（环境工程专业论文）城市供水管网可靠性研究.pdf

中文摘要 随着城市的现代化发展，城市的生产、生活会越来越依赖城市给水系统，而 给水管网是城市给水系统重要的组成部分，其可靠运作对于充分发挥整个给水系 统的经济效益与社会效益有着举足轻重的作用。因此研究给水管网的可靠性，提 高其供水可靠度，使之更好的完成其给水功能是给水系统设计中的一个重要课 题。 本文对可靠性理论作了系统论述，根据给水管网的特点，通过两个方面来研 究给水管网的可靠性，一方面是给水管网的网络结构可靠性，一方面是给水管网 的综合可靠性。 在网络结构可靠性的研究中，首先通过对天津某地区的给水管网故障维修 数据整理的基础上，对该数据进行统计、分析、获得了管段故障率、修复率等用 于管网可靠性计算的基本参数。然后将组件可用度的概念应用于可靠性的计算 中，并根据管段的故障率、修复率推导出可用度的计算公式。最后将图论的相关 理论引入给水管网的可靠度的计算中，通过求图的最小路并进行不交化处理计算 给水管网的网络可靠度。结合城市给水管网网络结构可靠度模型，对城市给水管 网进行故障模拟，进行水力分析，建立给水管网的综合可靠性指标模型。最后分 析影响可靠度指标的因素，为城市给水管网改扩建提供依据。 关键词：供水管网系统、最小路集、可靠性、网络结构可靠度、综合可靠度 a b s t i 认c t a l o n gw i t ht h ec i t ym o d e m i z e dd e v e l o p m e n t ，t h ee i t yp r o d u c t i o na n dt h el i f e w i l lr e l yo nt h ew a t e r - s u p p l ys y s t e mm o r ea n dm o r e ，a n dt h ew a t e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r ki sa l li m p o r t a n tp a r to fw a t e r - s u p p l ys y s t e m ，a n di t sr e l i a b i l i t yh a ss i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo ns o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t so ft h ew a t e r - s u p p l ys y s t e ma saw h o l e t h e r e f o r er e s e a r c ho nt h ew a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e l i a b i l i t ya n di m p r o v et h e r e l i a b i l i t yi sv e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rp r e s e n tt h et h e o r yo fr e l i a b i l i t ys y s t r m a t i c a l l y a c c o r d i n g t ot h ep e c u l i a r i t i e so fw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h ev i e w p o i n td i v i d i n gi n t ot w o p a r t s ，o n e i st h en e t w o r k ss t r u c t u r a lr e l i a b i l i t ya n dt h eo t h e ro n ei sn e t w o r k s s y n t h e t i c a lr e l i a b i l i t y i n t h er e s e a r c ho fs t r u c t u r a ln e t w o r k sr e l i a b i l i t y , f h - s t l yo nt h eb a s i co fd a t a o r d e r i n gi nt h em a n a g e m e n to fn e t w o r kf a i l u r er e p a r a t i o no ft i a n j i n sa e r a ，a n ds t u d y o nt h ed a t ab ys t a t i s c a la n da n a l y z i n gm e a n sw ec a no b t a i nt h ep r i n c i p a lp a r a m e t e r s f o rw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e l i a b i l i t yc a l c u l a t i o n t h e nt h ea u t h o ra p p l i e s s u b a s s e m b l ya v a i l a b i l i t yi nn e t w o r kr e l i a b i l i t yc a l c u l a t i o na n d d e r i v e ds o m er e l a t e d f o r m u l a t i o n sa c c o r d i n gt ot h ef a u l tr a t ea n dm a i n t a i n a b i l i t yr a t e i nt h i sp a p e r , g r a p ht h e o r yi si n t r o d u c e di n t oc a l c u l a t i n go fw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e l i a b i l i t y , a n dg e tt h er e l i a b i l i t yo fw a t e rn e t w o r kb yd i s j o i n t e dd i s p o s a lm i n i n l u m p a t h a n db a s e do nm o d e lf o rt h e s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y t h em o d e lf o rs y n t h e t i c a l r e l i a b i l i t ye s t a b l i s h e db yc a r r i e s o ns i m u l a t i o nf o r h y d r a u l i cc o n d i t i o n f i n a l l y , a n a l y z e st h ei n f l u e n c em a r g i no fs a f e t yt a r g e tt h ef a c t o r , a n dp r o v i d et h eb a s i sf o r c h a n g e st h ee x t e n s i o no ft h ec i t yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k k e y w o r d s ：w a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r ks y s t e m ，m i n i m u mp a t h ，r e l i a b i l i t y , s t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y , s y n t h e t i c a lr e l i a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的! 学化论文是本人在导师指导下进行的研究1 ：作和取得的 研究成果除了文中特别力l 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已绎发表 或撰写过的研究成果，也i i 包含为获得叁鲞叁堂或其他教育机构的学化或证 书而使用过的材料。1j 我l ，q i ：作的川忠对本研究所做的任何l ；h 跌均l 二纯沦文； ； 作了明确的说明并表示了谢：卷。 学位论文作者签名：韶红殇 签字门期： 弦7 年2 月17 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完伞了解丞盗盘鲎有关保留、使用学f t 论文的划定。 特授权叁盗盘堂可以将。乒化论文的令部或部分内容编入甜砭教击| l i ：所i 进jj ：检 索j 1 ：乐j l j 影l = | j 、编印或 l l f 等复制f - 段侏仔、汇编以供查阅捌f m 列。憨。j 舒交 向幽家有关部j r j 或机构送交论文的复印件和磁虢。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作存。够私： 郁级骑 、 导9 币签名：口少 签字f 1 期：办所f i i 上j 】 i i i - i签字f 1 期： 舌磋 天津大学硕士学位论文 第一章前言 第一章前言 1 1 课题的提出及研究意义 城市供水是城市赖以生存的命脉，是保障城市人民生活、发展生产建设不可 缺少的重要物质基础，目前己成为我国城市开发建设的中心问题和社会经济可持 续发展的主要制约因素之一，而且关系到整个社会的安全与稳定。城市给水系统 是一个城市重要的基础设施之一，给水系统担负着向用户输送生产和生活用水的 任务。随着城市经济的发展，我国城市供水行业同其它行业一样，得到了广泛的 发展，尤其在改革开放方针实行以来，随着城市基础设施建设投资力度的空前加 大与科学技术的飞速进步，我国城市的供水面貌得到了很好的改善。 近些年来，尽管根据城市发展需要改扩和新建了许多供水管线，但仍存在为 数极多的应当退役的管线在运行中。由于供水设施陈旧、技术水平较低、管理体 制不完善等诸多原因使我国城市供水漏损现象严重。目前我国城市的供水现状也 还面临着许多十分严峻的问题，正有待解决。主要表现在以下几个方面： 1 ) 水资源短缺，水环境污染严重，城市供水量不足 我国水资源总量位居世界第六位。但是由于人口众多，我国人均占有水资源 量仅为2 3 9 2 m 3 a ，约为世界人均占有量的1 4 ，是美国的1 5 ，加拿大的1 5 0 ， 居世界第1 1 0 位，被列入世界1 3 个贫水国家名单。我国水资源分布极不平衡，南 多北少。华北、西北、东北和东部沿海地区属于我国典型的水资源短缺地区，使 这些地区的国民经济发展受到严重的制纫l 1 ，水资源不足己严重威胁到了这些 地区人民的正常生活与生产，成为城市社会的一种隐患，关系到社会的稳定。 此外，全国以地下水源为主的城市，地下水几乎全部受到不同程度的污染。 水源污染不但影响到人们的健康和工农业生产，而且使有限的水资源遭到破坏， 对城市供水造成严重危害，从而更加严重地加剧了城市生活饮用水水资源短缺的 局面，使得供水量不足。 2 ) 供水水质偏低，二次污染严重 我国的供水水质同发达国家相比，饮用水水质指标低、项目少。据有关研究 部门调查研究阳 ：1 9 8 6 年国内抽样调查显示，符合饮水标准的占1 0 ，尚可的占 2 0 ，不合格的占7 0 ；1 9 9 2 年符合、尚可的占5 0 ，不合格的占5 0 。另有， 天津大学硕士学位论文第一章前言 全国7 6 的自来水厂水质存在指标不合格现象。 而且，自来水出厂后到用户使用是通过无数的供水管道来进行输送的，水流 在管网中停留的时间较长，水生微生物滋生繁殖的机会也就较大，在连续、不间 断的输送过程中，存在导致其受二次污染而影响水质的多种因素，诸如管道破漏 抢修、违章开口接管、管材质量问题、干管阀门关闭后开启过急，造成生锈的水 管内壁部分受水压冲击而脱落，二次供水设施影响及用户违章用水直接造成的污 染等。 3 ) 管网漏损严重 在我国，随着水厂和管网不断建设并随着时间的推移，漏损水量日趋增剧。 由于过去大多数城市给水管网都较缺乏合理的系统规划，供水分区不合理， 管道管径偏小，从而管内压强较高，再加上管道材质差、接口刚性强、施工质量 欠佳以及其它管道施工等外来因素的影响，供水管网经过长时间运行之后，供水 能力将会降低，管道的实际运行状况变差，每年泄漏对管网造成的经济损失和社 会影响都是非常严重的。更严重的是，爆管发生时，会引起局部断水和水压降低， 既造成较大社会损失，同时也带来企业经济损失，有时还带来水淹、锅炉爆炸等 次生灾害，给人民生活、工业生产和社会安定带来了较大影口i 句【4 引。 4 ) 供水管理科学性不强【6 7 1 供水管网普遍具有以下特点：复杂性，供水管网年代久远、错综复杂：随意 性，城市建设不断改造和扩建管网，使得管网的敷设具有极强的随意性、隐蔽性； 管网埋入地下，年深日久，无法直观地判断和分析造成了维护、维修的不可预见 性和急迫性。我国供水行业的管理水平还不完善，城市用水管理状况基本上仍处 于强化管理阶段，迫切需要转向科学管理。 综上所述，随着经济的发展，我国的供水行业在近年来取得了很好的成绩， 但是由于管网漏水的发生，供水压力过大、不稳和突变、水质质量和管网的“二 次污染”等都给人民生活和生产带来了极大的不便。另处，不少城市为了保证生 活用水，在高峰供水期常采用停工业用水，由此带来的经济损失不小。按供水行 业的特点，对供水系统的安全可靠性要求特别高，强调安全不问断地供应质量良 好的水，因此如何减少给水系统的故障和损失，提高供水可靠性，使之更好的完 成其给水功能是给水系统设计中的一个重要课题。 可靠性问题是随着科学技术的发展而产生的，可靠性作为产品质量和技术措 施的一个重要指标早已受到世界各国的高度重视。任何产品和技术都是以可靠性 为基础的，离开可靠性谈质量管理和安全生产都是不可能的，因为科学技术发展 的本身就是要求高可靠性，现代工业生产全过程序要贯穿可靠性，使用维修阶段 依赖可靠住p “1 。大型系统，复杂系统的大量涌现迫切需要站在系统的角度考虑 天津大学硕士学位论文第一章前言 可靠性，城市给水系统作为社会生产的基础结构，显然，其可靠性对保证社会生 产和生活的正常运行有着举足轻重的作用。目前大多数城市都是采用环状管网供 水，这些都是通过增加系统的冗余度来提高系统可靠性，但是这些都只是从定性 的角度考虑给水管网可靠性的问题，而目前这方面的系统的定量化研究比较少 见。因此，如何通过定量分析建立给水管网可靠性模型，进而在给水系统的设计 中充分考虑这一个因素，从而为设计人员、管理人员和两导提供科学的决策依据， 显然具有极为重要的理论和现实意义。 1 2 国内外研究动态 国外研究城市给水管网可靠性理论起步比较早，二十世纪七十年代【l o 】， d a r n e l i n 等人【1 1 】首次提出将可靠性理论运用于城市给水管网的优化设计，并初步 探讨了输水管道的可靠性问题。随后关于给水管网可靠性理论的研究逐渐引起了 众多学者的兴趣。1 9 8 1 年美国j a w w a 杂志社发表一篇名为“给水可靠性”论文。 早期的给水可靠性研究大都是停留在理论研究上，没有更好的与实际工程结合起 来，发展比较缓慢。 可靠性及包含于这个概念中的各单项性质与其数值指标的一切评价，都具有 概率特征。因此我们首要的任务是得到类似组件工作的实际试验资料确定它们无 故障工作时间( 工作周期) 的概率，在规定时间间隔内故障概率的均值及与可靠度 有关的数值指标。s h a m i r 运用回归分析的方法得到了管道故障率和使用时间之间 的指数函数关系。c l a r k 建立了饱含两个相互关联的方程模型：一个用来预测系 统组建的第一次出现故障的时间，另一个用来预测出线第一次故障之后再发生故 障的概率。a n d o r e o u 用比例危险系数来描述组建使用初期的损坏程度的变化情 况，而把后期的损坏情况用泊松分布来描述。g o u l t e r 和k a c e m u 分析了管件损坏 的时空分布特征。之后，随着w a l s k i 和p e l l i c i a 等人将可靠度加入到管道维修和 更新的决策中，可靠性和优化技术、决策理论相结合的应用研究在给水系统的设 计中才逐渐的发展起来。 目前，众多的研究主要集中在两个方面上 1 2 , 1 3 , 1 4 ：一、从管网系统的拓扑结 构上出发研究可靠性1 1 5 l 即：以管网系统发生机械故障的概率大小为评价标准而 进行研究的评价给水管网的机械可靠性( 假设管网的运行水力条件不变) ；二、从 给水管网系统的水力条件出发来研究可靠性即：以管网系统发生水力故障的概率 大小为标准进行研究的评价给水管网的水力可靠性( 假设管网的网络结构形式固 定) 。g o u l t e r 和c o a l s 、g e r m a n o p o u l o u s 、w a g n e r 等人都集中于结构可靠性方面 的研究，另外，b e i m 和h o b b s 、l a n s e y 、d u a n 和m a y s 等人主要集中于水力可靠性 天津大学硕士学位论文 第一章前言 方面的研究。 管网机械可靠性主要是指因管网发生爆管、阀门失灵等管网的网络结构发生 故障而导致的管网能否满足城市用户用水需要：而管网系统水力可靠性是指因管 道老化、腐蚀结垢造成的管道粗糙系数的增大，高位水池( r e s e r v o i r ) 水位的下 降或城市用水量的大幅度增加等当管网运行水力条件的变化时而导致的管网系 统的输水能力能否满足实际用水量需要以及能否满足用户实际需要的最小水压。 在研究可靠性问题上提出了很多的可靠性指标，对于研究城市给水管网机械可靠 性的研究文献主要有：1 9 7 9 年，前苏联技术科学博士h h 阿布拉莫夫教授等人【1 6 】 著写了前苏联第一本关于给水系统可靠性理论的专著一给水系统可靠性。 在书中，h 邮可布拉莫夫教授提出给水管线的可靠性不仅与管材类型、材质 及管径有关，而且与接头结构、管线安装质量、基槽准备、土壤性质、地面交通 的作用、内部压力的波动以及土壤和水的侵蚀性等因素有关。这类组件的可标性 指标，只能在运行过程中对它们进行长期观测及系统地收集和处理所有事故与损 坏的统计资料的基础上才能确定。在书中还提出关于给水组件的可靠性指标：( 1 ) 无故障性指标，包括故障概率或无故障概率，故障强度；( 2 ) 耐久性指标，包 括平均寿命、百分数寿命、制定寿命等； ( 3 ) 宜修性指标，包括组件恢复的平 均时间；( 4 ) 可靠性综合指标，包括准备系数、操作准备系数和技术利用系数。 由于这些指标和结论的提出，为后来的管网可靠性研究奠定了一定的理论基础 人们在研究给水管网系统可靠性的问题上借鉴了可靠性在机械工程和电子 设备等领域的应用，通过给水管网的网络结构与机械和电子设备的网络结构原理 相似的特性分析给水管网的网络结构可靠性，如t u n g t l 7 】和m a y s t l 8 1 等人就先后在 他们的论文中采用了在机械和电子系统可靠性研究领域中常采用的故障树法、路 集法、割集法以及邻接矩阵法求系统的最小割集来研究给水管网的网络结构可靠 性，取得了一定的研究成果。随着研究的发展，w a g n e r 等人1 1 9 2 0 】在“输配水系统 可靠性一分析篇”中，他提出了给水可靠性的3 个指标： ( 1 ) 节点与水源点相 通的概率；( 2 ) 系统全部节点与水源点相通的概率，( 1 ) 和( 2 ) 这两个指标 被称为连通性，是指管网中某用水节点至少与一个水源相通的概率，即管网用水 节点的网络结构可靠性：( 3 ) 系统的每个节点满足水压要求的概率，这一个指标 被称为获得性【2 。在“输配水系统可靠性一模拟篇”中提出将节点的年漏失 量百分比作为管网可靠性指标，将年故障次数和小时数作为泵站的可靠性指标。 在随后的研究中，f u j i w a r a 和d es i l v a t 2 2 】在建立基于可靠性的城市给水管网优化 设计模型时，明确了给水管网节点可靠性的定义：给水管网节点可靠性是指节点 在管段正常运行或发生故障的情况下能提供满足用户用水要求的水量、水压和水 质的能力。 4 天津大学硕士学位论文 第一章前言 目前关于评价城市给水管网水力可靠性的研究文献还不多，其中主要有： s u 纠在建立城市给水管网优化设计模型中考虑了管网系统发生水力故障对供水 可靠性的影响：h o b b s 2 4 】等人先后以管网系统只发生水力故障为课题对城市给水 管网的水力可靠性进行了专门的研究，研究指出，城市用水量的增加是导致管网 发生水力故障的最主要影响因素；b o u e h a r t 和g o u l t e 【2 5 1 等人联合考虑管网发生机 械故障和水力故障来分析城市给水管网的供水可靠性：b a o 和m a y s 哳1 等人利用 m o n t ec a r l ，随机生成模型和k y p i p e 水力模拟模型计算给水管网的系统可靠度， 取得了一定的成果。综上可以看出在研究管网可靠性上，研究方法相似，首先通 过水力模拟对管网进行水力平差，得到管网的运行工况，完后计算出每种工矿下 系统的可靠度。这些研究都只是从一个或某几个方面考虑了给水系统的可靠性， 事实上，影响给水系统可靠性的因素很多，如组件失效、水力故障及流量变化， 目前还没有把所有非确定因素适用于实际管网的可靠性模型。 我国关于城市给水管网可靠性理论的研究工作开展较晚【2 7 1 ，只有十几年左 右的时间，目前尚处于探索性阶段，还没有确定性的研究成果，计算程序尚未应 用于实际工程中，有关这方面发表的文章很少，其中主要有： 中国建筑工业出版社出版的城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划一书 简要地介绍了关于城市给水管网的网络结构可靠性问题。 同济大学徐祖倒引】和g u e r g i o ( 1 9 9 7 ) 提出一种给水管网基于可靠性的线性 优化模式，该模式的可靠性分析是以系统运行失效概率为基础，采用逐次线性逼 近的方法四。既缩短了计算时间，增加了可靠性理论在给水管网优化设计中的实 用价值，又可以直接从可靠性理论的角度对结果进行解释。 随后，天津大学硕士生陈春芳及刘英梅在毕业论文中利用故障率、修复率等 管段组件可靠性指树1 0 】，采用图论法( 最小割集法) 建立了评价城市给水管网 网络结构可靠性的数学模型，提出了按“组件可靠度一微观水力模拟仿真一系 统可靠度”的顺序分析城市给水管网系统可靠性的研究方法。 之后，重庆大学硕士研究生王力将城市给水管网的网络结构与水力条件相结 合即把管网发生的机械故障和水力故障相结合，综合分析与研究城市给水管网各 用水节点和管网系统的供水可靠性，在该文中分两阶段建立了城市给水管网节点 和管网系统的网络结构可靠度( 狭义可靠度) 和广义可靠度模型。 1 3 主要研究内容、方法及目标 本课题结合城市给水管网的网络结构形式，考虑管网发生机械故障与水力故 障相结合综合分析与研究城市给水管网各用水节点的节点可靠性和管网系统可 天津大学硕士学位论文第一章前言 靠性，建立城市给水管网可靠性模型进行管网分析。 为此，本课题的研究内容与步骤如下： ( 1 ) 管网供水现状的水力分析，得出管网在运行过程中各管段的流量与用水 节点的水压，从而了解管网的运行工作状态，为后续管网可靠性分析提供科学的 数字依据。 ( 2 ) 收集、整理关于管网故障资料，并进行分析得出管网的故障率、修复率 计算管段的可用度。 ( 3 ) 结合城市给水管网的网络结构与水力条件，并应用可靠度理论建立评价 城市给水管网节点和系统可靠性的数学模型，即管网结构可靠度模型和综合可靠 度模型。 ( 4 ) 根据可靠性以及图论基本知识，通过最小路集法编制相关计算机程序求 解管网系统可靠度。 6 天津大学硕士学位论文 第二章城市给水管网现状分析 第二章城市给水管网现状分析 2 1 管网水力现状分析 供水管网的水力平衡计算是供水系统规划设计、经济评价和运行管理的基 础。水力平衡计算的目的就是在确定管径的情况下求出满足连续方程和能量方程 的各节点压力水头和各管段流量。目前常用的水力平衡计算方法有哈代克罗斯 法( h a r d y c r o s s ) ，牛顿一拉普森法( n e 叭0 n - r a p h s o n ) ，线性理论法( l i i l e 辨t h e o 巧) ， 有限元法( f i n i t ee l e m e n t ) 等等。 2 1 1 管网水力学基本方程 连续性方程( 节点方程) 一般形式： z ( q ) = q j + q j = 0 ( 2 一1 ) 能量方程( 环方程) 一般形式： 删= 睁 ，= ( 芸蹦卜 c 2 叼 要进行管网平差，就是对管网水力学基本方程进行求解，而对管网水力学基 本方程的求解，可以通过求解节点方程组实现，也可以通过求解环方程组完成， 还可以通过解管段方程求解。其中环流量法与管段流量法都是以管段流量为计算 变量的计算方法，而节点水压法却是以节点水压为计算变量，它的结果能够直接 反映管网在某一时刻各用水节点的供水水压情况。因此为了快速有效地求出管网 线性水力分析模型中所需的节点平均水压矩阵h ，这里采用节点水压法进行管网 非线性水力分析模型的水力计算，达到管网平差的目的【3 3 】。 2 1 2 解节点方程组原理 解节点方程3 4 - 3 5 1 是在假定每一节点水压的条件下，应用连续性方程以及管 段压降方程，通过计算调整，求出每一节点的水压。节点的水压已知后，即可以 从任一管段两端节点的水压差得出该管段的水头损失，进一步从流量和水头损失 天津大学硕士学位论文第二章城市给水管网现状分析 之间的关系算出管段流量。 若将流量与水头损失的关系写为： h ，j = s # q 渤，= 时如，_ 7 ， ( 2 - 3 ) 代入节点连续性方程中，得： 阵咖，也y ，+ q j 卜c t 乩2 ，n d c 2 叫 、j 在已知各用户节点的流量和水源点的流量( 或水压) 后，求解的过程就由迭 代求解未知水压组成，节点方程可以写成下列压缩形式： q f + q = 0 ( i 1 ，2 ，矗) ( 2 5 ) 式中：q 接节点i 和j 的管段流量； o 广- 节点i 的节点水量。 公式( 2 - - 5 ) 中直接求解的未知数是m 个管段流量，但由于独立的方程 个数仅为n 一1 个( 2 正 矧 = 2 2 f 当 7ol l 天津大学硕士学位论文第二章城市给水管网现状分析 后解得忙+ 1 7 后，由节点的连续性条件，对所有节点i = l ，2 ，n ，达到平衡 时，均有，旧仕+ 1 ) = 0 。 r 若管网中的节点总数为n 个，当已知压力的节点数为n d ，则可以建立的方 程数目为( n - n d ) 个，正好形成独立的n - n d 的个方程解其余未知的n n d 个节 点压力。在一般情况下，管网中至少有一个节点的压力为已知，所以这组方程组 的最大阶数为( n 一1 ) 。 ( 1 ) 将在以上形成的数学模型按两种水头损失计算公式( 舍维列夫公式和 巴甫洛夫斯基公式) 进行进一步简化，本程序只变成易于形成系数矩阵的形式。 ( 2 ) 将非线性的节点方程组通过牛顿一拉夫森法线性化，并采用行主元高 斯消去法求解。 ( 3 ) 采用大型稀疏矩阵压缩一维存储方程组的系数。 ，匹吗肘1 ) = 一i s ；( 喝虬巧”) ”+ q i = 1 州2 一，m l ( 2 - - 2 6 ) jj ( 4 ) 采用了程序处理的技巧使之可解决任二节点间多条管段的计算问题。 ( 5 ) 对已知压力的节点对应的行、列系数，由于该行对应的节点压力修正 值为零，故可用初等变换的方法消去对应行、列的系数，并将常数项移至方程组 的右端，这在程序设计上需要特殊的手法进行处理。 ( 6 ) 在计算及迭代完成以后，程序进行了多种后续处理，使功能增加，输 出成果完备和可靠。 平差程序的初始界面为各个计算参数的录入界面，管网平差的基础数据( 即 管网信息数据) 可以通过e x c e l 编辑导入，也可以直接从s q l 中读取。计算完 毕程序将计算结果存入s q l 数据库中，后续的程序可以方便的调用这些管网平 差结果。 2 2 给水管网漏水现状分析 研究系统可靠性就要对现状管网的故障以及漏损情况进行全面的统计和分 析，找出影响可靠性的各个因素，他们的分布规律，相互之间的关系以及和系 统之间的关系，进而才能建立正确的系统可靠性模型。 2 2 1 给水管线故障原始资料的统计 给水管网及输水管的功能会因各种类型的故障而破坏。由管材与管接头损 1 2 天津大学硕士学位论文第二章城市给水管网现状分析 坏而引起的给水管线的故障是最经常与最严重的，这种故障的种类同管材与接 头构造有关。比如铸铁管及石棉水泥管可由某些事件造成管壁裂缝或整块脱落， 钢管的损坏通常为产生裂缝。在多数情况下，类似的损坏并不引起给水管线的 完全停水，但使管网的压力与供水能力下降。因此管段本身的故障只是给水管 网正常状态的破坏，但通常并非总能导致工作能力的破坏。排除故障必须临时 关闭损坏的管段以便检修，在检修的全部时间内管段完全停止供水，其工作性 能即完全破坏。 给水管网组件的概念是相对的，给它下定义相当复杂。给水管网是由各种 连结在一起的不同直径与材质的管线、管件与阀门组成的完整系统。故障可以 是管件本身及连结它们的接头，也可以是组装管网结点的部件( 管件与阀门) 的 损坏所造成。根据上述给水管网线路可能损坏的性质，当给水管网某部位发生 故障需检修时，要关闭该部位相邻的两个阀门，为了计算可靠性，可以认为给 水管网的组件以取两个相邻阀门之间的管段为适宜。 导致管网故障的原因可以分为内部原因和外部原因，但是在很多情况下严 格区分导致故障的“外部 与“内部 原因是困难的，因此这样划分多少带有 相对性。实际上，很多来自给水构筑物组件的“内部”故障在很大程度上是外 部作用( 环境、压力、冲击、振动等) 的结果。比如，给水管路的故障常以土壤 的侵蚀性、离散电流的作用、城市运输产生的动、静荷载、土壤沉降为起因。 管道功能作用的恶化，常常是因其内壁严重结垢造成的，水垢导致其输水能力 的厂降。i 引起各种系统组件故障的内在原因是多种多样的，例如使用不合格的部件、 施工安装质量及其验收不合乎要求、运行管理不善、不按时进行技术检查与更 换陈旧的组件等都可造成系统的故障。 不论采用什么样排除故障的措施，都只能从发现故障事实本身之后开办有 时故障发生了并不容易发现和确定。例如管道漏水，如果渗漏量同管道中的水 流量相比很微小，则漏水处下游管段的压力下降也很微小，不致使用户的正常 给水功能发生明显的变化。但如果渗漏量的绝对值很大，则将逐渐淹没漏水处 所在的地下廊道，冲刷基础等。有时地下室进水也是给水管线故障的信号。 管径严重损坏及大量渗漏时，故障点下游管网中的压力下降，特别给水系 统的正常功能受到不容许的破坏，使建筑物上层断水。在这种情况下，能较快 确定故障的事实。输水管线的故障会产生极严重的后果。从供水的可靠性考虑， 应敷设两条以上平行输水管线。只有在输水管的末端没有贮水池时才允许建一 条输水管线，但贮水池的容积必须保证在排除输水管的任何可能故障的过程中 足可以向用户供水。当敷设两条或两条以上输水管时，一次修理管段的长度也 天津大学硕士学位论文 第二章城市给水管网现状分析 不宜大于5 k r n ，对只有一条输水管，维修管段长度应不大干3 k m 。 在得到关于管道损坏情况的信息之后，故障检修队赶赴事故现场，寻找故 障点的确切位置，关闭发生故障的管段两端的阀门，然后进行修理。选择所关 闭的阀门，也应考虑要能继续向不允许中断供水的用户供水的可能。 管段的完全非工作状态起始于其隔断的时刻，并延续到修理及其修理后的 进行冲洗、消毒等操作结束之后阀门重新开启的时刻。显然，当管线损坏所引 起的供水系统功能作用下降水平在允许限度内时，损坏管段的完全非工件状态 周期，自隔断管段进行修理( 包括与修理有关的操作程序) 起算至管段重新投入 运行为止。当管线的故障引起供水功能下降超过允许的范围时，非工作状态周 期为下列时间之机从故障现象发生时刻起至发现故障，自故障检修队到达现场 并发现故障点，进行修理及防后的操作。 在管网上同时发生两起或更多起故障且无足够的处理故障的技术装备时， 不可避免地要依次消除这些故障，从而使系统非完全工作时期相应延长。应当 指出，非工作周期即恢复周期同下列随机因素有关：损坏性流故障地点及其距 服务中心的距离，土壤及路面性质，管段埋深，管径与材质，接头类型，检修 队的技术水平与装备及故障同时发生的概率等。 及时登记给水管网与输水管组件在运行过程中损坏的内容，程度、原因、 以及收集关于已损坏管段的所有有用的情况是取得这些组件可靠性数值指标的 唯一的信息来源。因此，制定记录管线故障的制度、形式与处理方法具有相当 重要的实际意义。损坏事件的“瞬时写照”应保证记录下所有基本的必需资料。 为了积累有关给水管线与输水管损坏的必需统计资料，记录形式应尽量简 单，对于所有进行给水系统检修的维护机构，需要绝对统一。在天津市某自来 水公司开发了用于记录管网中各种故障以及维修记录的软件：调度管理系统软 件，该软件具有录入、浏览、查询报表输出等功能，如图： 1 4 天津大学硕士学位论文第二章城市给水管罔现状分析 塘拈中 击供水有限公司单据类别厂了 报恬l 联系电话【 写单人一i 写单时阃lj 旧二旧= 时型分 用户姓名阱b #二_ 工作地点 修理内容 项目f 一陬目 二_ 哦目【二_ 处数i_ i 处数l 一眺数 二| 项目 口径i- 。旧径lc i i l ：a 径l二j 囊用料用料 接单时间 j 二胴j 一目j 二j 町j 一分j 闸隅时闸 止水时间 二旧【一日j 二i 时 = j 分1分 开罄时间【- - 1 月i，旧，1 时 一1 分1i 小时 梧复时间f 二惆j! 目! l b 寸 ，j 分l 小时 实用工时 回单时间 l 一月i一日 二j 时 誓道塥损情况 【站长签章l 修理 i 验收人签章1 备注l j 籽 二二 派发往t 厂 j d 增加l，h 。ii 壹询1扫近回 图2 一l管网设施维修工作单 该软件中包含了关于故障的详细记录，比如： ( 1 ) 故障日期侔、月、目、时、分) ： ( 2 ) 何处发生故障即工作地点； ( 3 ) 何时获得发生故障的信息( 时分1 即接单时间： ( 4 ) 检修队何时( 时、分) 到达现场并隔断检修蟹段( 当无须隔断管段进行检 修时，应说明修理开始与结束时间1 ， ( 5 ) 何时( 时，分) 检修队完成检修重新使该管段投入使用； ( 6 ) 检修管段的管材、直径与长度： ( 7 ) 损坏性质( 裂缝、破裂、小孔、管壁挤断、其数量、装于管段上的管件 及阀件的损坏) ： 2 22 管段故障的数据处理 填写在登记卡片及台帐上各次故障( 损坏) 的情况经过足够长的观察期限 后可作为确定给水管线可靠性数值指标的赍科。 对所得统计资料进行处理，可以确定在一定观察期t ( 年) 内由不同材质组 天津大学硕士学位论文 第二章城市给水管网现状分析 成的不同管径管段上的损坏次数，l ，。 确定一定材质与直径的管线损坏的平均次数的公式为： y 玎 = 一蒜 ( 2 - - 2 7 ) 厶l ，1 k ：一定材质与直径的管线损坏的平均次数； 正：所研究管网的各种材质与直径分别对应管段的总长。 当刀；及t 值足够大时，可得到故障流参数的值旯( 故障率：一年中每公里管 线的损坏次数) ，五( 故障率) 的定义将在下一章中具体介绍。 对不同用途的给水管网、管段工作的观测结果所得的统计资料，可用作新建 给水管线的可靠性指标的近似值】。 本文通过整理大量资料，并使用m a p g i s 应用软件进行统计，得到了天津市 某地区的最新管网管段的统计数据，见表2 1 ： 表2 - 1管网长度分口径分管材统计 簧材 镀锌管 u p v c 管 铸铁管球铸管玻璃其他合计百分比 管霍 ( m )( m )( m )( m ) 钢管 ( m )( m ) 1 1 1 2 d n 5 05 5 3 5 62 6 6 44 3 1 6 36 2 3 3 6 3 d n l 0 03 8 8 24 3 8 9 2 6 6 0 6 5 35 5 7 9 48 4 7 2 1 6 9 1 9 9 83 0 1 9 d n l 5 03 5 3 81 6 2 1 02 2 0 8 4 92 6 5 5 9 12 2 1 26 7 4 1 9 81 2 0 3 d n 2 0 01 0 1 21 3 0 0 9 89 6 3 6 81 9 5 9 91 1 2 14 3 3 6 9 77 7 4 d n 3 0 0 1 4 2 1 84 81 7 0 0 6 84 2 8 8 9 11 3 2 5 6 2 6 4 7 5 1 1 1 8 d n 4 0 02 2 5l o l 4 4 31 4 1 9 5 81 9 9 1 12 6 5 5 6 24 7 4 d n 5 0 01 1 7 8 7 12 2 6 1 7 42 3 4 1 93 6 7 4 6 46 5 6 d n 6 0 0 2 0 4 1 5 52 3 5 2 9 12 8 8 0 4 6 8 2 4 6 8 3 6 d n 7 0 01 5 3 7 44 5 9 4 68 3 7 36 9 6 9 31 2 4 d n 8 0 0 1 2 0 4 6 81 4 7 8 4 13 6 7 1 7 0 32 8 9 0 0 95 1 6 d n l 0 0 0 2 6 4 95 7 3 0 31 0 3 29 4 1 1 31 6 8 合计5 8 5 3 1 87 6 0 0 6 21 6 7 9 6 1 62 3 0 2 9 2 51 3 9 92 6 1 9 0 75 6 0 3 8 1 8l o o 百分比 1 0 4 4 1 3 5 62 9 9 7 4 1 1 lo 2 54 6 71 0 0 在运行实践中，在管段恢复周期之后可能发生又起故障。自然可以想象， 每一管径故障的发生在时间上完全是随机的，从而构成随机事件流。这样的事件 流属于离散型随机过程。各给水管线( 管段) 的故障流是普遍的并无后效性，因为 各故障都是独立事件。 1 6 天津大学硕士学位论文 第二章城市给水管网现状分析 由经验所得到的一定材质、一定直径管段的平均五值，可以计算管网或输水 管各管段可靠度的数值及其它指标。 从管材、管径两个主要漏水分析对象入手，本文首先统计了2 0 0 6 年1 月 1 1 月中各种管材漏水次数占漏水总次数的比例情况，结果见表2 2 ： 表2 - 2 2 0 0 6 1 2 0 0 6 11 分管材漏子统计 管材镀锌管 u p v c 管铸铁管球铸管其他 破坏处数( 次) 9 58 61 4 41 5 42 0 百分比( ) 1 9 0 41 7 2 3 2 8 8 6 3 0 8 6 4 0 l 表2 - 3 2 0 0 6 1 - 2 0 0 6 1 1 分管径漏子百分比统计( ) i d n 5 0d n l o od n l 5 0 d n 2 0 0d n 3 0 0d n 4 0 0d n 5 0 0d n 6 0 0d n 7 0 0 d n 8 0 0d n l 0 0 0 i 1 9 2 43 6 0 71 4 0 38 2 29 3 23 4 1 83 6 14 o l0 0 0 42 0 00 0 0 8 从上面的表中可以看出，管径越小故障率就越高，其中以d n 5 0 以下的为最 高，这与其长度在管网中的占的百分数比较高有关。 综合上面三个表的分析结果，我们有可以找出不同管材单位长度的故障率， 以此作为衡量管段可靠度的指标，本文中统计了天津市某地区的故障率结果见表 2 - 4 ： 表2 - 42 0 0 6 1 2 0 0 6 1 1 分管径、管材单位长度漏子统计( 7 欠a - k m ) 材 镀锌管u p v c 管铸铁管球铸管 其他 瞅 d n 5 0 以下0 0 0 1 5 9 0 0 0 1 2o 0 0 1 6 d n l 0 00 0 0 5 1 5o 0 0 1 1 60 0 0 11 0 40 0 0 0 8 7 8o 0 0 1 2 9 8 d n l 5 00 0 0 2 8 2 6 0 0 0 11 7 2o 0 0 1 0 4 10 0 0 0 7 l50 0 0 1 3 5 6 d n 2 0 00 0 0 1 9 7 60 0 0 0 9 30 0 0 0 9 3 40 0 0 0 8 6 9 d n 3 0 00 0 0 2 1 1 l 0 0 0 0 8 2 30 0 0 0 7 2 2 d n 4 0 0 0 0 0 0 7 8 80 0 0 0 6 3 4 d n 5 0 00 0 0 0 5 9 3o o 0 0 4 8 6 d n 6 0 0 o 0 0 0 4 8 9o o 0 0 4 2 5 d n 7 0 0 o 0 o 0 0 4 3 5 d n 8 0 00 0 0 0 4 1 5 0 0 0 0 3 3 8 d n l 0 0 00 0 0 0 3 7 70 0 0 0 3 4 90 0 0 0 9 6 9 给水管线的运行维护过程与恢复过程情况具有自身的特点。例如给水管线的 1 7 天津大学硕士学位论文 第二章城市给水管网现状分析 故障是较稀少的事件，因此两个或更多同类组件同时发生故障的概率是极小的。 再如在管网的经营管理中，若能系统地巡视观察管网的运行设备，则能及时发现 其功能质量的恶化。进行有计划的预检修也可以延长系统的可工作状态周期并减 少故障次数。已发生的故障的恢复过程的时间比无故障周期少许多倍。一般，维 修服务机构可以在得到管道发生效障的信息之后能迅速地赶赴现场予以排除。根 据多年管道运行维护经验，检修队的数量及装备程度，一般应以避免在排除故