城市供水管網現狀分析及基于EPANET的優化設計

摘要：文章從城市供水管網現存問題出發，提出了改造優化方案，并基于EPANET提供了一個簡單的案例計算，計算發現案例管網末端供水壓力不足，從幾個方面提出了改進措施，并最終滿足了供水需求。

關鍵詞：供水管網； 管網優化； EPANET

中國分類號：TU991.02A

［定稿日期］2022-12-02

［作者簡介］盧耀忠（1976—），男，專科，助理工程師，從事城市給排水管網相關設計管理工作。

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，城市化進程不斷加快，社會對高質量、高可靠性供水提出了要求，城市鄉鎮供水需求不斷增大，居民、商業、工業等用戶的需用水量不斷增加。我國部分地區供水管網早期建設的時候，只考慮了當時的供水需求進行設計，而如今管網工作情況變化，出現了方方面面的問題［1-5］，特別是管網布置存在很多不合理的地方。本文分析了城市鄉鎮供水管網目前存在的問題，并給出了一些改造優化措施，特別針對管網布置不合理導致的供水壓力不足的問題，使用EPANET軟件進行了案例管網建模并計算，提出了新建并行管道、管網成環、增大管徑等方案，以滿足供水壓力需求。

1 現狀城市供水管網問題

1.1 管網布置不合理

目前城市鄉鎮供水管網的布置一般分為樹枝狀布置和環狀布置。樹枝狀管網的優點是設計簡單，管線總長度短，投資較少，但缺點是水利可靠性差，事故工況或消防工況下很容易造成斷供情況發生，特別是當主干管發生事故，可能會導致一大片區域停水。鄉鎮供水管網的建設是隨著城鎮的發展而敷設的，管網布置規劃同樣不合理［6］，存在著和早期城市供水管網同樣的缺陷，存在著管網水頭損失集中、管道內流速大等問題。隨著鄉村和城市的發展，用戶需水量增大，需水用戶對水力可靠性的要求也相應提高，這時樹枝狀管網就不再滿足城市的需要。環狀管網的優點是水力可靠性高，當干管發生事故時，也可以由其他并行管道承擔供水。但是環狀管網的缺點也很明顯，管線總長度長，從而帶來投資增加、施工困難等問題。

1.2 供水水壓不足

在很多老城區內，供水管網的建設時間很早，且管道材料大多為鍍鋅鋼和灰口鑄鐵管，這些管道經過了長時間的運行，水流的沖刷，導致管道內部出現很大程度的腐蝕現象。結垢和鐵銹的產生導致管道的粗糙度增加，管道內流動摩擦阻力系數增大，運輸效率下降，從而導致了水源到用戶端壓力損失變大。如果在夏季等用水高峰期時，各用戶需水量增大，而水源供水壓力不足，導致用戶端壓力不足，出現無水可用的情況。

1.3 供水管網二次污染

水源從出水廠到供水末端需要經過復雜的供水管網，供水管網的管線長度通常可達成千上萬米，而水在管道內的停留時間也可能達到數日。我國的供水管網大部分修建時間早，管道內部腐蝕情況嚴重，可能會導致水中重金屬含量增加。如鍍鋅鋼管可能會導致水中苯類、金屬鉛、揮發性酚等含量增加。這將導致水質污染加重，嚴重的甚至可能危害人體健康。

1.4 管道滲漏

維護不到位，管理不善或設施施工階段方面原因導致管道老化腐蝕損壞嚴重，經常發生滲漏現象，導致水資源的浪費。若滲漏發生在室內，更會對生活、生產產生嚴重影響。

2 城市現有供水管網優化改造措施

2.1 供水管網結構優化

現有部分管網為樹枝狀管網，當現有管網無法滿足城市用水需求時，就需要對現有管網結構進行優化改造。在改建、擴建過程中，應該結合現有管網，充分利用現有管網進行改造。改造思路有幾點：

（1）更換現有管道，若城市需水量較大，現有管道無法滿足需求，可更換為大管徑管道以滿足供水需求。

（2）可沿現有管道在不違反現行規范的前提下鋪設并行管道，以緩解供水壓力。

（3）可將現有的樹枝狀管網通過新建管網改造為環枝結合的管網，既可以有環狀管網水力可靠性高的優點，也可以避免管線過長導致成本增加。

2.2 選擇合適管材

在對現有城市供水管網進行改建、擴建的過程中，應當選用經濟、適用的管材。管材對整個管道工程發揮著關鍵作用，對整個管道工程的經濟性、壽命、可運行性都有影響。

2.3 合理進行管道檢漏

目前城市鄉鎮管網普遍存在著管道滲漏現象，管道滲漏會帶來諸多不利影響，除了會導致供水水壓降低影響需水用戶正常用水外，還會給供水公司帶來極大的經濟損失。因此合理的管道檢漏方法能幫助發現滲漏嚴重的管道，并及時進行補救措施。漏損量是衡量一個區域的供水管網技術水平和運維狀態的重要指標之一，常見的檢漏方法包括區域裝表法、聽音法、紅外法、探地雷達法、相關檢漏法等，供水供水應該根據當地實際情況，綜合考量精度、成本等方面，選擇最合適的檢漏方法。

3 基于EPANET的案例管網優化

3.1 EPANET軟件介紹

EPANET是美國環保署開發的一款可以進行有壓管道水力計算和水質特性延時模擬的開源計算機軟件，如今已經被廣泛運用于管網水力水質計算和管網優化設計當中，我國也有學者使用EPANET軟件進行管網的優化設計［7-8］。其水頭損失計算有3個公式可供選擇，海曾-威廉公式、謝才-曼寧公式、達西-魏斯巴赫公式，海曾-威廉公式適用于較為光滑的滿管圓管紊流計算，一般用于供水管道水力計算。

3.2 案例管網模型參數

N村地勢平坦，故各節點地面標高均簡化為25 m，采用重力供水，蓄水池標高130 m。水頭損失公式選擇海曾-威廉公式。案例管網為樹枝狀管網，包括1個蓄水池，13個用水節點和13根管道，管道粗糙系數均設置為100。案例管網模型見圖1，各節點在夏季高峰需水量參見表1各管段參數參見表2。其中“R”表示水源，“J”表示節點，“P”表示管道。

3.3 短周期模擬結果及分析

使用EPANET軟件進行短周期水力計算，計算結果顯示在夏季高峰工況下，管道末端存在水壓不足的現象，管網最低壓力節點為J6節點，節點壓力為0.18 MPa，不滿足消防最低壓力0.28 MPa，各節點壓力參見表3。

3.4 案例供水管網改造優化方案

3.4.1 新建管道使管網成環

可在J2和J6節點之間新建一根管道，使整個管網增加一個環，總體形成環枝結合。新建管道長度為200 m，管徑為DN100 mm。此時進行水力計算，管網最低節點壓力為0.45 MPa，可以滿足最低消防水壓要求。改造后管道模型參見圖2，節點壓力參見表4。

3.4.2 新建并行管道

由管網結構可以分析得出，管網壓力損失主要出現在P1管道，可以新建一根并行管道P14，緩解P1管道供水壓力。新建管道長度為500 m，管徑為DN 100 mm。此時進行水力計算，管網最低節點壓力為0.53 MPa，可以滿足最低消防水壓要求。改造后管道模型參見圖3，節點壓力參見表5。

3.4.3 增加管徑

由上述可知管網壓力損失主要來自P1管道，可將P1管道更換為更大管徑管道，來減少整個管網壓力損失。但這種改造措施浪費了原有管道，并且開挖舊管道會造成額外的成本，不推薦此種改造方案。

3.4.4 提高供水壓力

可以通過提高供水壓力以滿足管網末端壓力不足的情況，方式簡單，但不能根本改變管網結構問題，還會造成運行成本上升，不推薦此種改造方案。

4 結束語

雖然我國的供水工程技術已經日漸成熟，但很多地區的供水管網已經不能滿足社會發展需求，存在著諸多問題，所以發現管網問題并提出相應的改造優化措施是提高我國當前供水工程質量的關鍵手段。本文闡述了當前我國城市供水管網的諸多問題，并使用EPANET軟件對案例管網進行了水力計算。

案例管網在夏季用水高峰工況下，存在供水壓力不足的狀況。根據計算結果，建議采取以下幾種方案對管網進行優化改造以滿足夏季用水高峰工況下的用水需求：

（1）建議在J2和J6節點間連接一根管道，使管網J2、J4、J7、J11節點成環，很大程度上緩解了P8管道的供水壓力，分擔了P8管道壓力損失，提高了管網水利可靠性，使管網末端壓力滿足最低供水壓力要求。

（2）P1管道為水源出口的第一條干管，供水壓力最大，水頭損失也最大。可以在P1管道旁敷設一條并行管道，分擔P1管道的供水壓力，減少整個管網的水頭損失。但這種方案的缺點是管網水利可靠性沒有提高。

（3）因為管網水頭損失較大，可以更換局部水頭損失較大的管道，更換為大口徑管道。但這種方案浪費了現有管道，并且除了敷設新管道，還要開挖舊管道，經濟成本較大，不推薦此種改造方案。

（4）可以提高供水壓力，或者進行管網末端區域加壓補水的方案來滿足管網最低供水壓力。但這種方案經濟效益低，也不作推薦。

針對管道存在的相應問題，提出了優化改造方案，并達到了相關要求，保障了供水管網的安全穩定運行。

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