水力模型在城镇供水管网风险评估中的应用

郭杨，张雪，林旭，徐春蕾

（1. 江苏省城镇供水安全保障中心，江苏 南京 210036；2. 苏州市自来水有限公司，江苏 苏州 215002；3. 宿迁正源自来水有限公司，江苏 宿迁223801）

摘要：管网更新方向预判及爆管预防是各家供水企业关心的重点和研究的主要方向。本文借助水力模型，结合数据分析对SY供水企业的管网进行风险评估，对管网中的流速、节点压力进行了全面模拟，找出了管网中的薄弱环节，并对优化方案进行针对性验算，以确定管道优化方案，相比于传统经验做法具有较大的优势。

关键词：水力模型；供水管网；风险评估

中图分类号：X703.1

Application of Hydraulic Model in Risk Assessment of Urban Water Supply Network

GUO Yang¹,  ZHANG Xue²,  LIN Xu³，XU Chun-lei¹

(1. Security Support Center for Urban Water Supply of Jiangsu Province, Nanjing 210036, China; 2. Su Zhou Water Supply Co. Ltd.，Suzhou 215002, China; 3. Suqian Zhengyuan Water Supply Co., Ltd., Suqian 223801, China)

Abstract: Prediction and prevention of pipe network renewal are the key and main directions of researches of water supply enterprises. This paper exploited hydraulic mode and combined with data analysis to evaluate the risk of SY water supply enterprise's pipe network. By simulating the velocity and node pressure in the pipe network comprehensively, the weak links in the pipe network were found out, and targeted verification of the scheme was performed in order to determine the pipeline optimization scheme, which has a great advantage compared with the traditional experience.

Key words: hydraulic model; water supply network; risk assessment

供水管网是供水输配环节的命脉，其铺设基本隶属于城镇道路工程配套，建设速率往往滞后于城镇建设步伐。近年来国家城镇化进程不断加快，过快的城镇化拓展速率加剧了供水管道布局的不均^[1~3]。与此同时，随着城镇供水用户数量的不断攀升，以往由供水厂至供水区的输水管道、由输水管至供水干管、由干管至配水管的口径及要求已难以满足急速增长的输配需求，管网更新滞后于城镇化推进步伐。多数城镇供水企业都希望借助城市道路维修的机遇，同步开展管道更新工作，然而由于大部分供水企业缺乏有效的管网评估方法，难以快速获知管网薄弱环节，因而在实际工作中不易找准改造方向。此外，由于材质、流速、年限等问题，部分供水管段抗击水锤能力弱，常常会造成爆管等突发事件。因此，根据管网的运行特性，及早发现问题、预防爆管是每一个供水企业管网运行与维护工作的重点^[4~6]。在这样的大背景下，利用水力模型对城镇供水管网开展风险评估^[2,7]，模拟供水管网运行工况，找出管网薄弱环节，并制定合理有效的预防控制措施显得尤为重要。

1 研究区域简介

SY供水企业有一座供水厂，供水能力为6万m³/d，2017年最高日供水总量为8.5万m³/d，超过自身供水能力部分由周边两座供水企业支援，外部接水点的最高日支援量约占总水量的25%（图1为该供水企业的供水管网示意图）。

图1 SY供水企业的供水管网示意图

Fig. 1 The schematic diagram of water supply network in SY water supply enterprise

SY供水企业的供水管道建于2000年左右，图2为该企业的管网材质分布图。由图2可见，管材以塑料管与镀锌管为主（占87%），抗腐蚀、抗碾压能力强的球墨铸铁管仅占11.5%，供水管网应对气候变化及外部压力的能力较弱。此外，供水厂出水管为单根玻璃钢管道，存在较大的运行风险。

图2 SY供水企业的供水管网材质分布图

Fig. 2 Material distribution map of water supply pipe network in SY water supply enterprise

2 爆管风险模拟

供水系统爆管是一个非常复杂的过程，与管道老化、运行流速、运行压力、压力波动、外界施工等多方面因素有关。由于管龄、压力波动、外界施工属于不可控因素，因此本次分析中剔除不可控因素，仅考虑与运行相关的运行流速与运行压力。

2.1运行流速分析

管道内水流压力振荡幅度与流速有关，流速增加，压力波动同步增加，相应爆管的概率随即增大^[8]，因此对于管道流量的评价可以侧面反映某一具体管道的爆管风险。

依据曾翰的研究^[8]，当管道运行流速介于1~1.2m/s时为低风险，流速介于1.2~1.5m/s为中等风险，流速超过1.5m/s即为高风险。图3为SY供水企业的管道模拟结果（按照8.5万m³/d规模进行模拟）。由图3可见，供水厂出厂处管道运行流速处于1.2~1.5m/s之间，加上该管材为玻璃钢管，运行风险较高。参照曾翰的研究标准，SY有近9处管道流速超过1.5m/s，有12处管道处于中等风险，同时所有接水点管道全部处于风险点以上，并不安全。

图3 SY供水企业的管网流速模拟（早间7:00）

Fig. 3 Simulation of pipe network velocity in SY water supply enterprise (7:00 am)

2.2运行压力分析

造成爆管的管网水锤其最大压力、最低压力与管网运行压力有关，管网运行压力对管道破坏造成的漏水与爆管几率随压力的增大而增加^[9]，因此选择运行压力进行爆管分析也具有一定的研究价值。依据曾翰的研究^[8]，管段上下两节点之间的平均压力介于25~30m时，管网处于低风险状态，平均压力介于30~35m时管网处于中等风险状态，平均压力处于35~50m时处于高风险状态。图4为管网运行压力模拟计算展示图。由图4可见，位于供水厂边缘的管段压力基本上介于40~60m左右，加上出厂管道仅为单根玻璃钢管，风险较高，建议该处扩大管道口径，并进行管网更新。

此外，各个接水点周边的管道，运行压力基本上处于30~40m之间，具有爆管风险，处于需要重点监控的范围。而中心城区基本上处于低压区状态，压力在20m以内，供水点与配水区之间的压差较大，证明主干管通往配水管的管道输水能力不足，导致各个供水点的水无法有效地输送至用户，建议对中心城区管网进行有效识别，并开展针对性改排。

图4 SY供水企业的管网运行压力模拟（早间7:00）

Fig. 4 Simulation of pipe network pressure in SY water supply enterprise (7:00 am)

3管网结构优化模拟

对照图1可见，SY供水企业管网的主干管输配能力相对不足，口径布局不太合理，查看图3与图4可见，管网运行流速高，低压区多，需要优化。由于中心城区已不具备排设新管的空间，为此，应用管网模型模拟沿着城区外围布置一圈DN800的管道。

图5为铺设新管后的管道流速结果模拟，对比图3与图5，可见除了出厂3根管道流速介于1.2~1.5m/s外，其余各个主干管的流速均得到了明显降低，管网整体流速得到了明显好转。如若进一步增大图中黄色区域口径，各个流速将进一步降低，管网输水性能将会得到进一步提升。

图5 SY供水企业管网优化后的流速模拟（早间7:00）

Fig. 5 Velocity simulation after pipe network optimization in SY water supply enterprise (7:00 am)

图6为铺设新管后各节点运行压力的模拟。对比图4与图6可见，新管铺设后城区大面积的低压区消失了，管网运行压力得到明显提升。如若以行业标准14MPa要求进行衡量，供水厂具有进一步降低出厂压力的空间。

图6 SY供水企业管网优化后各节点的压力模拟（早间7:00）

Fig. 6 Node pressure simulation after pipe network optimization in SY water supply enterprise (7:00 am)

4结论与建议

管网水力模型可以很好地指导实际管网的优化及调度，通过构建模型可以模拟不同工况及拓扑结构下的管网运行状态，及时发现管网中的薄弱环节，便于通过工程及技术手段进行弥补与优化。对于爆管预防方面，可以结合管网平均压力与管道流速进行综合评判，开展管道爆管的预防与监控。未来可以深入管网模型的研究与应用，以便于更好地指导实际生产与运营。

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