宁波市供水主干管环网规划与水力模型校核

摘要：文中作者从实际工程经验和理论出发，提出了宁波市供水主干管环网系统的布置形式，编写了计算机程序进行供水主干管环网口径优化计算，应用WaterSim for GIS管网建模软件建立了宁波市给水管网2003年高日高时水力模型，并进行了近期和远期管网水力模型多工况校核，计算结果表明宁波城市供水主干管环网布置满足近期和远期的供水要求，是合适的。

关键词：宁波市 供水主干管环网 规划 水力模型 校核

0 引言

给水管网是城市供水的重要基础设施，建设投资占给水工程建设总投资的65％左右，对供水系统的运行和管理影响较大，受到给水工程建设和运营管理部门的高度重视。

宁波城市供水经历了七十多年的不断发展，市区现有日供水能力达82万吨，DN100mm以上供水管道1057km。2003年最高日供水量达86.1万吨，近五年来平均日供水量年平均净增9.42%，而且增长的趋势在逐年加大。预测宁波市自来水总公司2010年总需水量为170万吨/日，2020年总需水量为200万吨/日^[1]，如何将这么大的需水量安全的、经济的、高效的转输和配送到用户，提高供水管网系统的安全运行可靠性是一个需要进行深入研究的课题。

本文提出的给水管网主干管环网规划和水力模型校核方法^[2]，利用计算机软件加以实现，在宁波市供水环网主干管环网工程规划(170万吨/日)加以验证。结果表明这一方法具有较高的实用价值。

1 供水管网主干管布置形式

本供水工程规划范围涉及宁波市海曙区、江东区、江北区、北仑区、镇海区和鄞州区，宁波市自来水总公司现有的供水区域主要是除鄞州区之外的其它区的建成区，现状管网主要集中在中心城区(三江片)，现有主要的四座水厂中的三座位于中心城区，分别是南郊水厂、江东水厂和梅林水厂，另外一座是北仑水厂，距中心城区较远，相对独立。见图1。

根据水源和现状条件，规划的三座水厂分别位于中心城区的外围，距中心城区较远，能力各为50万吨/日，其中二座水厂采用重力流供水。中心城区原供水能力65万吨/日，远期仅保留江东水厂，供水能力降到20万吨/日。

由于现状中心城区大规模的管网改扩建工程实施较困难，中心城区地形较平坦，水厂又位于中心城区外围，宜在城外建供水管网主干管环网，分别向环内中心城区和环外其它供水区域输配水量。经过实地勘查、多方案经济比较和论证，采用如图1所示布置方式。

图1：供水主干管环网总体布置图

宁波城市供水采用城市供水主干管环网的解决方案，有以下优点：(1)主干管环网上任意一点的水可来自两个方向，工程维修、事故断水时，不影响供水系统正常供水，供水的安全可靠性高；(2)采用主干管环网供水可避免在城市供水规模和供水重心发生变化的情况下，出现的对现有管网系统进行大范围改造，适用范围更广；(3)主干管环网建设在城市中心城区外围，排管施工、管线维护、改扩建工程等较中心城区方便、经济；(4)更有利于供水系统的运行调度和管理。

2 供水主干管环网优化计算

2.1 资料准备

1)出流点位置的确定

供水主干管环网内现状中心城区大口径管道和供水主干管环网均相交，选定为供水主干管环网向现状中心城输配水点。如图2中节点5和中心城区DN1000和DN600管道在联丰路接通，节点17和中心城区DN600管道在望春路接通，节点16和中心城区DN1000和DN500管道在新星路接通，节点14和中心城区DN800管道在慈甬公路接通，节点12和中心城区DN600和DN800管道在甬镇公路接通，节点11和中心城区DN1000、DN600和DN500管道在江南公路接通，节点10和中心城区DN1200、DN1000、DN900和DN500管道在通途路接通，原南郊水厂DN1600原水管改为清水管，与节点7接通，南郊水厂停用。

供水主干管环网向环外出流点位置的确定是结合环外区域规划进行，分别位于节点3、4、16、17、15、14、13、12、11、10、21、22和节点18。

图2：供水主干环网节点示意图

2)输配水量的确定

据文献^[1]预测宁波城市2010年及2020年需水量确定出流水量大小，见表1。2010年供水环网供水量合计100万吨/d，分别来自毛家坪水厂(节点1)和东钱湖水厂(节点20)，环网内的南郊水厂供水15万吨/日和江东水厂供水25万吨/日，总计140万吨/日；2020年供水环网供水量合计150万吨/日，毛家坪水厂、东钱湖水厂及北渡水厂(节点19)各50万吨/日，环网内的南郊水厂停役，江东水厂供水20万吨/日，合计170万吨/日。

表1：2010年、2020年预测用水量及分布

年份地域	2010年(万)	2020年(万)
中心城区	60	60.5
北部地区	9	13.5
镇海区	7	10
江北转输	4	4
北仑转输	0	5
东部地区	12.5	21
东钱湖地区及邱隘镇	17.5	17.5
西部地区	20	20
鄞西、东地区	10	18.5
合计	140	170

2.2 主干管环网优化计算数学模型^[6]

1)目标函数

MinW==         ----------------------①

2)约束条件
            H- H=- ,i=1,2,……,M               -----------------------②

       ,      j=1,2,……,N           ------------------------③

          H≤H≤H  ,      j=1,2,……,N          -------------------------④

          ≥0 ,                i=1,2,……,M            ----------------------⑤

式中：--第i管段直径，m;a,b ,α--管道单位长度造价公式统计参数；T--管网建设投资偿还期，a; P--管网年折旧和大修费率，P%,一般取P=2.5～3.0左右；--第i管段长度，m；H, H-- 管段i的起点和终点压力值，m；--分别为泵站经济指标，元/()、管段流量()和泵站最大时扬程，m；N,M--节点总数和管段总数。

上述优化问题的求解属于流量已分配条件下环状管网优化计算课题，采用莫希宁(Л.Φ.Μοшнин)提出了虚流量法进行求解计算^[7]。

2.3、优化计算与分析

计算条件：利用宁波城市近年来供水管线综合造价指标计算得造价公式C=300+2716*，电价为0.6元/Kwh，项目计算期为20年；投资收益率取5%；水泵效率取80%。管道局部阻力取沿程阻力的10％，钢管，粗糙系数n取0.013(曼宁公式)。主干管环网上压力最低控制值为高程压力30m。供水主干管环网优化计算以170万吨/日作为计算水量，并进行140万吨/日工况校核。取最高日时变化系数= 1.2。

经优化计算后，得到一组非标准口径优化计算结果，经管径取整，得到多个被选方案，经主干管环网模拟计算，确定满足要求的四个被选的比较方案，如表2。

表2：被选方案

表2表明：四种被选方案都满足主干管环网最低控制压力要求，方案4较方案1、方案2、方案3经济，方案4的管道口径更合理。初步选定方案4的水厂出厂清水管、主干管环网管道口径为优化计算结果。