供水管网可靠性研究进展

陈雷李威袁一星邱薇

(1:吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，长春130118;2:哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)

供水系统是城市非常重要的基础设施，同时也是城市始终保持可持续发展的重要保障.城市供水是城市赖以生存的根基，现在城市供水系统的可靠性已成为城市发展和社会经济发展的主要课题，并日益成为制约经济发展的关键因素之一;此外，还涉及到相关的安全和整个社会的稳定.它与城市经济发展和社会发展的各方面要素，形成一种不可分离的关系，是反映城市发展建设水平的重要标志.

近些年来，尽管依据城市规划发展需要新建和优化改建了很多供水管网系统，但仍有大量的老化、供水不安全的管线在继续运行.由于供水系统设施老化、陈旧引起的系统功能的降低、用水需求的大量增加、科学技术水平较低、管理体制不完善等诸多原因，使我国城市供水系统漏损、故障现象频繁加剧，使给水系统的可靠性问题倍受关注.目前，我国城市的供水现状还面临着许多严峻的问题有待于解决.

1 我国供水现存的问题

1.1 水资源短缺且严重污染

我国现在是一个水资源短缺的国家［1］.人均水资源仅有2 200m3，这在世界上仅为平均水平的1/4，为美国的1/5，在世界上位居121位，是全球人均水资源最贫乏的13个国家之一.

1.2 水厂技术工艺落后

早在20世纪70年代末，一些发达国家就已经能够针对城市饮用水中发现大量的能够对人体造成危害的微量有机物和氯化消毒副产物，同时增加了臭氧、活性炭的深度处理工艺，有的甚至在具有较好的原水水质条件下也增加了深度处理以去除水中的臭味，现在他们正在研发更加先进的膜处理技术.而我国供水厂的水处理工艺绝大多数还止步于在20世纪80年代发展的混凝、沉淀、过滤、消毒的基础常规工艺上.

1.3 管网水水质问题

一些研究者对国内34个主要城市资料统计［2］，水源为地表水的水厂出厂水水质基本达标的占21%，具有一定腐蚀性的占50%，而轻微结垢的占29%.水源为地下水出水的水厂出厂水质基本达标的约占50%，具有腐蚀性的占30%，轻微结垢的占20%.又对全国总供水量将近45.43%的36个城市调查，出厂水平均浊度为1.3度，而过管网后龙头出水增加到1.6度;铁由0.09mg/L增长到0.11mg/L;色度也从5.2度增长到6.7度.

2 供水管网可靠性的发展

1982年，Walski和Pellacia等人［3］对城市给水系统的主干管存在的故障问题作了经济分析，将可靠度加入到了管道维修和保养中，提出了回归模式，给水系统中的优化设计也是随着可靠性和优化技术、工程理论相呼应的应用研究而逐渐发展起来.

1985年，Tung［4］在论文中采用了在机械和电子系统可靠性研究领域中经常采用的故障树法、路集法和割集法来分析管网的网络可靠性，并最终得出结论:最小割集法是节点可靠度设计的最有效方法.

1986年，Mays等人［5］首次将可靠度的计算引入给水管网的非线性优化模型中，并提出给水系统中单个附件的可靠度计算模式，对平均无故障时间及负载强度进行分析.随着研究的不断深入，给水管网网络可靠性的定量分析的指标也逐渐被提出.

1988年，Wagner等人［6］发表了2篇论文，分别为《输配水系统可靠性—分析篇》和《输配水系统可靠性—模拟篇》，论文所研究提出了两个可靠性指标:节点连通性和管网系统可得性.节点连通性表示管网中某一节点至少有一个路与水源连通的概率;管网系统可得性表示管网中的节点都至少有一个路与水源相连通.这是从网络结构的可靠性出发对给水管网进行评价.这个方法其实有明显不足，凭假设某用水节点只要有通路与水源相连，该节点就能够满足需要的水量、水压和水质显然是与实际情况不符.

1991年，Bao和Mays等人［7］在前人研究的基础上，用Monte Carlo方法建立了一个由随机生成器、水力网络模拟和可靠性计算组成的模型.这个模型当时引起了很大的反响，但该方法的明显不足就是工作量太大，需要计算的次数非常多以保证精确度.

1994年，Gupta等人［8］在考虑节点需水量和要求最小工作压力为基础，可靠性主要受这两点影响，同时提出了3个可靠性特征参数:节点可靠度、系统可靠度和最小可靠度.

2010年，Yuan Zhao、Bijun Luo等人发表的《供水系统的水力水质分析》［9］，其中建立了水力和水质的可靠性模型.在模型中，可利用可用水的比例和正常节点的需求来计算水力可靠性，用节点水质的达标率来计算水质可靠性.同时还建立了市政管网工况的可靠性模型，分析结果表明，可靠性模型不仅合理、准确，而且能在实践中很好地应用.

2011年，Bao Zhuang，Kevin Lansey等人发表《考虑自适应泵给水管网系统可靠性分析》［10］，研究提供了一个简单、合理的方法来计算供水管网系统的恢复性，用其代表系统对故障情况的反应和恢复能力.之前的给水管网系统研究，经常把系统的故障当作无法修复的事件，然后仅仅试图通过增强管道本身的能力来避免故障的发生，而没有考虑到自适应系统操作.所提出的给水管网系统实用性模型来考虑自适应泵操作，这会让结果更加符合现实.该方法适用于中型供水传输系统，其结果表明自适应泵操作系统在故障时会利用额外适度的水泵消耗，相应地提高给水管网系统的恢复力.此研究还能扩展故障隔离的布局的价值考虑.另外，在未来的可靠性框架里还会包括水池在延长期的模拟.

3 结语

现在国内外都有学者从一个或某几个方面考虑了给水系统的可靠性，事实上，影响给水系统可靠性的因素很多，如组件失效、水力故障及流量变化，目前，还没有把所有非确定因素适用于实际管网的可靠性模型.而且，对管网可靠度的研究绝大部分针对管网的机械可靠性和水力可靠性，从网络拓扑结构和水力模拟出发［11］，对给水管网的可靠性进行评价，而对于水质可靠性的研究较少.近期也有部分学者对水质可靠性建模并获得实践的应用.在火灾发生时，消防用水量在短时间内会非常大，对于住在火灾发生地周围的居民及企业在用水时会造成影响，在以后的研究中建议可靠性模型中对消防时用户用水的影响做进一步研究.因此，可靠性的研究必须运用模拟实验和实践相结合的方法，利用先进的理念和技术以及强大的科研队伍，全方位地开展供水管网可靠性研究，使其日臻完善.

［1］ 崔玉川，付涛.我国城市给水发展现状与特点［J］.中国给水排水，1999，15(2):67－69.

［2］ 秦秋莉，陈景艳.我国城市供水安全状况分析及保障对策研究［J］.水利经济，2001，19(3):27－31.

［3］ Walski，T.M.Pelliccia.Economic analysis ofmain breaks［J］.Journal of AWWA，1982，74(3):140－147.

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［5］ Mays，L.W，and Cullin ane，M.J.(1986).“A review and evaluation of reliability concepts for design of water distribution systems.”［J］Miscellaneous paper EL－86－1，.U.S.Engineer Waterways Experiment Station，Vicksburg，Miss.

［6］ Wagne，J.M.，Shamir，U.，Marks，D.H.Water distribution reliability:analytical methods［J］.Water Resource，ASCE，1988，14(3):253－275.

［7］ Bao，Y.Mays，L.W.，Model for water distribution system reliability［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1990，116(9):1119－1137.

［8］ Gupta R.Bhave P.R.Reliability analysis ofwater－distribution systems［J］.Journal of Environmental Engineering，1994，120(2):447－460.

［9］ Yuan zhao，Bijun Luo.Hydraulic and Water Quality Reliability Analysis of Water Distribution System［J］.2010 2nd Conference on Environmental Science and Information Application Technology，2009(2):140－144..

［10］ Bao Zhuang，Kevin Lansey.Reliability/availability analysis of water distribution systems considering adaptive pump operation［M］.World Environmental and Water Resources Congress，2011:224.

［11］ 舒诗湖，何文杰，赵明.供水管网漏失检测技术现状与进展［J］.给水排水，2008，l34(6):114－116.