區塊化供水管網系統進水點設計分析

鄭杰慧

摘要：相比于傳統供水系統的區域計量分區設計而言，管網區塊化供水的模式既能夠實現用水量的分區統計，還能實現均衡整體管道內水壓和水齡的功能，尤其是在水質優化和降漏止損上的表現更加突出。區塊化供水管網系統的設計中，進水點的設計極為關鍵，地形的變化和管道內各項水質指標的變化都會極大影響到進水點的設計工作。本文以杭州市某區的供水區管網進水點設計為例，在施工設計復盤和施工現場還原中展示管網系統進水點的設計理念、設計技術和設計標準。

關鍵詞：區塊化;供水管網;進水點;優化設計

城市供水管網系統的快速擴展和集群化建設是現代化發展的必然趨勢，也是提升城市生活質量、建設城市文明的重要途徑。對城市供水管網系統來說，供水管網系統內部的水壓維持、漏損控制以及日常運營等都是極為重要的保障性項目。為了進一步提升城市供水管網的安全性和經濟性，需要在總結國內外實踐經驗、梳理相關實驗研究成果的同時，重視本地供水管網的實際運營情況和發展前景。區塊化供水管理不僅可以實現對區域用水量的獨立統計，更可以維持管網內部水壓和水齡分布的平衡，提升供水質量和供水管網的經濟效益。

一、研究對象與研究方法

（一）研究對象

本文以杭州市某區的供水區管網進水點設計為例，結合相關文獻記載的供水管網分區管理方案，建立起該區域的立體供水管網模型。（如圖1所示）借助這一模型，將該區域進行階層劃分用以確定水壓平衡規劃模型。

在完成水壓階層概化模型后，進水點的數量和位置確定將有數據化的模型參考，各項地形因素也將呈現在設計人員面前，使得整個工程的設計更加科學、合理。

根據實地考察結果，案例中供水區域的地勢相對平坦，區域內部地形高度差保持在20米以下，總供水面積約10k㎡，日常供水量維持在6*104m3，區域內供水節點總計36個。在供水管網建設上，管道總計60根、25個環，管道總長度為29322米。

（二）研究方法

1. 水壓模擬分析法

借助EPANET2.0軟件的建模功能，將該區域的管網系統進行數字建模。結合相關給排水單位提供的管網平差結果確定好官網內不同節點的日流量數據，導入軟件中進行水壓模擬分析。

在本案例的水壓模擬分析中，進水點處需要設置供水池和水泵，以此控制管網內最不利點的自由水頭。為進一步確保管網內的流速始終保持在合理的范圍內，需要強化對水泵揚程的控制，針對進水點的數量和位置的變化進行水壓模擬數據采集。控制管網內各個節點的流量不變，整個管網的平均水壓和最高水壓都要在設計標準內。

水齡模擬分析法

在水壓模擬分析的基礎上，增加時間控制條件。一般情況下，以1小時為單位，收集乘子在24小時內用水量的變化曲線。針對不同的進水點設計模型進行72小時水質采樣分析模擬。繪制72小時內的水齡等值線圖，該數值內的平均水齡和最好水齡就代表了整個管網所有節點的水齡情況。

經濟性比較分析法

在經濟性比較中，主要依據嚴熙世的《給水工程》管網技術經濟算法。在水泵綜合運營費用和管網建設投資費用上，則根據當地市政單位給出的建設指導意見進行費用籌備。

二、結果與分析

（一）進水點數量模擬結果

在數字模型的分析中，進水點的數量分別設置了1、2、3、4共四種方案。結合案例區域的實際地理情況，在確保整個管網內供水數據均衡的情況下，將進水點的位置分別部署在：J3，J3和J18，J32、J5和J18，J32、J5、J33和J18。

1.水壓分析

根據數據模擬的情況，相比于1個進水點的設計，多個進水點在管網平均自由水頭的降低效果上更加突出，且隨著進水點數量的增加，降低的效果會各更為突出。多進水點的方案中，最大自由水頭的降低效率也在逐步提升，且管網自由水頭的平均值和最大值之間的差距會呈現出明顯減弱的趨勢。

與此同時，多個進水點的設計也能夠實現水泵揚程的有效縮短。但值得注意的是，多進水點的設計在水泵揚程縮短效果上的差異并不明顯。

除此之外，進水點數量和整體管網水壓等值線的關系也極為密切。進水點數量的增多，會導致管網內的整體水壓呈現下降趨勢，且會使水壓的分布變得更加均衡。在1個進水點的設計方案中，有三成多的管網水壓維持在36米以上的水平;在多個進水點的設計方案中，這一數值都小于35米，且隨著進水點數量的增加，整體水壓開始趨向于最不利點水壓標準。

2.水齡分析

在本案例的水齡分析中，進水點數量的增加會導致管網內的平均水齡和最大水齡都呈現下降趨勢。不僅如此，進水點數量的增加，將造成平均水齡和最大水平的降低幅度逐漸增加。這意味著，進水點數量的增加能夠明顯提升整個管網的水質，且促使整個管網內的水齡分布更加均衡。但更多的進水點數量并不會帶來水齡降低服務的明顯減小，甚至在進水口數量達到一定峰值時，水平的降低幅度會進入平臺期。

3.經濟性分析

在經濟性的分析中，相比于單進水點的設計，多個進水點在總投資上有所降低。這種減低在進水點數量為3和4時差異并不明顯。而泵站的年運行費的降低則呈現出相對明顯的降低趨勢。

綜合水壓的分析結果來看，造成這一現象的根本原因更多集中在水壓的穩定性維持上。進水點數量和泵站數量兩者之間存在正相關，但水泵揚程的減少是造成總投資降低的關鍵所在。

4.進水點數量的確定

綜合上述分析結果，可以清楚地看到：

當進水點水量不超過三個時，管網建設的總投資相差較小，但進水點數量達到四個后，總投資會明顯增加;

進水點數量過多的情況下，整個管網的水壓控制將變得更加困難。且在閉合環的影響下，還可能發生倒流的現象。

因此，如果更重視水壓分布均衡，應該選擇兩個進水點;如果更強調水質保持。則應該設置三個進水點。

（二）進水位置模擬結果

本文所舉案例中整個供水區域面積相對較小，進水點數量對進水位置選擇的影響相對較小。因此，在本文闡述進水位置的研究時默認為單進水點設置。

1.平坦地形

一般情況下，地勢平坦區域的進水點位置應優先考慮中部或者邊側，即J3或J8節點。

（1）水壓分析。J3節點的平均水壓和最高水壓都要低于J8節點處的水壓數值，且平均水壓和最高水壓的差值也遠小于邊側節點;

（2）水齡分析。分析兩個節點產生的平均水齡和最高水齡等值線，發現中間位置的水齡數值更低、且數值表現上更加均衡;

（3）經濟性分析。兩個節點的總投資分別為3359.51萬元和3612.97萬元，中間節點的投資相對更少。

2.陡坡地形

當地勢高度差較大時，進水點位置的選擇優先考慮地勢最高點或中間位置，即J3或J8。

水壓分析。最高點的平均水壓和最高水壓都要低于中間節點的數值，說明節點在最高點時的水壓分布更加均衡;

水齡分析。中間節點的平均水齡和最高水利均略低于最高節點的數值，水平最高節點處的設置更加合理;

經濟性分析。最高處節點的總投資為3622.21萬元，中間處節點的總投資為3501.54萬元，中間節點處更具經濟效益。

陡坡地形的進水位置確定。最佳進水位置在地形最高點，有利于降低各節點的自由水頭，并能夠實現整體供水系統運營的節能降耗。

結束語

綜上所述，在進水點數量的保持上有兩種情況，一種是強調水壓平衡時設置兩個進水點;一種是重視水質保持需要設置三個進水點。與此同時，在地勢平坦的地區，進水點應該設置在管網系統的中間位置;在地勢陡峭的地區，則應該遵循最高點原則。

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