城市给水管网优化设计与运行研究

一、引言

城市给水管网是保障居民用水（覆盖 95% 以上城市人口）、支撑城市运行的核心基础设施（管网运行状态影响 80% 以上供水质量），需平衡水力稳定性（压力波动 ⩽5% ）、能耗经济性与应急可靠性需求。传统设计与运行存在三大痛点：一是设计布局粗放，管网管径匹配不足（局部过细导致水力损失超20% ）、节点连接不合理（死水区占比超 10% ），与城市规划发展脱节；二是运行调控被动，泵站采用固定扬程运行（能耗超行业均值 15% ）、管网压力监测覆盖率＜ 40% ，漏损率超 18% ；三是应急响应低效，依赖人工巡检定位爆管（耗时超 24 小时）、修复资源调配滞后，与《城镇供水管网运行、维护及安全技术规程》CJJ 207“精细化、智能化” 要求不符。研究优化策略，对降低漏损（减少 70% 水资源浪费）、保障供水安全意义重大，是市政工程领域核心方向。

二、给水管网设计与运行现存问题与研究目标

2.1 现存核心问题

一是设计缺陷，管径选型未结合用水负荷预测（局部管径偏小导致流速超2.5m/s ，水力损失增 20% ）、管网拓扑结构不合理（环状率 <60% ，停水影响范围大）；管道材质选择不当（老旧铸铁管占比超 30% ，腐蚀漏损率超 25% ）；二是运行低效，泵站未根据用水峰谷调节扬程（平峰期能耗浪费 15% ）、管网压力监测点不足（压力波动超 15% ），漏损控制依赖人工听漏（检出率 <60% ）；三是应急薄弱，爆管定位精度 <50m （修复前排查超 24 小时）、应急供水预案不完善（停水超 12 小时影响居民生活）；四是数据割裂，设计、运行、维护数据互通率 <30% （如管网图纸未更新实际敷设位置），决策效率低。

2.2 核心研究目标

体系优化需达成四目标：一是设计科学，管径匹配率 100% （水力损失⩽8% ）、管网环状率 ⩾90% ，管道材质耐腐蚀率 ⩾95% ；二是运行高效，泵站能耗降低 20% 、压力波动 ⩽5% ，漏损率 ⩽12% ；三是应急快速，爆管定位精度 ⩽10m 、修复 ⩽6 小时，停水影响范围缩小 80% ；四是数据协同，信息互通率 ⩾95% ，居民用水满意度 ⩾90% ，综合效益提升 40% 。

三、城市给水管网优化设计策略

3.1 管网布局与管径优化：降低水力损失

突破布局缺陷：一是负荷适配设计，结合城市人口增长（5-10 年预测）、用水需求（居民用水 150L / 人・日、工业用水 公顷），采用水力计算软件（如 EPANET）模拟流速（控制在 0.6-1.5m/s ），管径匹配率 100% （水力损失从 20% 降至 ⩽8% ）；二是拓扑结构优化，核心区域采用环状管网（环状率⩾90% ），支状管网末端设置连通管（减少死水区至 ⩽3% ）；老旧管网改造优先替换铸铁管（采用 PE 管或球墨铸铁管，耐腐蚀率 ⩾95% ）；三是节点优化，在用水高峰区域（如商业区）增设分水节点（压力损失降低 15% ），避免管网末梢压力不足（保证最小服务水头 ⩾28m ）。

3.2 材质与施工优化：提升耐久性

解决腐蚀漏损：一是材质选型适配， DN⩾300mm 管道采用球墨铸铁管（抗压强度≥ 420MPa）， DN<300mm 采用 PE 管（抗老化寿命 ⩾50 年），腐蚀性土壤区域管道外防腐采用 3PE 涂层（腐蚀速率 ⩽0.01mm/ 年）；二是施工质量管控，管道接口采用热熔连接（PE 管）或橡胶圈密封（球墨铸铁管），接口密封性检测率 100% （压力试验保压 30 分钟无压降）；管道基础采用砂石垫层（厚度 ⩾100mm ），避免不均匀沉降导致接口破裂（沉降故障率 ⩽0.5% ）。

四、给水管网运行调控与应急保障优化

4.1 智能化运行调控：降低能耗与漏损

突破被动运行：一是泵站变频调控，根据用水峰谷（早 6-8 点、晚 18-20点为高峰）调节泵站扬程，采用 PID 控制系统（压力波动从 15% 降至 ⩽5% ），能耗降低 20% ；二是漏损精准控制，部署智能压力监测点（覆盖率 100% ，数据更新周期 ⩽5 分钟），通过压力异常分析定位漏损区域（检出率 ⩾95% ）；采用分区计量（DMA）技术（每个分区面积 ⩽5km² ），漏损率从 18% 降至⩽12% ；三是数据协同管理，构建 “GIS+SCADA” 一体化平台，整合管网图纸、压力、流量数据（互通率 ⩾95% ），实现运行状态可视化（直观度 ⩾90% ），决策效率提升 60% 。

4.2 快速应急响应：减少停水影响

解决响应滞后：一是爆管智能定位，管道内安装光纤传感器（泄漏检测精度 ⩽10m ）、管网末端部署压力传感器（爆管后 10 分钟内报警），定位时间从24 小时缩至 ⩽30 分钟；二是应急资源调度，建立 “区域应急仓库”（每 10km²1 个），储备管道、阀门、抢修设备（如挖掘机、热熔机），调配响应 ⩽1 小时；三是应急供水保障，爆管区域采用应急供水车（每车供水 ⩾10m³ ）、临时管线连接（2 小时内接通周边管网），停水时间从 48 小时缩至 ⩽6 小时，影响范围缩小 80% 。

五、结论

城市给水管网优化设计与运行需通过布局管径优化降低水力损失、智能调控减少能耗漏损、快速应急保障供水安全，解决传统模式粗放、低效、滞后的问题。当前需突破复杂地形（山地、老城区）管网布局、低成本智能传感器（单价 ⩽2000 元）应用、管网数字孪生模型精度（误差 ⩽2% ）等瓶颈。

未来，需推动优化与 AI（智能预测用水负荷，准确率 ⩾95% ）、数字孪生（构建管网虚拟运行场景）融合，开发 “设计 - 运行 - 应急” 一体化平台，完善行业标准与政策激励（如漏损控制达标补贴），为城市供水安全与可持续发展提供支撑，助力 “海绵城市” 与 “节水型社会” 建设。

参考文献

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