（环境工程专业论文）山地城市供水管网分区分级技术研究.pdf

中文摘要 摘要 山地城市的给水管网和水源地面标高相差很大，与平原城市相比，存在给水 管网能耗高、低区管段压力大、爆管的问题严重、成环困难、可靠性低、运行管 理费用高等问题。论文研究了山地城市供水管网分区分级的特点和经济优化模型， 并利用w a t e r g e m s 软件对数据进行处理，得到合理的分区分级供水范围，有效地 降低了节点水头，减少了能耗，而且降低了管网的爆管频率，达到保护管道的目 的。 山地城市供水管网分区分级优化与工程模式，主要包括分区分级的方式、高 位调节池位置的选择，供水管网的安全保障，利用节能与余压技术降低管网的漏 失率等方面。针对山地城市供水管网造价高、加压泵站多的特点，在供水管网优 化模型的基础上，增加了二级加压泵站的基础建设费用部分，论文中介绍了山地 城市供水管网分区分级的的研究方法，系统讨论了管网串联和并联分区的计算方 法和能量分析方法，对山地城市管网进行了供水能耗分析和水力条件分析，并最终 提出符合山地城市管网分区分级特点的经济优化模型。 论文根据管网的优化设计确定了分区分级的目标函数和约束条件，并对目标 函数中的参数做了收集和计算，收集了研究区域近十年的用水量，计算了不同管 径的球墨铸铁管和p e 管的单价，并根据实际情况用不同的方法计算出了研究区域 的能量变化系数，最终确定了研究区域的供水能量变化系数为0 8 。 论文中采用高扬程、短半径分区分级。以w a t e r g e m s 软件为平台，分别整理 给水管网成果普查表和南岸片区水表资料，进一步建立给水管网物探模型和水表 节点模型。随后将水表节点模型导入到完整的管网模型中，根据管网的节点流量， 测定的管道摩阻系数以及阀门的阻力特性系数，将管线中的水表节点与水表模型 中的节点连接即建立分区后的给水管网动态水力模型。在研究区域的供水管网优 化设计中，本论文采用分区分级供水管网优化设计的方法，通过软件模拟得出了 最终分区分级的结果。包括加压泵站的压力曲线图、泵站的电耗、出水流量和扬 程，并对模拟的结果进行了分析。 关键词：山地城市，可靠性，分区分级，能量变化系数，w a t e r g e m s 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi nm o u n t a i n o u sc i t yh a sab i gd i f f e r e n c ew i t hw a t e r s o u r c e si ng r o u n de l e v a t i o n i nc o m p a r i s o nt o c i t i e so ft h ep l a i n ，t h e r ea r es e v e r a l p r o b l e m se x i s t e ds u c ha sh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g hp r e s s u r ei nl o wz o n ep i p e n e t w o r k ，s e r i o u sp i p ee x p l o s i o n ，d i f f i c u l tt or i n g ，l o wr e l i a b i l i t y , h i g hc o s to fo p e r a t i o n a n dm a n a g e m e n t m o d e lo fe c o n o m i co p t i m i z a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i t i o na n d c l a s s i f i c a t i o ni nm o u n t a i n o u sc i t y sw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e d d a t a w a sp r o c e s s e db yw a t e r g e m s ，r e a s o n a b l ew a t e rs u p p l ya r e aw a so b t a i n e d b e i n gb a s e d o nt h i s ，w a t e r h e a do fp a n e lp o i n tc o u l db ed e g r a d e d ，s p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o ni s r e d u c e d ，a n ds i m u l t a n e o u s l yt h ep i p ee x p l o s i o ni nf r e q u e n c y i sd e c r e a s e d ，a c h i e v i n gt h e d e s t i n a t i o no fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mp r o t e c t i o n t h ew a yo fp a r t i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n ，p o s i t i o nc o l l e c t i o no fh i g ha d j u s t i n gt a n k ， s a f e t vg u a r a n t e eo fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，a n dr e d u c t i o no f l e a kr a t eo fp i p en e t w o r k f o r mt h e p a r t i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n a n de n g i n e e r i n gm o d e li nm o u n t a i n o u sc i t i e s b a s e do no p t i m a lm o d e lo fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d i r e c t e da g a i n s tc h a r a c t e r i s t i co f n l o u n t a i n o u sc i t i e sw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e ms u c ha sh i g hc o s to fc o n t r i b u t i o na n d e n o r m o u sp u m ps t a t i o n ，n o to n l yr e s e a r c hm e t h o d so fw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m d a r t i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o ni si n t r o d u c e d ，b u ta l s oe n e r g e t i ca n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f p a r a l l e la n ds e r i e ss u b a r e ao fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e ma r es y s t e m i c a l l y d i s c u s s e d t h r o u g ha n a l y s i so fw a t e rs u p p l ye n e r g yc o n s u m p t i o na n dh y d r a u l i cc o n d i t i o no f m o u n t a i n o u sc i t i e sw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，t h ee c o n o m i co p t i m a lm o d e lw h i c ha c c o r d w i mt h ec h a r a c t e ro fw a t e r d i s t r i b u t i o n s y s t e mp a r t i t i o n a n dc l a s s i f i c a t i o ni n m o u n t a i n o u sc i t i e sw a sf i n a l l yp r o p o s e d 。 i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，t h e o b j e c t i v ef u n c t i o n a n dc o n s t r a i n t sw e r ec o n f i r m e d c o l l e c t i o na n dc a l c u l a t i o no f p a r a m e t e r si no b je c t i v ef i m c t i o ni sc a r r i e do u t ，a n d w a t e rc o n s u m p t i o ni ns t u d ya r e af o r n e a r l yo n ed e c a d ew a sc o l l e c t e d t h ep r i c eo fd u c t i l ei r o np i p e sa n dp ep i p e sw i t h d i 仃e r e n td i a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e d t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc o e f f i c i e n tw a sc a l c u l a t e d w i t hd i f f e r e n tm e t h o db a s e do nt h er e a l i t y , t h ew a t e rs u p p l ye n e r g yc o n s u m p t i o n c o e f f i c i e n ti ns t u d ya r e aw a sf i n a l l ye n s u r e dt ob e0 8 h i g hh e a da n ds m a l lr a d i u sp a r t i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o nw e r eu t i l i z e di nt h i sp a p e r o nt h ep l a t f o r mo fw a t e r g e m s ，m a t e r i a l so fw a t e rc o n s u m p t i o na n dw a t e r d i s t r i b u t i o n s v s t e mc e n s u sf o r mi nt h es o u t hb a n kd i s t r i c tw e r ea r r a n g e d ；g e o p h y s i c a lm o d e lo f w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e ma n dw a t e rm e t e rn o d em o d e lw e r ef u r t h e re s t a b l i s h e d a f t e r 重庆大学硕士学位论文 l e a d i n g i nt h ew a t e rm e t e rn o d em o d e lt oc o m p l e t ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mm o d e l ， a c c o r d i n gt on o d a lf l o wo fp i p en e t w o r k ，d e t e r m i n e df r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp i p e sa n d r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to fv a l v e s ，t h ed y n a m i ch y d r a u l i cm o d e lo fw a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mw a se s t a b l i s h e dt r o u g hc o n n e c t i n gw a t e rm e t e rn o d e s i np i p en e t w o r kw i t hj o i n t s i nm o d e l i nt h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g no fs t u d ya r e a ，r e s u l t s s u c ha sc a p i l l a r yp r e s s u r ec u r v e s ，e n e r g yc o n s u m p t i o n ，e f f l u e n ta n dd r i f to fp u m p s t a t i o nt h r o u g hd e s i g n a b l em e t h o do fp a r t i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no p t i m i z a t i o n a n a l y s i s o fs i m u l a t i o nr e s u l t sw a su n d e r g o i n g k e y w o r d s ：m o u n t a i n o u sc i t y , r e l i a b i l i t yp a r t i n g a n dc l a s s i f i c a t i n g ，e n e r g y c o e 伍c i e n t ，w a t e r g e m s 1 绪论 1 绪论 1 1 研究的背景 山地面积占我国国土总面积大约三分之二，超过三分之一的人口居住在山地。 山地城市城区分布不均匀，各组团之间高差悬殊，形成统一的给水系统难度较大。 在给水系统的运行过程中，出现了很多的问题：泵站能量消耗大，输水的成本过 高：部分管段的压力过大、经常发生爆管事故，还有一部分管段的压力不足，不 能够满足用户的需求；供水系统的整体性差，调度困难【l j 。为了保证供水系统的可 靠性，避免为了满足部分地势较高的地区和管网延伸较远的地方的服务压力而提 升整个管网的压力，节省管网的基础建设投资，降低管网的运行管理费用，山地 城市一般采用分区分级给水系统。分区分级给水一般是根据城市地形的特点将城 市分成几个区，每个区有各自独立的泵站和管网等，但各个区之间又有适当的联 系，用以保证给水管网系统可靠和灵活调度。分区分级给水系统，技术上使管网 的水压小于管网可以承受的压力，同时保证管网各部分的给水压力均匀，方便用 户使用，降低管网的爆管事故率，达到避免损坏供水管网、附件的目的，进而减 少了管网的漏水量；经济上降低了供水的能量消耗，减少了管网的基建投资【2 j 。 为解决我国供水行业的一系列问题，一定要提高供水行业的管理水平，实现 管理的技术化和现代化。所以，大多数自来水公司都在探索新型的供水管网管理 优化模式，达到由纯粹的增加供水量向加强管理、提高效益、供水安全性的方向 发展的目的。 城市供水管网建模是一种直接、有效的手段。它可以通过供水管网的现状分 析，了解整个管网的运行情况，进而能够在一定程度上为解决供水行业的很多问 题提供技术依据。但管网建模并没有改变原有的管网，只是在部分地区实行管网 的优化和改扩建而已，并没有从本质上解决长期困扰我国供水行业的一系列问题。 供水管网进行分区分级、实施区域化管理，对提高供水系统【3 j 管理水平和效益 具有重大作用。这里的分区，和一般概念上的并联或串联分区不一样，而是按照 一定的原则，将现有的管网系统分为几个区域，实行区域化管理，同时各个区域 之间又有应急的管道连通。 1 2 山地城市给水管网的特点及运行方式 1 2 1 山地城市的定义 重庆大学的黄光宇教授在2 0 世纪9 0 年代提出了“山地城市学m 的概念。山地城 市学中指出，山地地形占我国国土面积的比重很大，山地区域的自然资源丰富， 但经济的发展相对滞后，山地区域的生态环境也比较脆弱。 重庆大学硕士学位论文 二十几年来国内外很多学者在不同的学科领域做了很多的研究工作，但迄今 为止还没有对山地丘陵城市的范围和概念提出明确的界定，其他国家也没有为山 地城市的划分提供统一的标准，理论界的观点也不尽相同。但总得来看有两个方 面的概念【5 j ；一个是狭义的概念，指的是城市的建成区域内有一定的地形和地貌特 征的特定城市，它的特点是城市的地形地势起伏较多、坡度大，工程建设复杂并 且难度高；从城市规划的角度来看，最明显的特征就是城市的空间布局靠山而建， 不规则而且很复杂。重庆大学的黄耀志教授对“山地城市”的地貌特征做了定量的研 究：“山地城市”的地貌特征为：城市发展的地形环境的内断面的平均坡度5 ，垂 直分割的深度兰2 5 m 【6 j 。这类“山地城市”以重庆为典型代表。一个是广义的概念，这 里的“山地”指的是地理学科上的山地、丘陵和起伏不平的高原，这类“山地城市” 指的是城市在山地区域上选址或者是建设吼从这个概念上来讲中国的山地区域的 面积为6 6 0 万k m 2 占整个国土面积的7 0 8 1 由于狭义的概念中强调了山地城市的 地貌特征和给水排水工程专业的实践和理论大体一致，因此本论文采取狭义的“山 地城市”概念。这类山地城市一般是依山傍水而建，地势起伏大，坡度陡，地面高 差大；另一方面，由于受地形的限制，山地城市的布局很分散，为多中心、多组 团的结构，各中心组团之间有一定的高差和距离。 本论文是根据山地丘陵城市的地形特点，从技术性、可靠性、经济性的角度， 研究山地丘陵城市的给水管网系统。 1 2 2 山地城市给水管网系统的分类 山地城市给水管网系统【9 j 根据调节方式、供水方式和拓扑结构以及水源等性质 的不同，可分为下列形式：按不同的调节方式可分为水塔调节、高位水池调节以 及变频水泵调节；按供水方式的不同可分为自流供水( 重力流) 、压力供水( 泵站) 以 及混合供水系统；根据拓扑结构的不同可分为树状网、环状网和混合管网；按水 源的特点可分为河流水源供水、水库水源供水以及多水源联合供水；按分区的不 同形式可划分为串联分区、并联分区和混合分区。 由以上的几种形式，组成了不同的山地城市给水管网系统。其中山地城市的 供水水源大多数来自于江河湖泊。以重庆的主城区和三峡库区的腹地万州区为例， 这两个地区的主要供水水源来自于长江以及她的支流，只有很少一部分原水来自 于人工水库。调节方式的选择上，由于山地城市具有建高位水池的优势条件，所 以常用高位水池对水量进行调节。 1 2 3 山地城市供水管网的特点 因为山地城市在水源条件、城市布局和地形条件等方面和平原城市有很大的 不同，这就使得山地丘陵城市给水系统的运行管理和管网的布置比平原城市复杂。 山地城市供水管网的主要特点为： 1 绪论 ( 1 1 管网一般依山傍水而建，主要的水源来自于为江河湖泊，山地城市的河流 水位随季节的变化较大，供水的可靠性较差。 山地河流主要的特点是河流的水位变化大，以长江的上游为例，其洪水水位 和枯水水位的差值可以达n - 十多米，而嘉陵江的水位变幅最大有三十多米，有 些支流河流在枯水季节几乎达不到供水的水位，所以供水的水量随季节的变化较 大，可靠度较低。 ( 2 ) 部分供水管线穿越江河和翻山，建设投资很大，运行和管理费用很高。 在给水管网的造价方面，山地城市也比平原城市高很多。山地城市的道路交 通很多都是依地形而建，弯曲迂回很大，道路交通状况受自然条件的影响较大， 这就与平原城市直来直去的道路风格大不相同。然而供水管网一般都是敷设于街 道路面的下面，受道路规划方面的限制，与相同人口规模的平原城市的管线建设 长度比较，山地城市的输配水【l o 】管线的建设长度要大很多。而且，管线的施工和 管理维护难度较大；河流多，经常会遇到穿越山丘河流等情况，施工和管理的费 用较高。以山城重庆为例，在三峡库区的腹心位置，内有流域面积大于6 0 k i n 2 的 河流三百多条，主要的河流有长江、嘉陵江( 交汇于朝天门) 和乌江( 穿越涪陵) 。 ( 3 ) 地形高差悬殊，各个区域管网以及水源的地面标高相差大，能量消耗高。 山地丘陵城市的地形起伏大，降低供水成本的方法通常包括分区分级供水，设置 多级加压调节泵站以及设置调节构筑物。以重庆市的万州和涪陵两区为例，两区 的城市地形地貌高差均超过了3 0 0 m ，万州区需要通过四级加压泵站将水送达城市 的高区管网，而涪陵区则需要通过五级加压才能将水送达该区的高区管网。 ( 4 ) 低区管段的压力较大，容易发生爆管和水锤事故，漏损很严重。 根据有关资料记载我国到目前为止城市敷设的给水管道长达2 0 多万k m 。管道的 爆管、泄露事故平均达0 4 3 0 5 8 次年k m ，每年造成的损失可达6 亿多人民币。 重庆的爆管频率比其它平原城市要高很多，水锤在很大程度上导致爆管事故的发 生。因为山地城市的地形高差大，管线延伸很远，在突然停电的时候或者是因故 障水泵停机时，如果处理不好，很容易造成大面积的水锤事故，不仅损坏了管段 和阀件，还会造成管道大面积的漏损。 ( 5 ) 一般根据城市的地形而建，各个组团比较分散，所以管网延伸比较远，成 环比较困难，供水的整体效果较差。 地形地貌的特点决定了山地城市不可能采用连片式的城市布局，从城市规划 的观点看，山地城市大多采用多中心、多组团的布局结构原则，新、老城区 分步发展，这使得山地城市的供水管网成环困难，树状网较多，供水可靠性差， 管网中的各部分之间相互调节比较困难。以重庆市的万州区为例，江北水厂，除 了向龙宝片区和天城片区供水以外，还要穿越长江向江南新区和五桥片区供水， 重庆大学硕士学位论文 其中向江南新区的输水管段长度为2 0k m ( d n 7 0 0 管线3 k m ，d n 6 0 0 管线1 7 k i n ) 7 】。 1 2 4 山地城市供水管网的运行方式 山地城市的早期规划和地形特点很大程度上已经决定了供水管网的运行方 式。山地城市的城区比较分散，各个组团之间高差较大，难以形成统一的给水系 统，为了保证供水的可靠性，避免为了满足地势较高的部分地区和管网延伸远处 的服务压力而提升整个管网的供水压力【1 1 】，节省整个管网基础建设投资，降低管 网的运行管理费用，因此，山地城市一般采用分区、分级供水系统。 根据山地城市的典型特点，分区供水有两种方式：一是行政上的分区，二是 工艺上的分区。行政上的分区 8 】【1 2 】一般是根据各个组团或者是组团内部的行政分区 来划分；工艺上的分区一般是因为地形高差悬殊或者是由于管网延伸远而造成的 分区，这就组成了三种分区方式：串联分区、并联分区以及混合分区。 ( 1 ) 串联分区 当城市是沿着垂直于等高线方向纵深发展时，需要采用串联分区供水方式，以 达到节能和保证管线压力适当的目的。串联分区最主要的目的是节能，但从输水 可靠性的角度来看，一定程度上降低了管网运行的可靠度。因为位于高区的管网， 如果下游的管段发生了故障，肯定会影响到管网向高区的供水能力，甚至造成高 区断水。 ( 2 ) 并联分区 当城市是狭长方向发展的时侯，采用并联分区比较好。因为增加的输水管线的 长度并不多，而且可以使高区和低区的泵站集中管理。 ( 3 ) 混合分区 混合分区是串联分区和并联分区形式上的组合。工艺上，混合分区方式也 可以分解为串联分区和并联分区。比如某个山地丘陵城市，二泵站分别向该城市 的高低两区供水，但是，因为低区管段沿嘉陵江方向狭长发展，管线延伸较远， 所以管网的低区部分又进行了串联分区，这就是一种典型的混合分区的运行方式。 水厂的位置也会影响到分区的形式。如果水厂靠近高区，那么宜用并联分区。 如果水厂离高区较远，那么采用串联分区比较好，因为采用并联分区就会造成到 高区的输水管线过长，增加了管网的造价。 单从分区方式来看，串联分区的优点是输水管线的长度比较短，可以采用低 扬程的水泵和低压管道。并联分区的优点是每个分区的用水由同一个泵站供给， 供水可靠，方便管理，整个供水系统的运行情况比较简单，设计条件和实际的运 行情况相似。所以在选择分区的形式时，要考虑到串联分区会增加给水泵站的造 价和管理费用而并联分区则会增加输水管线的造价。 4 1 绪论 1 2 5 调节构筑物在管网运行中的作用 山地城市的输水管网【1 3 】中大量使用不同用途和不同类型的调节构筑物，主要 是水塔、高位水池、调节水池以及清水池等。在给水系统中，调节构筑物位置、 类型和作用是不一样的。它可以是无压式的也可以是压力式的，前者如普通的清 水池，后者如高位水池、水塔和压气设备。大多数情况下，受经济原因的制约， 调节构筑物一般要同时完成贮存和调节水量的作用。 调节构筑物最重要的作用是调节管网中的水压和流量以及贮存水量，在用水 的高峰时段充当水源的作用给管网供水，在用水的低谷时段充当储水池的作用蓄 水，可以使用户得到可靠的水量和稳定的水压。设置调节构筑物可以保证水泵在 高效段内经济和均匀的运行，降低高峰时段管网中的流量，减小输水管的管径以 及输水干管的直径，最终降低了管网的管理费用和建造费用。 在山地城市的管网中，很多情况下使用高位水池对管网进行调节。山地丘陵 城市在地形上具有建高位水池的有利条件，可以在城市地势较高的点建造一些高 位调节水池，和平原城市中的水塔相比较，高位水池在造价方面比较经济可行。 山地城市的地形高差悬殊，管网难以成环的劣势，造成了供水管网特别是高 区的供水管网可靠性比较差，设置高位调节水池在很大程度上提高了供水管网的 可靠度 1 4 】。在供水管网系统中，调节构筑物的设置也是增加给水管网系统安全可 靠性的重要措施。如果说增加输水管段的条数是一种备用的方式的话，那么建造 高位水池又是另外一种备用的输水方式，两种情况都可以保证正常供水，假设输 水管出现意外不能正常供水，只要高位水池有水，通过某些应急措施也能够保证 用水区的正常供水。 另外一种常用的水量调节方式是水塔调节，水塔调节与高位水池的调节机理 是大致相同的。一般地，如果该城市或工业用水区靠山或者有高地时，可根据当 地地形适当建造高位水池；如果城市周围没有高地，或者是高地距离用水区太远， 导致建造高位水池不经济的情况下，可以建水塔。但是相比高位水池，水塔的调 节容积一般不会太大，所以在用水量变化比较大时，水塔的调节能力是有限的， 所以水塔调节多数情况下用在中小型城市中。 1 2 6 给水管网在城市给水系统中的作用 给水管网是整个城市供水系统的非常重要的组成部分，在给水系统中，管网 的基础建设投资很高。在给水系统的总投资中，管网和输水管渠( 包括阀门、管道 和附属设施等) 所占的费用是很大的，大约占7 5 8 0 【l5 | 。而且，给水系统是整 个城市的耗能大户。根据有关资料记载，给水行业的总用电量占全国总用电量的 1 1 ，占工业总用电量的1 5 2 【l6 | 。城市给水行业的耗电量虽然很大，但其节能优 化【1 7 】的效果并不乐观。以重庆为例，2 0 0 2 年重庆市自来水公司的节能率竟然是负 重庆大学硕士学位论文 增长【1 8 】。 在整个城市给水系统的用电量中，9 0 一9 5 的用电量是用来保证水泵的正常 运转的，其余5 一1 0 是耗用在了净水过程的辅助设备上【1 9 】。其中供水管网的正 常运行包括克服管网的水头损失和满足最小服务水头后的剩余水头，剩余水头这 部分能耗占整个给水系统总能耗的比重还是很大的，是整个给水系统日常运转费 用的重要组成部分，这部分能耗蕴藏着巨大的节能空间。 对供水管网进行设计优化可以大大降低管网的基建费用和运行费用，从而可 以提高自来水公司的效益和竞争力。所以，给水管网的优化问题一直都是给水工 程行业最关注的核心问题之一。 1 3 存在的问题 重庆是山地城市的典型代表。“十一五”期间，重庆主城区通过净水工程的实 施，供水基础设施及供水管网得到了极大的改善。位于主城大渡口区的丰收坝水 厂( 2 0 万立方米日) 一期工程的建成，提高了主城西南片区的供水水量，改善 了供水水质；主城西部的沙坪坝水厂( 2 0 万立方米日) 改造，改善了沙坪坝片 区的供水水质并提高了供水量；主城南岸的玄坛庙水厂( 5 万立方米日) 扩建完 工，弥补和保证了白洋滩水厂建设期间的水量缺口和安全供水；而北部片区的梁 沱水厂扩建投运，缓解了目前两江新区范围内的供水紧张趋势。上述供水工程的 建成投产，加上主城区老旧管网一期改造工程( 4 2 1 公里) 的建设，将使得城市供 水管网水水质明显提高，爆管率大幅度下降，供水安全性明显提高。 但部分区域，由于当时受条件的限制，例如：渝中区、南岸区、沙坪坝区、 大渡口区、九龙坡区、北碚区仍存在部分老旧管网没有改造到位，供水安全仍然 存在隐患。如渝中区的储奇门区域、十八梯，大渡口重钢片区等老棚户区和国有 工矿棚户区，以及沙坪坝区双碑、特钢、南溪口、北碚同兴、蔡家8 4 5 厂棚户区、 九龙坡建设厂棚户区等，还有江北区、渝北区，以及巴南区，三个区的老旧管网 没有实质性的改善，供水管网也仍然不同程度地存在使用年限久、材质差、锈蚀 严重及老化损坏等问题。 重庆是山城，供水系统采用分区分级供水方式，具有较高的地域差别性。同 时，道路狭窄，管廊资源有限，管道布局非常特殊，而新建设的现代化水厂又远 离城区，输水管道长，供水压力高，导致管网的安全与漏损控制技术非常复杂， 现有的s c a d a 、g i s 及管网水力模型系统尚不完善，管网安全设施建设标准与技 术要求已经大大超过我市管网现状水平。发生爆管后，抢修不便，停水面积大， 不利于社会安定。 为了减少重复投资，加快转变经济发展方式，需要开展相关技术问题的研究。 6 1 绪论 依据水专项的部署与规划开展山地丘陵城市饮用水安全保障共性技术研究与示范 课题研究。 从市水务集团的管网现状看，在现有的d n l 0 0 以上的管网长度有2 1 4 6 7 0 公 里，由于老旧管网大部分为灰口铸铁管，即使是部分钢管内壁也未作内衬，输送 的自来水不是纯净水，水中仍含有多种元素，化合物及微生物，水在管网中流动 时，有些水中化合物分解，水使管内壁的材质发生化学作用，水中残存的细菌还 可能繁殖，有时管网还会受到外来的二次污染，管网水质往往会发生变化。 由于灰口铸铁管年久失修，管网结垢腐蚀严重，许多阀井风化损坏，有的井 内沉积了石土和污物，给管网水造成了较大的二次污染，影响水质。再者由于灰 口铸铁管材质差、易结垢、承压能力低、抗外界能力弱、爆管事故频繁发生，影 响供水安全可靠性。同时由于常年失修，漏失严重。严重影响了居民的正常用水 需求。 结垢减少了管道的有效内径，增大了管道的水头损失，导致部分地区供水压 力下降，进而出现供需矛盾，不利于社会和谐。同时管道结垢增加了管道的摩阻 系数，增加了能耗。 由于受地形、基础设施建设历史的影响，现有管网缺乏互连，整体安全性差， 重庆主城拥有丰富的水资源系统，长江和嘉陵江穿城而过，在朝天门汇合成一条 江，两江沿线分别拥有市政水厂和大量的自备水厂，这些水厂的分布位置受地形 地貌的影响，其配水管网相互之间没有连通。同时，由于受基础设施建设历史的 影响，自各水厂建设各自为政，脱离城市的总体规划部署，这些自备水厂的部分 关停，自各管网改造后，与现有市政管网连通的安全建设亟待加强。 主要体现在： ( 1 ) 长江向嘉陵江调水时，和尚山水厂、丰收坝水厂、黄桷渡水厂、黄沙溪 水厂需向大溪沟水厂、沙坪坝水厂、双碑水厂调水。和尚山d n 7 0 0 管道调水路线 在两路口、观音岩、七星岗存在瓶颈。黄沙溪d n 6 0 0 管道在黄沙溪隧道、蔡袁路 存在瓶颈，在长滨路存在联络断点。黄桷渡d n 6 0 0 管道向大溪沟水厂输水在解放 东路存在瓶颈、在长滨路存在联络断点。丰收坝水厂向沙坪坝水厂输水在创业大 道东段、风中路至新桥存在瓶颈。 ( 2 ) 上游水厂与下游水厂调水时，大江水厂向鱼洞水厂输水，在渝南大道存 在d n 3 0 0 管道瓶颈。李家沱水厂现有高位池被开发商非法占用，存在联络节能点 中断的问题。李家沱水厂向黄桷渡水厂调水存在d n 5 0 0 管道断点。双碑水厂向沙 坪坝水厂调水存在杨双路管道瓶颈，并且井口工业园区至嘉陵公司段存在断点。 汉渝路水厂向渝中区补水在小龙坎、化龙桥、嘉陵路、李子坝正街、上清寺路， 存在d n 2 0 0 、d n 3 0 0 瓶颈。 7 重庆大学硕士学位论文 实施管网的互连互通建设是抵御两江水质突发性污染的需要。随着松花江水 质突发污染事件、沱江水污染事件、太湖水污染等社会安全事件的频繁出现，给 城市的供水安全提出了更高的要求。我市都市区有丰富的两江水资源，具有抵御 重大水质突发污染事件的自然条件，但由于现有管网的互联互通性差，难以发挥 其优势，因此需建设供水管网的互连互通工程。 实施管网的互连互通建设是两江水位突发性变化的需要。由于受全球气候变 化的影响，高温、干旱、洪水、枯水位等自然灾害频繁出现，给城市取水、输配 水工程带来了严峻的考验，我市的取水设施有干式深井、湿式深井、移动式浮船 与缆车等形式，取水高程与安全性各不相同，如2 0 0 7 年，两江发生超枯水位，采 取固定式取水头部有相当一部分露出水面，导致无法正常取水。以嘉陵江为水源 的水厂减量约3 0 。总计减少水量约1 1 万m 3 d ，影响供水人口约2 8 万人。为了增 强超历史枯水位、及洪水等自然之害的安全供水能力，需加强供水系统连接，发 挥不同取水口之间的优势，增加不同水系水源供水系统之间的互补性，如在嘉陵 江降低取水量时，以长江为源水的水厂能够向渝中区、沙坪坝区调水。上游水厂 不能取水而下游水厂能够取水时，下游水厂向上游水厂调水。因此，需要将以不 同水系为水源的水厂、同一水系不同取水口位置的水厂的管网互连互通。 同时，国家新的生活饮用水卫生标准g b5 7 4 9 2 0 0 6 颁布与实施，对我市 供水设施提出了更高要求。相比东京等国际大都市，我市供水设施水平仍有一定 差距，需要进一步提高。重庆市自来水公司现状能耗分析如图： 表1 1 现状能耗指标( 2 0 0 5 ) 及其总体评价 t a b l e1 1c u l l r e ms i t u a t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o ni n d e x ( 2 0 0 5 ) a n dt h eo v e r a l le v a l u a t i o n 序号 名称( 单位) 现状值 评价 1 4 研究的目的和意义 山地城市分区分级优化与工程模式问题，主要是如何分区、分级，高位调节池如 何使用，如何保障供水管网安全，如何推进节能与余压利用技术，降低管网的漏 失率。给水管网作为城市供水系统的重要组成部分，在投资中占有很大的比重， 8 1 绪论 尤其在山地城市中管网的运行能耗占总能耗的9 0 以上。所以，研究山地城市供 水管网分区分级优化数学模型是一个具有较高经济效益和社会效益的课题。通过 研究形成较完整的理论，用来指导我国当前山地城市供水管网改扩建和节能技术 改造。论文研究的目的和意义在于根据山地城市改扩建中遇到的实际情况，提出 山地城市管网分区分级的基本理论和研究方法，建立山地城市管网分区分级优化 模型，使山地城市在优化的分区分级条件下供水。 1 5 研究内容 ( 1 ) 山地城市给水管网系统的可靠性研究。 模型的可靠性模型以及预测； ( 2 ) 山地城市地貌和供水分级的水力分析。 供水分级的水力分析。 分析了可靠性的基本指标和串、并联 统计了重庆市丰城区各地的坡度以及 ( 3 ) 管网分区分级的模型研究。系统分析了管网串联和并联分区的计算方法和能 量分析方法。 ( 4 ) 管径的计算和供水能量变化系数的确定。计算了不同管径的球墨铸铁管和p e 管的计算单价，计算得出了研究区域的小时流量表，对目标函数中的参数做了收 集和计算，并根据实际情况用不同的方法计算出了研究区域的能量变化系数。 ( 5 ) 借助w a t e r g e m s 软件对研究区域南岸片区的供水分区分级情况进行了研究。 重庆大学硕士学位论文 1 0 2 山地城市给水管网系统的可靠性分析 2 山地城市给水管网系统的可靠性分析 2 1 可靠性的基本指标 1 ) 无故障性指标 无故障性指标包括：发生故障的概率( 或者不可靠度) 、无故障的概率( 或者 可靠度) 、故障的强度( 或者故障率) 、容量的故障比等。 2 ) 耐久性指标 工程实践中广泛运用耐久性指标来评价给水管网系统中的元件，比如：电机、 水泵及其他附件的可靠度。其评价的指标主要有：服务的期限和技术的寿命。 3 ) 修复性指标 修复性指标包括：平均的修复时间、修复率。 4 ) 可靠性综合指标 可靠性综合指标【2 0 包括：准备系数、操作准备系数和技术的利用系数。在分 析给水管网系统各元件的可靠程度时，可以把在一定的时间间隔内发生故障的次 数、技术的寿命与恢复时间等，作为研究对象来衡量系统的可靠性。可靠性的数 值指标都是时间函数，所以为了衡量研究对象的可靠性和计算组合系统相应的可 靠性，要选取相同的时间段作为指标值。 2 2 可靠性模型及预测 系统是由一些基本的元件组成的，具有某种一定功能的整体。依靠试验来建 立系统的故障时间分布规律很困难，所以不大可能用这种方法来测定系统的可靠 性【2 。但是，单个的元件或子系统的故障也会对全局系统的故障有直接的影响， 所以可以通过元件或子系统发生故障的概率来描述全局系统的故障概率。所以， 系统的可靠性理论的中心问题是要确定全局系统的可靠度与元件或者是子系统的 可靠度之间的关系。任何一个系统的可靠性【2 2 1 1 2 3 1 ，都是由组成它们的基本元件的 可靠性决定的，这些基本的元件对整个系统的功能和作用有直接的影响。 组成供水管网系统单元的数目、可靠性以及各个单元之间相互功能的关系， 都会对整个系统的可靠性产生直接或者间接的影响。不同系统的组合方式，对应 着不同的可靠性预测模型。元件基本的组合方式有：元件的串联这种情况系统无 无储备元件、元件的并联这种情况系统有储备元件。 2 2 1 串联系统的可靠性模型及预测 串联系统中任一个单元的出现故障都会导致整个系统瘫痪。以f 表示系统不 发生故障的工作概率，( i = l ，2 ，n ) 表示单个元件无故障的工作概率， 元件串联的可靠性指标( 不发生故障的工作概率) 表示为：f = 丌f 重庆大学硕士学位论文 串联系统无故障的工作概率与组成系统元件的数量有关，由上式可知： 1 ) 元件数量增加，串联系统的可靠度降低 2 ) 元件串联系统的可靠性比其中任何一个元件的可靠性都低，串联系统发 生故障的概率比其中任一个元件的故障概率都高。 所以，要提高串联系统的可靠性，要尽可能减少系统内没有必要的单元，同 时提高系统内薄弱原件的可靠性。 2 2 2 并联系统的可靠性模型及预测 元件的储备是提高系统可靠性的基本准则，元件并联是系统储备的一种常见 的表现形式。元件并联时，系统中存在1 个基本的元件，并且这个基本的元件拥 有相应的储备元件。当且仅当这个基本元件和左右的储备元件都发生故障时，系 统才会瘫痪。以d 表示系统发生故障的概率，d i ( i _ l ，2 ， ，n ) 表示单 个元件发生故障的概率，元件并联系统的故障概率可以表示为： d = 兀z = 兀( 1 一，) 系统无故障的工作概率为： f = i - d = 1 - 丌吐= 1 一兀( 1 - f ) i = 1i = 1 由上式可知： 。 1 ) 元件数量增加，并联系统的可靠度升高，但是，系统的成本也会相应的升 高。 2 ) 元件并联系统的可靠度高于任一元件的可靠度，因此，系统的故障率也小 于任一元件的故障率。 特别指出，系统并联的元件数越多，假设单个元件出现故障的概率是不变的， 那么整个系统中元件出现故障的概率将变大( 因为原件数多了，出现故障的概率 也就增大了) ，但是整个系统出现故障( 系统中的元件全部出现故障) 的概率将会 降低，这种现象被称之为储备冲突。城市供水系统需要的可靠性最低值，可通过 储备原则来确定。给水泵站设备用水泵( 根据不同的情况确定具体的数目) ，引入 管设置2 条以上的管道等，这些都是并联系统的元件储备形式。 2 2 3 混联系统的可靠性模型及预测 在串联系统和并联系统的可靠性模型的基础上推导出混联系统的可靠性模 型，有两种基本的组合形式：串并联系统和并串联系统。在分析混联系统的可靠 性之前，需要对混联系统中串、并联的部分简化，得出一个与混联系统等效的串 联系统或者是并联系统，然后运用串联系统或并联系统可靠性的模型对简化后的 系统进行可靠性的计算。 2 山地城市给水管网系统的可靠性分析 1 ) 串并联系统 整个系统由n 个子系统串联，每个子系统由m i 个元件并联，i = l ，2 ， ， m 。其可靠性框图见图5 1 。 飞! ! 门 ! ：r* 4 _ - _ _ _ o 叫 l 丁习。| _ 。网 t ： ； | _ 艉，p- q 破