现状管网平差及其原始数据的准备

高乃云 彭海清 范瑾初

　　[提要]本文介绍了现状管网平差的作用和应准备的原始数据及其计算结果。
　　[关键词]现状管网平差原始数据计算结果

　　给水管网在供水过程中, 压力过高, 是造成给水管网能量浪费和管道漏失乃至引起爆管的主要原因之一。城市管网合理调度的前提是掌握整个管网中的压力分布状况,现状管网平差是了解其分布状况的途径。
　　目前, 我国有些省、市很重视这项工作。譬如,江苏省把各个城市自来水公司是否每两年进行一次现状管网平差,作为自来水公司能否达到某个企业等级的标准。这对于江苏省各个城市节水、节能、强化管理将会起到巨大的推动作用,正在发挥着举足轻重的经济效益和社会效益。

一、水压力与漏失率和能耗

　　节约用水、降低漏失率, 减少爆管率是摆在我国大、中城市自来水公司议事日程上的问题。1987 年中国城镇供水协会对我国380 多个城市的管网漏失率进行统计, 平均漏失率为8 % ,最高达50192 % ,最低则为0121 %。自来水的大量漏失,既浪费了水资源,又浪费了电能。我国大、中城市均有一个多水源的复杂管网。管网中的水压力与漏失率有密切的关系。一般,城市管网供水过程中, 凡压力过于偏低的区域, 反响强烈,往往成为应该解决的突出矛盾。但压力过高,却不会引起人们的重视。实际上,压力过高区域的供水, 不仅造成能耗的浪费, 而且会造成水量的严重流失。管网中的管道、闸门、室内给水管道和配件及管道接头往往承受不了高压,会造成管道或配件的损坏,进而导致管道局部渗、漏水,甚至引起爆管。给水管道的漏失率与给水压力成正比,合理调度是合理供水、科学供水的关键。了解管网中的水压力分布情况是合理调度的可靠依据。
　　自来水厂二级泵房的供水压力一般以250～450kPa 为宜。为了防止城市管网中某个区域压力过高, 必须合理调度各水厂二级泵站(或其它向管网供水的增压泵站、水库泵站) 中的水泵。
　　通过现状管网平差计算,除了可了解水压力外,还可以了解各个管段的流速、水力坡降(水头损失) 等。尽管一个城市的自来水管网实际上是动态的, 管网中的水力状况每时每刻都在变化,现状管网平差也可以认为是一个动态拟合。要想详细了解某个城市管网,寻找其特有的内在的规律性,就必须进行现状水力分析核算。大、中城市往往具有数十个乃至数百个环,进行现状水力分析核算,既使所拟的管道粗糙系数和节点流量加以适当调整, 使其比较符合当时现场的实际; 也是城市管网扩建设计计算的可靠数据,避免管网扩建的盲目性。
　　自来水管网在供水过程中,除了保证最小服务水头和克服阻力所需的必要能量外,总是存在着相当大的被浪费的能量。根据某水厂1995 年二级泵房的记录, 每1000m3 水的压力增高10kPa (1m) ,年平均耗费电能4111kW·h ,全年月平均最高为4132kW·h , 最低为4100kW·h ,耗电量最大变化幅度为8%左右, 具体变化曲线见图1。一天供水量达几百万m3 的城市,倘若不重视供水压力的调控,每个节点上的多余压力仅10kPa , 一天就浪费电能几千kW·h , 一个月、一年累积起来浪费的电能就更可观。为了减少这不该浪费的能量, 应通过现状管网平差, 了解整个城市管网中水压力的分布情况,进行优化调度。

二、现状管网平差计算应该准备的数据和计算结果

　　目前,常用的管网水力分析计算程序不外乎是用解节点方程法(求解管网的节点压力) 、解管段方程法(求解每个管段的流量) 、解环方程法(求解每环的校正流量) 。不管是哪一种方法,都必须既满足连续性方程：

　　Q_i + Σq_ij = 0　　　　　　　(1)

式中 Qi ———i 节点的节点流量;
　　 qij ———与i 节点连接的管段流量。

又满足能量方程

　　Σh_ij= 0　　　　　　　　(2)

式中∑h_ij ———环内各管段水头损失之和。

　　要进行现状管网水力分析核算,首先要画出管网的简化图(即计算简图) ,并将管网的节点和管段分别排序编号,以使数据中的序号与计算简图中的编号一一对应。倘若一年或两年做一次现状管网平差计算,其水量数据应是整个城市年最高日最高时供水量总和与管网中各节点同步相应测得的节点流量数据。但这一般很难做到精确,只能将城市最高日最高时抄表流量作为依据,通过计算比流量→沿线流量,从而得到节点流量。
　　除了节点流量之外, 还需准备管段的管径(m) 、管段长度(m) 、管材、管道使用年限(以便确定管道粗糙系数) 、节点地面标高(m) 等基本数据。还需准备各个水源(水厂) 在相对应的时间内(最高日最高时) 的供水量和供水压力以及泵轴标高。
　　经计算机进行水力平差计算, 可得到: 管段的流量(m3 / h 或L / s) 、流速(m/ s) 、水头损失(m) 、节点的压力高程(kPa) 、各管段的水力坡度( ‰) 、阻力系数、各节点自由压力(kPa) 等。以上这些计算结果,可为合理调度整个城市管网的水源水泵机组提供科学依据。对于节约能耗、降低漏失率、管网的扩建工程有重要意义。

参考文献

[1]严煦世、范瑾初主编, 《给水工程》,中国建筑工业出版社, 1995 年。
[2]厉静明、马福康、宋仁元,“对我国供水管网漏损水平的评价”, 《中国给水排水》,1990 年,第2 期。