供水管網(wǎng)可靠性研究綜述

張連強(qiáng)+樊曉晨

【摘 要】隨著城市的現(xiàn)代化發(fā)展，城市的生產(chǎn)、生活會越來越依賴城市給水系統(tǒng)，而給水管網(wǎng)是城市給水系統(tǒng)重要的組成部分，其可靠運(yùn)作對于充分發(fā)揮整個給水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益有著舉足輕重的作用。因此研究給水管網(wǎng)的可靠性，提高其供水可靠度，使之更好的完成其給水功能是給水系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要課題。隨著城市的現(xiàn)代化發(fā)展。城市的生產(chǎn)、生活會越來越依賴生命線工程系統(tǒng)。對生命線工程進(jìn)行抗震研究是地震工程研究領(lǐng)域的重要課題。生命線工程系統(tǒng)的抗震性能和受強(qiáng)震襲擊后的運(yùn)行功能，可以從系統(tǒng)可靠度的角度進(jìn)行研究分析。

【關(guān)鍵詞】供水管網(wǎng)；水力分析；可靠性；抗震可靠性；管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

一、 供水現(xiàn)狀及存在的問題

城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)是現(xiàn)代化城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，是城市文明、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。主要功能是：及時可靠地向用戶提供符合衛(wèi)生質(zhì)量要求的水；為用戶提供充足的水量和水壓。

由于供水設(shè)施陳舊、技術(shù)水平較低、管理體制不完善等諸多原因使我國城市供水漏損現(xiàn)象嚴(yán)重。目前我國城市的供水現(xiàn)狀也還面臨著許多十分嚴(yán)峻的問題，正有待解決。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：水資源短缺，水環(huán)境污染嚴(yán)重，城市供水量不足；供水水質(zhì)偏低，二次污染嚴(yán)重；管網(wǎng)漏損嚴(yán)重；供水管理科學(xué)性不強(qiáng)。按供水行業(yè)的特點(diǎn)，對供水系統(tǒng)的安全可靠性要求特別高，強(qiáng)調(diào)安全不問斷地供應(yīng)質(zhì)量良好的水，因此如何減少給水系統(tǒng)的故障和損失，提高供水可靠性，使之更好的完成其給水功能是給水系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要課題[1]。

二、國內(nèi)外研究動態(tài)

二十世紀(jì)七十年代，Darnelin等人首次提出將可靠性理論運(yùn)用于城市給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，并初步探討了輸水管道的可靠性問題，隨后關(guān)于給水管網(wǎng)可靠性理論的研究逐漸引起了眾多學(xué)者的興趣[2]。早期的給水可靠性研究大都是停留在理論研究上，沒有更好的與實(shí)際工程結(jié)合起來，發(fā)展比較緩慢。隨著研究的發(fā)展，Wagner等人在“輸配水系統(tǒng)可靠性一分析篇”中，他提出了給水可靠性的3個指標(biāo)：（1）節(jié)點(diǎn)與水源點(diǎn)相通的概率； （2）系統(tǒng)全部節(jié)點(diǎn)與水源點(diǎn)相通的概率；（3）系統(tǒng)的每個節(jié)點(diǎn)滿足水壓要求的概率。隨著研究的深入，研究者們逐漸意識到單一地分析機(jī)械可靠性或水力可靠性具有一定的缺陷，20世紀(jì)90年代以來，研究者開始試著把機(jī)械可靠度和水力可靠度結(jié)合起來分析給水系統(tǒng)的可靠性，即在先滿足可達(dá)性和可連接性等機(jī)械可靠性的基礎(chǔ)上，再加上評估能否滿足用戶需水量和水壓要求，以其滿足上述要求的概率來表征系統(tǒng)的可靠度由于模擬管網(wǎng)水力工況需要花費(fèi)大量的時間，促使很多學(xué)者力求尋找度量管網(wǎng)可靠性的間接方法。

我國關(guān)于城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性理論的研究工作開展較晚，只有十幾年的時間，目前尚處于探索性階段。

三、 供水管網(wǎng)可靠性研究方法

（一）系統(tǒng)可靠性研究方法

從定量角度分析給水管網(wǎng)的可靠度，涉及到兩種不同類型的管網(wǎng)故障，一種是部件失效，如主干管爆裂、泵站故障，這都使得管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化—連通性變差，即非水源點(diǎn)與水源點(diǎn)相通的概率降低，從而管網(wǎng)變得不可靠。另外一種是動態(tài)變化的因素，如：隨著管道的腐蝕和沉積作用，管道輸水能力降低；城市用水量的增加超過管網(wǎng)設(shè)計負(fù)荷值。

因而，目前的研究主要集中在兩個層次[3～4]，一種是結(jié)構(gòu)可靠性研究，即給水管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否合理從而達(dá)到其供水要求；另一種是水力可靠性研究，考慮任意時刻可能出現(xiàn)的用水量變化及管道粗糙系數(shù)變化是否造成管網(wǎng)不能達(dá)到其供水要求。

（二） 管網(wǎng)可靠性分析方法

由于給水管網(wǎng)本身比較復(fù)雜，而且受多種因素影響，給水管網(wǎng)可靠性分析方法發(fā)展較緩慢，目前還沒有一種方法得到普遍的認(rèn)可，并應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計中。從方法總體分類，考慮管網(wǎng)輸水能力及考慮閥門配置等方面對已有的各種方法進(jìn)行了歸納、總結(jié)，可供可靠性分析及設(shè)計、維修等參考。

目前，在給水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中，可靠性的考慮一般限于采用定性的原則表示對其具體的可靠性定義及如何定量的評價、量測等仍沒有統(tǒng)一的概念。一般可采用概率方法[5]，通過引入概率來說明某一偶然性事件對系統(tǒng)供水情況的影響。分析中，根據(jù)選擇的評價標(biāo)準(zhǔn)不同，可以采用不同的指標(biāo)以反映中斷供水或供水不足的程度、持續(xù)時間、發(fā)生頻率、用戶受影響的程度等。所采用的方法主要是在Wagner和Shamir等于1988年提出的解析法和模擬法的基礎(chǔ)上不斷深化發(fā)展起來的。

1.解析法。

本方法是由Wagner和Shamir等于1988年提出的。根據(jù)整個給水系統(tǒng)的組成部分的劃分的詳細(xì)程度將其可靠性分析方法分為三類：①供應(yīng)、需求都?xì)w并到一起；②需求歸并在一起分析供應(yīng)和傳輸過程；③供應(yīng)、需求都詳細(xì)考慮。即網(wǎng)絡(luò)的形式表示給水管網(wǎng)系統(tǒng)。

2.模擬法。

該方法亦是由Wagner和Shamir等于1988年提出的。系統(tǒng)中管線和設(shè)備（如水源、泵站、蓄水池、閥門及其他控制設(shè)備）以網(wǎng)絡(luò)模型代表。模型的準(zhǔn)確詳細(xì)水平應(yīng)與分析的問題相一致，如要研究連接性、閥門的配置（從可靠度角度出發(fā)），有必要包括小尺寸的管子；另一方面，要研究整個供水區(qū)的供水可靠度，模型只能包含一些設(shè)備和主要的傳輸系統(tǒng)即可。水源、管段破裂、泵損壞和電力故障等都可能引起供水不足。

四、結(jié)語

綜上所述，由于給水管網(wǎng)本身比較復(fù)雜，而且受多種因素影響，更由于水的可存儲性等，給水管網(wǎng)可靠性分析方法發(fā)展較緩慢，目前還沒有一種方法得到普遍的認(rèn)可并應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計中。本文從方法總體分類，考慮管網(wǎng)輸水能力及考慮閥門配置等方面對已有的各種方法進(jìn)行了歸納，總結(jié)，可供可靠性分析及設(shè)計維修等參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王圃，龍騰銳等. 城市給水管網(wǎng)可靠性分析與應(yīng)用[J].給水排水.2005.

[2] 趙新華，劉英梅，喬字.城市給水管網(wǎng)可靠度的計算[J].中國給水排水.2002.

[3] Y.Setiadi，T.T.Tanyimboh， A.B.Templeman.Modelling errors，entropy and the hydraulic reliability of water distribution systems[J].Advance in Engineering Sofware.2005.

[4] 趙洪賓，嚴(yán)煦世.給水管網(wǎng)系統(tǒng)理論與分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2003.

[5] 金星，洪延姬.工程系統(tǒng)可靠性數(shù)值分析方法.國防工業(yè)出版社，2002.endprint