EPANET模型在再生水管网规划设计中的应用

水利水电技术　第39卷　2008年第3期

W ater R esourc es and H ydr o po wer Engineering V ol 139N o 13

EPA NET 模型在再生水管网规划设计中的应用

魏　炜1

,贾海峰2

,信昆仑

3

(11北京市水利规划设计研究院,北京　100044;21清华大学环境科学与工程系,北京　100084;

31同济大学环境科学与工程学院,上海　200092)

摘　要:在北京市再生水管网规划设计中,通过GI S 建立规划管网的EP ANET 水力模型,消除了管网多水源供水、回用范围大、环状支状管网混合、结构复杂对水力计算的不利影响。并且针对水力计算结果———节点压力、管段流速和水力坡降(水头损失)进行分析,通过调整初始设计管径不合理的管段管径以及根据北京市地形分布将再生水管网划分为4个弱连接的供水分区,解决了再生水厂多数集中在地形较低的东部地区和大范围回用高程变化所带来的管网压力过高的问题,提高了管网设计的合理性,降低了管网的投资和运行成本。研究中应用的方法和过程具有通用性,可以用于有压给水、再生水管网系统的模拟。

关键词:EP ANET;再生水管网;地理信息系统;水力计算模型;管网平差;北京市

中图分类号:T V991(21) 文献标识码:B 文章编号:100020860(2008)0320038204

Appli ca ti on of EPANET m odel to pl ann i n g and desi gn of recl a i m ed wa ter network

W E IW ei 1

,J I A Hai 2feng 2

,X IN Kun 2lun

3

(11Beijing I nstitute of Hydraulic Engineering Planning,Design &Research,Beijing 100044,China;21Depart m ent of Envir on ment Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;31School of Envir on ment Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China )

Abstract:I n Beijing Reclai m ed W ater U tilizati on Planning Pr oject,the adverse i m pacts on the hydraulic calculati on fr om the as 2pects such as multi 2s ource water supp ly,larger reclai m ed area and comp licated structure with m ixing of l ooped branch 2shaped p i peline net w orks etc 1are eli m inated thr ough a GI S based EP ANET hydraulic model for p lanning the p i peline net w ork 1Moreo 2ver,on the basis of the analysis on the results of hydraulic calculati on i 1e 1node p ressure,p i pe vel ocity and hydraulic gradient (head 2l oss ),s ome of the initial dia meters of the p i pelines in the net w ork are adjusted and the net w ork is divided int o four weak conjuncti on regi ons according t o the t opographical distributi on of Beijing 1It p r ovides a better s oluti on for the p r oble m of over 2high p ressure in several regi ons of the net w ork caused by the large reclai m ed area with vari ous elevati ons and most of the reclai m ed wa 2ter p lants those are distributed in the eastern regi on of Beijing,with which the rati onality of the p lanning is i m p r oved with the de 2crease of both the invest m ent and the operati on cost 1The method can be used t o analyze the other water supp ly distributi on syste m and reclai m ed water net w ork 1

Key words:EP ANET;reclai m ed water p i peline net w ork;GI S;hydraulic model;net w ork adjust m ent calculati on;Beijing

收稿日期:2007209214

作者简介:魏　炜(1982—),男,助理工程师。

北京市政府在《2008年奥运会申办报告》中承诺,2008年北京市要达到污水处理率90%、再生水回用

率50%的目标。再生水回用管网规划则是实现这一郑重承诺,并进一步保证北京市可持续发展的重要保障。对于有压的再生水回用管网,在规划设计阶段对其进行水力计算分析是必不可少的环节。通过计算分

析,可以调整控制管网节点压力、管段管径、管段流

速及水力坡降,从而降低未来管网漏失甚至爆管的可能性,同时也可以减少管网的投资、降低运行能耗和8

3

魏　炜,等∥EPANET模型在再生水管网规划设计中的应用

成本。

1　管网水力计算模型

管网的水力计算最初是根据哈代-克罗斯(Hardy -Cr oss)法解环方程,通过手工迭代计算进行平差的。该方法仅适用于小规模环状管网的水力计算,计算过程复杂费时,计算精度较低。

目前,给水管网系统的水力平差设计计算,在算法上已比较成熟,在计算规模、速度和精度上,随着计算机技术的发展,已不再是平差计算的约束问题。如WATERCAD、WDOC、W at N ET、SynerG2 EE、EPANET等软件,都可方便地解决成千上万根管段的水力计算问题[1,2]。随着GI S技术的出现和不断完善,其强大的空间数据管理和网络分析功能为管网水力计算模型提供了有效的数据管理和组织手段,简化了建模的过程。因此,水力计算模型与GI S的集成开发成为了管网水力计算模型的主要发展方向之一[3～6]。

2　EPANET模型概述

EP ANET是由美国环保署开发的用于有压管网水力、水质分析的程序,目前国外主要将其应用于供水管网的水质追踪、模拟及分析。

EP ANET模型的管网水力计算是基于解节点方程方法。对于任一管网,其节点数N、管段数P和环数L之间均有P=N+L-1。节点方程法是以节点水压或节点集中输入(或输出)流量为未知数,根据节点集中流量已知与否,列出并解N-1或N个独立方程,并根据水头损失计算公式,求解未知数。这种方法方程阶数较低,计算收敛性较好,计算准备工作量少[7,8]。

北京市再生水规划管网是由多个再生水水厂作为供水水源,管网覆盖了整个北京市区、由支状和环状管网混合构成。因此,需要水力计算模型的数据准备工作量尽可能小,能够计算环状、支状混合管网,并且可以建立多水源的管网水力模型。根据以上对模型的要求,在本研究中将应用EP ANET建立再生水管网水力模型。应用EP ANET可对管网不经简化处理直接建模,避免了简化带来的误差,并且计算所需时间和存储单元较少[9]。

3　北京市再生水管网EPANET模型建立

在构建北京市再生水管网水力计算模型时,数据处理、输入工作量较大,单独应用EP ANET来完成比较困难,还会带来较大的人为误差。因此,数据的获取是在GI S环境下实现的(见图1),管网的图形数据通过格式转换、空间和拓扑分析后存储于空间数据库。通过GI S可以自动计算管段长度,通过空间分析可以得到节点坐标及高程数据,通过拓扑分析可以得到管段起止点,将规划的初始管径和预测出的节点流量及由GI S计算得到的数据输入属性数据库后,便可以应用EP ANET调用以上数据构建再生水管网水力模型

。

图1　再生水管网水力模型建立示意

在GI S环境下,获取的回用管网图层数据库结构如表1和表2所列。最终建立的北京市再生水回用管网EPANET水力模型包括277个节点和435根管段。

表1　管网节点拓扑结构数据

编号节点高程/m节点X坐标/m节点Y坐标/m节点流量/m3?d-1

133102045189017544039951860

239152044619810644061851695751117

……………

2539192044511416244108141110

……………

表2　管网管段拓扑结构数据

管段编号端点数量第一端点编号第二端点编号初始管径/m m管长/m

1296103600356105 221401414001439127 321111126001419179………………

4　结果与讨论

411　整体水力计算结果及分析

应用EPAN ET对整个管网平差后,确定整个

魏　炜,等∥EPANET 模型在再生水管网规划设计中的应用

管网的最不利点为管网西边的端点,当满足最不利点15m 自由水头的要求时,整个管网中大多数节点压力在50～100m 之间,东部部分节点压力超过100m 。

出现这种结果的主要原因是地形影响。北京地区西高东低,东部与西部高程相差最大达到75m 左右,管网中,水在重力的作用下势必由西向东流动,造成东部压力高于西部;其次,回用管网水源为经过污水处理厂处理后的再生水,而污水收集是靠重力收集,

所以东部9个污水处理厂的供水能力为14214万m 3

/d,远大于西部9个污水处理厂5013万m 3

/d 的供水能力。为了满足整个管网的水量要求,只能提高东部污水处理厂的压力,造成整个管网节点压力东部大于西部。412　供水分区划分

由于北京市再生水回用管网覆盖了北京市整个市区,通过管网水力模拟模型来优化管网,进行局部管网的调整,对降低管网的压力所起作用甚微。因此,在本研究中提出了对再生水回用管网进行分区的方法来解决东部管网压力过高的问题。

供水分区的划分方法如图2所示。首先根据建立的管网水力模型及降低供水压力的目标,考虑再生水厂分布及供水能力、用户类型及用水量、地形及高程、管网阻力系数等因素,确定供水分区的边界,然后对分区进行管网的水力模拟,通过局部优化调整,均衡供水分区的水压,尽可能实现较低的水压供水,从而减小管网漏损量及运行费用,提高管网的运行安全性。若水力模拟结果仍不合理则需重新进行供水区域的划分

。

图2　管网分区方法流程

根据上述方法对北京市再生水回用管网划分了4个供水分区,如图3所示。413　供水分区水力计算结果及分析

以第三供水分区为例,计算结果如图4所示。节点压力分为3个区域,西部节点压力介于20～50

m

图3　再生水回用管网供水区域划分

之间,中部节点压力介于50～75m 之间,东部节点

压力介于75～80m 之间,酒仙桥污水处理厂附近节点压力超过80m;西部的部分管段流速介于111～210m /s,超过了适宜的经济流速

。

图4　第三供水区域管网平差结果

由此可见,规划的回用管网不能满足供水的需求。据计算结果分析,造成这种不合理情况的原因主要是

连接东部与西部管网的东西向管段初始管径普遍偏小,同时,4个供水水源均分布在东部地区,所以当水由东部供给到西部时水头损失过大,为了保证西部节点20m 自由水头的要求,造成东部地区节点压力超过合

理范围。因此,需要调整部分不合理的管段管径。

调整后水力计算结果如图5所示,节点压力介于20～55m 之间,各管段流速小于1144m /s,符合经

济流速的要求,结果合理。

5　结　语

本研究在GI S 支持下,建立再生水管网的EP A 2NET 水力计算模型,对管网进行水力计算,可以大

魏　炜,等∥EPANET模型在再生水管网规划设计中的应用

图5　第三供水区域调整后管网平差结果

幅度提高计算效率和精度。在多再生水水源供水的大规模再生水回用管网规划中,由于再生水厂通常与污水处理厂合建,而污水靠重力收集,污水厂高程较低,所以若回用范围较大,为了保证再生水管网适当压力,应采用分区回用的方法。

通过对北京市区再生水管网的水力计算及其结果分析,完成了北京市区再生水回用管网规划设计方案的调整。

研究中以GI S为技术平台构建EP ANET水力计算模型对有压管网进行分析的方法具有通用性,可以用于其他供水或再生水等有压管网的分析计算中。

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(责任编辑　林雁庆)

(上接第37页)

=140m3/s,流速系数<=0195,若采用抛物线形断面,其方程为y=0125x2,求坝下断面收缩水深h

c

。

解:由式(5)、式(14)可得,k=41170,η= 31895。由式(15)得,α0=012659,由式(3)得,α0 =217419m。

本例收缩水深的精确解为217406m,用初值公式求得的收缩水深的相对误差为01046%。为了更准

确,可将α

0代入式(6)中得,h

c

=217408m。此时

收缩水深的相对误差仅为01006%,精度均满足工程要求。

3 3 3 3

通过以上的精度评价和算例可以看出,本文计算方法在工程常用范围内精度较高,而且计算公式比较简捷,适用范围广,完全满足工程实际要求,可供同行参考应用。参考文献:

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(责任编辑　陈小敏)

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