滬太路沿線DMA 分區(qū)計(jì)量的前期方案優(yōu)化

楊 華，韓 超

(上海市自來水市北有限公司，上海 200086)

1 引言

1．1 NRW的控制

NRW(無收益水量)是系統(tǒng)供水量與用戶計(jì)量水量之間的差值，NRW使收益流失、水資源浪費(fèi)、運(yùn)營(yíng)成本增加。NRW的“惡性循環(huán)”是影響水廠績(jī)效的主要原因之一。

上海市自來水市北有限公司是由多個(gè)水廠向一個(gè)互相連通的大型開放式管網(wǎng)系統(tǒng)供水的企業(yè)。因此只有準(zhǔn)確地從整體上認(rèn)知企業(yè)供水量的每一個(gè)構(gòu)成要素，特別是其中導(dǎo)致企業(yè)供水成本增加的無收益水量的構(gòu)成要素(真實(shí)漏損、非法用水、計(jì)量誤差、免費(fèi)用水等)及所占比重，才能分析尋找出NRW形成的真正原因。為了更有效地實(shí)現(xiàn)無收益水量的管理策略和削減目標(biāo)，有必要把這片供水管網(wǎng)分割成一些較小的、較易管理的獨(dú)立供水區(qū)域(分區(qū)計(jì)量DMA)。

1．2 DMA的原理

把一個(gè)開放的供水管網(wǎng)分割成一些較小的、易于管理的區(qū)域或檢漏區(qū)(DMA)是目前國際上公認(rèn)的最好的實(shí)踐方式。它使供水企業(yè)更好地了解管網(wǎng)，以便分析問題區(qū)域的壓力與流量。

在過去的20余年中，DMA已被成功地運(yùn)用到世界上許多國家的管網(wǎng)管理中，DMA作為一個(gè)工具，可以使漏失的管理更有效。短期來講，充分理解現(xiàn)狀管網(wǎng)的布設(shè)，對(duì)DMA管理所需計(jì)量做出規(guī)劃，并加以實(shí)施是必要。長(zhǎng)期來講，從運(yùn)行、數(shù)據(jù)分析、爆管定位與修復(fù)等方面進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)也十分必要。傳統(tǒng)的漏失控制方法是消極、被動(dòng)的，應(yīng)用聲學(xué)檢漏設(shè)備使不可見的漏失能被探尋到，但在整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)利用設(shè)備檢漏是一項(xiàng)龐大而耗時(shí)的行為。解決方案就是把管網(wǎng)系統(tǒng)劃分成DMA，只有這樣才能量化每一個(gè)DMA的漏失，使檢漏活動(dòng)總指向真實(shí)漏損最多最大的區(qū)域的那部分管網(wǎng)。

2 DMA在市北區(qū)域滬太路沿線的實(shí)施

2．1 現(xiàn)狀與問題

上海市自來水市北有限公司供水面積550 km2，服務(wù)人口逾600萬，管網(wǎng)長(zhǎng)度超5 000 km，下屬滬東、滬北、寶山三家供水管理所，三個(gè)分所的管網(wǎng)互相連通，在邊界處已經(jīng)安裝了相應(yīng)的分區(qū)計(jì)量設(shè)備，但各分所內(nèi)部仍為一張網(wǎng)的管理模式。

為推進(jìn)DMA的細(xì)化工作，市北公司決定首先對(duì)滬北所所轄的閘北、普陀兩區(qū)進(jìn)行DMA細(xì)分，兩區(qū)以滬太路為界，北到蘊(yùn)藻浜，南到恒豐路立交橋，滬太路以東屬閘北區(qū)，以西屬普陀區(qū)。鑒于滬太路兩側(cè)都有輸配水管，自北向南共有10處過籠閥門，其中編號(hào)2、3、4、9的閥門原本就處于關(guān)閉狀態(tài)，而其他過籠閥門則處于開啟狀態(tài)，如圖1(a)所示。

圖1 滬太路流量?jī)x安裝位置示意圖Fig．1 Installation Position of Flow Meter Along Hutai Road

原方案:保持原有4處過籠閥門關(guān)閉狀態(tài)，在邊界上都安裝流量?jī)x，共需要安裝25臺(tái)流量?jī)x，其中直路流量?jī)x12臺(tái)，支路流量?jī)x10臺(tái)，過籠流量?jī)x3臺(tái)。

2．1．1 過籠管閥門的管理

原管敷設(shè)時(shí)為確保安全供水，兩側(cè)的輸水管相隔一定距離就會(huì)設(shè)置過籠管，現(xiàn)在為保證分區(qū)計(jì)量的準(zhǔn)確性，就需要在這些過籠處的水管上安裝流量?jī)x，或選擇關(guān)閉這些過籠管的閥門，以取消這些流量?jī)x的安裝，如圖2所示。

圖2 關(guān)閥示意圖Fig．2 Diagram of Closing Valve

若選擇在所有過籠管上安裝流量?jī)x則會(huì)大幅度增加預(yù)算。若通過關(guān)閉過籠管閥門來代替安裝流量?jī)x，則可以減少流量?jī)x的安裝數(shù)量，降低工程預(yù)算，同時(shí)有利于今后的日常維護(hù)工作，但盲目關(guān)閉過籠閥門，對(duì)管網(wǎng)現(xiàn)狀運(yùn)行方式進(jìn)行大幅度的變動(dòng)可能會(huì)帶來新的用水問題，違背安全供水的目標(biāo)，甚至引發(fā)用戶對(duì)供水服務(wù)的不滿和投訴。

綜上，對(duì)于過籠管是采取關(guān)閉閥門還是采取安裝流量?jī)x是需要認(rèn)真研究的一個(gè)問題。

2．1．2 建設(shè)難度

流量?jī)x的安裝位置必須臨近電網(wǎng)，機(jī)柜需安裝在人行道上，流量?jī)x與機(jī)柜的位置不能離開太遠(yuǎn)，常規(guī)情況下流量?jī)x前端要預(yù)留原管直徑5倍長(zhǎng)度的直管段，流量?jī)x后端要預(yù)留原管直徑3倍長(zhǎng)度的直管段，這些因素在一定程度上限制了流量?jī)x的安裝位置，加大了建設(shè)難度。減少流量?jī)x的安裝數(shù)量可以在一定程度上降低建設(shè)難度，加快項(xiàng)目推進(jìn)速度。

2．2 主要應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)DMA在市北區(qū)域滬太路沿線實(shí)施中存在的難點(diǎn)，本次滬北地區(qū)實(shí)行DMA的主要過程如下:首先依據(jù)現(xiàn)有管網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)劃分，記錄劃分區(qū)域邊界過籠閥門的數(shù)量、位置和狀態(tài)，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行InfoWorks WS建模，分析現(xiàn)狀和關(guān)閉所有過籠閥門兩個(gè)狀態(tài)下的水力模型，根據(jù)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次理論方案調(diào)整，然后實(shí)際操作經(jīng)建模分析可以關(guān)閉的這部分過籠閥門，并且安排在關(guān)閥前后進(jìn)行測(cè)流、測(cè)壓，匯總數(shù)據(jù)后進(jìn)行第二次實(shí)際方案調(diào)整，同時(shí)啟閉受到影響的閥門，以此最終解決DMA計(jì)量設(shè)備的合理布局和安全供應(yīng)的矛盾。

2．2．1 InfoWorks WS 建模

InfoWorks WS——供水系統(tǒng)模擬是一款供水管網(wǎng)模型管理軟件，它將關(guān)系數(shù)據(jù)庫、水力引擎以及空間分析工具相結(jié)合，并將管網(wǎng)資產(chǎn)管理和商務(wù)計(jì)劃的需求集成到一起，提供一個(gè)一體化的靈活的供水管網(wǎng)模擬軟件環(huán)境。

2．2．1．1 關(guān)閥模擬方式

首先在軟件中加載市北區(qū)域的供水管網(wǎng)圖以及最近日(2012年4月6日)的水廠、泵站工況運(yùn)行參數(shù)，分別對(duì)早晚高峰、關(guān)閥前后的壓力情況進(jìn)行模擬，再以圖形化模式輸出，供管理人員進(jìn)行分析。

本次軟件模擬時(shí)假定關(guān)閉滬太路上所有過籠閥門，為確保在用水量最大的情況下管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的正常供水，在進(jìn)行軟件模擬時(shí)選擇了早晚高峰用水集中的時(shí)段進(jìn)行模擬，以測(cè)試在最不利情況下的供水情況。

2．2．1．2 水力分析過程

通過軟件計(jì)算，得到了早高峰(8:00)、晚高峰(16:00)關(guān)閥前后管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水頭和關(guān)閥前后節(jié)點(diǎn)水頭變化值。

以晚高峰16:00關(guān)閥前后節(jié)點(diǎn)水頭變化為例，滬太路涵青路西側(cè)、滬太路汶水路兩側(cè)壓力有較明顯的下降，滬太路南大路兩側(cè)則有壓力上升的情況，其他區(qū)域壓力變化不明顯，如圖3所示。

圖3 軟件模擬關(guān)閥前后壓力變化圖Fig．3 Pressure Variation before and after Closing Valve by Software Simulation

2．2．1．3 結(jié)論

根據(jù)軟件得出的模擬數(shù)據(jù)，關(guān)閥前后供水范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)水頭均大于19 m，即滿足服務(wù)壓力16 m的要求，對(duì)供水影響較小。從關(guān)閥前后節(jié)點(diǎn)水頭的變化圖可以看出，對(duì)節(jié)點(diǎn)壓力影響較大的閥門位置于滬太路(涵青路—上大路)和滬太路汶水路區(qū)域，而汶水路以南地區(qū)壓力幾乎不受影響。根據(jù)分析，滬太路涵青路附近管網(wǎng)運(yùn)行方式以由北向南直路供水為主比較單一，可能是造成關(guān)閥前后壓力變化較大的原因;而滬太路汶水路的過籠閥門連接的是汶水路東西向DN1400與滬太路南北向DN500的大口徑輸水管，所以對(duì)附近的壓力影響比較大;汶水路以南地區(qū)，管網(wǎng)運(yùn)行方式以環(huán)狀供應(yīng)居多，可以互相調(diào)劑的水量較多，所以關(guān)閉過籠閥門對(duì)汶水路以南地區(qū)影響較小，如圖1、圖3所示。

據(jù)此，決定第一次調(diào)整方案，保持滬太路汶水路閥門開啟狀態(tài)，此處安裝流量?jī)x，該方案下的閥門關(guān)閉狀態(tài)如表1所示。

表1 滬太路過籠閥門位置、狀態(tài)表Tab．1 Position and State of the Valve along Hutai Road

2．2．2 測(cè)流、測(cè)壓

測(cè)流、測(cè)壓是供水行業(yè)最常見的技術(shù)手段，可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地了解當(dāng)前管網(wǎng)的供水情況。在此次滬北地區(qū)實(shí)行分區(qū)計(jì)量過程中，同樣借助測(cè)流、測(cè)壓的方法驗(yàn)證建模的結(jié)果。并對(duì)實(shí)際關(guān)閉過籠前后管網(wǎng)情況進(jìn)行跟蹤、監(jiān)測(cè)。

2．2．2．1 測(cè)壓

針對(duì)本次滬北地區(qū)實(shí)行DMA的要求，在滬太路沿線相關(guān)管線上共設(shè)置了14處測(cè)壓點(diǎn)，滬北閥門隊(duì)于5月24日9:30～11:30根據(jù)建模后的調(diào)整方案對(duì)5處過籠閥門予以關(guān)閉，測(cè)壓點(diǎn)在過籠閥門關(guān)閉前兩日至后兩日連續(xù)監(jiān)測(cè)，獲得的圓盤記錄紙數(shù)據(jù)每隔30 min進(jìn)行一次取樣，共獲得14個(gè)點(diǎn)的1 590個(gè)數(shù)據(jù)，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制關(guān)閥前后壓力情況變化曲線圖，如圖4所示。

根據(jù)對(duì)測(cè)壓數(shù)據(jù)的分析，壓力變化主要分為以下三種情況:

圖4 滬太路涵青路關(guān)閥前后壓力監(jiān)測(cè)圖Fig．4 Pressure Monitoring Diagram before and after Closing Valve on Hutai-Hanqing Road

(1)關(guān)閥后壓力出現(xiàn)明顯降低

以滬太路涵青路該測(cè)壓點(diǎn)為例，該處過籠為蘊(yùn)藻浜以南第一個(gè)過籠閥門，距上游最近的過籠閥門距離超過1．5 km，周邊DN1800輸水網(wǎng)管以支狀通過(如圖3)。從滬太路西側(cè)涵青路北側(cè)DN500上測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)看，過籠閥門關(guān)閉后壓力出現(xiàn)了較為明顯的下降，凌晨至中午壓力下降0．15 kg，下午部分時(shí)段壓力下降 0．3 kg，最低壓力1．7 kg(如圖4)，可見該處受到關(guān)閉閥門的影響較大。

(2)壓力變化不明顯

除滬太路涵青路外，其余測(cè)壓點(diǎn)在關(guān)閥前后壓力變化都不太明顯。以新村路北側(cè)滬太路西為例，該處位于滬太路的南端，周邊大口徑輸水管網(wǎng)已形成多個(gè)環(huán)狀布局(如圖3)。從該處過籠閥門關(guān)閉前后壓力的變化情況看，并沒有出現(xiàn)第一種情況中的明顯下降，變化并不明顯(如圖5)。

圖5 新村路滬太路西關(guān)閥前后壓力監(jiān)測(cè)圖Fig．5 Pressure Monitoring Diagram before and after Closing Valve on Xincun-Hutai Road

(3)邊界附近敏感地區(qū)

考慮到宜川地區(qū)是市北范圍內(nèi)的一個(gè)老式小區(qū)，主要依靠宜川泵站供應(yīng)服務(wù)壓力，為避免該地區(qū)邊緣地帶受到關(guān)閉過籠閥門的影響，特別在宜川地區(qū)內(nèi)安排了3處測(cè)壓點(diǎn)。從其中一處——宜川路北側(cè)滬太路西側(cè)DN500上測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)看，過籠閥門關(guān)閉前后壓力并無明顯變化(如圖6)，其他兩處的情況也與該處較為相似，較可能的一個(gè)原因是因?yàn)樵撎幑芫W(wǎng)位于汶水路以南，運(yùn)行方式比較復(fù)雜，可以互相支援的渠道較多(如圖3)，所以關(guān)閉一個(gè)過籠閥門對(duì)該處壓力影響不大。

圖6 宜川路滬太路西關(guān)閥前后壓力監(jiān)測(cè)圖Fig．6 Pressure Monitoring Diagram before and after Closing Valve on Yichuan-Hutai Road

2．2．2．2 測(cè)流

針對(duì)本次滬北地區(qū)實(shí)行DMA的要求，在滬太路沿線DN1800、DN1200主要輸水管及DN500配水管上設(shè)置了若干處測(cè)流點(diǎn)，并在過籠閥門關(guān)閉前后分別進(jìn)行測(cè)流，根據(jù)測(cè)流獲得的數(shù)據(jù)分析得出，大口徑輸水管上關(guān)閥前后流量變化較小，而隨著沿線DN500配水管上閥門的關(guān)閉，該配水管上游管段流量增加，分流的支路管段流量減少。

2．2．2．3 總結(jié)

根據(jù)測(cè)壓、測(cè)流獲得的數(shù)據(jù)，從確保DMA項(xiàng)目的順利開展，減少流量?jī)x安裝數(shù)量，進(jìn)一步降低建設(shè)難度的角度出發(fā)，市北公司決定仍然維持第一次修改后的方案，但需要對(duì)滬太路(涵青路—上大路)區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，如該區(qū)域不發(fā)生顯著的用水問題則保留閥門關(guān)閉狀態(tài)，不安裝流量?jī)x;如出現(xiàn)用水量增加，必要時(shí)可重開過籠閥門，并加裝流量?jī)x。

3 結(jié)果與討論

通過對(duì)DMA區(qū)域進(jìn)行建模分析，并在實(shí)際關(guān)閥前后進(jìn)行測(cè)壓、測(cè)流，逐步優(yōu)化方案，在原有關(guān)閉的2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、9號(hào)共4個(gè)過籠閥門的基礎(chǔ)上再關(guān)閉1號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)共5個(gè)過籠閥門，如圖1(b)所示，將原方案的安裝25臺(tái)流量?jī)x減少到新方案的18臺(tái)流量?jī)x，與原方案相比，減少DN500流量?jī)x4臺(tái)，DN300流量?jī)x3臺(tái)，直接減少工程費(fèi)逾200萬元，涉及區(qū)域供水壓力平穩(wěn)過渡，未發(fā)生由于變更管網(wǎng)運(yùn)行方式導(dǎo)致的用水問題，較為圓滿地完成了DMA分區(qū)計(jì)量的前期工作。目前該項(xiàng)目所有流量?jī)x已完成安裝，2013年6月完成了信號(hào)箱柜的安裝和接電，2013年10月通過初步驗(yàn)收，即將正式投入使用。2014年市北公司將利用該系統(tǒng)收集、統(tǒng)計(jì)、分析DMA區(qū)域塊水量數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)塊水量的變化趨勢(shì)，作為年度水量統(tǒng)籌安排的一項(xiàng)重要依據(jù)。

新方案:新關(guān)閉5處過籠閥門，僅保留滬太路汶水路過籠閥門開啟狀態(tài)，共需要安裝18臺(tái)流量?jī)x，其中直路流量?jī)x8臺(tái)，支路流量?jī)x9臺(tái)，過籠處流量?jī)x1臺(tái)。