宁波市供水主干管环网规划与水力模型校核研究

陶建科¹ 任基成² 郑国兴³ 李文波² 费杰² 余盛¹ 戴锋伟¹
1上海敢创信息技术有限公司201203 2宁波市自来水总公司315041 3上海市政工程设计研究院200092

　　【摘要】文中作者从实际工程经验和理论出发，提出了宁波市供水主干管环网系统的布置形式，编写了计算机程序进行供水主干管环网口径优化计算，应用WaterSim for GIS管网建模软件建立了宁波市给水管网2003年高日高时水力模型，并进行了近期和远期管网水力模型多工况校核，计算结果表明宁波城市供水主干管环网布置满足近期和远期的供水要求，是合适的。
　　关键词：宁波市 供水主干管环网 规划 水力模型 校核

Study on Ningbo City Water Supply Ring Main Planning and Verifying with Hydraulic Models

Tao Jianke¹ Ren Jicheng² Zhen Guoxing³ Li Wenbo² Fei Jie² Yu Sheng¹ Dai Fenwei¹

1Shanghai Ganchuang Information Technology Co. Ltd.(201203) 2Lingbo Municipal Waterworks General Co.(315041) 3Shanghai Municipal Engineering and Design Institution(200092)

Abstract：With the help of their real engineering experiences and theories the authors in the article present Ningbo city water supply ring main layout. The optimized pipe-sizes of Ningbo city water supply ring main are decided with the designed computer software by ourselves. Ningbo city water distribution models for maximum day’s maximum hourly demand in 2003 are built with WaterSim for GIS software and a long-term and a short-term water distribution are verified with hydraulic model in multiple load condition. The results indicate the layout for Ningbo city water supply ring main meets with the water supply requirement of a short-time and a long-time and are suitable.

Keywords： Ningbo city Water supply ring main Planning Hydraulic model Verifying

0 引言

　　给水管网是城市供水的重要基础设施，建设投资占给水工程建设总投资的65％左右，对供水系统的运行和管理影响较大，受到给水工程建设和运营管理部门的高度重视。
　　宁波城市供水经历了七十多年的不断发展，市区现有日供水能力达82万吨，DN100mm以上供水管道1057km。2003年最高日供水量达86.1万吨，近五年来平均日供水量年平均净增9.42%，而且增长的趋势在逐年加大。预测宁波市自来水总公司2010年总需水量为170万吨/日，2020年总需水量为200万吨/日^[1]，如何将这么大的需水量安全的、经济的、高效的转输和配送到用户，提高供水管网系统的安全运行可靠性是一个需要进行深入研究的课题。
　　本文提出的给水管网主干管环网规划和水力模型校核方法^[2]，利用计算机软件加以实现，在宁波市供水环网主干管环网工程规划（170万吨/日）加以验证。结果表明这一方法具有较高的实用价值。

1 供水管网主干管布置形式

　　本供水工程规划范围涉及宁波市海曙区、江东区、江北区、北仑区、镇海区和鄞州区，宁波市自来水总公司现有的供水区域主要是除鄞州区之外的其它区的建成区，现状管网主要集中在中心城区（三江片），现有主要的四座水厂中的三座位于中心城区，分别是南郊水厂、江东水厂和梅林水厂，另外一座是北仑水厂，距中心城区较远，相对独立。见图1。

图1：供水主干管环网总体布置图

　　根据水源和现状条件，规划的三座水厂分别位于中心城区的外围，距中心城区较远，能力各为50万吨/日，其中二座水厂采用重力流供水。中心城区原供水能力65万吨/日，远期仅保留江东水厂，供水能力降到20万吨/日。
　　由于现状中心城区大规模的管网改扩建工程实施较困难，中心城区地形较平坦，水厂又位于中心城区外围，宜在城外建供水管网主干管环网，分别向环内中心城区和环外其它供水区域输配水量。经过实地勘查、多方案经济比较和论证，采用如图1所示布置方式。
　　宁波城市供水采用城市供水主干管环网的解决方案，有以下优点：（1）主干管环网上任意一点的水可来自两个方向，工程维修、事故断水时，不影响供水系统正常供水，供水的安全可靠性高；（2）采用主干管环网供水可避免在城市供水规模和供水重心发生变化的情况下，出现的对现有管网系统进行大范围改造，适用范围更广；（3）主干管环网建设在城市中心城区外围，排管施工、管线维护、改扩建工程等较中心城区方便、经济；（4）更有利于供水系统的运行调度和管理。

2 供水主干管环网优化计算

2.1 资料准备
　　1）出流点位置的确定
　　供水主干管环网内现状中心城区大口径管道和供水主干管环网均相交，选定为供水主干管环网向现状中心城输配水点。如图2中节点5和中心城区DN1000和DN600管道在联丰路接通，节点17和中心城区DN600管道在望春路接通，节点16和中心城区DN1000和DN500管道在新星路接通，节点14和中心城区DN800管道在慈甬公路接通，节点12和中心城区DN600和DN800管道在甬镇公路接通，节点11和中心城区DN1000、DN600和DN500管道在江南公路接通，节点10和中心城区DN1200、DN1000、DN900和DN500管道在通途路接通，原南郊水厂DN1600原水管改为清水管，与节点7接通，南郊水厂停用。
　　供水主干管环网向环外出流点位置的确定是结合环外区域规划进行，分别位于节点3、4、16、17、15、14、13、12、11、10、21、22和节点18。

图2：供水主干环网节点示意图

　　2）输配水量的确定
　　据文献^[1]预测宁波城市2010年及2020年需水量确定出流水量大小，见表1。2010年供水环网供水量合计100万吨/d，分别来自毛家坪水厂（节点1）和东钱湖水厂（节点20），环网内的南郊水厂供水15万吨/日和江东水厂供水25万吨/日，总计140万吨/日；2020年供水环网供水量合计150万吨/日，毛家坪水厂、东钱湖水厂及北渡水厂（节点19）各50万吨/日，环网内的南郊水厂停役，江东水厂供水20万吨/日，合计170万吨/日。

表1：2010年、2020年预测用水量及分布

年份

地域

2010年

（万）

2020年

（万）

中心城区

60

60.5

北部地区

9

13.5

镇海区

7

10

江北转输

4

4

北仑转输

0

5

东部地区

12.5

21

东钱湖地区及邱隘镇

17.5

17.5

西部地区

20

20

鄞西、东地区

10

18.5

合计

140

170

2.2 主干管环网优化计算数学模型^[6]

1)目标函数



2)约束条件


　　式中：D_i--第i管段直径，m;a,b ,α--管道单位长度造价公式统计参数；T--管网建设投资偿还期，a; P--管网年折旧和大修费率，P%,一般取P=2.5～3.0左右；l_i--第i管段长度，m；H_Fi, H_Ti-- 管段i的起点和终点压力值，m；P_i，q_i，h_Fi--分别为泵站经济指标，元/(m3/(S·m·d))、管段流量(m³/s)和泵站最大时扬程，m；N,M--节点总数和管段总数。
　　上述优化问题的求解属于流量已分配条件下环状管网优化计算课题，采用莫希宁(Л.Φ.Μοшнин)提出了虚流量法进行求解计算^[7]。
2.3、优化计算与分析
　　计算条件：利用宁波城市近年来供水管线综合造价指标计算得造价公式C=300+2716*D^1.68，电价为0.6元/Kwh，项目计算期为20年；投资收益率取5%；水泵效率取80%。管道局部阻力取沿程阻力的10％，钢管，粗糙系数n取0.013（曼宁公式）。主干管环网上压力最低控制值为高程压力30m。供水主干管环网优化计算以170万吨/日作为计算水量，并进行140万吨/日工况校核。取最高日时变化系数_k时= 1.2。
　　经优化计算后，得到一组非标准口径优化计算结果，经管径取整，得到多个被选方案，经主干管环网模拟计算，确定满足要求的四个被选的比较方案，如表2。

表2：被选方案

管 线 长 度

（Km）

方案1

管径（m）

方案2

管径（m）

方案3

管径（m）

方案4

管径（m）

管

线

L1-2=7.98

2.0

2.0

2.0

2.0

L2-3=3.92

2.0

2.0

2.0

2.0

L3-5=7.3

1.8

1.8

1.8

1.8

L2-4=3.32

2.0

2.0

2.0

2.0

L4-6=6.4

2.0

2.0

2.0

2.0

L20-23=5.6

2.0

2.0

2.0

2.0

L8-23=4.7

1.8

1.8

1.8

1.8

L22-23=2.36

2.0

2.0

2.0

2.0

L21-22=4.82

1.8

1.8

1.8

1.8

L9-21=1.99

1.5

1.5

1.5

1.5

L6-7=1.5

1.8

1.8

1.8

1.8

L5-6=5.5

2.0

2.0

2.0

2.0

L5-17=1.44

2.2

2.4

2.0

2.2

L16-17=1.53

2.0

2.2

2.0

2.0

L15-16=2.03

2.0

2.0

2.0

1.8

L14-15=4.3

2.0

1.8

2.0

1.8

L13-14=5.3

1.8

1.8

1.8

1.8

L12-13=3.65

1.8

1.8

1.8

1.8

L11-12=2.02

1.8

1.8

1.8

2.0

L10-11=1.3

1.8

2.0

1.8

2.0

L9-10=3.43

2.0

2.0

2.2

2.2

L8-9=6.95

2.0

2.0

2.0

2.0

L8-18=4.15

1.8

1.8

1.8

1.8

L7-18=3.6

1.8

1.8

1.8

1.8

毛家坪水厂清水池水位高程（m）

47.5

47.5

47.5

47.5

东钱湖水厂清水池水位高程（m）

45.23

44.97

44.64

44.19

北渡水厂与环网接管点压力（m）

39.73

39.65

39.55

39.44

主干管环网上压力最低点值（m）

30.03

30.04

30.13

30.01

管道造价（元）

A

A-1308912

A+1441357

A-1389520

表2表明：四种被选方案都满足主干管环网最低控制压力要求，方案4较方案1、方案2、方案3经济，方案4的管道口径更合理。初步选定方案4的水厂出厂清水管、主干管环网管道口径为优化计算结果。

3 建立现状管网水力模型

选用上海敢创信息技术有限公司管网建模软件（WaterSim For GIS）建立宁波市给水管网2003年最高日最高时管网水力模型，用于规划的2010年及2020年宁波市供水主干管环网多工况校核。

供水管网模型中计算机图形^[3][5]的相关属性数据和空间数据资料主要来自宁波市供水管网地理信息系统，建立起来的供水管线口径大于或等于DN500的供水管网模型结构计算机图形见图3。

节点流量的计算^[3][4]：节点流量计算的基础资料主要来自宁波市自来水营业收费系统2003年的用水量数据。首先定义每月平均用水量超过1000吨的用户为大用户，共有217户，在管网模型中单独作为一个用水量节点，大用户用水量约占系统总用水量的18.80％；除大用户外的其它自来水用户共91218户或748本抄表簿，分别在地形图上表明其具体的供水区域，建立管网模型中用水量节点和抄表簿或用户帐号之间的关联，计算出平均节点流量；供水系统中无计量用水的分配是按比流量（管线长度）进行。经分析历史供水量资料，确定2003年日变化系数和时变化系数分别为1.188和1.2。

管网模型的校验基础数据来自宁波市给水管网SCADA系统。2003年宁波市供水管网系统中最高日最高时用水发生在7月25日20:00，取同时刻的测压点的压力数据和水厂进网水量作为校验数据，共有7个测压点数据（其中2个远传数据无效）和三个水量数据。宁波市中心城区供水管网模型校验结果见表3和表4。

管道阻力系数的确定^[5]：按照宁波市供水管网地理信息系统记录的管龄来确定。

图3：宁波市中心城区供水管网模型计算机图形

表3：水厂进网水量实测值与计算值对比

序号

名称

节点编号

计算值

实测值

误差百分数

1

南郊水厂

10560212J13

2865.3

2853.89

-0.399%

2

江东水厂

10460601J192

5298.4

5299.45

0.02%

3

梅林水厂

3223

734.47

743.8

1.254%

表4：测压点实测数据和计算数据对比

序号

测压点地址

节点编号

地面标高

（m）

实测数据

(m)

平差结果(m)

差值（m）

1

江东北

10760712J6

2.53

25.6

29.74

-1.61

2

甬港路

10560615J121

2.56

28.8

30.96

+0.4

3

高塘

10760302J81

2.32

24.8

27.69

-0.57

4

开明街

10660415J2

4.64

23.2

29.71

+1.85

5

鄞奉路

10460309J8

2.57

26.9

31.15

-1.68

　　分析和结论：
　　· 从表3和表4中可以看出模型计算值和实测值基本吻合，测压点的对比误差稍大，作者认为模拟计算值应更符合实际情况，形成这种误差的原因可能是（1）部分管道的连接或者阀门的开度与实际有差距；（2）仪器采集点的高程误差。
　　· 由于本次管网模型成果不是应用在供水系统的日常运行调度和管理，而是用于供水系统的宏观规划，重在对现状管网的整体水力状态进行把握，该管网模型能够满足要求。

4管网水力模型工况校核

4.1 建立组合管网模型
　　应用WaterSim for GIS软件将宁波市供水主干管环网模型和现状中心城区高日高时管网模型进行组合，建立起的组合管网模型见图4。主干环网和现状中心城管网模型相交处为接管点，在充分利用现有管线系统的基础上，进行管网系统的扩建设计。

图4：组合模型

4.2 水力模型工况校核
　　最大用水时校核：最大用水时的流量按高日高时设计。2010年及2020年管网模型校核结果：主干管环网上压力最低值均大于高程压力30m，供水系统中所有点的高程压力均大于24m，满足要求。
　　事故校核：事故时的流量为最大用水时的70%。针对2010年管网进行14种事故工况校核，针对2020年管网分别进行15种事故工况校核，校核结果表明：主干环网上压力最低值均大于高程压力30m，供水系统中所有点的高程压力均大于24m，满足要求。
　　消防校核：消防时是在最大时流量的基础上，增加两个流量为80L/S的消防点，计算结果表明满足消防要求。

5 结论

　　本文针对宁波城市多水源供水系统实际情况，采用供水主干管环网的供水布置形式，有其明显的优越性，它不仅方便了宁波市供水系统日常的运行调度和管理，更重要的是对于一个发展迅速的城市而言，它具有较强的适应性。

参考文献：

1、 上海市政工程设计研究院/浙江省水利水电勘测设计院. 宁波市周公宅、皎口水库引水及城市供水环网工程可行性研究报告，2004年9月。
2、 Herman M.Orth, Model-Based Design of Water Distribution and Sewage Systems, John Wiley ＆ Sons Ltd. 1996.
3、 陶建科等，给水管网建模中建立计算机系统管网图形和在地形图上划定节点流量区域的方法，给水排水，1997，23（6）：5～8。
4、 陶建科,建立给水管网动态模型中的水量分析方法,给水排水,1998，24（1）：26～30。
5、 陶建科，建立上海市计算机给水管网动态水力模型研究，给水排水，1999，15（4）：11～13。
6、 Walski, Thomas M., Optimization and pipe-sizing decision, Jour. of Water Resource Planning and Management V121, July/Aug. 1995, P340-343.
7、 赵洪宾. 给水管网系统理论与分析，北京：中国建筑工业出版社，2003。

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作者通讯地址： 陶建科 201203上海市浦东新区张江郭守敬路498号3202室 （国家软件产业基地和出口基地上海浦东软件园133信箱）
　　上海敢创信息技术有限公司 博士 高级工程师　电话：(21)51314368 13601779169 E-mail:[email protected]

任基成 宁波市自来水总公司 总工程师 教授级高工
郑国兴 上海市政工程设计研究院 副总工程师 教授级高工
李文波 宁波市自来水总公司 总工办主任 高级工程师
费杰 宁波市自来水总公司 总工办付主任 高级工程师
余 盛 上海敢创信息技术有限公司 硕士 工程师
戴锋伟 上海敢创信息技术有限公司 双学士 工程师