(jìn)行階層劃分用以確定水壓平衡規(guī)劃模型。

在完成水壓階層概化模型后，進(jìn)水點(diǎn)的數(shù)量和位置確定將有數(shù)據(jù)化的模型參考，各項(xiàng)地形因素也將呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前，使得整個(gè)工程的設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理。

根據(jù)實(shí)地考察結(jié)果，案例中供水區(qū)域的地勢相對平坦，區(qū)域內(nèi)部地形高度差保持在20米以下，總供水面積約10k㎡，日常供水量維持在6*104m3，區(qū)域內(nèi)供水節(jié)點(diǎn)總計(jì)36個(gè)。在供水管網(wǎng)建設(shè)上，管道總計(jì)60根、25個(gè)環(huán)，管道總長度為29322米。

（二）研究方法

1. 水壓模擬分析法

借助EPANET2.0軟件的建模功能，將該區(qū)域的管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字建模。結(jié)合相關(guān)給排水單位提供的管網(wǎng)平差結(jié)果確定好官網(wǎng)內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)的日流量數(shù)據(jù)，導(dǎo)入軟件中進(jìn)行水壓模擬分析。

在本案例的水壓模擬分析中，進(jìn)水點(diǎn)處需要設(shè)置供水池和水泵，以此控制管網(wǎng)內(nèi)最不利點(diǎn)的自由水頭。為進(jìn)一步確保管網(wǎng)內(nèi)的流速始終保持在合理的范圍內(nèi)，需要強(qiáng)化對水泵揚(yáng)程的控制，針對進(jìn)水點(diǎn)的數(shù)量和位置的變化進(jìn)行水壓模擬數(shù)據(jù)采集?？刂乒芫W(wǎng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量不變，整個(gè)管網(wǎng)的平均水壓和最高水壓都要在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

水齡模擬分析法

在水壓模擬分析的基礎(chǔ)上，增加時(shí)間控制條件。一般情況下，以1小時(shí)為單位，收集乘子在24小時(shí)內(nèi)用水量的變化曲線。針對不同的進(jìn)水點(diǎn)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行72小時(shí)水質(zhì)采樣分析模擬。繪制72小時(shí)內(nèi)的水齡等值線圖，該數(shù)值內(nèi)的平均水齡和最好水齡就代表了整個(gè)管網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的水齡情況。

經(jīng)濟(jì)性比較分析法

在經(jīng)濟(jì)性比較中，主要依據(jù)嚴(yán)熙世的《給水工程》管網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)算法。在水泵綜合運(yùn)營費(fèi)用和管網(wǎng)建設(shè)投資費(fèi)用上，則根據(jù)當(dāng)?shù)厥姓挝唤o出的建設(shè)指導(dǎo)意見進(jìn)行費(fèi)用籌備。

二、結(jié)果與分析

（一）進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量模擬結(jié)果

在數(shù)字模型的分析中，進(jìn)水點(diǎn)的數(shù)量分別設(shè)置了1、2、3、4共四種方案。結(jié)合案例區(qū)域的實(shí)際地理情況，在確保整個(gè)管網(wǎng)內(nèi)供水?dāng)?shù)據(jù)均衡的情況下，將進(jìn)水點(diǎn)的位置分別部署在：J3，J3和J18，J32、J5和J18，J32、J5、J33和J18。

1.水壓分析

根據(jù)數(shù)據(jù)模擬的情況，相比于1個(gè)進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)計(jì)，多個(gè)進(jìn)水點(diǎn)在管網(wǎng)平均自由水頭的降低效果上更加突出，且隨著進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量的增加，降低的效果會(huì)各更為突出。多進(jìn)水點(diǎn)的方案中，最大自由水頭的降低效率也在逐步提升，且管網(wǎng)自由水頭的平均值和最大值之間的差距會(huì)呈現(xiàn)出明顯減弱的趨勢。

與此同時(shí)，多個(gè)進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)計(jì)也能夠?qū)崿F(xiàn)水泵揚(yáng)程的有效縮短。但值得注意的是，多進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)計(jì)在水泵揚(yáng)程縮短效果上的差異并不明顯。

除此之外，進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量和整體管網(wǎng)水壓等值線的關(guān)系也極為密切。進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量的增多，會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)的整體水壓呈現(xiàn)下降趨勢，且會(huì)使水壓的分布變得更加均衡。在1個(gè)進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案中，有三成多的管網(wǎng)水壓維持在36米以上的水平;在多個(gè)進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案中，這一數(shù)值都小于35米，且隨著進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量的增加，整體水壓開始趨向于最不利點(diǎn)水壓標(biāo)準(zhǔn)。

2.水齡分析

在本案例的水齡分析中，進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)的平均水齡和最大水齡都呈現(xiàn)下降趨勢。不僅如此，進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量的增加，將造成平均水齡和最大水平的降低幅度逐漸增加。這意味著，進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量的增加能夠明顯提升整個(gè)管網(wǎng)的水質(zhì)，且促使整個(gè)管網(wǎng)內(nèi)的水齡分布更加均衡。但更多的進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量并不會(huì)帶來水齡降低服務(wù)的明顯減小，甚至在進(jìn)水口數(shù)量達(dá)到一定峰值時(shí)，水平的降低幅度會(huì)進(jìn)入平臺(tái)期。

3.經(jīng)濟(jì)性分析

在經(jīng)濟(jì)性的分析中，相比于單進(jìn)水點(diǎn)的設(shè)計(jì)，多個(gè)進(jìn)水點(diǎn)在總投資上有所降低。這種減低在進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量為3和4時(shí)差異并不明顯。而泵站的年運(yùn)行費(fèi)的降低則呈現(xiàn)出相對明顯的降低趨勢。

綜合水壓的分析結(jié)果來看，造成這一現(xiàn)象的根本原因更多集中在水壓的穩(wěn)定性維持上。進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量和泵站數(shù)量兩者之間存在正相關(guān)，但水泵揚(yáng)程的減少是造成總投資降低的關(guān)鍵所在。

4.進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量的確定

綜合上述分析結(jié)果，可以清楚地看到：

當(dāng)進(jìn)水點(diǎn)水量不超過三個(gè)時(shí)，管網(wǎng)建設(shè)的總投資相差較小，但進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量達(dá)到四個(gè)后，總投資會(huì)明顯增加;

進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量過多的情況下，整個(gè)管網(wǎng)的水壓控制將變得更加困難。且在閉合環(huán)的影響下，還可能發(fā)生倒流的現(xiàn)象。

因此，如果更重視水壓分布均衡，應(yīng)該選擇兩個(gè)進(jìn)水點(diǎn);如果更強(qiáng)調(diào)水質(zhì)保持。則應(yīng)該設(shè)置三個(gè)進(jìn)水點(diǎn)。

（二）進(jìn)水位置模擬結(jié)果

本文所舉案例中整個(gè)供水區(qū)域面積相對較小，進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量對進(jìn)水位置選擇的影響相對較小。因此，在本文闡述進(jìn)水位置的研究時(shí)默認(rèn)為單進(jìn)水點(diǎn)設(shè)置。

1.平坦地形

一般情況下，地勢平坦區(qū)域的進(jìn)水點(diǎn)位置應(yīng)優(yōu)先考慮中部或者邊側(cè)，即J3或J8節(jié)點(diǎn)。

（1）水壓分析。J3節(jié)點(diǎn)的平均水壓和最高水壓都要低于J8節(jié)點(diǎn)處的水壓數(shù)值，且平均水壓和最高水壓的差值也遠(yuǎn)小于邊側(cè)節(jié)點(diǎn);

（2）水齡分析。分析兩個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的平均水齡和最高水齡等值線，發(fā)現(xiàn)中間位置的水齡數(shù)值更低、且數(shù)值表現(xiàn)上更加均衡;

（3）經(jīng)濟(jì)性分析。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的總投資分別為3359.51萬元和3612.97萬元，中間節(jié)點(diǎn)的投資相對更少。

2.陡坡地形

當(dāng)?shù)貏莞叨炔钶^大時(shí)，進(jìn)水點(diǎn)位置的選擇優(yōu)先考慮地勢最高點(diǎn)或中間位置，即J3或J8。

水壓分析。最高點(diǎn)的平均水壓和最高水壓都要低于中間節(jié)點(diǎn)的數(shù)值，說明節(jié)點(diǎn)在最高點(diǎn)時(shí)的水壓分布更加均衡;

水齡分析。中間節(jié)點(diǎn)的平均水齡和最高水利均略低于最高節(jié)點(diǎn)的數(shù)值，水平最高節(jié)點(diǎn)處的設(shè)置更加合理;

經(jīng)濟(jì)性分析。最高處節(jié)點(diǎn)的總投資為3622.21萬元，中間處節(jié)點(diǎn)的總投資為3501.54萬元，中間節(jié)點(diǎn)處更具經(jīng)濟(jì)效益。

陡坡地形的進(jìn)水位置確定。最佳進(jìn)水位置在地形最高點(diǎn)，有利于降低各節(jié)點(diǎn)的自由水頭，并能夠?qū)崿F(xiàn)整體供水系統(tǒng)運(yùn)營的節(jié)能降耗。

結(jié)束語

綜上所述，在進(jìn)水點(diǎn)數(shù)量的保持上有兩種情況，一種是強(qiáng)調(diào)水壓平衡時(shí)設(shè)置兩個(gè)進(jìn)水點(diǎn);一種是重視水質(zhì)保持需要設(shè)置三個(gè)進(jìn)水點(diǎn)。與此同時(shí)，在地勢平坦的地區(qū)，進(jìn)水點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置在管網(wǎng)系統(tǒng)的中間位置;在地勢陡峭的地區(qū)，則應(yīng)該遵循最高點(diǎn)原則。

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