多水源给水管网现状评价与节能优化研究

赵星明，刘锋范，徐 军，赵兴忠

(1.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018; 2. 青岛市城阳区自来水公司，山东 青岛 266109;3. 青岛市城阳区书院水库管理所，山东 青岛 266109

改革开放以来，青岛市城阳区的城市化进程加快，人口密度增大，生活用水量急剧增加，自来水的服务范围外延，给水管网扩展重叠，供水水源也增加到4个，供水能力达到25.4 万m3/d。供水管网随着城市的发展不断扩展改造，因供水水源的增加、高层建筑的兴建引起用水量集中、供水分布发生变化等因素，使部分管段的供水方向改变，某些主干管道的流速和水头损失增大，从而降低了节点压力而影响了用户的用水，供水水泵只能在高扬程下运行，提高了供水能耗。

对多水源的现有给水管网进行水力分析和评价，提出行之有效的改造措施，不仅能够节能降耗，而且还能提高管网的服务水头，改善用户的用水状况。收集和分析现有用水资料及现有给水管网资料是进行改造的前提，利用营业抄表用水量统计得出整个管网的节点流量。实地摸清所埋管线情况，提取卫星地图的地形，掌握给水管网的管径、管长、管材和节点标高等，弄清管网的拓扑关系，建立水力分析管网模型。采用多水源环状管网平差计算方法，得到最大用水量的运行工况，作出科学的供水管网现状评价，提出降低能耗的有效措施，同时也为管网改扩建工程提供科学依据。

1 现状给水管网模型的构建

1.1 管网拓扑关系的建立

对多水源给水管网进行现状评价，首先要构建管网模型，理清节点与管段之间的拓扑关系，建立有向管网图[1]。给水管网的数字地图价格昂贵，但给水管网模型对节点位置和高程的精度要求不是很高，采取了对供水管网平面图数字采集的方法，利用AutoCAD对采集的照片矢量化建立管网拓扑图[2]，如图1所示。

城阳区管网拓扑图共有64条管段和47个节点，管网的节点和管段进行了编号，确定各管段长度和管径。节点地面标高通过卫星地图获取，精度能达到平差计算要求，城阳区地面比较平坦，高程约为17.25 m左右。青岛市城阳区供水水源有5个，即双龙水厂、夏庄水厂、江家庄水厂、棘洪滩水厂和一座高位水池，用水高峰同时向管网供水，给水管网的最小服务水头为28 m。

1.2 管网节点流量的确定

在供水管网的现状评价中，节点流量是一个非常重要的计算参数，它影响着管网平差结果的准确性和管网模型的相似性。节点流量是利用自来水公司的营业水费帐单计算的，能够保证计算精度，但由于自来水公司是按月抄表，所以折算到节点的是平均流量[3]。首先对用户的用水量进行大小排序，确定了22个用水大用户，最后合并到11个节点作为集中流量。在最高时5个水源的供水流量为1 005.55 L/s，集中流量为282.72 L/s，占总流量的28.12%。采用大比例的集中流量，使节点流量计算结果更接近用水量实际值，能够解决城市管道布设密度差别较大等客观问题[3]。

对供水区域分块，把分块图中的一般用户用水量统计出来，作为节点流量与管网模型对应[4]。无计量用水和漏损水量用总生产水量减去水表总记录的用水量，并按沿线流量均匀分配到所有配水管道上，再把沿线流量等效到每个节点上。这样，抄表水量与无计量用水量之和即为平均节点流量[5]。，乘以时变化系数Kh折算为最高时流量。

图1 给水管网模型Fig.1 Water supply network model

1.3 时变化系数的计算

给水管网的时变化系数体现了连续用水24 h的时周期性，由城市性质、生活习惯和生产规律等所决定，在不同月份差别不大，但节假日与工作日相差明显[6]。因为是对现状管网的评价，故只对工作日的用水量进行分析。从城阳供水遥测系统读取各水厂的供水量，发现水厂每个时段的供水量基本平稳，变化幅度比较小，这不符合小型城市的用水变化规律。变化较大的是高位水池的水位，说明高位水池起了很大的调节作用，削弱了水厂供水量的变化。因此，可以关闭高位水池的运行，以保证供水量与用水量相等，只要读取水厂供水量就可以准确地计算时变化系数。考虑到关闭了高位水池会影响整个管网系统的正常运行，故采用了遥测系统的高位水池的水位变化数据，按下式推算管网的用水量：

Q2=Q1-ΔHA

式中：Q1为水泵流量，m3/h；Q2为管网用水量，m3/h；A为高位水池有效平面面积，m2；ΔH为高位水池在单位时间的水位变化高度，m/h。

当Q1>Q2时，表示水池进水，ΔH为正值；当Q1

根据用水量绘制管网用水曲线，确定时变化系数为1.58。

1.4 有效管径的等效

进行水力模拟计算时，可以使用新管的Hazen-Williams系数Cz和有效管径Dz，也可以使用旧管的当前C值和新管的公称直径D[6]。对现状管网的模拟评价，为方便起见，采用输入旧管的有效管径Dz，而Hazen-Williams系数采用新管的值。城阳区给水管道材料主要是球墨铸铁管，最大输水管径为DN1 000，配水管网最小管径150 mm，主要管径为DN300和DN400 2种规格，随着使用年限的增长，其管径按斜率kd直线减少，则有效管径的计算式为Dz=D-kd×使用年限，这样在进行现状评价时就可以对每条管道进行等效简化[7]。研究可知，kd与公称直径有关，其相关性如表1所示。

2 现状给水管网运行工况分析

把建立完成的现状给水管网拓扑关系，通过AutoCAD数据交换接口引入Bentley WaterCAD平台上，每个节点附加最高时工况流量，采用单目标遗传算法优化功能对模型进行水力平差计算。平差计算过程中，设定高位水池的压力为已知，而其余水厂和节点的压力未知，根据平差计算结果主要分析节点自由压力，以最省的管网改造费用，削除供水低压区，降低各水厂供水泵站的扬程。现状给水管网最高时工况的平差结果如图2所示，节点标注值和等水压线值为自由水压。

表1 kd与公称管径的关系Tab.1 Relationship between kd and nominal pipe diameter

图2 给水管网等水压线Fig.2 Isohydraulic diagram of water supply network

2.1 供水低压区改善方案

分析给水管网等水压线图2得知，在城区的西南方向存在一个自由水压低于27.40 m的低压供水区域，与居民经常投诉水压不足相一致。此区域人口密集，需水量较大，达到了1 152 m3/h，主要由位于城阳区西部的棘洪滩水厂供水。棘洪滩水厂输水管段(54)、(55)、(56)和(48)的管径是DN1 000，但是从西北方位和节点接入管网的连接管(53)和(50)只有DN300，管网上的和节点并没有与输水管相接，大部分水需要绕道到节点进入管网。在管网模型上，连接节点和再并联一条DN300管道，把和节点与DN1 000输水管道搭接，可缩短低压区的供水路径。图3中的粗虚线为增设的3条连接管。经平差计算低压区的水压提高了3 m左右，这样可保证服务水头超过28 m。

作为主要供水水源的夏庄水厂，其供水量为826 m3/h，仅由一条DN500的输水管道向北供水，管线长和流速大造成水头损失偏大。后经调研得知，夏庄水厂实际上向西有一条DN200的输水管线，但没有与管网相连。若夏庄水厂的出水向西分流，把DN200的输水管线延伸至节点③与管网连接，如图3所示，经平差计算的结果是：夏庄水厂的DN500输水管流速由1.17 m/s降到0.54 m/s，低压区的节点压力都升高了1.4 m以上，更重要的是可以降低夏庄水厂10 m的水泵扬程。

图3 输水管与管网相连Fig.3 Delivery pipe is connected to water supply network

另外，管网在扩建过程中，没有进行系统地规划，对管道成环的重要性和作用认识不足，存在配水管道没有连成环的问题，影响了连通性和供水安全。因此，应优先把位于城市中心的节点⑩和与管段(6)相接，节点⑥与管段(3)相接，节点⑧与管段(14)相接，模拟计算结果表明，可有助于改善管网的水流状态，并能缩小低压区的范围。

2.2 水厂供水范围的界定

对供水管道流速分布进行分析，可确定南北供水区域是以和阳路为界的。双龙和夏庄水厂负责南部占全区40%的供水任务，其余的60%的供水任务由棘洪滩水厂和江家庄水厂负责，并且在枯水期城市北部主要由棘洪滩水厂供水。棘洪滩水厂的原水来自引黄济青工程，黄河水污染较重，生产的饮用水口感略差。确定了棘洪滩水厂以及各水厂的供水范围，供水区域的交界是几个水厂的混合给水区，会引起水质频繁变化，应加强水质监控[8]。

2.3 供水泵站改造方案

棘洪滩水厂离城区较远，属于远距离输水，来水压力为49.5 m。其他3个水厂由于扩建和维护更换的原因，泵站水泵型号较多，经过实地调查摸清了水泵的型号和生产厂家，并通过查阅手册或与厂家联系获得水泵的性能参数，水泵效率都较低，大多为70%～72%，最低的只有61%，较新的泵可达到77%。高位水池的地势高，位于江家庄水厂北侧，为向高位水池供水，原有水泵扬程为63 m，但平差计算结果是若不向高位水池供水，江家庄水厂的水泵扬程仅为35.53 m就能满足管网的供水要求，即原有水泵扬程超出27.47 m，应作为首先改造的项目工程，需更换所有水泵，并采用变频控制。

随着城市管网的建设，各水厂增设了一些水泵，但与供水系统匹配存在不合理性，水泵扬程高于管网阻力，变频调速节能技术也没有得到应用，从而使水泵一直在低效率范围内运行，运行成本较高。为降低水泵的运行费用，应选择运行效率高、同性能参数而功率相对较小的产品。经估算，更换高效率水泵的设备费和安装费总投资为68.7 万元，带来的经济效益是每年可节省24.1 万元的电费，在3 a内可收回用于泵组设备改造的投资。

3 结 语

在对供水管网的现状评价过程中，数据处理和建模等准备工作是非常重要的。必须要保证管网拓扑结构的准确性，重要管线应到现场勘查，与第一线的维修工人师傅交流。小规模的给水管网可以不简化，以减少模拟的误差。现状管道已锈蚀，应科学地确定Hazen-Williams系数C值，并根据管道的使用年限其管径按斜率kd直线减少的规律，对管径进行等效简化。

通过给水管网现状分析，较准确地掌握管网水流方向、流速、压降和节点自由水压等运行工况。等水压线图可较精准确定供水不足的区域，有助于发现管网布置不合理的因素，提出正确的改善压力不足的管道改造方案，确定水厂供水界线，为管网的科学管理提供决策支持。同时对原有的水泵进行优化，降低水泵扬程，提高运行效率，也可降低漏失率。