陳雷李威袁一星邱薇

(1:吉林建筑工程學院市政與環(huán)境工程學院，長春130118;2:哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，哈爾濱150090)

供水系統(tǒng)是城市非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，同時也是城市始終保持可持續(xù)發(fā)展的重要保障.城市供水是城市賴以生存的根基，現(xiàn)在城市供水系統(tǒng)的可靠性已成為城市發(fā)展和社會經(jīng)濟發(fā)展的主要課題，并日益成為制約經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵因素之一;此外，還涉及到相關(guān)的安全和整個社會的穩(wěn)定.它與城市經(jīng)濟發(fā)展和社會發(fā)展的各方面要素，形成一種不可分離的關(guān)系，是反映城市發(fā)展建設(shè)水平的重要標志.

近些年來，盡管依據(jù)城市規(guī)劃發(fā)展需要新建和優(yōu)化改建了很多供水管網(wǎng)系統(tǒng)，但仍有大量的老化、供水不安全的管線在繼續(xù)運行.由于供水系統(tǒng)設(shè)施老化、陳舊引起的系統(tǒng)功能的降低、用水需求的大量增加、科學技術(shù)水平較低、管理體制不完善等諸多原因，使我國城市供水系統(tǒng)漏損、故障現(xiàn)象頻繁加劇，使給水系統(tǒng)的可靠性問題倍受關(guān)注.目前，我國城市的供水現(xiàn)狀還面臨著許多嚴峻的問題有待于解決.

1 我國供水現(xiàn)存的問題

1.1 水資源短缺且嚴重污染

我國現(xiàn)在是一個水資源短缺的國家［1］.人均水資源僅有2 200m3，這在世界上僅為平均水平的1/4，為美國的1/5，在世界上位居121位，是全球人均水資源最貧乏的13個國家之一.

1.2 水廠技術(shù)工藝落后

早在20世紀70年代末，一些發(fā)達國家就已經(jīng)能夠針對城市飲用水中發(fā)現(xiàn)大量的能夠?qū)θ梭w造成危害的微量有機物和氯化消毒副產(chǎn)物，同時增加了臭氧、活性炭的深度處理工藝，有的甚至在具有較好的原水水質(zhì)條件下也增加了深度處理以去除水中的臭味，現(xiàn)在他們正在研發(fā)更加先進的膜處理技術(shù).而我國供水廠的水處理工藝絕大多數(shù)還止步于在20世紀80年代發(fā)展的混凝、沉淀、過濾、消毒的基礎(chǔ)常規(guī)工藝上.

1.3 管網(wǎng)水水質(zhì)問題

一些研究者對國內(nèi)34個主要城市資料統(tǒng)計［2］，水源為地表水的水廠出廠水水質(zhì)基本達標的占21%，具有一定腐蝕性的占50%，而輕微結(jié)垢的占29%.水源為地下水出水的水廠出廠水質(zhì)基本達標的約占50%，具有腐蝕性的占30%，輕微結(jié)垢的占20%.又對全國總供水量將近45.43%的36個城市調(diào)查，出廠水平均濁度為1.3度，而過管網(wǎng)后龍頭出水增加到1.6度;鐵由0.09mg/L增長到0.11mg/L;色度也從5.2度增長到6.7度.

2 供水管網(wǎng)可靠性的發(fā)展

1982年，Walski和Pellacia等人［3］對城市給水系統(tǒng)的主干管存在的故障問題作了經(jīng)濟分析，將可靠度加入到了管道維修和保養(yǎng)中，提出了回歸模式，給水系統(tǒng)中的優(yōu)化設(shè)計也是隨著可靠性和優(yōu)化技術(shù)、工程理論相呼應(yīng)的應(yīng)用研究而逐漸發(fā)展起來.

1985年，Tung［4］在論文中采用了在機械和電子系統(tǒng)可靠性研究領(lǐng)域中經(jīng)常采用的故障樹法、路集法和割集法來分析管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)可靠性，并最終得出結(jié)論:最小割集法是節(jié)點可靠度設(shè)計的最有效方法.

1986年，Mays等人［5］首次將可靠度的計算引入給水管網(wǎng)的非線性優(yōu)化模型中，并提出給水系統(tǒng)中單個附件的可靠度計算模式，對平均無故障時間及負載強度進行分析.隨著研究的不斷深入，給水管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可靠性的定量分析的指標也逐漸被提出.

1988年，Wagner等人［6］發(fā)表了2篇論文，分別為《輸配水系統(tǒng)可靠性—分析篇》和《輸配水系統(tǒng)可靠性—模擬篇》，論文所研究提出了兩個可靠性指標:節(jié)點連通性和管網(wǎng)系統(tǒng)可得性.節(jié)點連通性表示管網(wǎng)中某一節(jié)點至少有一個路與水源連通的概率;管網(wǎng)系統(tǒng)可得性表示管網(wǎng)中的節(jié)點都至少有一個路與水源相連通.這是從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性出發(fā)對給水管網(wǎng)進行評價.這個方法其實有明顯不足，憑假設(shè)某用水節(jié)點只要有通路與水源相連，該節(jié)點就能夠滿足需要的水量、水壓和水質(zhì)顯然是與實際情況不符.

1991年，Bao和Mays等人［7］在前人研究的基礎(chǔ)上，用Monte Carlo方法建立了一個由隨機生成器、水力網(wǎng)絡(luò)模擬和可靠性計算組成的模型.這個模型當時引起了很大的反響，但該方法的明顯不足就是工作量太大，需要計算的次數(shù)非常多以保證精確度.

1994年，Gupta等人［8］在考慮節(jié)點需水量和要求最小工作壓力為基礎(chǔ)，可靠性主要受這兩點影響，同時提出了3個可靠性特征參數(shù):節(jié)點可靠度、系統(tǒng)可靠度和最小可靠度.

2010年，Yuan Zhao、Bijun Luo等人發(fā)表的《供水系統(tǒng)的水力水質(zhì)分析》［9］，其中建立了水力和水質(zhì)的可靠性模型.在模型中，可利用可用水的比例和正常節(jié)點的需求來計算水力可靠性，用節(jié)點水質(zhì)的達標率來計算水質(zhì)可靠性.同時還建立了市政管網(wǎng)工況的可靠性模型，分析結(jié)果表明，可靠性模型不僅合理、準確，而且能在實踐中很好地應(yīng)用.

2011年，Bao Zhuang，Kevin Lansey等人發(fā)表《考慮自適應(yīng)泵給水管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性分析》［10］，研究提供了一個簡單、合理的方法來計算供水管網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)性，用其代表系統(tǒng)對故障情況的反應(yīng)和恢復(fù)能力.之前的給水管網(wǎng)系統(tǒng)研究，經(jīng)常把系統(tǒng)的故障當作無法修復(fù)的事件，然后僅僅試圖通過增強管道本身的能力來避免故障的發(fā)生，而沒有考慮到自適應(yīng)系統(tǒng)操作.所提出的給水管網(wǎng)系統(tǒng)實用性模型來考慮自適應(yīng)泵操作，這會讓結(jié)果更加符合現(xiàn)實.該方法適用于中型供水傳輸系統(tǒng)，其結(jié)果表明自適應(yīng)泵操作系統(tǒng)在故障時會利用額外適度的水泵消耗，相應(yīng)地提高給水管網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)力.此研究還能擴展故障隔離的布局的價值考慮.另外，在未來的可靠性框架里還會包括水池在延長期的模擬.

3 結(jié)語

現(xiàn)在國內(nèi)外都有學者從一個或某幾個方面考慮了給水系統(tǒng)的可靠性，事實上，影響給水系統(tǒng)可靠性的因素很多，如組件失效、水力故障及流量變化，目前，還沒有把所有非確定因素適用于實際管網(wǎng)的可靠性模型.而且，對管網(wǎng)可靠度的研究絕大部分針對管網(wǎng)的機械可靠性和水力可靠性，從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和水力模擬出發(fā)［11］，對給水管網(wǎng)的可靠性進行評價，而對于水質(zhì)可靠性的研究較少.近期也有部分學者對水質(zhì)可靠性建模并獲得實踐的應(yīng)用.在火災(zāi)發(fā)生時，消防用水量在短時間內(nèi)會非常大，對于住在火災(zāi)發(fā)生地周圍的居民及企業(yè)在用水時會造成影響，在以后的研究中建議可靠性模型中對消防時用戶用水的影響做進一步研究.因此，可靠性的研究必須運用模擬實驗和實踐相結(jié)合的方法，利用先進的理念和技術(shù)以及強大的科研隊伍，全方位地開展供水管網(wǎng)可靠性研究，使其日臻完善.

［1］ 崔玉川，付濤.我國城市給水發(fā)展現(xiàn)狀與特點［J］.中國給水排水，1999，15(2):67－69.

［2］ 秦秋莉，陳景艷.我國城市供水安全狀況分析及保障對策研究［J］.水利經(jīng)濟，2001，19(3):27－31.

［3］ Walski，T.M.Pelliccia.Economic analysis ofmain breaks［J］.Journal of AWWA，1982，74(3):140－147.

［4］ Tung，Evaluation of water distribution network reliability［J］.Prof.ASCE Hydraulics，1985，19(3):359－364.

［5］ Mays，L.W，and Cullin ane，M.J.(1986).“A review and evaluation of reliability concepts for design of water distribution systems.”［J］Miscellaneous paper EL－86－1，.U.S.Engineer Waterways Experiment Station，Vicksburg，Miss.

［6］ Wagne，J.M.，Shamir，U.，Marks，D.H.Water distribution reliability:analytical methods［J］.Water Resource，ASCE，1988，14(3):253－275.

［7］ Bao，Y.Mays，L.W.，Model for water distribution system reliability［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1990，116(9):1119－1137.

［8］ Gupta R.Bhave P.R.Reliability analysis ofwater－distribution systems［J］.Journal of Environmental Engineering，1994，120(2):447－460.

［9］ Yuan zhao，Bijun Luo.Hydraulic and Water Quality Reliability Analysis of Water Distribution System［J］.2010 2nd Conference on Environmental Science and Information Application Technology，2009(2):140－144..

［10］ Bao Zhuang，Kevin Lansey.Reliability/availability analysis of water distribution systems considering adaptive pump operation［M］.World Environmental and Water Resources Congress，2011:224.

［11］ 舒詩湖，何文杰，趙明.供水管網(wǎng)漏失檢測技術(shù)現(xiàn)狀與進展［J］.給水排水，2008，l34(6):114－116.