城市给水系统优化设计与运行管理

一、引言

传统城市给水系统依赖固定管网与经验化运行，存在供需匹配失衡（高峰供水不足、平峰管网压力过高）、能耗强度高（泵站单位水能耗超 0.35kWh/m³ ）、管网漏损严重（漏损率 215% ）、水质保障难度大（末端水质超标率超 5% ）等问题，难以适配城市化进程中 “高可靠性、低能耗、优水质” 的需求。

随着 “海绵城市” 建设与节水型社会推进，城市对给水系统的要求显著提升（供水可靠率 299.9% 、水质达标率 100% ）。深入研究城市给水系统优化设计与运行管理方法，对降低水资源浪费（目标减少 25%-30% ）、提升供水服务水平具有重要意义，也是市政工程与水资源领域的核心研究方向。

二、城市给水系统现存问题与优化目标

2.1 现存核心问题

系统运行面临三方面瓶颈：一是管网布局不合理，老旧管网占比超 30% （管材老化、管径偏小），局部区域水头损失大（压力损失超 20m⋅ ），导致末端水压不足；管网环状率低（ <60% ），故障时供水恢复慢；二是运行效率低，泵站采用定速运行（“大马拉小车”，负载率 <40% ），能耗浪费超 25% ；供水调度依赖人工经验，高峰时段供需失衡（水压波动超 ±0.2MPa ）；三是漏损与水质问题，管网漏损率高（暗漏占比超60% ），年浪费水量超 10% ；水厂消毒工艺单一（如仅氯消毒），末端水质易受二次污染（余氯含量 <0.05mg/L⟩ ）。

2.2 核心优化目标

优化需围绕三方面目标：一是效率提升，管网漏损率降至 8% 以下，泵站单位水能耗 ≤0.25kWh/m³ ，供水调度响应时间≤30 分钟；二是可靠性增强，供水可靠率 299.9% ，管网故障修复时间≤4 小时，水质达标率 100% ；三是资源节约，水资源利用率提升至85% 以上，节水型设备配置率 290% ，适配节水型社会需求。

三、城市给水系统优化设计核心方向

3.1 管网布局与水力优化

提升输水效率：一是管网拓扑优化，采用 “环状为主、枝状为辅” 布局，环状率提升至 80% 以上，关键节点设置连通管（间距≤1km），增强供水韧性；老旧管网改造（优先更换使用超 30 年的铸铁管、镀锌管），选用耐腐蚀管材（如 PE 管、球墨铸铁管），延长管网寿命（ (≥50 年）；二是管径与压力优化，基于水力计算软件（如 EPANET）模拟不同工况，确定最优管径（比摩阻控制在 10-30Pa/m) ，避免 “大管小用” 或 “小管大用”；设置分压供水区域（如高区、低区分压），控制管网末梢压力在 0.2-0.3MPa（避免压力过高导致漏损）；三是智慧管网建设，在管网关键节点（如干管、支管）安装压力传感器（精度 ≤±0.005MPa; ）、流量传感器（误差 ≤±2% ），实时监测水力参数，为优化提供数据支撑。

3.2 水厂工艺优化

保障水质与效率：一是预处理工艺升级，新增格栅（栅距≤5mm）、沉砂池（去除率 :≥95% ），提升原水预处理效果；采用高密度沉淀池（沉淀效率提升 30% ）替代传统沉淀池，减少占地面积（节省 20%30% ）；二是深度处理工艺，对微污染原水（如有机物超标），增设臭氧 - 生物活性炭工艺（有机物去除率 240% ），提升出水水质；三是消毒工艺优化，采用 “氯 + 氯胺” 联合消毒，控制出厂水余氯（ 0.3-0.5mg/L) ），避免末端余氯不足；配置紫外线消毒设备（备用），应对突发水质风险（如微生物超标）。

4.1 动态调度与智慧管理

实现精准供水：一是需求预测调度，采用 AI 算法（如 LSTM）结合气象数据（降雨量、温度）、用水规律，预测短期用水量（1-24 小时预测精度 290% ），动态调整泵站出力与水厂供水量；二是压力分区调度，基于管网压力监测数据，通过变频泵、减压阀调整各区域压力（维持末梢压力 0.2-0.3MPa ），避免压力过高导致漏损；三是智慧调度平台，搭建城市给水调度中心，整合水厂、泵站、管网监测数据，实现 “取水 - 净水 - 配水” 全流程可视化管理，调度指令下达延迟≤5 分钟。

4.2 管网漏损控制

减少水资源浪费：一是漏损检测技术，采用音听检漏仪（检测精度≤0.1L/h）、管网监测仪（实时监测流量压力异常）排查暗漏；对老旧管网开展分区计量（DMA 分区，每区面积≤5km²），定位漏损区域（漏损定位时间≤24 小时）；二是主动修复策略，对检测出的漏点（如管道破裂、接口渗漏），48 小时内完成修复；每年开展管网评估，对漏损率超 12% 的区域优先改造；三是压力控制，通过减压阀、变频泵控制管网压力（避免超压运行），压力波动控制在 ±0.05MPa 以内，压力过高导致的漏损减少30%40% 。

4.3 水质全程保障

确保饮水安全：一是水厂水质监测，实时监测原水、出厂水水质（如浊度、余氯、pH 值），监测频率≥1 次 / 小时，超标时自动调整工艺（如增加混凝剂投加量）；二是管网水质维护，定期开展管网冲洗（每季度 1 次）、消毒（每年 2 次），清除管网内沉积物与微生物；在管网关键节点设置水质监测点（如小区入口、管网末梢），监测末梢水质（余氯 ≥0.05mg/L⟩ ）；三是应急管理，制定水质突发事件应急预案（如水源污染、管网破裂），储备应急供水设备（如移动水厂、应急送水车），应急响应时间≤1 小时。

五、结论

城市给水系统优化需通过管网布局、水厂工艺、泵站配置的设计优化，结合动态调度、漏损控制、水质保障的运行管理，解决传统系统的效率低、可靠性差问题，核心在于平衡供水需求与资源节约、技术适配与实际工况。当前需进一步突破复杂管网水力模拟精度、漏损精准定位等技术瓶颈。

未来，需推动给水系统与数字孪生、AI 深度融合（如构建虚拟管网系统模拟运行），完善行业标准（如管网漏损控制规范），加强 “海绵城市” 与给水系统协同（如雨水回收补充管网），为城市供水 “安全、高效、低碳” 发展提供支撑，助力节水型社会与 “双碳” 目标达成。

参考文献

[1] 余勤. 高层高压供水技术创新与优化措施研究[C]//2025 工程技术应用与管理交流会论文集. 2025:1-3.

[2] 王菲. 城市供水管网漏损控制技术研究[D]. 山西: 太原理工大学,.DOI:10.7666/d.d082715.

[3] 徐常青,侯晶,高金良,等. 哈尔滨大用水户水量动态预测模型研究[C]//2007 年全国城镇供水管网暨配水系统安全与技术发展战略研讨会论文集. 2007:183-189.