珠海市供水管網模型的建模與應用

曾嬌嬌，朱玉璽，李佳佩

(珠海市規劃設計研究院，廣東珠海 519002)

供水系統水力模型在城市規劃設計中應用較廣泛，尤其在多水廠聯合供水的分析評估中具有較大的優勢。現有供水管網模型多著重探討水力模型在系統問題排查、管網改造及供水調度方面的應用，對水廠新建后的影響分析較少涉及[1-2]。珠海市目前為多水廠聯合供水，現有水廠布局及規模無法負荷近年水量的增長，受用地限制及城市發展布局影響，需新建一座梅溪水廠。本文通過搭建珠海市多水廠聯合供水系統水力模型，分析新建水廠及其配套管網是否滿足城市近期用水需求，為各水廠規模及出廠水壓平衡、新建管道規模等提供科學論證[3-5]。

1 區域概況

珠海市凈化水給水系統大致可以分為中部城區系統和西部地區系統，相對獨立但不乏聯系，已建成規模運行水廠共9座，形成112萬m3/d的供水總規模，2018年最高日用水量已達127.2萬m3/d。中部城區系統由唐家水廠、香洲水廠、南區水廠及拱北水廠供水，供水能力合計60萬m3/d，各水廠分別負責各自供水區域內的供水，亦可通過給水管網的聯通相互調配。西部地區現有西區水廠、乾務水廠和龍井水廠3座主力水廠，負責區域性給水；蓮溪水廠、三灶水廠2座非主力水廠僅負責小范圍內的給水，西部現狀供水能力合計52 m3/d。

全市現有大于DN200的凈化水管道共計1 289.22 km，其中東部城區為530.59 km，西部地區為758.63 km；現有5座中途加壓泵站運行，均位于西部地區；共有3座高位水池，有效容積總計4 000 m3，全市現狀廠站設施規模及分布如表1及圖1所示。

圖1 珠海市現狀廠站設施分布圖Fig.1 Distribution of WTPs in Zhuhai

表1 現狀廠站設施規模Tab.1 Capacity of Existing WTP, Pumping Station and Elevated Reservoir

2 模型構建

供水管網是一類大規模且復雜多變的網絡系統，本次采用MIKE URBAN WD對珠海市現狀供水管網(≥DN200)進行模型構建，將系統簡化和抽象為管段和節點兩類元素，并賦予工程屬性，以便用水力學、圖論和數學分析理論等進行表達和分析計算。

2.1 管道阻力系數初設

管道內壁的粗糙度對流體的傳輸能力有很大的影響，不同管材、服務年限、傳輸介質管道的粗糙度是不同的。就供水管網而言，管道粗糙度的增加會使管道阻力增大，通水能力下降，影響用戶服務水頭。本次對管網沿程水頭損失系數采用海曾-威廉公式，建模初設的管道粗糙系數采用MIKE URBAN模型手冊推薦粗糙系數Cw的經驗取值。如表2所示，珠海市現狀管材多為鑄鐵管，本次模型構建主要結合現狀管網的管材及管齡進行選取，管齡較大的管段Cw一般初設為100，管齡較小的管段Cw一般初設為110～120。

表2 MIKE URBAN模型手冊推薦的海曾-威廉粗糙系數CwTab.2 Cw of Hazen-William Roughness Factor Recommended by MIKE URBEN Model Manual

2.2 基礎資料收集及整理

利用MIKE URBAN WD進行供水管網建模需用到的管網基礎數據資料較多，根據來源可以分為管網屬性數據、運行監測數據、實測數據和派生數據，按照管網各組成要素可分為節點、管道、閥門、水池、水塔及水泵等。各部分資料的獲取可以有多種方式，在建模工作中可以根據實際情況選取快速有效的方式。一般情況下，供水管網建模所應獲取的基礎數據資料的種類、內容及來源如表3所示。

本次模型構建獲取了全市供水管網普查數據庫，2017年抄表數據、SCADA實測流量、壓力數據、供水泵房機組統計等相關資料。依據2017年抄表數據，全市共有用水戶69.89萬戶，扣除6個月無用水的戶數、月均用水量少于1 t的用水戶(漏水、長時間無人居住的情況)，剩余有效用水戶53.66萬戶，通過地圖API調用得到各用水戶的經緯度數據，用于模型水量掛靠。全市有效用水戶空間分布及2017年最高日SCADA實測流量、壓力數據如圖2所示。

表3 供水管網模型基礎資料及來源Tab.3 Basic Data and Sources of Water Supply Network Model

圖2 抄表數據分布及實測流量、壓力過程圖Fig.2 Procedure Chart of Meter Reading Data Distribution and Flow/Pressure

經概化，全市給水系統模型主要包括水廠9座、給水管道1 289.2 km，中途加壓泵站5座，覆蓋建成區面積為294.11 km2，供水系統模型概化成果如圖3所示。

圖3 珠海市給水管網模型概化及抄表數據掛靠圖Fig.3 Water Supply Network Model Generalization and Data Chart of Meter Reading in Zhuhai

2.3 節點流量分配

節點流量分配是供水管網建模工作中的一項重要內容，直接關系到管網水力模型的準確性及其后續的應用效果。常用的分配方法是比流量法，適用于管網密集、用戶和用水量分布平均的供水管網，對于管網疏密分布不均、用水量情況復雜的區域則不適用，會產生較大的誤差。為了準確進行節點流量分配，本次主要采取營抄數據節點流量掛靠的方法進行節點流量的分配，主要將用水點的位置和水量信息批量導入模型，定義各用水點與最近節點進行匹配，將用水點掛靠到最近的節點上。本次對每戶抄表數據進行全年平均計算得到平均日用水量，針對不同水廠服務范圍內的抄表數據，采用平均日水量乘以最高日系數再乘以最高時系數的方式得到高日高時用水戶用水量數據，對漏失水量和未計量水量采用比流量法進行分配，珠海市各水廠日變化系數幅度為1.10～1.55，時變化系數變化幅度為1.17～1.71。

2.4 模型率定

初步建立的供水管網水力模型一般很難符合實際運行工況，需對其不斷修正以逐步接近實際運行工況，達到允許的誤差精度，該過程稱為供水管網模型校核。管網模型校核，實際上是對供水管網的參數估計(不隨時間改變的量，如管道摩阻系數Cw等)和狀態估計(隨時間改變的量，如節點流量值、水廠供水量及水壓等)不斷修正的過程。

珠海市供水管網模型構建主要用于指導管網規劃，因此，僅建立了靜態水力模型。本次選擇哈爾濱工業大學提出的管網模型校核標準進行模型率定[6-7]，模型構建過程中水量分配已同步與分區高日高時供水量進行了匹配修正，在模型率定中主要通過修正水泵特性曲線、部分節點標高、部分管道糙率系數Cw來提高模型精度。

模型率定中共選取了44個有效測壓點進行模型校驗，校驗后約5%的測壓點的模擬壓力與實測壓力存在較大差值，經補充調研，這些點均是由于做了降壓處理，實測壓力比模擬壓力低得多；約10%的測壓點的模擬壓力與實測壓力差值為0.02～0.025 MPa；約85%的測壓點的模擬壓力與實測壓力相當，差值均在0.02 MPa以內，經率定后的模型基本可以滿足下一步的分析評估。實測壓力分布如圖4所示，模擬壓力與實測壓力差值如圖5所示。

圖4 實測壓力分布Fig.4 Measured Pressure Profile

圖5 模擬壓力與實測壓力差值Fig.5 Differences between Simulated Pressure and Measured Pressure

3 模型評估及應用

3.1 模型評估工況

珠海市現狀香洲水廠、拱北水廠及南區水廠超產嚴重，依據《珠海市給水工程系統規劃(2006—2020)修編》，為解決香洲城區的供水需求和上沖等區域水量水壓不足的問題，擬新建一座梅溪水廠，規劃規模為30萬m3/d，梅溪水廠的建設投產能可極大緩解主城區用水需求。考慮到梅溪水廠及其配套管網的建設會對主城區現狀供水系統格局造成較大變化，必須對主城區給水系統在現狀工況下進行核算。本次主要采用全市現狀供水系統模型對梅溪水廠及其配套管網新建進行模型評估，主要評估梅溪水廠及其配套供水干管建成后在不同工況下香洲區供水壓力分布、管網水損情況。

3.2 評估標準

依據《珠海市城市規劃技術標準與準則》(2017版)，城市配水管網的供水水壓宜滿足用戶接管點處服務水頭0.28 MPa的要求，供水管網干線壓力不應低于0.14 MPa。局部地勢較高的地區和高層建筑水壓不能滿足要求時，應設計局部加壓系統。本次結合區域規劃要求，評估標準如下：給水干管(DN≥600)節點自由水頭≥32 m；局部以低層為主的地區或地勢高差較大地區應根據實際情況確定管網的服務水壓，一般保證節點壓力≥28 m，特殊地區≥16 m，供水管網干線壓力不低于0.14 MPa。

3.3 運行工況計算

3.3.1 最高日最高時工況管網校核計算

(1)梅溪、拱北及香洲水廠聯合供水

根據管網模型模擬結果，梅溪水廠建成運行后，將極大緩解香洲城區用水壓力，新香洲片區自由水頭會有較大程度的提升，多數節點的自由水頭在0.28 MPa以上，梅溪水廠建設前后壓力分布如圖6、圖7所示。部分地勢較高或位于管網末端的節點自由水頭較低，相關參數如表4所示。

圖6 最高時工況節點壓力分布圖(新建梅溪水廠前)Fig.6 Pressure Distribution Diagram of Nodes under the Highest Working Condition (before the Construction of Meixi WTP)

圖7 最高時工況節點壓力分布圖(新建梅溪水廠后)Fig.7 Pressure Distribution Diagram of Nodes under the Highest Working Condition (after the Construction of Meixi WTP)

對香洲城區管網的千米水損進行分析，現狀千米水損較大的管段主要集中在拱北水廠附近，原因是拱北水廠及周邊給水管網建設年代較早，管道規模偏小。較大千米水損管段參數如表5所示。

(2)梅溪及香洲水廠聯合供水，拱北水廠工藝改造

梅溪水廠建成運行后，拱北水廠有條件進行工藝提升改造，在最高日最高時工況對僅有梅溪水廠及香洲水廠的工況進行模擬，壓力分布如圖8所示。模型分析得出，拱北水廠全廠同時改造時，吉大片壓力普遍偏低，無法保證區域水量水壓需求，必須進行分期改造，經進一步分析，建議拱北水廠進行半改造半正常供水。

表4 最高時工況最不利節點統計(新建梅溪水廠后)Tab.4 Statistics of the Most Unfavorable Nodes in the Highest Working Condition (after the Construction of Meixi WTP)

表5 現狀給水管網水頭損失較大管段統計Tab.5 Statistics of Larger Head Loss of Existing Water Supply Network

圖8 最高時工況節點壓力分布圖(拱北水廠同期全改造)Fig.8 Distribution Diagram of Nodes Pressure in the Highest Working Condition (during Reconstruction of Gongbei WTP)

3.3.2 事故工況管網校核計算

根據國家相關規范要求進行主要輸水管道發生事故校核驗算：梅溪水廠有2根DN1800的規劃出廠管，出廠后至金鳳路后分為3根主干管，分別為向北的DN1000管和向南的DN1000管、DN1800管。本次對金鳳路向南的DN1000管進行事故工況管網模擬校核，事故流量按正常流量的70%計算。

校核得到各水廠供水規模均為正常規劃的70%，金鳳路向南的剩余1根DN1000主干管流速為1.66 m/s，千米水損為2.88 m，主城區內自由水頭大多高于32 m，地勢稍高的自由水頭大多大于25 m，局部地勢較高的區域節點(地勢>23.0 m)自由水頭在16～19 m，基本滿足主城區水量水壓需求。梅溪水廠出廠管事故工況管網平差校核如圖9所示。

圖9 梅溪水廠出廠管事故工況管網平差校核圖Fig.9 Verification and Calibration of Finished Water Supply Main Pipes under Accident Conditions in Meixi WTP

3.3.3 消防工況管網校核計算

根據2017年人口統計情況，香洲區常住人口為88.06萬，根據《消防給水及消火栓系統技術規范》(GB 50974—2014)，當規劃人口大于70萬時，同一時間內的火災起數取3次，單次火災用水量為100 L/s。將火災發生處布置在管網最不利點，分別分布于建業四路與石花西路交叉口處，健民路與梅界路交叉口及海韻城處，具體起火點分布如圖10所示。對消防工況進行管網校核驗算，計算結果顯示：海韻城自由水頭低于10 m，不滿足消防驗算要求，主要原因是現狀過野貍島給水管管徑僅為DN200，過流能力不足；建業四路與石花西路交叉口處起火后自由水頭為15.5 m，健民路與梅界路交叉口起火后自由水頭為19.3 m，可滿足城市消防的要求。消防工況管網平差校驗如圖10所示。

圖10 消防工況管網平差校驗圖Fig.10 Verification and Calibration under Fire Fighting Accident Conditions in Meixi WTP

經上述評估分析得出：規劃梅溪水廠的選址、規模及出廠水壓基本合理，能滿足近期最高日最高時、事故及消防工況下主城區水量水壓的需求。結合評估情況提出以下建議：(1)平差分析顯示吉大片區部分區域自由水頭較小(16～23 m)，建議針對該片區進行集中二次加壓或建設高位水池；(2)梅溪水廠建成投產后可啟動拱北水廠工藝改造，但不能同時對拱北水廠全套系統進行改造，建議進行半改造半運行，以保證吉大片區的水量水壓需求；(3)本次平差有部分特殊節點自由水頭低于16 m，建議各特殊節點通過二次加壓解決局部自由水頭不足的問題。

4 結論

(1)對于多廠聯合供水的城市，通過建立水力模型對各種運行工況進行分析評估，可為不同的方案提供更直觀的理論依據，對供水系統規劃設計的科學決策有重要的輔助作用。

(2)供水管網水力模型的準確度和精度與供水公司的基礎數據緊密相關[8]，其中水量分配及管網糙率系數會對模型模擬結果產生較大影響。對于現狀供水系統的水量分配，建議收集自來水公司的營業收費系統進行水量掛靠，對于漏失水量和未計量水量采用比流量法進行分配；模型構建完成后一定要采用SCADA系統的實測流量、壓力數據對模型進行率定后，才能應用于后續的規劃設計分析。

(3)供水系統模型在進行規劃設計評估時，需保證各節點的工作壓力不低于0.14 MPa，在進行消防工況驗算時，需保證各節點工作壓力不低于0.1 MPa。