简析基于管段重要性的给水管网布局

摘要：随着我国经济的飞速发展，城市化进程的不断加快，给水管网布局得到了前所未有的发展，针对给水管网模型中管段重要性判断的实际需求，利用算例，构造了树状管网、不同环数的环状管网、供水压力变化、连通管段直径变化以及多水源供水等情况下的各种给水管网布局，结合水力计算进行了分析，得出了有助于供水管网规划、设计和运行管理中与管段重要性相关的结论：树状管网从水源到每一需水节点仅存在一条输水路径，不存在连通性冗余和能力冗余；环状管网具有连通性冗余，但能力冗余取决于整体布局；环状管网基环数目依次增多时，存在连通管段的局部效应，即在所添加连通管道附近的管段重要性受到影响，但远离小环部分的管段重要性未受影响；随着供水压力的升高和水源的增多，成环部分各管段重要性下降，管网的能力冗余提高。

关键词：给水管网；布局形式；管段重要性；水力分析

中图分类号：F291.1 文献标识码：A 文章编号：

1给水管网布局简介

改革开放以来，我国城市化建设得到了长足发展，从给水管网布局的发展来看，给水管网包含两种基本布置形式：树状网和环状网。通常认为树状网的供水可靠性较差；管网中任一管段损坏时，该管段以后的所有管线就会断水，得不到服务。而环状管网中，管线连接成环；直观上认为任意管段损坏时，水还可从另外管线供应用户，可以缩小断水区域，从而增加供水可靠性。事实上如果引入给水管网冗余，即备选路径配水能力的概念，将会发现当由连通管将树状管网形成环状管网时，如果供水压力不是很充分，很可能出现仅具有连通性（即从水源到某一节点具有不同的连通路径）冗余，而没有提高能力（管段的过水能力）冗余。给水管网设计计算中，除按设计年限内最高日最高时的用水量决定管道直径和水泵尺寸外，还应进行事故工况校核。即按最不利管段损坏而断水检修的条件，核算事故时的流量（按最高日最高时用水量的７０％）和水压是否满足要求。当靠近水源处具有两条以上不同方向的管道时，最不利管段的选择通常根据主观经验确定。

2给水管网布局分析

给水管网布局分析将分５种情况讨论：

①单环路管网情况；②多环路管网情况；③增加贮水池供水压力情况；④改变连通管道直径情况；⑤管网中添加另一水源情况。

2.1单环路管网

树状管网中不同位置添加连通管道，形成了各种单环路管网。本组分６种方案讨论：方案ａ，不含环路的管网，即树状网；方案ｂ，添加连通管段Ｌ１２，管径２５０ ｍｍ；方案ｃ，添加连 通管段Ｌ１３，管 径２００ｍｍ；方案ｄ，添加连通管段Ｌ１４，管径２００ｍｍ；方案ｅ，添加连通管段Ｌ１５，管径２００ｍｍ；方案ｆ，添加连通管段Ｌ１６，管径２００ｍｍ。经计算，方案ａ的水力计算结果满足各节点需水量和水压要求，所以当方案ｂ～方案ｆ中去除各连通管段时，不影响管网的供水能力，故按照管段重要性定义。

2.2多环路管网

树状管网的基础上添加更多的连通管道，形成了含多个基环的管网。本组给水管网布局分析分以下５种方案讨论：方案ｇ，添加连通管段Ｌ１２（管径２５０ｍｍ）和Ｌ１３（２００ ｍｍ）；方案ｈ，添加连通管段Ｌ１５（２００ｍｍ）和Ｌ１６（２００ｍｍ）；方案ｉ，添加连通管段Ｌ１２、Ｌ１３和Ｌ１４（２００ｍｍ）；方案ｊ，添加连通管段Ｌ１４、Ｌ１５和Ｌ１６；方案ｋ，添加连通管段Ｌ１２—Ｌ１６，共含５个基环。随着方案ａ、ｂ、ｇ、ｉ和ｋ中基环数的增加，环内所含管段的重要性依次降低。方案ｆ、ｈ、ｊ、ｋ中成环管段数未变；但随着基环数量的增加，可知：靠近添加连通管段处的管段重要性降低，而远离连通管段处的管段重要性受环数增加的影响较小，该特性可称作连通管段的局部效应，即管段数量较少（总管长较小）的基环内部某条管段断开，对整个管网供水影响较小；管段重要性为零的情况依次增多。

2.3管网供水总压力增大情况

管网供水压力增加后的管段重要性

本组方案将探讨管段重要性对管网供水压力增大后的敏感性。选取管网布局方案ａ１、ｄ１、ｆ１和ｋ１，分别对应于方案ａ、ｄ、ｆ和ｋ；水源（节点Ｒ１）的总水头由原来的Ｈ１＝８０ｍ提高到Ｈ１＝ ９０ｍ。经计算，各方案的管段重要性见上表。

可以看出：①方案ａ１与方案ａ相比，因为树状管网内各节点需水量未变，且在Ｈ１＝８０ｍ条件下就可以满足供水管网水力需求，供水管网总压力升高后同样可以满足需求，且各管段流量不变，因此相应的管段重要性未发生变化；②环状管网方案ｄ１、ｆ１、ｋ１分别与方案ｄ、ｆ、ｋ比较，随着供水压力的变化，环内各管段存在流量重新分配的问题，因此成环部分管段重要性发生了变化；随着供水压力的提高，具有多个方向来水的节点需水量在一条管段断开时，更加有机会得以满足，因此成环部分管段重要性降低，管网总体供水可靠性提高。

2.4连通管段直径变化情况

本组管网布局方案用于探讨管段重要性指标对连通管段直径变化的敏感性。选取方案ｃ２、ｄ２、ｅ２和ｆ２，分别对应于方案ｃ、ｄ、ｅ和ｆ；各方案中所有连通管段（Ｌ１３—Ｌ１６）的直径改为１００ｍｍ。经计算，各方案的管段重要性见下表。

连通管段直径为１００ｍｍ时的管段重要性

将方案ｃ２、ｄ２、ｅ２、ｆ２分别与方案ｃ、ｄ、ｅ、ｆ比较，可以看出当连通管段直径由大变小后，与连通管段相邻的部分管段重要性增大，而其他管段重要性数值受到影响较小；同样可以看作连通管段的局部效应，即因为连通管段长度较短，在各种流量下引起的水头损失在整个管网中所占比重较小。

2.5添加新水源

在节点Ｊ１２处新增一处水源，供水水位Ｈ１２＝８５ｍ，选取方案ａ３、ｆ３和ｋ３，分别对应于方案ａ、ｆ和ｋ，考察管段重要性变化情况。经计算，各方案的管段重要性见下表。

双水源供水情况下各方案的管段重要性

我们可以看出：（１）尽管方案ａ３和ａ的管网布局为树状管网，节点Ｊ２，Ｊ４，Ｊ６，Ｊ８，Ｊ１０和Ｊ１２满足双向、双水源供水，与这些节点相连的单条管段断开，仍可满足节点需水量，因此Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７，Ｌ９，Ｌ１１的管段重要性均降至零。但对于单向供水的节点Ｊ３，Ｊ５，Ｊ７，Ｊ９和Ｊ１１，当与其相连管段断开后，需水量满足情况与方案ａ相同，因此Ｌ２，Ｌ４，Ｌ６，Ｌ８，Ｌ１０的管段重要性不变。因此可以得出，当树状管网由单水源改为多水源供水时，能够通过多向、多水源供水的节点，与其相连的管段重要性降低；而单向供水的节点，与其相连的管段重要性没有受到影响。

（２）方案ｆ３和方案ｋ３中各管段的重要性均为零。说明当环状管网由单水源改为多水源供水时，由于管网内环路影响，节点通过双水源供水的可能性提高，与其相连的管段重要性降低。

3 结束语

管段重要性作为管段在整个管网中关键程度的相对性衡量，在给水管网规划、设计和运行管理中具有重要作用，便于及时判断并关注重要性高的关键管段。树状管网从水源到每一需水节点仅存在一条输水路径，无连通性冗余和能力冗余，当某管段出现故障后，其下游需水节点均受到影响，因此具有高供水能力要求的上游管段重要性要比具有低供水能力要求的下游管段重要性高。

通过添加连通管，树状管网形成环状管网后，随即出现连通性冗余，但能力冗余将取决于整体布局：

（１）当添加连通管道成环后，连通管段所在基环内的各管段重要性受到影响，但重要性数值升高或者降低需进一步确定；

（２）环状管网基环数目依次增多时，即存在连通管段的局部效应；在所添加连通管道附近的管段重要性受到影响，但远离小环部分的管段重要性未受影响；

（３）随着供水压力的升高，成环部分各管段重要性下降，管网的能力冗余提高；

（４）当连通管道的管径由大变小时，连通管段同样存在局部效应，即与连通管道相邻的管段重要性受到影响（由小变大），其余管段重要性受影响较小．

参考文献：

［１］严煦世，刘遂庆．给水排水管网系统［Ｍ］．２版．北京：中国建筑工业出版社，2008

［２］李树平，刘遂庆．城市给水管网系统［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，2012