基于EPANET的供水管网工程设计案例分析与探讨.pdf 5页

'万方数据基于EPANET的供水管网工程设计案例分析与探讨曾宪银1孔德骞2(1哈尔滨T业大学建筑设计研究院，哈尔滨150090，2哈尔滨工业大学建筑设计研究院，哈尔滨150090)摘要以河南省某县供水工程为例，在供水管网工程设计中摒弃比流量法，应用EPANET软件进行管网平差。通过设计过程中的原始数据的采集、分析、整理及应用，对两种设计方法进行分析与探讨。关键词比流量法EPANET供水规模数据调查水力模型据2003年统计，全国管网漏损率为20％以上，每年渗漏浪费的水量超过100亿m3[1]。随着城市现代化建设的加快，配水管网建设在市政工程中占有了越来越重要的地位。给水管网优化技术的运用能够产生巨大的经济效益和社会效益，不仅可以节省大量的资金，而且还能改善整个管网的水力条件。一般来讲，给水管网占整个给水系统投资的60％～80％，而且还涉及每年庞大的能量消耗，其设计的结果直接关系到二级泵站电耗的大小，而在自来水公司中二级泵站的运转费用又占全部管理费的1／3左右。因此，一个好的管网设计方案，不但要考虑基建投资的经济性，还要综合考虑运行期管理费用的经济性，所以城市管网的优化设计具有极为重要的意义。1水量供需平衡的调查分析世界银行可持续发展局城市发展部对我国内地已建成的水厂近十年的调查发现，水厂在运行期间，管网中输送的水量远大于用户需水量，管网漏损严重，因此造成二级泵站的运转费远大于需水量的理论运行成本。80％的水厂处于亏损或持平状态。国内对于给水管网的设计基本是采用比流量法‘2|。Qd=qNf(1)式中Q——城市最高综合生活用水，L／d；广居民生活用水定额或综合生活用水定额，L／(人·d)；N-城市设计年限内计划用水人口数；卜城市自来水普及率，％。其中的居民生活用水定额按《室外给水设计规范》(GB50013--2006)中的4．0．3条选用，得出居424给水排水V01．36增刊2010民生活用水量。工业用水量结合GB50013--2006第4．0．4条规定按产值推算，各种用水量之和为管网总用水量Q。在水量分配时，假定用水量均匀分布在全部干管上，由此算出单位管线长度的流量，叫做比流量。q。一(Q一∑q)／∑z式g。——比流量，L／(s·m)；Q一管网总用水量，L／s；∑q——大用户集中用水量总和，L／s；≥：z——干管总长度，m，不包括穿越广场、公园等无建筑物地区的管线；只有一侧配水的管线，长度按一半计算。经世界银行资深水工工程师反复论证，按此种方式推算的流量过于规模化，居民用水量是复杂多变的，工业用水量中并且大部分企业采用自备井且产品类型和工艺各不相同，不能按产值来推算管网的工业用水量，管网流量应从现有居民、企事业单位及工业的实际用水情况综合分析确定。现以河南省某县利用世行贷款项目供水工程设计为例，综合阐述基于EPANET的给水工程设计理念。2供水工程设计2．1项目背景河南省某县县城供水现状格局是均采用地下水，自来水公司水源井和各单位自备水源井相接合的格局。县城目前尚无自来水厂，自来水公司供水方式为深水井直供。另有各单位自备水源，自来水公司供水人口3万余人，其余居民有的采用自备水源，还有部分居民吃水仍采用手压井的方式取用浅 万方数据层地下水。为更合理的使用现状水厂设施，不致于出现现状水厂水压不足现象，此次设计管网采用新水厂和老水厂分区供水的配水形式，以新建配水管网为重点，并兼顾原有配水管网改造。设计中，最初采用生活用水量指标分解和工业万元用水量指标法设计，该县人口规模近期为14万人，远期为20万人。近期居民生活用水按90L／(人·d)，计事业单位需水量预测为0．26万m3／d，最终得出设计规模为2．8万rn3／d。经世行专家审核后，认为大部分地f)(管径设置不合理，按水厂的设计规模水量分配到供水管网中，与居民实际需水量差距太大(没有做居民用水量调查)，造成大部分管径偏大，如按此设计的配水管网输配自来水，将造成建设资金和二泵站电能的大量浪费。因此，建议对该县老城区供水设施和用水量做详细的调查整理后，采用EPANET软件进行平差设计。2．2EPANET软件功能通过EPANET软件可直观地了解现有管网的运行状况，找出其中的不合理之处，并进行城市管网设计和旧城区管网的改扩建优化设计，节约工程造价；根据城市的发展，科学合理的制定供水规划；并可对管网进行科学、合理的调度，既满足用户需求，又节约供水电耗[3]。该软件能实现以下功能：2．2．1水力平差功能建立管网水力平差模拟和计算程序，平差计算多水源管网水力运行状况，进行包括最高时、消防时、事故时等多工况的计算，可计算包括多种管材、水泵、水塔、阀门等特殊设备的管网。2．2．2管网规划及改扩建方案优化计算功能对供水管网规划设计及改扩建方案进行计算和比较，合理地确定管径，使管网的建设和运行费用最低。管网优化计算不需要用户进行预分配管段流量，软件能根据实际情况进行管段流量、流速、管径、节点水头等多方面约束，计算出一定设计年限内，管网建造费用和运行费用之和为最小时的市场规格管径和水头损失。2．2．3管网水力状态实时模拟计算功能建立用水量动态分配模型和计算程序，进行实时水力模拟，实时模拟的基本方法是以管网水力平差计算为基础，将实测统计的分时段用水量作为近似动态数据，对一定时期内的运行状态连续模拟计算，反映供水系统运行管理质量，并进行长期运行状态预测，为合理调度提供基础依据。该软件可模拟一天内各个时段的管段流量、流速、水力坡度、水头损失、节点流量、压力、水池水位、水泵的工况点和功率及效率。2．2．4管网水质状态实时模拟功能模拟非反应物质一定时间内在管网中的运动情况，反应物质在一定时间内发生生成反应和衰减反应时的运动与变化情况；模拟整个管网的水龄，水体和壁面反应确定水流在一定时间内从一个已知节点流到其他节点的百分数；用rt级动力学模拟水体反应；当模拟壁面反应时，解释了质量传输限制条件；把蓄水池作为全混流、平推流或两分隔问反应器进行模拟。研究模拟不同水源的混合、余氯的衰减、消毒副产物的增长、跟踪污染物的传播途径等。2．3EPANET软件应用过程2．3．1数据调查在应用EPANET软件进行平差前，对该县现有老城区用水情况进行了大量详实的调查统计工作，对居民用水量及卫生设备的配置情况、自备井水量、企事业单位用水量及工业用水量进行分类调查整理。将各个企事业单位及住宅小区的位置标在该县城规划图上，以自来水公司售水收费纪录作为原始资料，用水量按5～10月及11～4月分开统计整理，从居民住宅的疏密及小区卫生器具的配置情况，来校核原始资料的准确性，见表1、表2。2．3．2数据整理将校核整理得到的原始数据分配到设计管网的相应节点上。结合该县的近五年的人口增长变化情况及县城未来10年发展规划，合理预计增加的用水量，将该部分水量加入相应的节点上，得到近期节点水量。将近期水量按不同模式输入EPANET软件中，作为节点水量数据，见表3。对该县的居民生活作息规律、工业生产情况、服务业营业的时间规律、企事业单位工作及休息规律、绿地和道路浇洒的工作周期等进行分析，绘制出用水量变化曲线。将用水量24h的变化比例输入EPANET软件，见图1。给水排水V01．36t11干112010425 万方数据表1老城区企攀业单位、居民用水量调查环人数水量甩水量／m3企事她单位用水量／m3居民用水量／m3嚣壤会诤企事业单居民用鱼号浅久5"--10曩ll～垂嚣位名称专～lO舞ll～《秀5-"．-,1071ll～4舞寨慕}产|薅Jl一2—5—6l0，14462122617220040骥才学校90060025272194402302禽都新区84006000J2“’3—·6—。7—。820．62239532135639103893民政局290240126949976531382j3—4—8—9—1032．3众家福超市3120240043130833177651604j￡关，l、学720600垂秀茏学蔹187014404一初中10809004城西棉织厂445034204外贸局6004804供销社420300弱一6一ll—12毒0。7229592128720100872被会保险所2401801193409355215605蠢货亵场9607205淀丘宾镶660480S防疫蛄l2009005步行街741057005中国银行5804805王商银行5804805农韭镊每7206005豫东缓痦580480J6—7一12—1350．7424674113914=3107598阋民中学65054012638397218l6Sl表2囱备井水量统计序环使用单位日出水用水爨／甜年用水量号学餮?醛5～lO胃ll～4胃会请|稿l张痉孝亍致村400792007200015120021北郊乡卫生院40792007200864003l北郊乡政府202160180039604l北关汽车站2021601800396052职监裹孛306垂8054∞1188063海亿夫溪痦200，396∞380007560073锦华大酒店20047520396008712083中英文学校40864072001584094太平洋棉织厂200396003600075600lO+4一蹇孛2∞396003600075600王i4被单厂l∞王98001800037800124二高中200396003600075600135机械厂407920720015120145县医院3509630036000132300lS7念慈医浣4086407200158402．3．3水力模型的建立将每个节点的设计水量分为6种模式：①居民生活用水；②企事业单位用水；③工业用水；④服务业用水；⑤浇洒绿撼露水；⑥管刚滚失用水。在各个节点中分舅g输入耜磨模式酌流量<农院流量法串，爨按用水定额计算出的数据输入数值，该法造成设计426给水排水Voi．靳增刊2010表3近期水量计算节居民用水／L／8企攀业用水／L／s正般用水／L／s点2007稼2013年2007照2013年2007零2013年118．168。16O．SOO．5O125．650．060．050134．404．40．300．32．88142．98O．1l0．111，21．Z153。113．111．89O王63。11爱王王l。880O王74。32垂．322。33O0183．394．752．222．28O1901．363．003．15O2001．362．413．2l02l01。362．823。87O02201。360。00l。lO*斌受52．10一工鼗82．0一驻务韭8．30一域蟪耧道路5．20喝硷事业单位用木17．10+翕计90．90—一平均；⋯醐，八确。．型一brt一时闻m图1用水最变化曲线蛐"似¨锄”铺弼啪"¨拼抽¨埔¨囊*旺 万方数据范围内每一节点用水定额相同，而通过水量调查得出的结果显示，不同的用户类型，其用水定额是不同的，并且差别很大)。根据管网的布置分配各个管段水流的流向。再根据所确定的节点流量和管段水流流向初步分配各个管段的流量，从而得出各个管段的管径。然后进行平差计算，平差计算的目的是使每个环中所分配的流量和所确定的管径同时满足以下两点：①每个节点流人和流出的水量相等；②每个环中顺时针一周各管段的水头损失之和为零。平差中管段水头损失的计算公式采用海曾一威廉公式，通过计算软件调整各个管段的管径使得整个管网最终满足以上的两个条件。按照规定将控制点的自由水头设为0．28MPa，根据各个管段的水头损失计算出各个节点的自由水头，最终得出二泵站处水泵的扬程，见表4、表5。表4最大时的节点数据节用水量水头压力节用水量水头压力点ILls／m／rll点{Lh／m／rfl158．567Z．3230．67239．4875．1835．131611．3871．7932．272419．2472．5l31．631713．1671．7832．18257．9673．5532．081813．4774．2934．79266．5272．9732．231910．0669．8430．41276．3973．6932．392012．4269．4930．39285．3674．330．482114．169．8430．64295．175．9633．15224．697L5232．12304．6777．437．3表5最大时的管段数据管长管径流量流速水头损失摩擦管段／m／nm|乙{s／m／s／m／kin系数2691．61503．22O．180．530．0473936．4200—2．090．07O．060．0525742．3200—8．370．270．760．0426605．320012．870．411．690．0472972007．6lO．240．640．04381304．1150O．720．040．030．0589791．9150—2．450．14O．320．04910625．6200—16．80．532．770．03811122．ZZOO17．110．542．860．03812467．820012．780．411．670．04在得出的水力模型基础上进型消防校核、事故校核和远期校核。最终得到优化的水力设计模型。通过该模型可以调出一天24h每一时段的水力数据。根据该数据显示，在22：00～3：00时段，关闭自备井，新建水厂足以满足设计要求。将EPANET软件计算结果进行分析，发现在县城边缘地区，部分平房区、人口稀少地区，其管径较原设计减小，人口密集，高档住宅区其管径较原设计增大，总体上管径小于按比流量法设计的管径，二泵站扬程较原设计减小0．05MPa。与采用比流量法相比较，管网工程投资减少20％，管网建成投入使用后，降低二泵站电耗，并且减少管网漏损率。3结束语采用传统比流量法的设计是按水厂的供水规模来分配管网的用水量，此方法过于笼统，与用户的实际需求量差别很大，而本次设计是以用户的实际需水量(并考虑近远期发展)为依据进行管网平差计算。因此，供水工程设计的关键在于基础资料的调查统计、分析及整理，最终目的是达到供需的平衡，节约水资源，节约电能，进而达到经济效益最大化。本设计打破常规设计模式，在此提出设计思路及过程以供业内同行们探讨并共同研究，以使我国的供排水设计事业日臻成熟。参考文献1陈卫，孙敏．城市水系统运营与管理．北京：中国建筑工业出版社，2005．17～212延煦世，范瑾初．给水工程．第3版．北京：中国建筑工业出版社，1996．14，333周克梅．南京市供水管网实时模拟软件开发与应用．见：供水管网现代理论与工程技术论文集．北京：中国建筑工业出版社，2007．249焱通讯处：150090哈尔滨市南岗区黄河路73号哈尔滨工业大学二校区电话：(0451)86289502E-mail：xianyin_zeng@163．corn收稿日期：2010—06—02给水排水V01．36增刊2010427 基于EPANET的供水管网工程设计案例分析与探讨作者：曾宪银，孔德骞作者单位：哈尔滨工业大学建筑设计研究院,哈尔滨,150090刊名：给水排水英文刊名：WATER&WASTEWATERENGINEERING年，卷(期)：2010,36(z1)被引用次数：1次参考文献(3条)1.延煦世;范瑾初给水工程19962.陈卫;孙敏城市水系统运营与管理20053.周克梅南京市供水管网实时模拟软件开发与应用2007本文读者也读过(10条)1.张莹.宋启元.苏功军.ZHANGYing.SONGQi-yuan.SUGong-junEPANET在供水管网平差计算中的应用[期刊论文]-山西建筑2008,34(33)2.刘百仓.林璐.林佳琪.郑佳.梁丹青.袁国翠EPANET在城市多水源供水管网水力及水质计算中的应用[期刊论文]-给水排水2010,36(z1)3.张莹.宋启元.苏功军EPANET在供水管网平差计算中的应用[会议论文]-20094.魏炜.贾海峰.苏保林.WEIWei.JIAHai-feng.SUBao-lin水力平差模型在供水规划中的应用[期刊论文]-北京水务2006(3)5.张凤娥.曾念.张敏.周韧.ZHANGFeng-e.ZENGNian.ZHANGMin.ZHOURen用EPANET水力模型优化乡镇供水管网[期刊论文]-中国给水排水2008,24(2)6.李伟.乌兰.刘剑.张轶凡.邓纪鹏.卢健.季民计算机模拟在大型污水处理厂升级改造中的应用研究[期刊论文]-给水排水2010,36(z1)7.李亚峰.陶翠翠.蒋白懿.叶友林改进BP神经网络预测埋地金属给水管道外腐蚀速率的研究[期刊论文]-给水排水2010,36(z1)8.王琦.刘书明.陈晋端.孟凡琳.WangQi.LiuShuming.ChenJinduan.MengFanlin基于EPANET的供水系统中变频变压供水方式的模拟[期刊论文]-给水排水2009,35(z2)9.王海.李震涛.魏婷.秦莹.张勤.WangHai.LiZhentao.WeiTing.QinYing.ZhangQin重庆大学学生宿舍减压节水效果分析研究[期刊论文]-给水排水2010,36(z1)10.张馨予.李树平.ZhangXinyu.LiShuping基于EPANET-MSX的多水源供水管网余氯模拟研究[期刊论文]-河南科学2010,28(2)引证文献(1条)1.王郁超.陶月赞.郭增辉EPANET软件在农村供水管网设计中的应用[期刊论文]-市政技术2011(2)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsps2010z1119.aspx'