基于火灾风险的中小城镇供水管网改造优化研究

The fire-fighting capacity of water distribution systems (WDS) of medium and small cities in our country are generally insufficient, leading to huge fire hazards. But there are two problems in the process of retrofitting, one is the calculated deviation by using conventional hydraulic calculation method caused by fire flow impact, and another one is the determination of design flow due to the uncertainty of fire water demand in time and space. Aiming at the above-mentioned problems, the study for relationship calibration of nodal demand and pressure in pressure deficiency condition based on building water use simulation is carried out firstly in this project, and based on it, the PDA algorithm is applied for calculating the actual fire-fighting capacity of the WDS in different regions. Then, fire risk assessment is carried out to calculate the real fire flow demand in different regions, and the function between potential fire damage and shortfalls of fire flow supply is established. The potential fire damage calculation method is studied by considering two-way uncertainties of supplies and demands of fire flow. Finally, taken the WDS of Lijiang city as an example, a multi-objective optimization problem including retrofit investment of WDSs, pump operating cost, nodal flow age, the expectation and variation coefficient of the potential fire damage is established and solved, enabling the retrofitting scheme can effectively reduce the potential fire losses and give consideration to the safety of water quality. This project proposed a performance design method for WDS retrofit based on fire risk, which has positive significance for optimum allocation of fire-fighting resource.

我国中小城镇市政管网消防供水能力普遍不足，导致巨大火灾隐患，而改造过程中往往会面临两个问题，一是因消防用水冲击作用导致常规水力计算方法计算偏差问题，二是因实际消防需水量在时间、空间上的不确定性所导致的设计流量取值问题。针对上述问题，本项目首先开展了基于建筑用水数值仿真的低压供水管网节点流量-压力曲线率定研究，在此基础上应用PDA算法计算不同区域管网实际消防供给能力。然后，通过火灾风险分析计算不同区域的实际消防需水量，构建潜在火灾损失与消防供水不足量间函数关系，开展考虑消防“供-需”水量双向不确定性下的潜在火灾损失计算方法研究。最后，以丽江古镇管网为应用对象，通过构建求解包含管网改造投资、水泵运行费用、节点水龄、火灾损失期望及变异系数的多目标优化问题，使改造方案能有效降低潜在火灾损失并兼顾供水水质安全。本项目为管网改造提供了一种基于火灾风险的性能化设计方法，对优化消防资源配置具有积极意义。

我国中小城镇发展迅速，但基础设施建设普遍滞后，市政管网消防供水能力不足的问题尤为突出。本项目开展了基于火灾风险的中小城镇供水管网改造研究，包括消防时低压供水管网水力计算、基于火灾风险分析的丽江大研古镇消防需水量计算、基于水力模型的市政管网消防供水能力评估、考虑潜在火灾损失的管网多目标优化。取得成果包括：1）通过构建建筑配水管网水力模型、采用蒙特卡洛模拟用水器具随机开启，率定了低压供水时流量-压力关系式；2）采用ISO法计算丽江大研古镇不同片区重要建筑物消防需水量，构建火灾在建筑水平方向和垂直方向蔓延的动态模型，得出火灾动态蔓延时消防需水量随时间变化曲线；3）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算法，结合水力模型实现了市政管网消防供水能力评估；4）提出考虑多火灾场景的供水管网择优排序差分优化算法，以管网造价作为目标函数，将不同火灾场景下消防需水量转换为约束条件，将所有管道作为决策变量构建优化问题并采用择优排序差分算法求解，使管网改造方案不仅能满足多火灾场景下的消防需水要求且经济上最优。. 将上述研究成果应用于丽江市政管网消防供水能力评估及大研古镇管网改造，得到如下结论：1）对火灾风险较大的城镇管网改造，简单地依据人口数确定消防设计流量会导致管网消防供水能力不足，应根据火灾风险评估计算各片区实际消防需水量；2）不应简单套用管道经济流速确定管网改造方案，而应将管网消防供水能力与区域实际消防需水量的匹配度作为主要评价指标；3）管网中消防控制点通常为消防需水量大、地势高的节点，这些节点在消防时水压最快下降到10m。在管网改造时，主管应考虑向这些消防控制点敷设，这样有利于提高管网整体消防供水能力。. 项目资助培养硕士研究生4名、发表论文20篇、软件著作2项。研究成果获云南省消防队高度评价，可望形成“云南省旅游小镇市政管网消防供水薄弱区域识别及优化改造”技术导则。