關(guān)于城市供水管網(wǎng)分區(qū)方案的模型探究

褚金鵬 王雪峰

摘 要：合理對(duì)城區(qū)管網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)，控制漏損量成為水司對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行有效管控的指標(biāo)之一。以實(shí)際供水管網(wǎng)作為算例管網(wǎng)，調(diào)研管網(wǎng)基礎(chǔ)資料，利用EPANET軟件建立管網(wǎng)水力模型，并用現(xiàn)狀管網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)分區(qū)方案進(jìn)行比擬，為水力模型的實(shí)施提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：城市管網(wǎng)；DMA；管網(wǎng)模型；EPANET

中圖分類號(hào)：TU991.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）27-0108-03

Abstract： Rational zoning of urban pipe network and control of leakage is one of the indicators of effective management and control of the pipe network. Taking the actual water supply network as an example， this paper investigates the basic data of the pipe network， establishes the hydraulic model of the pipe network by using EPANET software， calibrates the model with the operation monitoring data of the present pipe network， and compares the zoning scheme. It provides data support for the implementation of hydraulic model.

Keywords： urban pipe network； DMA； pipe network model； EPANET

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后，城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)人口規(guī)模和占地面積的大幅增長(zhǎng)，對(duì)水司的供水能力日益加大。為保障城鎮(zhèn)居民的用水安全及城市的快速發(fā)展，在新時(shí)期對(duì)供水行業(yè)提出了更高的需求?！笆濉币?guī)劃提出，到2020年全國(guó)公共供水管網(wǎng)漏損率控制在10%以內(nèi)，降低供水管網(wǎng)漏損率，減少漏損水量是供水企業(yè)降低產(chǎn)銷差率，節(jié)能增效的具體措施之一。因此，漏損率成為直接反映和衡量供水企業(yè)管理水平和技術(shù)水平的重要考核指標(biāo)[1]。國(guó)外對(duì)分區(qū)管理技術(shù)的研究在80年代就有涉及，最早提出分區(qū)管理概念的英國(guó)倫敦將城區(qū)管網(wǎng)分成了16個(gè)區(qū)域，分別對(duì)各區(qū)域?qū)嵤┯?jì)量，有效地降低了水司的產(chǎn)銷差。其后，日本、韓國(guó)等國(guó)相繼對(duì)城區(qū)管網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)管理，并取得了明顯的管控效果。我國(guó)的北京、上海、深圳、南京、沈陽(yáng)、天津等城市也在DMA進(jìn)行了相應(yīng)的探索及研究，并取得了相應(yīng)的成果[2]。在DMA方面的研究取得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為后期水司的業(yè)務(wù)開(kāi)展提供了技術(shù)支撐，為我國(guó)城區(qū)管網(wǎng)改造及優(yōu)化提供了重要的參考價(jià)值。

1 管網(wǎng)水力模型的建立

本研究以美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件EPANET為研究基礎(chǔ)，模擬節(jié)點(diǎn)法的管網(wǎng)恒定流模型，其基本方程包括連續(xù)性方程和能量方程兩個(gè)主要算法[3]。管網(wǎng)水力模型主要研究管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的特定關(guān)系及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了便于模型的建立，對(duì)管網(wǎng)水力條件影響較小的支管進(jìn)行了簡(jiǎn)化[4]。模型建立以某市城區(qū)管網(wǎng)為依據(jù)，城區(qū)目前有3座水廠，其月供水量為234×104m3，DN10 0的管網(wǎng)總長(zhǎng)為1275km，城市管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

為校核管網(wǎng)水力模型的準(zhǔn)確性，從2017年12月1日-2017年12月4日對(duì)現(xiàn)有的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于小西湖、東城花園、明日星城、東海路街口、太白廟、維多利亞體育館、建筑公司、污水處理廠、南河灘、九龍家園共11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖上只選取了三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖1）進(jìn)行分析，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果對(duì)管網(wǎng)水力模型進(jìn)行多次修正，修正后的監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果見(jiàn)圖2，圖3，圖4所示。

由圖2-圖4可以看出，管網(wǎng)監(jiān)測(cè)值與模擬值有較好的擬合度，且監(jiān)測(cè)值與模擬值的平均誤差可在5%左右，部分在2%左右。說(shuō)明模擬值在進(jìn)行修正后的準(zhǔn)確度較高，本模型的建立比較準(zhǔn)確，故可為后面的管網(wǎng)分區(qū)作為依據(jù)。

2 管網(wǎng)分區(qū)原則

2.1 管網(wǎng)分區(qū)方法及要求

（1）確保分區(qū)間是相互隔離，分區(qū)范圍在合適的范圍之內(nèi)，防止分區(qū)面積的不合理導(dǎo)致的分區(qū)漏損的計(jì)量存在偏差；分區(qū)盡量與水源相連，保障分區(qū)供水的安全性；分區(qū)盡量少跨越干管，保證供水管網(wǎng)分區(qū)的完整性。（2）滿足用水戶用水條件，保證供水水壓與水質(zhì)的安全性，減少背景漏損，保證管網(wǎng)中的水流速度滿足供水的前提下，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)。（3）在盡量保證今后管網(wǎng)分區(qū)的經(jīng)濟(jì)成本、運(yùn)行成本的條件下，減少管網(wǎng)進(jìn)行改造所消耗的人力、財(cái)力、物力。（4）以干管上的支管作為分區(qū)的入口，結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化算法，從干管上挑選相應(yīng)的支管作為起點(diǎn)，進(jìn)行廣度優(yōu)先搜素，由于選取的起點(diǎn)不同，則會(huì)得到不同的分區(qū)方案，進(jìn)而得到一系列的帕累拖分區(qū)方案。（5）選取水力參數(shù)定義管段的權(quán)值，采用迪杰斯特拉算法計(jì)算管網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)到水源的最短距離，進(jìn)一步分析得到水源點(diǎn)合適的節(jié)點(diǎn)，考慮管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并與管段權(quán)值形式考慮管道的水力因素。

2.2 管網(wǎng)分區(qū)計(jì)算

首先計(jì)算各分區(qū)中的AZPi點(diǎn)，結(jié)合管網(wǎng)系統(tǒng)及相關(guān)定義，通過(guò)管網(wǎng)水力模型進(jìn)行模擬，將模擬的值作為模型中頂點(diǎn)和邊的屬性值[5]。

確定模型中邊的權(quán)重函數(shù)（見(jiàn)表1）?？紤]供水管網(wǎng)分區(qū)方案應(yīng)滿足壓力均衡、DMA 規(guī)模相仿的原則，結(jié)合模型的水力參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取管段水頭損失和管長(zhǎng)的系數(shù)加和作為權(quán)重函數(shù)。以w表示邊的權(quán)重函數(shù)，其表達(dá)式如下所示：

管網(wǎng)水力模型中的節(jié)點(diǎn)數(shù)為125個(gè)，將相應(yīng)的參數(shù)輸入模型進(jìn)行模擬后，得到最終的AZP節(jié)點(diǎn)為87，具體位置見(jiàn)圖5所示。管網(wǎng)水力模型的夜間最小流量出現(xiàn)在凌晨3點(diǎn)，日平均漏損量為343L/s，AZP點(diǎn)的漏損量平均值為278L/s。

3 分區(qū)方案的分析

根據(jù)對(duì)AZP點(diǎn)的確定，擬將管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)，共分為6個(gè)區(qū)域，分三種方案進(jìn)行模擬分析。

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分區(qū)，分別模擬出三種方案中AZP點(diǎn)的漏損量及壓力值，根據(jù)三種方案的結(jié)果可知（見(jiàn)圖6，圖7），三種方案的漏損量平均值分別為270.20L/s、282.25L/s、274.13L/s，壓力平均值分別46.90m、43.92m、45.03m，管網(wǎng)平均漏損量較之前分別下降了21.2%、17.7%、20.1%。

針對(duì)分區(qū)的方法與計(jì)算方式有多種，本研究主要是針對(duì)建立管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合各分區(qū)中的AZP點(diǎn)，建立不同的分區(qū)方案，比對(duì)各分區(qū)中的漏損量及壓力值，分析分區(qū)方式的合理性。該分區(qū)是直接指導(dǎo)某城區(qū)管網(wǎng)分區(qū)的基礎(chǔ)，在進(jìn)行分區(qū)后，會(huì)進(jìn)一步對(duì)各分區(qū)中的流量及壓力實(shí)時(shí)變化值進(jìn)行計(jì)量，以便相關(guān)水司對(duì)城區(qū)管網(wǎng)進(jìn)行管理，提升管理水平，降低產(chǎn)銷差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究參考EPANET模型的算法，通過(guò)運(yùn)用管網(wǎng)水力模型，并應(yīng)用于某城區(qū)管網(wǎng)某分區(qū)方案比擬。通過(guò)對(duì)城區(qū)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)，使用三種方案分別進(jìn)行分析，得出不同的分區(qū)方案對(duì)管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)漏損量及壓力的影響，為后期水司對(duì)本地城區(qū)管網(wǎng)進(jìn)行管理提供了科學(xué)依據(jù)。

本研究中的數(shù)據(jù)充分，模型中的數(shù)據(jù)能夠與實(shí)際的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行較好的匹配，增加了模擬結(jié)果的可靠性，為更大范圍的在其他區(qū)域?qū)嵤〥MA分區(qū)方案做基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。今后的研究中，會(huì)進(jìn)一步研究分區(qū)計(jì)量漏損中對(duì)管網(wǎng)其他方面的考慮，如安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面的研究。

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