供水管网可靠性研究综述

张连强+樊晓晨

【摘 要】随着城市的现代化发展，城市的生产、生活会越来越依赖城市给水系统，而给水管网是城市给水系统重要的组成部分，其可靠运作对于充分发挥整个给水系统的经济效益与社会效益有着举足轻重的作用。因此研究给水管网的可靠性，提高其供水可靠度，使之更好的完成其给水功能是给水系统设计中的一个重要课题。随着城市的现代化发展。城市的生产、生活会越来越依赖生命线工程系统。对生命线工程进行抗震研究是地震工程研究领域的重要课题。生命线工程系统的抗震性能和受强震袭击后的运行功能，可以从系统可靠度的角度进行研究分析。

【关键词】供水管网；水力分析；可靠性；抗震可靠性；管网优化设计

一、 供水现状及存在的问题

城市给水管网系统是现代化城市最重要的基础设施之一，是城市文明、经济发展和现代化水平的重要标志。主要功能是：及时可靠地向用户提供符合卫生质量要求的水；为用户提供充足的水量和水压。

由于供水设施陈旧、技术水平较低、管理体制不完善等诸多原因使我国城市供水漏损现象严重。目前我国城市的供水现状也还面临着许多十分严峻的问题，正有待解决。主要表现在以下几个方面：水资源短缺，水环境污染严重，城市供水量不足；供水水质偏低，二次污染严重；管网漏损严重；供水管理科学性不强。按供水行业的特点，对供水系统的安全可靠性要求特别高，强调安全不问断地供应质量良好的水，因此如何减少给水系统的故障和损失，提高供水可靠性，使之更好的完成其给水功能是给水系统设计中的一个重要课题[1]。

二、国内外研究动态

二十世纪七十年代，Darnelin等人首次提出将可靠性理论运用于城市给水管网的优化设计，并初步探讨了输水管道的可靠性问题，随后关于给水管网可靠性理论的研究逐渐引起了众多学者的兴趣[2]。早期的给水可靠性研究大都是停留在理论研究上，没有更好的与实际工程结合起来，发展比较缓慢。随着研究的发展，Wagner等人在“输配水系统可靠性一分析篇”中，他提出了给水可靠性的3个指标：（1）节点与水源点相通的概率； （2）系统全部节点与水源点相通的概率；（3）系统的每个节点满足水压要求的概率。随着研究的深入，研究者们逐渐意识到单一地分析机械可靠性或水力可靠性具有一定的缺陷，20世纪90年代以来，研究者开始试着把机械可靠度和水力可靠度结合起来分析给水系统的可靠性，即在先满足可达性和可连接性等机械可靠性的基础上，再加上评估能否满足用户需水量和水压要求，以其满足上述要求的概率来表征系统的可靠度由于模拟管网水力工况需要花费大量的时间，促使很多学者力求寻找度量管网可靠性的间接方法。

我国关于城市给水管网系统可靠性理论的研究工作开展较晚，只有十几年的时间，目前尚处于探索性阶段。

三、 供水管网可靠性研究方法

（一）系统可靠性研究方法

从定量角度分析给水管网的可靠度，涉及到两种不同类型的管网故障，一种是部件失效，如主干管爆裂、泵站故障，这都使得管网的结构发生了变化—连通性变差，即非水源点与水源点相通的概率降低，从而管网变得不可靠。另外一种是动态变化的因素，如：随着管道的腐蚀和沉积作用，管道输水能力降低；城市用水量的增加超过管网设计负荷值。

因而，目前的研究主要集中在两个层次[3～4]，一种是结构可靠性研究，即给水管网的拓扑结构是否合理从而达到其供水要求；另一种是水力可靠性研究，考慮任意时刻可能出现的用水量变化及管道粗糙系数变化是否造成管网不能达到其供水要求。

（二） 管网可靠性分析方法

由于给水管网本身比较复杂，而且受多种因素影响，给水管网可靠性分析方法发展较缓慢，目前还没有一种方法得到普遍的认可，并应用于实际工程设计中。从方法总体分类，考虑管网输水能力及考虑阀门配置等方面对已有的各种方法进行了归纳、总结，可供可靠性分析及设计、维修等参考。

目前，在给水管网系统设计中，可靠性的考虑一般限于采用定性的原则表示对其具体的可靠性定义及如何定量的评价、量测等仍没有统一的概念。一般可采用概率方法[5]，通过引入概率来说明某一偶然性事件对系统供水情况的影响。分析中，根据选择的评价标准不同，可以采用不同的指标以反映中断供水或供水不足的程度、持续时间、发生频率、用户受影响的程度等。所采用的方法主要是在Wagner和Shamir等于1988年提出的解析法和模拟法的基础上不断深化发展起来的。

1.解析法。

本方法是由Wagner和Shamir等于1988年提出的。根据整个给水系统的组成部分的划分的详细程度将其可靠性分析方法分为三类：①供应、需求都归并到一起；②需求归并在一起分析供应和传输过程；③供应、需求都详细考虑。即网络的形式表示给水管网系统。

2.模拟法。

该方法亦是由Wagner和Shamir等于1988年提出的。系统中管线和设备（如水源、泵站、蓄水池、阀门及其他控制设备）以网络模型代表。模型的准确详细水平应与分析的问题相一致，如要研究连接性、阀门的配置（从可靠度角度出发），有必要包括小尺寸的管子；另一方面，要研究整个供水区的供水可靠度，模型只能包含一些设备和主要的传输系统即可。水源、管段破裂、泵损坏和电力故障等都可能引起供水不足。

四、结语

综上所述，由于给水管网本身比较复杂，而且受多种因素影响，更由于水的可存储性等，给水管网可靠性分析方法发展较缓慢，目前还没有一种方法得到普遍的认可并应用于实际工程设计中。本文从方法总体分类，考虑管网输水能力及考虑阀门配置等方面对已有的各种方法进行了归纳，总结，可供可靠性分析及设计维修等参考。

参考文献：

[1] 王圃，龙腾锐等. 城市给水管网可靠性分析与应用[J].给水排水.2005.

[2] 赵新华，刘英梅，乔字.城市给水管网可靠度的计算[J].中国给水排水.2002.

[3] Y.Setiadi，T.T.Tanyimboh， A.B.Templeman.Modelling errors，entropy and the hydraulic reliability of water distribution systems[J].Advance in Engineering Sofware.2005.

[4] 赵洪宾，严煦世.给水管网系统理论与分析[M].北京：中国建筑工业出版社.2003.

[5] 金星，洪延姬.工程系统可靠性数值分析方法.国防工业出版社，2002.endprint