劉俊良¹　袁一星²　高永¹　熊必勇²　高桂芝²
(1 河北建筑工程學(xué)院　2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) )

　　摘　要：針對(duì)山區(qū)城市供水管網(wǎng)規(guī)劃計(jì)算及運(yùn)行過程中存在的問題，研究并提出了適合山區(qū)地形管網(wǎng)子差計(jì)算的方法，即“環(huán)方程法與節(jié)點(diǎn)方程法相結(jié)合”的平差方法。該方法可使各加壓泵站的流量分配更加合理，提高了平差過程的收斂性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　關(guān)鍵詞：山區(qū) 供水　規(guī)劃　管網(wǎng)平差

STUDY　ON　THE　TECHNIQUES OF PLANNING OF THE URBAN WATER
SUPPLY NETWORK IN MOUNTAINOUS AREAS
LiuJunliang¹　YuanYixing²　GaoYong¹　XiongBiyong²　GaoGuizhi²
(1 har bin institute of industry　2 Hebei Institute of Architectural Engineering)

　　Abstract：Aiming at the problems founded during the calculation and function of the urban water supply network in mountainous areas，the method of flow equations of loops combined with pressure equations of nodes for hydraulic calculating of network in mountainous areas is brought out．The advantage of this method are the distribution of flows of booster pump stations are more reasonable，the rcsults of calculation of network in mountainous are more precise and the constringency of computer program is more fast than traditional methods．
　　Keywords： mountainous areas　　the urban water supply　　planning hydraulic calculating of network

1 引言

　　城市供水管網(wǎng)規(guī)劃是城市供水規(guī)劃的主要組成部分。對(duì)于山區(qū)城市，由于其地形特點(diǎn)，城市供水管網(wǎng)規(guī)劃及運(yùn)行過程中還存在一些亟待解決的技術(shù)問題。由于地形高差大，增大了供水管網(wǎng)的敷設(shè)及供水調(diào)度的技術(shù)難度。在進(jìn)行城市供水管網(wǎng)規(guī)劃時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，結(jié)合地形、城區(qū)布局及水源分布情況等采取合理的輸配水方式，以節(jié)能降耗，保證城市供水的安全可靠性。

2 山區(qū)供水管網(wǎng)的特點(diǎn)

　　(1)市區(qū)各部分、市區(qū)與水源地之間地形高差都很大(常常超過40米)，這給供水管網(wǎng)的布置及運(yùn)行調(diào)度帶來諸多困難。一是由于管網(wǎng)各部分地面標(biāo)高相差太大，容易造成低區(qū)管內(nèi)壓力過高，發(fā)生爆管及管件損壞；而高區(qū)則會(huì)出現(xiàn)管網(wǎng)壓力不足，甚至不能將水供至最不利點(diǎn)。二是運(yùn)行調(diào)度困難。由于地形高差大，必須實(shí)施分區(qū)供水。要保證全區(qū)供水的安全可靠性，就必須服務(wù)壓力及水量均在合理范圍內(nèi)。這就對(duì)供水系統(tǒng)的管線布置及調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度能力提出了更高的要求。
　　(2)由于受地形限制，各區(qū)一般依地形而建，不太集中?；蚍殖上嗷オ?dú)立的幾個(gè)區(qū)，如河北承德市，依山谷分為三區(qū)；或建成狹長城區(qū)，如河北張家口市區(qū)，由于東、西、北三面環(huán)山，只能向南發(fā)展，整個(gè)城區(qū)呈南北狹長分布。這樣就增加了輸水的距離。
　　(3)由于地處山區(qū)，水源地距市區(qū)距離往往很遠(yuǎn)，且可供水量季節(jié)性變化很大。受地形限制，地表水蓄水能力差，豐水期與枯水期可供水量相差很大。地下水供水量雖相對(duì)穩(wěn)定，也受地表徑流補(bǔ)給水量變化的影響而使地下水位發(fā)生季節(jié)性變化。如張家口市北水源，主要取河流淺層滲透水，枯水期最低供水量為2.5萬噸/日，豐水期最高供水量達(dá)7.5萬噸/日，相差近三倍。因此，在確定管網(wǎng)管徑時(shí)，需考慮不同季節(jié)各水源地可供水量的變化。
　　(4)受地形影響，各水源地供水的成本有很大差別。因?yàn)榈靥幧絽^(qū)，各水源地的地面標(biāo)高相差很大。地面標(biāo)高較高的水源地可以借助重力，使水泵揚(yáng)程大大降低，也就降低了供水成本；而地面標(biāo)高較低的水源地，必須克服地面高差產(chǎn)生的靜水壓力，使水泵揚(yáng)程大大提高。因此在平衡各水源地供水量時(shí)，不但要考慮各水源地的供水能力，還應(yīng)考慮他們的供水成本。
　　(5)由于二級(jí)泵站出口至最不利點(diǎn)地面高差大，一般采用分區(qū)供水，并設(shè)加壓站及調(diào)節(jié)構(gòu)筑物。如果采用一級(jí)供水，為保持管網(wǎng)末端所需水壓，二級(jí)泵房的揚(yáng)程將很高，使泵房附近干管壓力過高，既不經(jīng)濟(jì)也不安全。采用分區(qū)供水，在各區(qū)中間增設(shè)加壓泵房，進(jìn)行中途加壓，這樣使二級(jí)泵房的揚(yáng)程只須滿足加壓泵房附近管網(wǎng)的服務(wù)水壓。當(dāng)二級(jí)泵房附近的管網(wǎng)用水量占很大比例時(shí)，所節(jié)約的抽水能量極為明顯。同時(shí)也可保證管網(wǎng)各部分供水壓力更均勻，便于用戶使用，也降低了管網(wǎng)的事故率。如果晝夜用水量相差較大，高峰用水時(shí)間較短，可考慮在適當(dāng)位置設(shè)調(diào)節(jié)水池和泵房，利用夜間用水量減少進(jìn)行蓄水，日間供水，增加高峰用水時(shí)的供水量。從而縮小高峰用水時(shí)水廠供水范圍、降低出廠干管的高峰供水量。
　　(6)在管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，由于地形高差大，使環(huán)狀網(wǎng)的平差難度增大。采用分區(qū)供水時(shí)，涉及到如何劃定各分區(qū)的界限，各區(qū)之間水量如何統(tǒng)一協(xié)調(diào)；由于地形高差大，起伏大，使得平差初始數(shù)據(jù)偏差較大，從而致使平差收斂速度減緩，甚至不能收斂以及采用分區(qū)加壓供水加壓泵站的流量如何分配等問題。
　　(7)由于地形條件，可利用重力流輸水，以節(jié)省動(dòng)力費(fèi)用。當(dāng)水源高于用水區(qū)時(shí)，采用重力流輸水無需動(dòng)力費(fèi)用，重力流輸水管的單位長度造價(jià)比壓力管低。

3 山區(qū)城市供水管網(wǎng)平差技術(shù)

　　由于山區(qū)城市一般地形高差較大，山區(qū)城市供水管網(wǎng)在進(jìn)行平差時(shí)，常常會(huì)遇到以下問題：
　　(1)對(duì)于分區(qū)供水管網(wǎng)的平差，通常采用各區(qū)分別平差的方法。這樣往往使平差結(jié)果雖然各區(qū)內(nèi)較合理，但缺乏整體于衡，各區(qū)間銜接不夠合理。
　　(2)由于地形高差較大，使輸入的平差初始數(shù)據(jù)，往往與最終的平差結(jié)果相差很大，尤其對(duì)于新建管網(wǎng)更是如此。這樣就會(huì)導(dǎo)致平差收斂緩慢，甚至發(fā)散。
　　(3)對(duì)于串聯(lián)分區(qū)時(shí)，若兩區(qū)之間在幾條聯(lián)絡(luò)管上同時(shí)設(shè)置加壓泵站，各加壓泵站的流量分配不易確定。
　　(4)采用節(jié)點(diǎn)方程法子差時(shí)，會(huì)因各節(jié)點(diǎn)高程相差太大而使各泵站揚(yáng)程難以合理確定，更容易出現(xiàn)因初始數(shù)據(jù)誤差太大而不易收斂。
　　針對(duì)以上問題，本文提出采用環(huán)方程法與節(jié)點(diǎn)方程法相結(jié)合的平差方法，對(duì)地形高差較大的分區(qū)管網(wǎng)進(jìn)行平差。具體平差方法如下：
　　由于環(huán)方程法不需要節(jié)點(diǎn)高程等與地形相關(guān)的初始數(shù)據(jù)，因此地形高差大不會(huì)影響環(huán)方程法的收斂速度。利用環(huán)方程法平差出各管段的流量、流向，不考慮地形高差，根據(jù)平差結(jié)果算出各節(jié)點(diǎn)供水總壓力。根據(jù)服務(wù)水頭、地面標(biāo)高算出各節(jié)點(diǎn)需水總壓力，對(duì)供水總壓力及需水總壓力進(jìn)行比較。在供水壓力不能滿足需水總壓力的節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域設(shè)加壓泵站加壓。加壓泵站前設(shè)調(diào)節(jié)水池，利用水池前管網(wǎng)供水壓力為水池供水。但是由于環(huán)方程法平差過程中未考慮地形情況，各區(qū)管網(wǎng)局部壓力仍不夠合理。然后利用節(jié)點(diǎn)方程法結(jié)合節(jié)點(diǎn)標(biāo)高對(duì)各分區(qū)進(jìn)行平差，確定合理的節(jié)點(diǎn)壓力和管段流量。串聯(lián)分區(qū)時(shí)各區(qū)間的加壓泵站及聯(lián)絡(luò)管的流量分配仍按照整個(gè)管網(wǎng)環(huán)平差結(jié)果進(jìn)行分配。
　　例如在張家口市供水管網(wǎng)中，將第一制水分公司、西泵站、三泵站作為三個(gè)“水源”。利用環(huán)方程法對(duì)整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行平差，平差出各管段的流量、流向。不考慮地形高差，根據(jù)平差結(jié)果算出各節(jié)點(diǎn)供水總壓力。根據(jù)服務(wù)水頭、地面標(biāo)高算出各節(jié)點(diǎn)需水總壓力， 在供水壓力不能滿足需水總壓力的節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域設(shè)置西泵站、三泵站進(jìn)行加壓。加壓泵站前設(shè)調(diào)節(jié)水池，利用水池前管網(wǎng)供水壓力為水池供水。然后利用節(jié)點(diǎn)方程法對(duì)加壓泵站至第一制水分公司之間管網(wǎng)進(jìn)行平差，平差結(jié)果作為增設(shè)加壓泵站后三泵站、第一制水分公司、西泵站之間的局部管網(wǎng)干差結(jié)果。
　　由于三泵站、西泵站、第二制水分公司、第三制水分公司之間的管網(wǎng)地形較為平坦，利用環(huán)方程法進(jìn)行的管網(wǎng)平差結(jié)果，在該區(qū)域比較符合實(shí)際需求，故采用整個(gè)管網(wǎng)平差時(shí)該區(qū)域的平差結(jié)果作為最終平差結(jié)果。各區(qū)間的加壓泵站三泵站、西泵站、流量分配仍按照整個(gè)管網(wǎng)環(huán)平差結(jié)果進(jìn)行分配。(張家口市管網(wǎng)布置見圖1，圖中數(shù)字為節(jié)點(diǎn)標(biāo)高。)
　　應(yīng)用結(jié)果表明，上述平差方法市平差結(jié)果更符合地形高差相差懸殊的山區(qū)城市的管網(wǎng)的實(shí)際情況，是流量和水壓的分配更為科學(xué)合理，明顯提高了管網(wǎng)供水的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

　　(1)山區(qū)緘市供水系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)地形及水源分布情況，從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上制定不同的分區(qū)方案，通過比較確定經(jīng)濟(jì)合理的分區(qū)方案。
　　(2)山區(qū)地形城市供水管網(wǎng)平差方法：當(dāng)城市地形高差較大，采用分區(qū)供水時(shí)，可采用環(huán)方程法與節(jié)點(diǎn)方程法相結(jié)合的平差方法，進(jìn)行管網(wǎng)平差。該平差方法的優(yōu)點(diǎn)是可以更合理地分配分區(qū)管網(wǎng)各加壓泵站之間的流量，提高平差的收斂性和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)
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