山区城市供水规划技术研究

刘俊良¹　袁一星²　高永¹　熊必勇²　高桂芝²
(1 河北建筑工程学院　2 哈尔滨工业大学 )

　　摘　要：针对山区城市供水管网规划计算及运行过程中存在的问题，研究并提出了适合山区地形管网子差计算的方法，即“环方程法与节点方程法相结合”的平差方法。该方法可使各加压泵站的流量分配更加合理，提高了平差过程的收敛性和计算结果的准确性。
　　关键词：山区 供水　规划　管网平差

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

　　城市供水管网规划是城市供水规划的主要组成部分。对于山区城市，由于其地形特点，城市供水管网规划及运行过程中还存在一些亟待解决的技术问题。由于地形高差大，增大了供水管网的敷设及供水调度的技术难度。在进行城市供水管网规划时应根据当地实际情况，结合地形、城区布局及水源分布情况等采取合理的输配水方式，以节能降耗，保证城市供水的安全可靠性。

2 山区供水管网的特点

　　(1)市区各部分、市区与水源地之间地形高差都很大(常常超过40米)，这给供水管网的布置及运行调度带来诸多困难。一是由于管网各部分地面标高相差太大，容易造成低区管内压力过高，发生爆管及管件损坏；而高区则会出现管网压力不足，甚至不能将水供至最不利点。二是运行调度困难。由于地形高差大，必须实施分区供水。要保证全区供水的安全可靠性，就必须服务压力及水量均在合理范围内。这就对供水系统的管线布置及调度系统的调度能力提出了更高的要求。
　　(2)由于受地形限制，各区一般依地形而建，不太集中。或分成相互独立的几个区，如河北承德市，依山谷分为三区；或建成狭长城区，如河北张家口市区，由于东、西、北三面环山，只能向南发展，整个城区呈南北狭长分布。这样就增加了输水的距离。
　　(3)由于地处山区，水源地距市区距离往往很远，且可供水量季节性变化很大。受地形限制，地表水蓄水能力差，丰水期与枯水期可供水量相差很大。地下水供水量虽相对稳定，也受地表径流补给水量变化的影响而使地下水位发生季节性变化。如张家口市北水源，主要取河流浅层渗透水，枯水期最低供水量为2.5万吨/日，丰水期最高供水量达7.5万吨/日，相差近三倍。因此，在确定管网管径时，需考虑不同季节各水源地可供水量的变化。
　　(4)受地形影响，各水源地供水的成本有很大差别。因为地处山区，各水源地的地面标高相差很大。地面标高较高的水源地可以借助重力，使水泵扬程大大降低，也就降低了供水成本；而地面标高较低的水源地，必须克服地面高差产生的静水压力，使水泵扬程大大提高。因此在平衡各水源地供水量时，不但要考虑各水源地的供水能力，还应考虑他们的供水成本。
　　(5)由于二级泵站出口至最不利点地面高差大，一般采用分区供水，并设加压站及调节构筑物。如果采用一级供水，为保持管网末端所需水压，二级泵房的扬程将很高，使泵房附近干管压力过高，既不经济也不安全。采用分区供水，在各区中间增设加压泵房，进行中途加压，这样使二级泵房的扬程只须满足加压泵房附近管网的服务水压。当二级泵房附近的管网用水量占很大比例时，所节约的抽水能量极为明显。同时也可保证管网各部分供水压力更均匀，便于用户使用，也降低了管网的事故率。如果昼夜用水量相差较大，高峰用水时间较短，可考虑在适当位置设调节水池和泵房，利用夜间用水量减少进行蓄水，日间供水，增加高峰用水时的供水量。从而缩小高峰用水时水厂供水范围、降低出厂干管的高峰供水量。
　　(6)在管网规划设计时，由于地形高差大，使环状网的平差难度增大。采用分区供水时，涉及到如何划定各分区的界限，各区之间水量如何统一协调；由于地形高差大，起伏大，使得平差初始数据偏差较大，从而致使平差收敛速度减缓，甚至不能收敛以及采用分区加压供水加压泵站的流量如何分配等问题。
　　(7)由于地形条件，可利用重力流输水，以节省动力费用。当水源高于用水区时，采用重力流输水无需动力费用，重力流输水管的单位长度造价比压力管低。

3 山区城市供水管网平差技术

　　由于山区城市一般地形高差较大，山区城市供水管网在进行平差时，常常会遇到以下问题：
　　(1)对于分区供水管网的平差，通常采用各区分别平差的方法。这样往往使平差结果虽然各区内较合理，但缺乏整体于衡，各区间衔接不够合理。
　　(2)由于地形高差较大，使输入的平差初始数据，往往与最终的平差结果相差很大，尤其对于新建管网更是如此。这样就会导致平差收敛缓慢，甚至发散。
　　(3)对于串联分区时，若两区之间在几条联络管上同时设置加压泵站，各加压泵站的流量分配不易确定。
　　(4)采用节点方程法子差时，会因各节点高程相差太大而使各泵站扬程难以合理确定，更容易出现因初始数据误差太大而不易收敛。
　　针对以上问题，本文提出采用环方程法与节点方程法相结合的平差方法，对地形高差较大的分区管网进行平差。具体平差方法如下：
　　由于环方程法不需要节点高程等与地形相关的初始数据，因此地形高差大不会影响环方程法的收敛速度。利用环方程法平差出各管段的流量、流向，不考虑地形高差，根据平差结果算出各节点供水总压力。根据服务水头、地面标高算出各节点需水总压力，对供水总压力及需水总压力进行比较。在供水压力不能满足需水总压力的节点所在区域设加压泵站加压。加压泵站前设调节水池，利用水池前管网供水压力为水池供水。但是由于环方程法平差过程中未考虑地形情况，各区管网局部压力仍不够合理。然后利用节点方程法结合节点标高对各分区进行平差，确定合理的节点压力和管段流量。串联分区时各区间的加压泵站及联络管的流量分配仍按照整个管网环平差结果进行分配。
　　例如在张家口市供水管网中，将第一制水分公司、西泵站、三泵站作为三个“水源”。利用环方程法对整个管网进行平差，平差出各管段的流量、流向。不考虑地形高差，根据平差结果算出各节点供水总压力。根据服务水头、地面标高算出各节点需水总压力， 在供水压力不能满足需水总压力的节点所在区域设置西泵站、三泵站进行加压。加压泵站前设调节水池，利用水池前管网供水压力为水池供水。然后利用节点方程法对加压泵站至第一制水分公司之间管网进行平差，平差结果作为增设加压泵站后三泵站、第一制水分公司、西泵站之间的局部管网干差结果。
　　由于三泵站、西泵站、第二制水分公司、第三制水分公司之间的管网地形较为平坦，利用环方程法进行的管网平差结果，在该区域比较符合实际需求，故采用整个管网平差时该区域的平差结果作为最终平差结果。各区间的加压泵站三泵站、西泵站、流量分配仍按照整个管网环平差结果进行分配。(张家口市管网布置见图1，图中数字为节点标高。)
　　应用结果表明，上述平差方法市平差结果更符合地形高差相差悬殊的山区城市的管网的实际情况，是流量和水压的分配更为科学合理，明显提高了管网供水的可靠性和经济性。

4 结论

　　(1)山区缄市供水系统应根据地形及水源分布情况，从技术上和经济上制定不同的分区方案，通过比较确定经济合理的分区方案。
　　(2)山区地形城市供水管网平差方法：当城市地形高差较大，采用分区供水时，可采用环方程法与节点方程法相结合的平差方法，进行管网平差。该平差方法的优点是可以更合理地分配分区管网各加压泵站之间的流量，提高平差的收敛性和准确性。

参考文献
　　[1] 严煦世、赵宏宾．给水管网理论与计算．中国建筑工业出版社，1986
　　[2] 包志仁、刘国华．给水管网平差环方程法的改进．浙江大学学报：工学版，2000
　　[3] lindell E O, Kevin E L. Optimal of water supply pumping systems. J water Resources Planning and Management,1994, 120(2) :273-252