基于水力模型的市政输水方式比选及管网分区优化设计

对城市供水管网进行科学分区和合理选择输水方式是水资源高效配置至关重要的环节。不合理的管网分区容易造成局部压力不平衡和水流分布不均匀，继而造成供水效率低和水质二次污染。水力模型以其对管网拓扑结构，水流参数精细化模拟能力能够系统性地分析出不同输水方案下压力调控，流量分配和能耗控制的差异性。通过建立水力模型比选市政输水方式，以此为基础优化管网分区设计可有效增强供水管网整体性能，为城市供水系统稳定运行和升级改造提供科学依据。

一、市政输水方式比选

（一）重力流输水

重力流输水是利用地形高差所形成的自然势能使水流在重力的作用下沿着管道进行输水。该输水方式不需要增加动力设备、运行成本低、对水质影响小、利于维护水质稳定。但重力流输水在很大程度上受到地形条件制约，需保证输水线路高程差达到设计要求，不然可能需建立泵站加压运行，这将增加建设成本及运行复杂程度[1]。

（二）压力流输水

压力流输水是由泵站将水加压到管道内形成一定压力。该输水方式输水距离远，灵活性强，能适应多种地形条件和城市不同地区用水需要。但是压力流输水要耗费大量电能才能维持泵站运行，造成运行成本居高不下。与此同时，对于管道材质以及密封性都有更高要求，防止管道由于压力过大造成断裂或者漏水等情况发生。

（三）混合输水

混合输水综合重力流和压力流两种输水方式的优势，并根据地形条件及用水需要在合适地点建立泵站以达到分段输水。该方法不仅可以发挥重力流输水成本低的优点，还可以通过压力流输水来克服地形的限制和提高输水效率。但混合输水设计复杂性较大，需准确计算出各断面输水压力与流量才能保证系统平稳运行。

二、基于水力模型的管网分区优化设计路径

（一）基于压力梯度分析的动态分区边界划定策略

城市供水管网系统压力分布不均匀是影响供水稳定性及能耗的一个关键。在压力梯度分析基础上提出一种动态分区边界圈定策略，将压力变化规律视为管网分区核心依据。在具体执行过程中，在管网的各个关键节点和管段，按照每公里 1-2 个的密度配置高精度的压力传感器，这些传感器具有 0.01MPa 的压力分辨能力和秒级的数据采集频率，以此采集管网全域的压力数据，并构建包括时间和空间维度在内的压力数据库。采用时空数据分析算法对管网压力波动周期性特征及异常区域进行傅里叶变换及小波分析[2]。

然后，根据流体力学伯努利方程建立压力梯度的数学模型，并以压力变化率为指标进行分区边界的判断。利用动态规划算法将压力波动差最小化作为管网区域划分的目标。在管网运行工况变化情况下，借助于 5G 通信技术对压力数据进行实时更新，并在自适应学习算法下采用反向传播神经网络进行学习，对分区边界进行调整，以保证分区时刻与管网的实际工况相适应，使压力分布达到动态平衡。

（二）结合流量分配模拟的管段效能优化重组路径

管段效能对管网的整体运行效率有直接影响，其中流量分配对管段效能有显着影响。传统的管段效能评估往往是建立在单一流量工况下进行的，很难综合反映真实的工况。为使管段效能达到最优，需要将管段重组与流量分配模拟相结合。首先通过加装流量计等装置实时监测管网中各管段的流量，得到不同时间段和不同运行条件下的流量数据。采用水力模型模拟管网流量分配，综合考虑高峰用水期，低谷用水期和各季节用水差别等多个用水场景，综合分析各种流量分配条件下各管段的工况。根据所述流量分配仿真结果对所述管段进行效能评估并确定效能较低的管段。为这些管段制定重组策略 [3]。

例如：对于那些流量长时间保持在低负荷状态的管道段，可以考虑将其与其他管道段合并，以减少管道网络的冗余；对流量分配不均匀造成局部压力过大的管段可以采用调节管段连接方式或者加装调节装置等措施来实现流量分配优化。管段重新组合时充分考虑管网水力特性，材料性能及施工可行性，保证重新组合后管网不仅能够提升管段效能而且能够保证系统稳定可靠。同时建立管段效能监测和评价体系，对重新组合的管段定期进行效能评价，并依据评价结果适时调整重新组合策略以达到管段效能不断优化的目的。

（三）基于水力损失评估的节点关联性聚类划分方法

节点关联性为管网分区提供重要基础，水力损失则为其关键度量。传统的节点关联性分析往往是建立在经验或者单纯的统计方法上，对于水力损失考虑得不够透彻。为更加科学的聚类划分节点关联性，需要在水力损失评估的基础上展开相关的工作。首先利用该水力模型进行细致的管网水力计算，得到各种工况下各个节点水力损失资料。根据水力损失数据分析，确定水力损失大的结点，它们常常是管网运行的薄弱环节[4]。

利用水力损失的数据，采用如 K- 均值聚类和层次聚类等聚类分析方法，对各个节点进行关联性的分类。聚类时考虑节点所处地理位置，用水需求和水力损失特征，把关联性强的节点分成相同区域。针对聚类结果验证其合理性。例如，在比较不同的聚类策略对管网水力性能的影响，例如压力的均匀分布和流量的合理分配，可以选择最佳的聚类方法。基于聚类结果对管网分区调整以保证相同分区中节点间水力特性关联性强，方便分区管理与优化。同时建立节点水力损失监控预警机制，对节点水力损失的变化进行实时监控，并在检测到节点水力损失异常现象后及时对节点关联性进行聚类划分调整，以确保分区划分科学有效。

三、结语

城市供水系统的优化是保障城市可持续发展的重要环节。水力模型这一科学有效的分析工具在市政输水方式深入比选，管网分区准确优化等方面进行研究，从而在城市水资源合理开发利用及供水系统有效运行之间架起一座桥梁。这种以模型为动力的系统性研究不仅促进供水工程技术的创新，也为今后城市供水系统应对复杂工况和智能化管理提供理论支撑和现实路径。

参考文献：

[1] 朱绍剑 , 饶庆阳 , 杨静 . 水库优化调度模型对流域内水资源的规划管理研究 [J]. 水利科技与经济 ,2025,31(06):80-85.

[2] 郑小鹏 . 基于实时水力模型的智慧管网管理系统建设与应用 [J]. 山西建筑 ,2024,50(22):118-124.

[3] 聂军 , 庞愉文 , 赵家晓 . 基于供水管网水力模型的市政管网消防供水能力研究 [J]. 消防科学与技术 ,2024,43(07):1032-1036.

[4] 任胜伟 . 基于 EPANET 水力模型的隧道消防供水管网模拟 [J]. 中国市政工程 ,2024,(03):49-52+153-154.