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(huì)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(duì)于充分發(fā)揮整個(gè)給水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)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(jì)中的一個(gè)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(huì)越來越依賴生命線工程系統(tǒng)。對(duì)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(jì)

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(shí)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(gè)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(duì)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(jì)中的一個(gè)重要課題[1]。

二、國內(nèi)外研究動(dòng)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(jì)，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(gè)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(gè)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(shí)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(píng)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(shí)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(shí)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(dòng)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(jì)負(fù)荷值。

因而，目前的研究主要集中在兩個(gè)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(shí)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(jì)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(duì)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(jì)、維修等參考。

目前，在給水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可靠性的考慮一般限于采用定性的原則表示對(duì)其具體的可靠性定義及如何定量的評(píng)價(jià)、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(duì)系統(tǒng)供水情況的影響。分析中，根據(jù)選擇的評(píng)價(jià)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(shí)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(gè)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(gè)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(chǔ)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(jì)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(duì)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(jì)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(jì)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