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城市給水管網系統所面臨的問題及對策
作者:周建華 來源:《中國給水排水》

1　現行給水管網系統所面臨的問題

1.1　用戶對供水安全性的要求提高
　　 給水管網系統是一個龐大復雜的“反應器”，經水廠處理合格的水，在管網中會發生一系列的物理、化學及生物反應而導致水質下降。用戶對水量和水質要求的提高也加大了供水系統的運行難度。
1.2　供水效益亟待提高
　　 在滿足社會需求和環境保護要求的前提下，必須盡量減少供水成本。
　　 電費在自來水成本中所占比例較大(一般為30%～40%[1])，故降低電耗始終是貫徹節能方針、提高供水企業經濟效益的重要環節。
　　 管網漏失在計算供水成本時往往被忽視，實際上它應是影響供水企業經濟效益的最重要因素。一般采用供水產銷差代替漏失量進行統計分析。供水產銷差過大是長期困擾我國供水行業的一個老大難問題。
　　 隨著近年來勞動力價格的提高，勞動力成本成為供水成本中一個不可忽視的項目。
1.3　管網優化運行要求管網布局科學
　　 由于我國經濟發展迅速、城市化發展快、自來水普及率提高迅速而導致供水系統布局和規劃有欠科學，忽略了供水系統是一個多目標問題，致使管線連接復雜、鋪設冗余，出現了管理困難、停留時間長、事故影響范圍大等問題，故應逐步改善管網布局以實現管網的優化運行。

2　給水管網微觀動態建模

　　隨著遙測遠傳設備價格的下降，SCADA系統和優化調度系統進入了實用化階段；計算機技術的發展也使GPS、GIS、MIS及OA等系統走向成熟；信息技術，傳感器、電動執行機構、控制等技術的進步，促進了大型系統的控制和管理水平提高；優化技術、模擬技術與計算機技術的發展，為模擬大型的動態變化的給水管網系統提供了條件。
　　 建立與實際管網系統特征相符的動態模型是優化管理、優化調度及優化改(擴)建的基礎，是診斷管網異常、提高管理水平的保證。建模技術流程見圖1[2]。

      給水管網模型主要應用于信息的查詢顯示、現狀分析(供水路徑、水流方向、管道負荷、供水趨勢等)、事故處理分析、實用輔助改(擴)建以及漏失控制、優化調度、水質監控等。

3　城市給水管網分區

　　給水管網微觀動態建模對解決管網現存問題至關重要，但由于管網布局不盡合理，故系統的微觀動態建模對改善管網運行的作用十分有限，為此提出了城市給水管網分區的新理念。
　　 國外城市分區供水起步于20世紀80年代，英國倫敦的給水管網被改造為16個區域，日本東京的管網由50多個區域組成，大阪的管網有18個區域[3]。
3.1　城市給水管網分區新概念
　　 給水管網分區對提高供水系統管理水平、提高供水效益、優化管網運行以及減小產銷差等具有重要意義。這里的“分區”不同于一般概念上的管網并聯或串聯分區，而是將現有的管網系統改造為若干個區域，實現分區供水，實施區域管理。為保證安全用水，各區域之間用應急管道連通。分區后管網的供水管和配水管功能明確，各區域的進水點數目少

3.2　給水管網分區方法
      一般應根據管網分區目的來確定分區，其技術流程如圖3所示。整個分區過程可分為以下幾部分：管網微觀動態模型建立，選擇區域系統階層數，確定區域規模，劃定區域邊界，設定進水點及區域的規整等。
①選擇區域系統階層數
      第一階層分區系統可實現合理配水，除此以外的其他功能(如流量計量、壓力控制、改善低壓區、減少漏失量、提高水質等)應在第二階層或第三階層分區系統中實現。一般根據管網規模、可靠性要求及資金狀況等確定階層。我國的給水管網系統分區應至少采用兩階層系統，如資金不足可分步實施。

②劃定區域規模

      在保證用戶水壓足夠的前提下，分區后管網應均衡水壓，盡可能實現低壓供水以利于減少漏失量、能耗和事故發生率。為將區域水壓控制在一定范圍內，需考慮以下因素來確定區域規模：區域內地形標高差、管道的水頭損失、區域的形狀、進水點的位置、人口密度及工業用水情況等。為減少管網改造費用，也應根據區域內現有主要管道的管徑確定管段流量，設計分區規模。另外，分區之后的區域規模應便于漏失調查和區域計量。
③確定進水點數目和位置
      區域的進水點數目與區域內水壓控制、流量測定以及事故發生時的解決措施等有關。在保證供水安全可靠的情況下，進水點數目應盡量少。單點進水時有利于設定進水管的位置和確定水壓控制點，而多點進水時則難于確定水壓控制點，但當發生事故時多點進水則相對容易保證供水安全可靠。區域規模不大時一般建議采用2個進水點，主要是為了當發生事故或用水量變化較大時易于管理。必須通過反復的水力模擬計算來確定進水點的數目和位置。
④劃定區域邊界
      分區邊界應考慮的主要因素是：地面標高(分高、低區)；地形(江河、鐵路、主要街道)；用戶用水類型；現有水廠的供水能力(經濟合理)；水壓分界線等。
⑤區域的規整
      分區確定之后應通過水力模擬計算確定其合理性并進一步完善方案，明確給水管網系統中的主要送水干管，限制干管配水，對部分管道實施閘斷、改造或加設供水設施。為減少管網內死水的發生，應使管道末梢部分形成環狀或在管道末端部分設置排水設備。
3.3　分區的作用
      ①給水管網系統發展規劃。可掌握各個區域的水量，易計算分配水量、布置管道、計算管徑等；明確各管路的功能及重要性，便于提出舊管道的改建方案。
      ②控制水壓。根據安裝在區域邊界和區域末梢的儀表數據，調整進水管線上的控制閥，可方便準確地控制壓力，均衡管網水壓，實現管網低壓供水，從而減少漏失量并節省能耗。
      ③控制水質。余氯是管網水質的主要控制指標，通過余氯監測儀可了解區域內余氯含量，通過區域內加氯可均衡管網余氯含量；當管道清洗后恢復使用時可能會導致濁度增加，分區可將其控制在某一區域；當管網受“二次污染”時，易于追查水質變化的原因，減小影響范圍。
      ④減小供水產銷差。區域計量是管網分區的主要目的，可有效減小供水產銷差，提高經濟效益。

4　結語

　　水資源的日益緊張、用戶要求的提高、經濟意識的加強以及計算機及相關技術的發展，使得傳統的給水管網模式及運行方式難以滿足要求，而給水管網微觀動態建模可從一定程度上緩解矛盾，但有其局限性。在城市給水管網微觀動態建模的基礎上進行管網分區，然后用分區后的管網模型指導管網運行，才是較有前途的解決問題的根本途徑。

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