城市给水管网优化设计与运行研究

摘要 城市给水管网因设计布局不合理（水力损失超 20%）、运行调控粗放（能耗超 15%）、应急响应滞后（修复超 48 小时），传统模式存在供水压力波动超 15%、漏损率超 18%、居民用水满意度＜70% 等问题，制约城市供水安全与效益。本文构建 “设计 - 运行 - 应急” 全周期优化体系，提出针对性策略，实现水力损失≤8%、能耗降低 20%、爆管修复≤6 小时，为城市给水管网高效运行（综合效益提升 40%）提供支撑。

关键词：城市给水管网；优化设计；运行调控；漏损控制；应急保障

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 300m³/ 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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