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城镇管网水力模型构建及消防供水能力评估方法研究

城镇管网水力模型构建及消防供水能力评估方法研究

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作者：赵雪凝昆明理工大学

学位级别：硕士

给水管网系统是城市重要的生命线工程,不仅为人们的日常生活、生产提供用水,还肩负着消防重任。给水管网水力模型可以协助管网信息的管理和运行状态的监测,是城市供水部门对管网进行设计规划、运行管理、优化调度和风险预测等最直接有... 详细信息

给水管网系统是城市重要的生命线工程,不仅为人们的日常生活、生产提供用水,还肩负着消防重任。给水管网水力模型可以协助管网信息的管理和运行状态的监测,是城市供水部门对管网进行设计规划、运行管理、优化调度和风险预测等最直接有效的技术方法。以给水管网水力模型为基础的城市消防供水能力评估是给水管网水力模型研究的拓展。目前我国处于城镇化、工业化快速发展的时期,火灾风险不断加大,对于消防安全的需求也逐年增加,研究如何快速高效评估供水管网消防供水能力,能够为管网的初期建设和后期改造提供依据,这不仅是对城市生活生产安全提供了保障,更是对社会发展和经济建设的推动,同时也可以为以后城市管网消防供水能力评估方法的研究提供一定的技术支撑。本文的研究方向是城市给水管网水力模型的构建以及基于水力模型的管网消防供水能力的评估,主要内容包括:(1)城镇消防水量设计方法的研究。通过研究分析我国消防规范《消防给水和消火栓系统技术规范》发现,国内规范规定的消防流量设计存在取值不合理、无法满足城市发展需要、设计值明显低于实际消防需求和低于国外取值标准的问题。之后详细介绍了国外三种消防水量设计的计算方法,分别是ISO法、ISU法和IITRI法。通过两个实例对比四种计算方法得出,ISO法虽计算较复杂,但所得结果与火灾实际需水量最接近,实用性和准确性最高。(2)城镇给水管网水力模型建立的研究。水力管网模型是由节点、管道、水泵、阀门、蓄水池和水塔这五类基本系统组件组成,所谓建模问题就是将管网系统组件结合起来,并赋予相应的数值,映射到数学上,就是求解能量方程和连续性方程——两个构成管网水力模型理论基础的方程。本文采用梯度算法,对这一方程组进行了求解,说明了构建管网水力模型的水力学理论基础。而后就目前国内外常用的建模软件进行了对比分析,根据课题需要筛选出了Water GEMS和EPANET两个软件。Water GEMS软件具有方便快捷的建模功能,但存在打印效果不佳且因为不完全免费,所以应用范围不广的缺陷,而EPANET完全免费,具有强大的水力模拟、计算功能和丰富的图形输出功能,但对于较复杂的管网不能快速建模。因此,本课题将两个软件进行了结合,以丽江市玉龙县给水管网为例,利用Water GEMS建立管网水力模型,导入EPANET以我国消防规范要求为标准,选取五个消防控制点,采用单点及多点发生火灾工况模拟进行管网的消防供水能力评估。结果表明,玉龙县管网的消防供水能力大部分满足我国消防规范要求,存在部分节点在发生多点火灾时无法达到规范要求的问题。(3)评估城镇管网消防供水能力方法的研究。本部分详细介绍了现有市政管网消防供水能力评估方法,分别是NFPA法、基于水力模型的试算法以及Boulos法,并分析了各方法的优缺点。NFPA法计算简单,但为了保证精度需要耗费大量人力物力,还可能影响管网的正常运行;基于水力模型的试算法也存在计算过程繁琐耗时的问题;Boulos法存在迭代次数多和被商业软件所应用因而应用范围受限的问题。基于上述问题本文提出了一种新的基于牛顿迭代的市政管网消防供水能力评估方法,该方法是将市政管网供水能力评估转化为优化问题,以管网质量与能量守恒方程为非线性约束,采用牛顿迭代来求解,涉及参数更少,具有更高的计算效率。以某供水管网水力模型为例,采用Boulos法和本文提出的基于牛顿迭代的评估法进行对比,结果证明本文提出的牛顿迭代法能更高效实现管网消防供水能力评估。(4)采用本文提出的管网建模法和牛顿迭代法评估曲靖市供水管网的消防供水能力。以云南省曲靖市市政给水管网为例,根据我国消防规范推荐方法确定消防流量取值以及评估标准,采用单点失火、多点同时失火两类工况模拟的评估方法对曲靖市管网的消防供水能力进行评估,结果表明管网的消防供水能力满足规范要求;然后利用ISO法分别计算了5个消防控制点的消防流量,再使用本文提出的基于牛顿迭代的方法计算各点的消防流量,对比两个计算结果发现经两种方法所得的消防流量值相差不大,且基于牛顿迭代的方法计算更快速高效,再次证明该方法的可行性;最后选取两种方法计算结果中的最大值,采用同上述相同的失火模拟工况利用水力模型对曲靖市管网进行了消防供水能力的评估,结果表明,曲靖市供水管网的消防供水能力在更大消防需求下仍然能够很好的满足消防需要,是安全可靠的供水管网。

关键词：消防用水量设计给水管网模型牛顿迭代法消防供水能力评估

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