管網(wǎng)分區(qū)在城市供水管網(wǎng)漏失控制中的應(yīng)用

王晶惠， 張昭君， 阮 婷， 孫國(guó)勝

(廣東粵港供水有限公司，廣東深圳518021)

管網(wǎng)分區(qū)在城市供水管網(wǎng)漏失控制中的應(yīng)用

王晶惠， 張昭君， 阮 婷， 孫國(guó)勝

(廣東粵港供水有限公司，廣東深圳518021)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外供水管網(wǎng)分區(qū)管理領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，結(jié)合示范城市CP市管網(wǎng)特點(diǎn)，提出三級(jí)分區(qū)理論，總結(jié)出指導(dǎo)管網(wǎng)分區(qū)的三級(jí)分區(qū)原則。在城市供水管網(wǎng)建模基礎(chǔ)上，根據(jù)三級(jí)分區(qū)原則對(duì)CP地區(qū)供水管網(wǎng)進(jìn)行了分區(qū)，通過(guò)管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量與壓力控制，實(shí)現(xiàn)了降低漏失、節(jié)約水資源、優(yōu)化管理的綜合目的。以01分區(qū)為例介紹了DMA漏失控制過(guò)程及方法，通過(guò)區(qū)域裝表計(jì)量發(fā)現(xiàn)了漏失區(qū)域，對(duì)該區(qū)實(shí)施壓力控制后漏失率至少可降低4%～5%。通過(guò)各分區(qū)漏失控制工作的開(kāi)展，CP市管網(wǎng)整體產(chǎn)銷(xiāo)差10個(gè)月下降了6.24%，8個(gè)分區(qū)每年可節(jié)水473.28×104m3。此外，進(jìn)行管網(wǎng)壓力控制后，各DMA分區(qū)平均爆管次數(shù)明顯減少且更趨于穩(wěn)定，水司管理服務(wù)水平得到提高。

管網(wǎng)分區(qū)； 分區(qū)原則； 壓力控制； 管網(wǎng)漏失控制

供水管網(wǎng)漏失在各個(gè)城市都普遍存在，不僅成為供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，還會(huì)因管道泄漏或爆管導(dǎo)致居民用水不便，甚至影響城市的正常運(yùn)作。因此，管網(wǎng)漏失更是一項(xiàng)涉及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、飲用水安全和影響居民健康的潛在問(wèn)題[1-3]。管網(wǎng)漏失在造成水資源流失并耗費(fèi)大量能源的同時(shí)，也給水質(zhì)安全帶來(lái)威脅。但是，在目前以經(jīng)驗(yàn)管理模式為主的情況下，該問(wèn)題很難得到有效解決。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外一些城市的自來(lái)水公司開(kāi)始尋求新型的管理模式，眾多研究資料及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)行管網(wǎng)分區(qū)管理與壓力控制是很好的選擇[4]。

1 分區(qū)原則

根據(jù)國(guó)內(nèi)外供水管網(wǎng)分區(qū)原則及分區(qū)案例，結(jié)合本項(xiàng)目示范城市CP市供水特點(diǎn)，將管網(wǎng)進(jìn)行三級(jí)分區(qū)，如圖1所示。

圖1 管網(wǎng)分區(qū)示意Fig.1 Schematic diagram of network partition

管網(wǎng)一級(jí)分區(qū)應(yīng)用于多水源管網(wǎng)情況，主要以原有的城市供水自然分界線為基礎(chǔ)，各水源形成獨(dú)立的供水范圍。管網(wǎng)二級(jí)分區(qū)是在一級(jí)分區(qū)基礎(chǔ)上，為均衡輸配水管網(wǎng)壓力而進(jìn)行的管網(wǎng)分區(qū)，可在壓力偏高的二級(jí)分區(qū)入口處安裝減壓裝置，調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)壓力，達(dá)到降低區(qū)域漏失的目的。三級(jí)分區(qū)是在二級(jí)分區(qū)基礎(chǔ)上劃分出更小的區(qū)域，以進(jìn)一步查明各供水區(qū)域產(chǎn)銷(xiāo)差的差異性，是管網(wǎng)分區(qū)管理的精細(xì)化體現(xiàn)。

由于不同層級(jí)管網(wǎng)分區(qū)的管網(wǎng)組成和分區(qū)因素不一致，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外分區(qū)管理案例并結(jié)合本項(xiàng)目分區(qū)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出指導(dǎo)管網(wǎng)三級(jí)分區(qū)的分區(qū)原則和分區(qū)因素。

1.1 一級(jí)分區(qū)原則

(1)管網(wǎng)組成：主要為DN800及以上輸水管和部分配水管[5]。

(2)適應(yīng)現(xiàn)狀供水(量)格局原則：一級(jí)分區(qū)時(shí)，應(yīng)考慮到現(xiàn)有水廠、加壓站的供水加壓能力、管道現(xiàn)狀、區(qū)域內(nèi)用水類(lèi)型等。

(3)考慮遠(yuǎn)期供水(量)發(fā)展原則：在現(xiàn)狀分區(qū)基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮未來(lái)管網(wǎng)需水量發(fā)展趨勢(shì)，做好水廠調(diào)度預(yù)留。

(4)與現(xiàn)狀管網(wǎng)相適應(yīng)的原則：結(jié)合現(xiàn)狀供水行政區(qū)域，分析相鄰區(qū)域管網(wǎng)的連通性，盡可能少地改變現(xiàn)狀管網(wǎng)，減少管網(wǎng)改造費(fèi)用。

1.2 二級(jí)分區(qū)原則

(1)管網(wǎng)組成：主要為DN400～DN800輸配水管。

(2)地理?xiàng)l件便利原則：考慮利用供水管網(wǎng)范圍內(nèi)的天然屏障或城市建設(shè)中形成的人為障礙，如河流、山脈、鐵路、主要道路作為分界線。

(3)測(cè)流、減壓設(shè)備便于安裝且安裝最少的原則：進(jìn)行二級(jí)分區(qū)時(shí)，盡可能地保證一個(gè)入水口，減少流量計(jì)的安裝；在壓力偏高的二級(jí)區(qū)域，還應(yīng)考慮分區(qū)入口位置，有利于安裝減壓設(shè)備，供電有保障、交通便利。

(4)供水規(guī)模均衡的原則：盡可能均衡各二級(jí)區(qū)域的供水規(guī)模，便于供水服務(wù)管理。

(5)有效關(guān)閉閥門(mén)原則：在不影響相鄰區(qū)域供水的前提下，適當(dāng)關(guān)閉二級(jí)分區(qū)的邊界閥門(mén)，保證各二級(jí)供水區(qū)域的獨(dú)立性。

1.3 三級(jí)分區(qū)原則

(1)以用戶(hù)數(shù)或管線長(zhǎng)度為依據(jù)確定適宜的DMA(District Metering Area，即分區(qū)計(jì)量區(qū)域)大小，盡量不對(duì)現(xiàn)有管網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模改造。

(2)結(jié)合管理現(xiàn)狀并保持管網(wǎng)的完整性，考慮相鄰DMA區(qū)域的連通性及營(yíng)業(yè)抄表范圍，盡可能不改變現(xiàn)有營(yíng)業(yè)抄表范圍，并減少不同DMA區(qū)域間閥門(mén)的關(guān)閉及安裝，以降低安裝費(fèi)用和壓力損失。

(3)盡量確保分區(qū)只有唯一的入水口。

(4)選擇水力條件最好的管線作為分區(qū)的入水口, 保證從該管線進(jìn)水到達(dá)分區(qū)末端用戶(hù)的整體水頭損失最小。在選擇入水口時(shí)還需盡量使大用戶(hù)位于該分區(qū)的管網(wǎng)末端, 以減小水流停滯現(xiàn)象出現(xiàn)。

管網(wǎng)分區(qū)應(yīng)有完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及水量、水壓等相關(guān)數(shù)據(jù)，最好可結(jié)合管網(wǎng)建模來(lái)進(jìn)行管網(wǎng)分區(qū)。管網(wǎng)建模不僅可以梳理管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還可以準(zhǔn)確地模擬供水管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，了解管網(wǎng)的壓力分布情況和分析管網(wǎng)中壓力過(guò)高區(qū)域，從而有利于合理進(jìn)行管網(wǎng)二級(jí)和三級(jí)分區(qū)。

2 CP供水區(qū)域?qū)嵗治?/h2>

2.1 地區(qū)基本情況

項(xiàng)目示范城市為CP地區(qū)，該地區(qū)的地勢(shì)在整體上趨于平緩，局部地區(qū)地勢(shì)較高，整個(gè)供水區(qū)域最大高差在21 m左右，常住人口31.4萬(wàn)，由兩座水廠供水，供水管道總長(zhǎng)度約為300 km，平均日供水量21.07×104m3，最大日供水量24.89×104m3，躉售用水大用戶(hù)28個(gè)，抄表到戶(hù)水表數(shù)約14 000個(gè)。該供水系統(tǒng)配有SCADA系統(tǒng)及GIS系統(tǒng)。根據(jù)該水司供水日常調(diào)度情況，一般保證自由水頭壓力達(dá)到20 m，個(gè)別地區(qū)保證達(dá)到15 m，即滿(mǎn)足供水管網(wǎng)壓力需求。

2.2 供水區(qū)域總體分區(qū)

結(jié)合上述分區(qū)原則，提出供水管網(wǎng)多種分區(qū)比選方案，首先根據(jù)供水地區(qū)管網(wǎng)布置及用戶(hù)分布特點(diǎn)進(jìn)行流量計(jì)量管理分區(qū)，并根據(jù)不同方案下的管網(wǎng)模型計(jì)算結(jié)果，選擇最優(yōu)的壓力管理分區(qū)方案，即得到具有降低物理漏失潛力的二級(jí)分區(qū)方案。然后結(jié)合每個(gè)分區(qū)實(shí)際特點(diǎn)，采用窮舉法搜索出兩座水廠分別供應(yīng)不同二級(jí)分區(qū)方案，并從節(jié)約能耗與投資成本方面綜合比較。最后結(jié)合CP城市遠(yuǎn)期供水的發(fā)展，選擇出經(jīng)濟(jì)合理的一級(jí)分區(qū)方案。

如圖2所示，主要供水區(qū)域共分為8個(gè)二級(jí)分區(qū)，分區(qū)改造后分區(qū)入口大多只有1個(gè)，分區(qū)最小戶(hù)數(shù)512戶(hù)，最大戶(hù)數(shù)6068戶(hù)，分區(qū)中最不利點(diǎn)自由水頭最小值為24 m，都具有一定的降壓潛力，具體情況見(jiàn)表1。同時(shí)，為達(dá)到節(jié)能目的，便于進(jìn)行兩座水廠間的泵組優(yōu)化調(diào)度，圖2中標(biāo)出的為近期第一水廠的供水范圍，其余由第二水廠供水。

圖2 供水區(qū)域分區(qū)Fig.2 Partition of water supply area

表1 主要供水區(qū)域分區(qū)信息

2.3 DMA分區(qū)及漏失控制

管網(wǎng)進(jìn)行一二級(jí)分區(qū)后，則可開(kāi)展DMA分區(qū)漏失檢測(cè)與控制工作。首先根據(jù)GIS系統(tǒng)管網(wǎng)圖完成CP市供水管網(wǎng)DMA規(guī)劃圖紙，然后開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)踏勘與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行核實(shí)，主要包括：用戶(hù)規(guī)模及位置、管網(wǎng)管徑、管道拓?fù)溥B接、閥門(mén)位置及開(kāi)度、管網(wǎng)壓力、進(jìn)出口數(shù)目等。由于很多分區(qū)有多個(gè)入口，因此需應(yīng)用管網(wǎng)模型對(duì)每個(gè)可能的分區(qū)方案進(jìn)行最高日最高時(shí)運(yùn)行工況模擬，若分區(qū)中需要管網(wǎng)改造或關(guān)閥，則考察分區(qū)后與分區(qū)前最不利點(diǎn)自由水頭的變化情況，本項(xiàng)目要求降低幅度不超過(guò)5 m。

通過(guò)比較模擬方案，可得到切實(shí)可行的DMA分區(qū)方案，以便下一步開(kāi)展分區(qū)計(jì)量與漏失控制工作。開(kāi)展的工作包括DMA管網(wǎng)改造施工、閥門(mén)安裝、考核水表安裝、流量計(jì)量設(shè)備、壓力控制設(shè)備及遠(yuǎn)傳設(shè)備的選型、采購(gòu)及安裝調(diào)試。

筆者以01區(qū)為例對(duì)管網(wǎng)DMA分區(qū)和壓力管理工作進(jìn)行介紹，該分區(qū)管網(wǎng)區(qū)域、分區(qū)入口、分區(qū)最不利點(diǎn)詳見(jiàn)圖3，分區(qū)情況見(jiàn)表2。

圖3 01區(qū)管網(wǎng)分區(qū)Fig.3 Networks partition of District 01

項(xiàng)目描述DN50以上管段數(shù)/條609安裝遠(yuǎn)傳水表數(shù)/塊12分區(qū)壓力監(jiān)測(cè)Logger數(shù)/個(gè)3管長(zhǎng)/km16．5入水口數(shù)量、口徑1個(gè)，DN300入戶(hù)連接數(shù)/戶(hù)2932主要管道材質(zhì)鍍鋅管/UPVC安裝考核水表數(shù)/塊12最高日最大時(shí)供水量/(m3·h-1)148最高日供水量/(m3·d-1)2732最高時(shí)最不利點(diǎn)自由水頭/m26最高時(shí)入口自由水頭/m40

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，該分區(qū)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為獨(dú)立，無(wú)需進(jìn)行管網(wǎng)改造或關(guān)閥，模型模擬結(jié)果顯示，區(qū)域內(nèi)自由水壓基本在35 m以上，最不利點(diǎn)為25 m，存在壓力富余，詳見(jiàn)圖4。

結(jié)合模型模擬結(jié)果，在分區(qū)入口安裝流量和壓力測(cè)試設(shè)備，在不利點(diǎn)安裝壓力測(cè)試設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，每15 min記錄一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)并上傳。同時(shí)進(jìn)行每個(gè)獨(dú)立管理子區(qū)域的考核水表及閥門(mén)安裝工作，以便有針對(duì)地進(jìn)行后續(xù)的小區(qū)域漏損檢測(cè)工作。隨后開(kāi)展DMA最小夜間流量分析，統(tǒng)計(jì)DMA的產(chǎn)銷(xiāo)差水量，分析DMA漏失控制的工作重點(diǎn)。通過(guò)實(shí)測(cè)與分析，01區(qū)夜間入口流量Q與最不利點(diǎn)壓力P3之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖4 01分區(qū)前后自由水壓分布情況Fig.4 Distributions of free water pressure before and after partition of District 01

圖5 閥夜間入口流量與最不利點(diǎn)壓力關(guān)系Fig.5 Relationships between pressures of the worst adverse point and in-flux of valve at night

確定該分區(qū)管網(wǎng)漏損量與壓力調(diào)整的關(guān)系后，開(kāi)展DMA的壓力控制工作，通過(guò)安裝減壓閥、控制器等設(shè)備，實(shí)施DMA的壓力控制工作。通過(guò)分析01區(qū)壓力流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，制定出壓力控制策略，分析制控前后的該區(qū)域壓力變化如圖6所示。

由圖5、圖6可知，控制分區(qū)入口壓力，凌晨(1:00—6:00)流量降低了7.2 m3/h，富余壓力降低了0.10 MPa，按該區(qū)可接受最低自由水頭進(jìn)行計(jì)算，01區(qū)漏失率可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上至少降低4%～5%。

圖6 實(shí)施壓力控制策略前后對(duì)比 Fig.6 Comparison before and after pressure control

2.4 總體效果

項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，將各分區(qū)化繁為簡(jiǎn)、分大為小，逐個(gè)開(kāi)展每個(gè)小區(qū)域中管網(wǎng)漏損檢測(cè)工作。通過(guò)分區(qū)計(jì)量管理與壓力控制，CP管網(wǎng)漏損在兩年內(nèi)從20.77%下降到12%以下，按此平均效果計(jì)算，年節(jié)約水量473.28×104m3。在開(kāi)展漏失控制的過(guò)程中，兩個(gè)水廠的送水泵房出廠壓力還得到了優(yōu)化，整體供水能耗下降，同時(shí)改善了公司水表計(jì)量、管網(wǎng)壓力流量在線監(jiān)測(cè)等，形成了較為科學(xué)合理的分區(qū)管理制度。

此外，由于CP城市部分管網(wǎng)區(qū)域富余壓力較高，每月爆管次數(shù)及用戶(hù)投訴較多。通過(guò)分析自來(lái)水公司爆管歷史記錄，總結(jié)管網(wǎng)壓力與爆管頻率關(guān)系，分區(qū)壓力控制后平均爆管次數(shù)減少50%。

3 結(jié)論

CP城市管網(wǎng)漏失控制研究及應(yīng)用實(shí)例表明，三級(jí)管網(wǎng)分區(qū)對(duì)降低管網(wǎng)產(chǎn)銷(xiāo)差率、DMA漏失區(qū)域評(píng)估、主動(dòng)檢漏與查漏、合理調(diào)配管網(wǎng)壓力具有重要的

實(shí)際意義。通過(guò)管網(wǎng)分區(qū)工作的開(kāi)展，減少了管網(wǎng)漏失，節(jié)約了水資源，提高了管理服務(wù)水平。三級(jí)分區(qū)理論的應(yīng)用，為城市管網(wǎng)的漏失問(wèn)題提供了一個(gè)行之有效的解決方案。

[1] Puust R, Kapelan Z, Savic D A,etal. A review of methods for leakage management in pipe networks[J]. Urban Water Journal，2010,7(S1):25-45.

[2] Hiroki S, Tanzawa S, Arai T,etal. Development of water leak detection method in fusion reactors using water-soluble gas [J]. Fusion Engineering and Design,2008,83(1):72-78.

[3] 楊宗森. 基于慢變流理論的給水管網(wǎng)漏失模擬研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[5] 劉俊，孫佳，俞國(guó)平.分區(qū)供水技術(shù)在漏損控制中的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].中國(guó)給水排水，2010, 26(16):7-10.

Application of partition on leakage control in urban water supply network

Wang Jinghui, Zhang Zhaojun, Ruan Ting, Sun Guosheng

(GuangdongYuegangWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenzhen518021,China)

According to the current situation of domestic and foreign water distribution network management, combined with the characteristics of the model city CP, the three-level partition theory was put forward, and the principle of the three-level partition was summarized. Based on micro-hydraulic model of urban water supply network, with the principle of the three-level partition, the water supply network in CP area was partitioned. Through the network partition measurement and pressure control, thereby the comprehensive objective of leakage reduction, water resources conservation and optimization management could be realized. The leakage area was discovered through the measurement of district fixing water meters, and the leakage loss rate could be reduced by 4% to 5% at least, after pressure control was implemented in the area. Through carrying out of the leakage control work in the partitions, difference ratio dropped 6.24% in ten months. Eight partitions could save 4.7328 million tons of water per year. In addition, the average pipe burst could be significantly reduced and could be more stable through the network pressure control. The level of service and management could be improved.

network partition; partition principle; pressure control; leakage control

TU991.33

B

1673-9353(2016)06-0029-05

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.06.008

王晶惠(1984- )， 女， 工程師， 主要研究方向?yàn)槌鞘泄┧?jié)能降漏。E?mail：clarewjh@163．com

2016-08-31