水力模型在A县供水分水站改造工程上的应用.pdf

水力模型作为分析供水管网水力状态的有效工具，可以模拟并评估供水管网的水力运行状态，给出针对性的合理化建议，本文主要结合 A 县全域供水管网分水站改造升级工程实例，首先科学模拟并动态分析远期供水管网流量和流速状况，确定该供水区域经济合理的管径；其次，通过管网压力区域分布情况进而确定各关键点分水站供水形式以及一体化增压泵站选址，使泵站流量扬程设计更加合理；最后通过不同季节高低峰用水模式模拟分析，得到供水调度优化方案，为 A 县供水信息化建设打下坚实基础，同时也为给水管网规划设计和优化控制提供参考。关键词：供水管网；水力模型；模拟分析；调度管理1.前言1.1 水力模型应用的意义给水管网作为城市供水系统中的重要组成部分，具有结构庞大、错综复杂的特点。但由于给水管网通常存在建设时间久、管网易老旧漏损、管网资料缺乏等问题，水司管理者很难实时精确掌握给水管网的运行状态1。随着管网系统管理逐渐向智慧化管理的方向发展，水力模型越来越成为了解和控制供水管网运行状态的必要手段。水力模型通过将管网简化为管段和节点两类要素，构建供水系统中各要素之间的拓扑结构，并赋予系统中各组成部分相应的工程属性，模拟并分析评估系统的水力特性，通过分析结果反馈，辅助水司管理者进行供水系统方面的决策2，其中，水力模型具体应用方面包括规划设计和优化、水力和水质的运行检测、优化调度、运行管理和应急处置等。1.2 建模软件简介MIKE URBAN 是丹麦 DHI 公司自主研发的水力建模软件，整合了 ESRI 的 Arcgis、排水管网系统 CS 及给水管网 WD，形成了一套城市水模拟系统。可应用于给水管网模型的建立，并进行水力、水质、水锤、消防模拟、预案管理等分析，为供水系统的实际运行提供辅助决策支持。该软件通过构建管道、节点、水泵、阀门和水池水库等组件之间拓扑关系，进行有压管网水力和水质特性的延时模拟。在Windows 环境下，提供了管网输入数据编辑、水力和水质模拟，以及以各种方式显示计算结果的集成环境。结果的表达形式直观丰富，包括管网地图分级颜色展示、数据表格、时间序2023 年第 3 期 79 CITY AND TOWN WATER SUPPLY研究与探讨列图和等值线图等。1.3 应用工程来源按照关于组建农村饮水工程专业化管护机构的通知（霸水字 2020105 号）文件要求，结合 A 县镇实际情况，自来水管网内村街共 16 个，其他村街自启动农村安全饮水工程建设以来，建成小型联村供水工程 7 处，供水村街 11 个，采用小型联村供水、村内安装小型除氟设备的建设模式；其他村街采取村街自备井供水，管网均已入户。其中分水站改造工程，主要包括农村供水工程模块和智慧水务模块。通过构建该区域的水力模型，进行近远期管网运行状态评估，并提出合理化改造建议，完善 A 县市中心水厂的给水管网，其中中心水厂主要集中供水居民及家禽牲畜、公共建筑用水，并向周边乡镇地区延伸，形成区域给水一体化工程，实现城镇化的健康与可持续发展。通过可持续经营改善城区供水水平，提高城区及周边乡镇供水安全性，提高服务质量。2.供水管网模型构建与评估2.1 模型构建2.1.1 基础数据收集和导入准确和完善地收集和整理 A 县供水管网的基础信息，并按照构件类型分别导入到Mike Urban 建模软件。供水管网的基础信息主要包括：A 县全域供水系统图、A 县地形图及竣工图、A 县供水生产运行数据和当地用户用水情况等。其中 CAD 地形资料与地理信息系统（GIS）等相关数据，主要依托于 A 县市空间基础数据库3。此外，系统规划和生产运行数据等，均从当地的自来水公司和规划部门获得。该项目按照远期规划全年用水量最大当日中，用水量最高的一小时的需水量进行模拟分析。2.1.2 现场勘查和测量现场的勘察和测量工作主要从流量、压力和距离三方面进行展开，具体包括管网压力、节点高程、水泵特性和边界流量等，通过实测勘察数据，便于后期对原先收集整理的管网基础资料进行校验和核算，保证数据精准符合实际情况。2.1.3 管网拓扑数据处理城乡自来水管网包含了环状管网和树状管网，如果将所有管线加入到管网模型中，在管网计算时将耗用大量时间，实际上是不必要的。为了提高模型计算时间，同时在不影响评估分析的基础上需要对这样复杂的给水管线进行简化处理：既保留 A 县全域主要管线，又能符合 A 县实际用水情况。对模型管网数据经过孤立点、孤立管线检查、重复管线检查、拓扑结构检查，基础数据补充，最终处理形成 A 县中心水厂至各分水站的管网拓扑图。图 1A 县全域供水管网模型拓扑图其中主干管管径 DN90 DN800，各管段信息统计如下表：2023 年第 3 期 80 CITY AND TOWN WATER SUPPLY研究与探讨表 1管段信息统计表管径（mm）长度（m）管径（mm）长度（m）90259330064210013531585431102127735027882125289394007562160367634501194720039639600144822501601980015122.2 需水量测量结合城市总体规划、乡镇总体规划和给水专项规划，确定近远期人口规模，分别采用城市单位人口综合用水量法和分项指标法综合确定管网供水规模。在实际计算中着重分析考虑了近五年乡镇人口发展特点和趋势，确定乡镇近远期供水规模，避免一味套用公式造成设计管径较大偏离实际供水需求。根据村镇供水工程技术规范（SL 310-2019）要求，结合当地 A 县市的气候和地域，确定 A 县农村居民的生活用水定额，考虑家禽牲畜、公共建筑用水、未预见水量和漏损量，确定 A 县中心水厂供水区域各分水站近远期需水量。2.3 模型模拟和校验管网模型率定工作在管网建模过程中作用十分关键。主要通过水司提供的在供水管线上安装的流量和压力等传感器实时监测并回传的数据，修正基础数据及实际管网中存在的问题，使水力模型模拟值与实际值趋近。有时反复调整也达不到理想效果，需凭经验对模型进行调整。如果调整还不成功，模型就要回到最初的状态。并对模型进行一些新的假设，并反复试算。只有这样才能推动模型校验的进展和得到可行的方法。大概校验流程如下：图 2模型校验流程2.4 远期规划管网评估通过管网模型延时模拟了远期规划供水条件下管网中节点压力、管段流量、流速的动态数据，同时分析了目前管网规划设计下供水状况，进而确定本项目中模型分析后对管网规划的设计建议。模拟远期高日高时用水模式下，绝大部分管线流速在 1m/s 左右，小部分末端供水站前侧供水管网流速较经济流速偏大。若管线的实测流速小于本地区的经济流速，表明该管段有输水潜力，如下游供水区压力不足，则可有计划增添加压泵站来增强其输水量，或改善联图 3供水流速分析2023 年第 3 期 81 CITY AND TOWN WATER SUPPLY研究与探讨络管将其他负荷较大的干管流量分部分由该管输送。实测流速过高的管线，可通过联络管引至其他管线，或适当增设平行管线以分担其负荷。实测流速如白天很高晚上甚低，以致相差悬殊的大型管线，则应考虑在其下游增设水库泵站的技术可能性和经济合理性。结合 A 县水厂至各配水站规划需水量要求和整个枝状管网特征，计算并核实 A 县水厂供水片区的各配水站厂、主干网和支管网供水节点需水量，结合 A 县水厂出水压力，A县市全域供水管网节点的压力水头，绝大部分的压力水头都在 10m 以上，西北区域有几个村的节点为负压，通过分析发现村子前端DN110 管段在 11.24L/s 的流量下设计不合理，管径偏小，导致管损偏大，后端村落用水供不上去，并且枝状管网的管径设计由 DN110后分两路供水，一路 DN110 到任水村，一路DN110-DN100-DN125-DN125，管径先小后大，不符合沿途有用水节点的压力需求，建议该区域管网重新设计，建议该区域管网管径进行以下设计，保证后端村子稳定供水。图 4区域水压分析结合 A 县水厂至各配水站规划需水量要求和整个枝状管网特征，计算并核实 A 县水厂供水片区的各供水站、主干网和支管网供水节点需水量。模拟后得到供水系统各管线流量和流向，由水源向四周发散至枝状末端，输水流量呈现由大变小的变化特征。图 5管段流量分析3.分水站供水形式 通过供水管网水力模型分析了管网不同用水时刻、高低峰用水时管网压力分布情况，确定供水低压区域。其中依据当地实际情况和规范要求，最不利点要求满足自由水头大于10m。经水力计算后，不满足自由水头 10m要求的区域主要在延伸管线的末端。考虑到该区域用水量较小不经济，因此设备按照远期用水规模进行选型。其中，每个分水站保留水池和备用泵，结合各供水站压力水头，依次按照压力水头数值范围不同对分水站供水方式进行匹配，具体见下表 2。表 2分水站供水方式分类表压力水头范围建议的供水方式小于 10m蓄供10m 15m直供+蓄供15m 以上切换式无负压无负压泵站主要采用一体化增压泵站提升水压，满足区域内居民对服务水压和水量的要求。目前市场上一体化增压泵站类型种类较多，主要类型有罐式叠压供水设备、箱式叠压供水设备、高位调蓄式叠压供水设备。考虑到箱式叠压供水设备低位水箱能够储存部分水量能够在用水高峰时补充供水管网水量不足，建议采用箱式叠压供水设备。2023 年第 3 期 82 CITY AND TOWN WATER SUPPLY研究与探讨4.辅助供水调度管理4.1 提高出厂压力若供水管网最不利点不能满足服务水头的要求，可以对 A 县市中心水厂运行工况进行调整，在确保安全的前提下将水厂出厂压力调整至最优状态。模拟A县在远期用水规划下，一天中用水高低峰时段动态用水情况，得到使末端南部负压的供水站不出现负压时出厂压力相匹配的数值。其中模拟时要注意区域用水高峰时段直供抢水的问题。4.2 增设中途加压泵站若供水管网最不利点不能满足服务水头的要求，远期规划下还可以在主干管上增设中途加压泵站，进一步优化管网布局，保证后端供水站不再出现负压，满足后端供水需求。具体选址需结合实地调研勘察后确定，保证对周边用户影响较小，同时水泵扬程相对较低，能耗较少，满足用户的用水需求，不仅实现增压功能，还能发挥调蓄作用，增大水厂的输水能力。4.3 错峰调蓄4.3.1 缺乏部分基础资料情况下基于 A 县乡镇的夏季和冬季的用水高低峰时段数据，确定城区不同季节的日用水量曲线数据，为水力模型的分析计算提供必要数据。模型搭建过程中对乡镇定义了不同用水模式曲线，在缺乏部分基础资料的基础上最大限度还原模拟管网实际供水情况。设 置 供 水 总 历 时 24 小 时，模 拟 一 天中的管网分时段供水，在目前已知供水站25 个，其中蓄供 12 个，切换式无负压供水 5 个，直供+蓄供 8 个，各供水站都配备200 1000m3的蓄水池，保证调蓄容量在20%30%。目前管网供水属于被动供水。用水平峰期，水厂供水能力大量富余。高峰期来临时，瞬时用水量到达最大，供水能力会显得不足。A 县中心水厂供水区域各供水站水池数量比较多，若加以合理利用，可缓解区域目前市政供水紧张的问题。结合智慧供水管理平台的大数据处理能力，需对泵房水箱或水池进行自动化管理，使之可以实现远程安全蓄水功能，实现被动供水变为主动供水，既能满足小区的用水要求同时又能在高峰期起到一定的调蓄作用。需要对 A 县中心水厂及周边区域重点小区、二供设备情况、大用户情况、管网情况进行了详细调研摸排。主要通过以下步骤：通过模型进行远期有限的供水量下，依据农村夏天高峰 6 8 点，中午 11 13 点，下午510点；冬天79点，中午11点13点，下午 6 9 点，结合冬天过年用水高峰期中午晚上偏高的总体用水规律并进行模拟一天高平低峰需水量合理分配。其中 A 县水厂分时段供水共有夏秋季节和冬春季节两种供水模式。初步输入并通过延时模拟最终确定好分配的各供水站总需水量在不同高平低峰期所乘的流量系数，具体见下表 3。表 3模型供水模式分时段乘子分布表季节模式夏秋季节时段6 88 1111 1313 1515 1717 2222 44 6乘子20.720.70.720.60.6冬春季节时段7 99 1111 1313 1515 1718 2121 44 7乘子20.720.70.720.60.62023 年第 3 期 83 CITY AND TOWN WATER SUPPLY研究与探讨其中将通过打通水厂和错峰调蓄水池的逻辑关系，可以部分实现主动供水。在直供供水站非高峰期，提前 1 2 个小时将蓄供供水站蓄满，避免在直供高峰期容易抢水的时间段里，南部末梢部分蓄供供水站出现负压。大量错峰调蓄水箱或水池实现主动供水后，水厂出水的小时变化系数就会变小，管网高峰期输配水量就会大幅度下降，同时管损和局部最不利点压力要求会同时下降。如此，水厂的出厂压力就可以有控制的下降。这将大幅度降低水厂的运营能耗。错峰调蓄还对原有水箱或水池的水质循环起到了很大的作用。有效防止了水龄超标细菌再繁殖的问题。对水务企业保证居民用水安全保驾护航。图 6A 县中心水厂夏季 24h 内供水量变化时间序列图 7A 县中心水厂冬季 24h 内供水量变化时间序列4.3.2 基础资料完备情况下随着后续智慧化管理需求提升和基础资料的逐渐完备，可以通过本地搭建智慧供水管理平台，搭建错峰供水系统对现有二次供水设施和水箱控制系统进行改造，增加水箱错峰系统。水箱或水池进水管路改造，增设电动阀门，水箱进水实现可控，增设设备数据采集，对用户用水规律进行采集；增设投入式液位变送器，采集水箱液位，增加进口压力传感器，监测市政管网压力。泵房设置控制柜（内含边缘计算网关，路由器等），实现数据上传，电动阀定时开启和关闭控制系统，也可为以后泵房接入视频、运行数据监测模块进行硬件扩展。通讯覆盖，网络接入泵房。基于分析二次供水设备运行的频率和瞬时流量，发现某个区域人口的用水规律，并集合二供设备水箱和二供前端供水站水池的液位管理，实现优先级的蓄水池或水箱蓄水，一定程度上实现城市的综合联动调度和水量输配，有效缓解部分供水站水压不足的问题。图 8数据完备时错峰调蓄供水的运行逻辑总之，错峰供水本质在于对数据监控采集与大数据分析、人工智能应用计算的有机结合，并基于用户海量用水数据分析城市各用户用水规律，利用算法合理安排各单位的蓄水时间，以减缓用水高峰时段对城市供水管网造成的压力，保障供水安全、稳定。5.结语随着信息技术和数据分析处理技术的发展，面对给水管网中存在的敷设情况复杂、管2023 年第 3 期 84 CITY AND TOWN WATER SUPPLY研究与探讨线老旧和资料久远缺失等安全隐患，结合实际工程案例，水力模型可以作为有效的分析手段应用在实际供水管网工程系统中，提供高效精准的建模分析结果，并辅助供水系统管理决策。参考文献：1 王浩然，臧鹏桂林市供水管网在线水力模型的建立与应用初探 J.供水技术，2021（4）：37 402 刘永涛，卜祥菊.水力模型在苏州某供水管网中的应用 J.净水技术，2020 39（12）：155 1593 杨浩俊，侯金霞，刘蕴哲，等基于水力模型的节能降耗分析与应用实践 J.城镇供水，2022（2）：02 11作者通联：（上接第 40 页）浏览器即可实现设备数据的访问，及巡检业务的线上管理，解决了传统巡检中设备数据现场纸质记录，控制室事后录入的缺点。系统在 G 市自来水公司下属水厂投入使用至今，巡检完成率一直稳定在 95%以上，明显提高巡检人员的工作效率和劳动生产率，有效监控巡查和维护工作，保障水厂设施设备处于良好运行状态，使水厂设备巡检工作更加规范、高效、便捷，具有重要的现实意义和良好的推广价值。参考文献：1 傅晓冬，朱涛，孔华明.设备点巡检管理系统在某水厂的应用 J.中国给水排水，2018（18）：100 104 2 杨长存，胡晓阳，张阿凤，周玉秀.一种基于二维码技术的设备全寿命管理方法 J.电力安全技术，2021（1）：17 19 作者通联：（上接第 77 页）33 Pivokonsky M，Cermakova L，Novotna K，et al.Occurrence of microplastics in raw and treated drinking waterJ.Science of the total environment，2018，643：1644 165134 Sarkar D J，Sarkar S D，Das B K，et al.Microplastics removal efficiency of drinking water treatment plant with pulse clarifierJ.Journal of Hazardous Materials，2021，413：12534735 Ma B，Xue W，Ding Y，et al.Removal characteristics of microplastics by Fe-based coagulants during drinking water treatmentJ.Journal of Environmental Sciences，2019，78：267 27536 Li Y，Li W，Jarvis P,et al.Occurrence，removal and potential threats associated with microplastics in drinking water sourcesJ.Journal of Environmental Chemical Engineering，2020：10452737 Wu M，Liu W，Liang Y.Probing size characteristics of disinfection by-products precursors during the bioavailability study of soluble microbial products using ultrafiltration fractionationJ.Ecotoxicology and environmental safety，2019，175：1 7作者通联：