水力模型在蘇州某供水管網中的應用

劉永濤，卜祥菊

(吳江華衍水務有限公司，江蘇蘇州 100124)

供水管網是水司給水系統中的重要組成部分，給水管網的建設費用占給水工程總投資的60%～80%，投資較高。因此，供水管網運行是否合理直接影響水司的經濟效益。蘇州某水司根據水力模型進行管網改建、新建合理化分析、新建管道的沖洗等，為水司科學制定方案提供了有力的依據。

1 管網模型意義及應用

1.1 水力模型意義

我國城市供水行業至今已有100多年，尤其是改革開放以來，城市給水發展迅速[1]。給水管網是城市供水系統中的重要組成部分，在保證穩定的水壓等方面起重要的作用，為用戶得到安全可靠的飲用水提供保障。目前，我國大部分城市的水廠建設滯后于城市管網建設，因此，管網是整個供水系統的薄弱環節，也是所有水司重點關注的部分。由于給水管網的敷設情況復雜，資料久遠，很多管線存在安全隱患，造成多次給水事故。因此，掌握給水管網的運行狀態是水司管理者的必然要求。利用計算機技術及數學模型，建立一個仿真模擬管網運行狀態的水力模型顯得尤為重要。通過模型，一方面可以讓水司管理者掌握管網的實時運行情況，及時發現管網潛在的風險，為管網維護和改造提供科學依據；另一方面，通過模型可以進行科學調度，為水廠及泵站提高運行效率、節能降耗提供決策支持。

1.2 水力模型應用

水力模型的應用主要體現在以下幾個方面。(1)水廠及泵站優化調度：以SCADA系統為基礎，通過水量預測功能，運用最優化技術，從所有的調度方案中選擇運行費用最省、可靠性最高，且能滿足用戶給水要求的調度方案，從而最大程度降低水司運行成本。(2)管網在線方案模擬：舊管網改造、閥門狀態改變，或進行現狀管網的中長期規劃設計時，利用水力模型進行更新方案的水力計算，并分析方案前后管網運行情況的差別。(3)對現狀管網運行狀態進行評估，對不合理之處根據顏色做出展示，并提出合理化改造建議。(4)DMA分區測點的優化。(5)爆管預警分析。具體的功能應用根據水司需求量身定做，每個水司可根據自己的要求建立不同功能的水力模型[2]。

2 水力模型的建立

2.1 模型簡介

水力模型分為靜態模型與動態模型，蘇州某水司建設的是靜態水力模型，該模型于2012年建設完成投入使用，模型供水覆蓋面積為1 177 km2，涉及管道直徑為DN75以上所有管道，總長度大概為4 534 km。模型節點為32 207個，管段為44 556個，閥門為6 142個，水表為5 154個。管網在線壓力表共330個，測流點共2 231個。模型建好之后，精度可以達到100%壓力差≤5 m，80%壓力差≤3 m，滿足模型使用要求。模型展示如圖1所示。

圖1 模型展示圖Tab. 1 Model Diagram

2.2 模型更新維護

自模型投入使用以來，為確保精度，每年需對其進行更新維護，取最高日供水量進行數據更新，選擇供水最高日為模型校驗日[3]。模型的更新維護主要包含以下幾個方面：第一，管道拓撲結構的更新，將GIS的shp文件與模型進行對比，將差別部分全部更新到模型中；第二，閥門的狀態更新，平時管網維護時及時記錄開關狀態改變的閥門，并建立臺賬，將閥門的改變信息隨時更新到模型中；第三，測壓點及測流點的更新，對于新增、廢除、移位的測壓點或測流點，及時建立臺賬，將這些信息隨時更新到模型中[4]。

3 管網應用介紹

蘇州水司管網模型建成后，根據實際需要，主要用于以下幾個方面：(1)管網新建方案的評估，輔助判斷方案是否合理；(2)管網改建方案合理性評估；(3)新建管道進行沖洗時沖洗方案的合理性評估，判斷周圍是否存在低壓區；(4)調度方案分析[5]。

通過2個案例對以上管網模型的應用進行闡述分析。

3.1 案例1：管網方案合理性的評估

(1)存在問題

由于蘇州某區內管網較復雜，無法通過簡單計算確定新建管網及改建管網方案是否合理，需通過管網模型模擬管道系統運行情況確定是否新建及改造。

(2)工程概況

蘇州某區某段時間居民反映壓力低，為了消除用水低壓區，改善居民用水條件，水司計劃雙龍路新建DN600管道工程，舜湖西路新建DN600管道。

(3)模擬分析

將雙龍路及舜湖西路關鍵定義為DN600，建立水力模型模擬，通過供水狀態模擬，確定此方案對水壓的改善情況，進而判斷方案的可行性，同時發現未預見的一些問題。新建管道位置如圖2所示。

圖2 新建管道位置Tab. 2 New Pipeline Location

通過水力模型對現有區域內的幾處壓力控制點水壓變化進行分析，以鎮區三門弄壓力點為例(圖3)。

圖3 鎮區三門弄壓力模擬Tab. 3 Pressure Simulation of Sanmennong

通過水力模型對現有壓力點進行分析，得出以下結論。

(1)通過管網新建及改造，該區整體壓力能達到25 m以上，能夠解決該區域低壓問題，有效解決民生問題，該建設方案合理、有效。

(2)通過水力模型模擬，發現此地區多處主干管出現逆流情況，需將某處管網DN500閥門關閉，防止主干管發生回流(圖4)。

圖4 管道回流示意圖Tab. 4 Pipe Backflow Diagram

(3)通過管網模擬分析，既可以有效分析管網建設的合理性，又可以發現在管網建設中其他的運行問題。

3.2 案例2：大管道沖洗方案及管網調度的合理性評估

(1)存在問題

蘇州某區震盛公路DN1200已完成施工，但對于管道沖洗方案無法統一各部門意見，且工程較緊急，急需完成該項目。

(2)工程概況

震盛公路DN1200給水工程施工完畢后，水壓試驗已經合格，滿足沖洗消毒條件。如圖5所示，主要的沖洗方案是根據管道閥門設置情況，將此段管道分為3個階段沖洗。由于沖洗水量較大，需停水保證沖洗水量，方案的合理性非常重要。

圖5 沖洗方案示意圖Tab. 5 Scheme Diagram of Pipes Flushing

(3)模型分析

第一階段：管道流向由西向東，震桃公路DN1400管負責供水。沖洗持續5 h，泄水量為4 000 m3/h。在保證此泄水量的前提下，對震桃公路S230交叉口測壓點、廟震公路318國道北測壓點建設銀行北橋測壓點等6個測壓點進行模擬。如圖6所示，以震桃公路S230交叉口壓力點為例，正常管道運行時，此壓力點最低壓力為27 m；管道沖洗時，此壓力點最低壓力為26 m，有1 m左右的壓降。

圖6 震桃公路S230交叉口壓力模擬Tab. 6 Pressure Simulation of Intersection

第二階段和第三階段沖洗時，參照閥門開度和口徑設置某閥門泄水量為2 000 m3/h，沖洗過程中調度關閉某泵站。

經過水力模型模擬比對，得出以下結論。

(1)在第一階段：對閥門開度進行調整，沖洗管段前半段流速為0.98 m/s，后半段流速為0.8 m/s，流速較高，基本滿足管道沖洗要求，管道沖洗壓力基本在18 m以上。附近某路DN1400管壓力下降約0.7 m，該區約有5 m壓降，部分區域最低壓力可能低至9 m。

(2)在第二、三階段：管道流速為0.5 m/s，不足以滿足沖洗要求。該區域整體約有3 m的壓降，局部地區最大壓降達到5 m，沖洗管道的壓力基本保持在10 m以上。

(3)綜合考慮，通過模擬調度閥門、泵站等開啟及關閉，第一階段沖洗能滿足沖洗要求；由于第二、三階段沖洗流速不滿足本次管網的沖洗要求，需重新制定其他沖洗方案；整體沖洗方案會出現局部地區的低壓供水，但管道沖洗在夜間進行，不會影響居民生活需求。

4 結語

通過以上2個案例可以充分說明，管網水力模型能夠有效指導水司對管網建設方案的合理性進行分析，并指導調度對施工期間及管道正常運行期采取不同的指令，使管網達到最佳的運行狀態。而且可以提出預警，及時發布給受影響區域的居民，避免在管網建設及運行中出現低壓、斷水等情況，造成不良的社會影響。

水力模型是水司掌握給水管網系統運行狀態的重要工具，運行狀態的動態模擬，可幫助水司了解管網中各個管段的流量、壓力狀態，進一步實現了給水管網的科學設計與運行管理，為實現管網系統的安全運行、節省投資、提高水司的服務水平提供了重要保障。