配水网络在供水中的作用外文翻译资料

 2022-08-27 10:21:13

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配水网络在供水中的作用

斯蒂芬·尼恩德-拜亚卡

约翰内斯堡大学土木工程科学系，约翰内斯堡，南非

电子邮件: stenbyak@gmail.com

摘 要

在供水管理中，人们普遍认为，用户满意度主要取决于向管网排放的水量。因此，有关供应水量不足的抱怨通常被归咎于生产水量不足。然而，作者最近的一项研究表明，水分配和配水网络同样重要。在EPANET2液压求解器中建立水网络模型，并在各种约束下条件进行了响应分析。为了有效地供应水，除了增加生产水量外，还必须更加重视分配系统，这必须经过适当的设计和优化，以提供所需的压力和流量，提高压力的一种方法是限制需求，特别的是，当使用直径较大的管道时，由于减少了摩擦损失，可以获得更高的压力，从而降低泵送成本。

关键词:需求满足，排放，优化，压力，生产，配水网络

介绍

一种供水系统包括原水源、处理或生产设备和分配系统。为实现其主要目标 --即向用户提供所需压力和流量的水--这三个系统部件都应在最佳水平运行。原水来源应有足够的产量，处理厂工艺应确保处理量能满足需求，配水系统应能够输送水。如果任何一个环节不充分，系统作为一个整体可能会表现不佳。通常，如果消费者得不到所需的水供应，人们认为问题出在生产不足。虽然这可能是真的，但另一个可能严重影响服务水平的因素是分配系统的质量。

乌干达坎帕拉的供水系统就是一个例子。在将产量提高到16万立方米/日(超过当时的需求)后，消费者仍然经常抱怨缺水(NWSC 2007)。这表明系统性能不佳的原因不一定是生产，而可能是分配系统。由于人口增长，坎帕拉目前(2018年)的用水需求为20万立方米/日，这进一步加剧了这种情况。不充分的管网对此也无济于事，因为管网的尺寸很小，而且50年来一直没有受到关注。坎帕拉并不是唯一面临水资源短缺的地区，但它也是许多城市地区中间歇性供水系统承压的地区之一(Zyoud 2003；Khatriamp;Leeamp;Schwab 2005；Nyende-Byakika 2006；Vairavamoorthy 2007；Biswasamp;Seetharam 2008；Rosenberg 2008；Vairavamoorthy等人)(Zyoud 2003；Khatriamp;Leeamp;Schwab 2005；Nyende-Byakika 2006；Vairavamoorthy等)。2008年)，其特点是压力和流量都很低。

配水系统主要由水库、管道、水泵和阀门组成。需要对它们进行适当的设计和优化，以便它们能够充分发挥作用，向消费者提供所需的水量(Nyende-Byakika等人)。2010年)。为了满足监管要求和客户的期望，自来水公司越来越需要改进对其分配系统中水的流动等的解释(Kritpiphat等人)。1998年；罗斯曼2000年)。如果能够了解不同条件下的网络行为，并确定这些条件的影响，就可以更好地管理网络，提供更好的客户服务。

本文的目的是论证供水管网对供水的重要性和影响，特别是在实现所需的压力和流量方面。选择坎帕拉供水管网的Rubaga子系统作为典型实例。

方法

这项研究使用的方法与Nyende-Byakika等人报告的方法相似。(2012年)。使用EPANET2引擎(罗斯曼2000)开发了Rubaga子系统的网络模型，并使用场景来评估其性能。模型的输入包括节点需求和高程、管道长度、尺寸和摩擦系数，以及水库的水头。感兴趣的模型输出包括节点处的压力，以及管道的水头损失和速度。图1显示了建模的子系统，指出了节点的高程和管道直径。

图1|显示节点高程(MASL)、标识号(ID)和管道直径(Mm)的Rubaga子系统。

对该模型进行了测试，并将其校准为一系列运行条件下的现场观测值，以评估其代表实际情况的能力。

为了达到这些目标，该模型在两个广泛的场景下进行了测试--使用不同管径观察网络性能，以及分别考察位置、高度和水库大小的影响。所需的主要模型输出是不同场景下的流量、速度和压力，以演示特定网络状态对客户所需压力和流量传递的影响。

效果

管径对压力的影响

图2显示了当满足6.8l/s的要求时，节点2(图1)的压力随连接管道尺寸的变化。该节点将Rubaga储罐连接到子系统。图3显示了水头损失随管道直径的变化情况。在这种情况下，小于或等于200 mm的直径不能用于子系统，因为它会产生负压，因为所需的输送流量会导致高水头损失，从而阻碍小直径管道的输送--在这种情况下，小于200 mm。管径在300到900毫米之间时，管径越大，压力越大(图2)，呈非线性关系。这与公式(1)一致，即管径越大，水头损失越小(产生的压力越高)。

Figure 2 | Variation of nodal pressure with pipe diameter.

图2|节点压力随管径的变化。

Figure 3 | Variation of head-loss with pipe diameter

图3|水头损失随管径的变化。

对于直径超过900 mm的管道，压力保持不变，因为当管道直径足够大时，水头损失降至可以忽略的值。在这个阶段，流动的水与管壁之间的摩擦力大大降低，因为与进入管道的水量相比，当横截面面积较大时，水不会对管壁施加额外压力。

图4显示了低链路头损耗如何产生高压。水头损失代表压力损失，因此，水头损失越高，压力就越低。

Figure 4 | Variation of nodal pressure with connecting link head-loss.

图4|节点压力随连接杆水头损失的变化。

管径对水流速度的影响

图5显示了在相同的体积流量下，水流速度随管道尺寸(或横截面面积)的变化。管径越大，流速越低，符合质量守恒原理。

Figure 5 | Variation of velocity with pipe diameter.

图5|流速随管径的变化。

根据质量守恒原理，流入系统的质量通量(每单位时间的质量)必须等于流出的质量通量。在水密度不变的情况下，可以用“体积通量”(单位时间或流量的体积)代替“质量通量”。流量是管道横截面积和流速的乘积，因此质量守恒原理可以用公式(1)表示：

A1v1 = A2v2 (1)

其中，A1和v1分别是系统输入端的横截面面积和速度，A2和v2分别是输出端的相同函数。换言之，在恒定速度下，管径越大，流量越大。同样，如果管道尺寸不变，流速越高，流量越大。当管径增大时，为了使系统保持平衡，必须降低流速。同样，如果管径变小，管内的水流速度也会增加。

压力沿管道坡度变化的影响

沿管道的压力变化如表1所示。沿管道下游的压力随着高程的降低而增加。节点高度越低，供水高度(静态水头)越大，导致压力越高。

表1|压力随高程和水头损失的变化

Table 1 | Variation of pressure with elevation and head-loss

节点压力的其他决定因素是该点和供水箱的高程。节点高程与供油罐高程差越大，节点压力越大。表2显示了午夜时节点16和17的压力变化，分别为1,184和1,175毫升(图1)。供水箱高程是在不同的水平上模拟的。

表2：供油罐高程随节点16和15的压力变化

Table 2 | Variation of supply tank elevation with pressure at nodes 16 and 15

结论

这篇论文表明，向用户提供充足的水不仅要通过增加产量，还要通过保持有效的配水网络。通过使用更大直径的管道或光滑的新管道，以及限制管道长度，可以控制管道中的水头损失。这可以通过将用户连接到更大的短管管道来实现，以供应网络中的水箱。同样重要的是，压力随着供给点和节点之间的静态水头的增加而增加。

选择最佳尺寸的管道以提供最高的压力和流量，同时避免尺寸不足和尺寸过大，这一点非常重要，因为这会增加资本和运营成本。运行管网的水力模拟也很重要，调查对一个零件参数的更改可能会对其他地方产生怎样的影响，这是由相互冲突的约束引起的。例如，虽然增大管道直径可以增加压力，但会降低流速。因此，网络优化对于获得最佳结果非常重要。

它直接符合质量守恒的原则，即为了进一步改善供水，应该有一些机制来控制从系统中抽出的水，例如通过阀门控制进行配给。

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