城市给水管网系统所面临的问题及对策
作者:周建华 来源:《中国给水排水》
1 现行给水管网系统所面临的问题
1.1 用户对供水安全性的要求提高
给水管网系统是一个庞大复杂的“反应器”，经水厂处理合格的水，在管网中会发生一系列的物理、化学及生物反应而导致水质下降。用户对水量和水质要求的提高也加大了供水系统的运行难度。
1.2 供水效益亟待提高
在满足社会需求和环境保护要求的前提下，必须尽量减少供水成本。
电费在自来水成本中所占比例较大(一般为30%～40%[1])，故降低电耗始终是贯彻节能方针、提高供水企业经济效益的重要环节。
管网漏失在计算供水成本时往往被忽视，实际上它应是影响供水企业经济效益的最重要因素。一般采用供水产销差代替漏失量进行统计分析。供水产销差过大是长期困扰我国供水行业的一个老大难问题。
随着近年来劳动力价格的提高，劳动力成本成为供水成本中一个不可忽视的项目。
1.3 管网优化运行要求管网布局科学
由于我国经济发展迅速、城市化发展快、自来水普及率提高迅速而导致供水系统布局和规划有欠科学，忽略了供水系统是一个多目标问题，致使管线连接复杂、铺设冗余，出现了管理困难、停留时间长、事故影响范围大等问题，故应逐步改善管网布局以实现管网的优化运行。
2 给水管网微观动态建模
随着遥测远传设备价格的下降，SCADA系统和优化调度系统进入了实用化阶段；计算机技术的发展也使GPS、GIS、MIS及OA等系统走向成熟；信息技术，传感器、电动执行机构、控制等技术的进步，促进了大型系统的控制和管理水平提高；优化技术、模拟技术与计算机技术的发展，为模拟大型的动态变化的给水管网系统提供了条件。
建立与实际管网系统特征相符的动态模型是优化管理、优化调度及优化改(扩)建的基础，是诊断管网异常、提高管理水平的保证。建模技术流程见图1[2]。
给水管网模型主要应用于信息的查询显示、现状分析(供水路径、水流方向、管道负荷、供水趋势等)、事故处理分析、实用辅助改(扩)建以及漏失控制、优化调度、水质监控等。
3 城市给水管网分区
给水管网微观动态建模对解决管网现存问题至关重要，但由于管网布局不尽合理，故系统的微观动态建模对改善管网运行的作用十分有限，为此提出了城市给水管网分区的新理念。
国外城市分区供水起步于20世纪80年代，英国伦敦的给水管网被改造为16个区域，日本东京的管网由50多个区域组成，大阪的管网有18个区域[3]。
3.1 城市给水管网分区新概念
给水管网分区对提高供水系统管理水平、提高供水效益、优化管网运行以及减小产销差等具有重要意义。这里的“分区”不同于一般概念上的管网并联或串联分区，而是将现有的管网系统改造为若干个区域，实现分区供水，实施区域管理。为保证安全用水，各区域之间用应急管道连通。分区后管网的供水管和配水管功能明确，各区域的进水点数目少
3.2 给水管网分区方法
一般应根据管网分区目的来确定分区，其技术流程如图3所示。整个分区过程可分为以下几部分：管网微观动态模型建立，选择区域系统阶层数，确定区域规模，划定区域边界，设定进水点及区域的规整等。
①选择区域系统阶层数
第一阶层分区系统可实现合理配水，除此以外的其他功能(如流量计量、压力控制、改善低压区、减少漏失量、提高水质等)应在第二阶层或第三阶层分区系统中实现。一般根据管网规模、可靠性要求及资金状况等确定阶层。我国的给水管网系统分区应至少采用两阶层系统，如资金不足可分步实施。
②划定区域规模
在保证用户水压足够的前提下，分区后管网应均衡水压，尽可能实现低压供水以利于减少漏失量、能耗和事故发生率。为将区域水压控制在一定范围内，需考虑以下因素来确定区域规模：区域内地形标高差、管道的水头损失、区域的形状、进水点的位置、人口密度及工业用水情况等。为减少管网改造费用，也应根据区域内现有主要管道的管径确定管段流量，设计分区规模。另外，分区之后的区域规模应便于漏失调查和区域计量。
③确定进水点数目和位置
区域的进水点数目与区域内水压控制、流量测定以及事故发生时的解决措施等有关。在保证供水安全可靠的情况下，进水点数目应尽量少。单点进水时有利于设定进水管的位置和确定水压控制点，而多点进水时则难于确定水压控制点，但当发生事故时多点进水则相对容易保证供水安全可靠。区域规模不大时一般建议采用2个进水点，主要是为了当发生事故或用水量变化较大时易于管理。必须通过反复的水力模拟计算来确定进水点的数目和位置。
④划定区域边界
分区边界应考虑的主要因素是：地面标高(分高、低区)；地形(江河、铁路、主要街道)；用户用水类型；现有水厂的供水能力(经济合理)；水压分界线等。
⑤区域的规整
分区确定之后应通过水力模拟计算确定其合理性并进一步完善方案，明确给水管网系统中的主要送水干管，限制干管配水，对部分管道实施闸断、改造或加设供水设施。为减少管网内死水的发生，应使管道末梢部分形成环状或在管道末端部分设置排水设备。
3.3 分区的作用
①给水管网系统发展规划。可掌握各个区域的水量，易计算分配水量、布置管道、计算管径等；明确各管路的功能及重要性，便于提出旧管道的改建方案。
②控制水压。根据安装在区域边界和区域末梢的仪表数据，调整进水管线上的控制阀，可方便准确地控制压力，均衡管网水压，实现管网低压供水，从而减少漏失量并节省能耗。
③控制水质。余氯是管网水质的主要控制指标，通过余氯监测仪可了解区域内余氯含量，通过区域内加氯可均衡管网余氯含量；当管道清洗后恢复使用时可能会导致浊度增加，分区可将其控制在某一区域；当管网受“二次污染”时，易于追查水质变化的原因，减小影响范围。
④减小供水产销差。区域计量是管网分区的主要目的，可有效减小供水产销差，提高经济效益。
4 结语
水资源的日益紧张、用户要求的提高、经济意识的加强以及计算机及相关技术的发展，使得传统的给水管网模式及运行方式难以满足要求，而给水管网微观动态建模可从一定程度上缓解矛盾，但有其局限性。在城市给水管网微观动态建模的基础上进行管网分区，然后用分区后的管网模型指导管网运行，才是较有前途的解决问题的根本途径。
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