EPANET 在供水管網(wǎng)漏損檢測(cè)中的研究

劉小俊， 李 尋， 張 雪

(1.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌330013;2.河海大學(xué)，江蘇 南京210098;3.蘇州市自來(lái)水有限公司，江蘇 蘇州215002)

供水管網(wǎng)的漏損檢測(cè)是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜的工作，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法包括音頻查詢法、流量測(cè)定法、壓力波振幅目視定位法、漏水量直接測(cè)定位置法等［1］。這些測(cè)定方法都需要大量技術(shù)人員參與到管網(wǎng)的檢測(cè)工作中，由于管網(wǎng)的鋪設(shè)范圍廣，檢測(cè)工作量龐大。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法代替部分人為操作復(fù)雜且繁瑣的工作成為一種趨勢(shì)，例如牛志廣等［2］采用EPANET軟件，根據(jù)MLE 模型對(duì)城市的供水系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為其改造升級(jí)提供支撐。班福忱等［3］采用WaterGEMS 軟件對(duì)管網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)水齡和余氯濃度進(jìn)行了研究，并總結(jié)出兩者之間的規(guī)律。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者應(yīng)用EPANET 在供水管網(wǎng)建模和應(yīng)用方面取得了大量的研究成果。例如馬霞等［4］通過(guò)EPANET 研究管網(wǎng)的水齡，最后得出了節(jié)點(diǎn)水齡和用戶用水量之間的關(guān)系;李尋等［5］運(yùn)用EPANET 模擬管網(wǎng)中的余氯和水齡，并通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證了水齡和余氯濃度呈反比;劉百倉(cāng)等［6］比較了EPANET 軟件模擬得出的數(shù)據(jù)和實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明兩者相差不大，均小于3%;朱振明［7］嘗試了EPANET 在列車供水管網(wǎng)的應(yīng)用，利用軟件模擬、分析列車管網(wǎng)的水力狀況并進(jìn)行泄漏點(diǎn)的診斷;Monteiro L 等［8］運(yùn)用EPANET MSX 對(duì)供水管網(wǎng)系統(tǒng)中的余氯衰減進(jìn)行模擬，評(píng)價(jià)了一階和n 階的衰減動(dòng)力學(xué)的性能;Anca Constantin等［9］采用EPANET程序優(yōu)化某地區(qū)供水網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)參數(shù)，并由此確定由于未來(lái)日益增長(zhǎng)的用水需求調(diào)整該管網(wǎng)的可能性大小。EPANET在管網(wǎng)水力、水質(zhì)方面建模的研究中均有較好的應(yīng)用，但在管網(wǎng)運(yùn)行和維護(hù)，例如在城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的漏點(diǎn)檢測(cè)中，很少應(yīng)用EPANET 所建立的水力模型。

因此，筆者基于EPANET 軟件嘗試建立某區(qū)域的供水管網(wǎng)水力模型，通過(guò)軟件的運(yùn)行和分析，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立漏點(diǎn)檢測(cè)的方法，以期為供水管網(wǎng)的漏點(diǎn)檢測(cè)提供一種新的思路。

1 EPANET 軟件

EPANET 軟件是一款模擬供水管網(wǎng)的專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件，可以實(shí)時(shí)模擬管網(wǎng)中水質(zhì)和水力的變化情況，并可模擬管網(wǎng)中的余氯、三鹵甲烷等某些反應(yīng)物的濃度變化，具有管網(wǎng)平差、模擬運(yùn)行、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、信息輸出等功能［10］。

2 管網(wǎng)水力計(jì)算

2.1 節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算

對(duì)于管網(wǎng)中的任意節(jié)點(diǎn)j，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可得到節(jié)點(diǎn)流量的連續(xù)性方程，即流入節(jié)點(diǎn)的所有流量之和應(yīng)等于流出節(jié)點(diǎn)的所有流量之和:

式中:qi為管段i 的流量;Qj為節(jié)點(diǎn)j 的流量;Sj為與節(jié)點(diǎn)j 相關(guān)聯(lián)的管段的集合;N 為管網(wǎng)模型中的節(jié)點(diǎn)總數(shù);∑i∈Sj±為對(duì)節(jié)點(diǎn)j 關(guān)聯(lián)集中管段進(jìn)行有向求和。當(dāng)管段方向指向該節(jié)點(diǎn)時(shí)取負(fù)值，反之取正值。

2.2 節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算

管段的水頭損失的公式如下:

式中:Sf為管道摩阻系數(shù);Sm為局部阻力系數(shù);Sg為管道阻力系數(shù)。

根據(jù)式(2)，將管段流量表達(dá)為節(jié)點(diǎn)壓力的函數(shù):

式中:j 為節(jié)點(diǎn)編號(hào);k 為與節(jié)點(diǎn)j 鄰接的節(jié)點(diǎn)號(hào);sjk為管段jk 的摩阻系數(shù)。

將式(3)帶入式(1)，可以得到各節(jié)點(diǎn)的壓力方程［11］:

3 供水管網(wǎng)水力模型的構(gòu)建

3.1 管網(wǎng)模型基礎(chǔ)資料

對(duì)某區(qū)域供水管網(wǎng)進(jìn)行模擬研究。該管網(wǎng)是1個(gè)完整的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其中水源1 處，供水管道最小管徑為200 mm，最大為1000 mm，共有53 個(gè)節(jié)點(diǎn)和88條管道。

3.2 設(shè)置參數(shù)

根據(jù)提供的管網(wǎng)數(shù)據(jù)資料，水源的總水頭為90.035 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，水頭損失公式采用海曾-威廉公式，粗糙系數(shù)C 值取100。在軟件中對(duì)管道、節(jié)點(diǎn)屬性等進(jìn)行設(shè)置。模擬的總時(shí)長(zhǎng)為72 h，水力時(shí)間步長(zhǎng)為1 h，水質(zhì)時(shí)間步長(zhǎng)為5 min。

3.3 管網(wǎng)模型運(yùn)行

經(jīng)過(guò)EPANET 軟件的運(yùn)行和分析，可以將結(jié)果通過(guò)圖表的方式輸出。選取用戶日用水量最高時(shí)段和日用水量最低時(shí)段，將該時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)水頭和管段流量單獨(dú)列出并分析。從中得到整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)和各個(gè)管段、節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)與實(shí)際供水管網(wǎng)中控室的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，判斷某一節(jié)點(diǎn)是否存在漏點(diǎn)。

由提供的數(shù)據(jù)分析可知，該供水管網(wǎng)系統(tǒng)的用戶日用水量最高時(shí)段為19:00—20:00，最低時(shí)段為1:00—2:00。對(duì)于這2 個(gè)時(shí)段的用水狀況，首先分析并記錄管網(wǎng)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù);其次，在EPANET 軟件中建立管網(wǎng)水力模型，并在軟件中運(yùn)行;最后，對(duì)比這2 個(gè)時(shí)段的運(yùn)行數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析2 組數(shù)據(jù)之間的差異性。例如EPANET 模擬管網(wǎng)某一時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)壓力和管段流量，結(jié)果見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 管網(wǎng)某時(shí)刻節(jié)點(diǎn)壓力分布Fig.1 Pressure distribution of the pipeline networkat a certain time

圖2 供水管網(wǎng)某時(shí)刻各管段流量分布Fig.2 Flow distribution of each pipe section at a certain time in the water supply network

3.4 結(jié)果分析

如圖2 所示，若離水源較遠(yuǎn)的控制點(diǎn)節(jié)點(diǎn)39 的模擬的節(jié)點(diǎn)壓力為56.33 m，而實(shí)際節(jié)點(diǎn)壓力比模擬節(jié)點(diǎn)壓力小。同時(shí)若節(jié)點(diǎn)39 附近的管道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量較模擬的管道流量明顯增加，但節(jié)點(diǎn)壓力卻較小，有的還可能出現(xiàn)負(fù)壓，并且這種現(xiàn)象不可逆。如果用水量最高時(shí)段和最低時(shí)段監(jiān)測(cè)分析的結(jié)果類似，由此可以判斷節(jié)點(diǎn)39 或者其周圍附近的某個(gè)節(jié)點(diǎn)或管段可能出現(xiàn)了泄漏。這就縮小了管網(wǎng)的漏點(diǎn)范圍，有利于下一步結(jié)合人工巡檢，采取措施進(jìn)行查漏和止漏工作。

4 結(jié)論

檢測(cè)管網(wǎng)是否發(fā)生泄漏，一方面能有效避免水資源的浪費(fèi)，另一方面也是供水企業(yè)止損的重要舉措之一。利用EPANET 軟件對(duì)供水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行水力分析和漏點(diǎn)檢測(cè)，主要是通過(guò)模擬管網(wǎng)中管段的流量和節(jié)點(diǎn)的壓力，與管網(wǎng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的流量數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)并確定管網(wǎng)漏點(diǎn)的范圍。該方法可為管網(wǎng)的日常運(yùn)行和維護(hù)提供幫助，在縮小漏點(diǎn)范圍后，有目的地進(jìn)行管網(wǎng)檢測(cè)并及時(shí)止漏，大大提高了工作效率，既減少了水資源浪費(fèi)又節(jié)省了人力。