地鐵場(chǎng)段管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水利模型的研究

吳正中

（中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310004）

地鐵車(chē)輛段和停車(chē)場(chǎng)室外給水管網(wǎng)系統(tǒng)主要有低壓給水系統(tǒng)（利用市政壓力直供）、高壓給水系統(tǒng)、消火栓給水系統(tǒng)、自動(dòng)噴水系統(tǒng)、綠地澆灑系統(tǒng)。各系統(tǒng)按照布置方式可分為枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)。目前，杭州、南京等城市場(chǎng)段均出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重滲漏問(wèn)題，造成極大的損失和浪費(fèi)。室外給水爆管集設(shè)計(jì)選型、施工質(zhì)量及運(yùn)營(yíng)管理等多方面問(wèn)題。通過(guò)建立一套管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用遠(yuǎn)傳壓力表和遠(yuǎn)傳水表上傳的節(jié)點(diǎn)信息，及時(shí)計(jì)算分析出滲漏點(diǎn)及爆管點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)管理自動(dòng)化。經(jīng)過(guò)管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)積累和分析，可以為后期設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化后續(xù)場(chǎng)段給排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)。

1 生產(chǎn)生活給水管網(wǎng)（枝狀管網(wǎng)）算法

場(chǎng)段生產(chǎn)生活給水管網(wǎng)為枝狀管網(wǎng)，分高壓區(qū)和低壓區(qū)。低壓區(qū)主要是供2層及以下區(qū)域的供水，高壓區(qū)主要供應(yīng)2層以上的樓層，均為枝狀管網(wǎng)。

壓降方程又稱為水頭損失方程，是管段水頭損失與其兩端節(jié)點(diǎn)水壓以及流量的關(guān)系式。水頭損失hij和流量qij的關(guān)系可以表示為:

式中，Hi、Hj為管段兩端節(jié)點(diǎn)i、j的水壓高程；Hij為管段兩端節(jié)點(diǎn)i、j的壓降；Sij為管段摩阻；Qij為管段流量（m3/s）；Αij為比阻；Lij為ij管段長(zhǎng)度（m）；n為粗糙系數(shù)。

式中的n值對(duì)于不同管材、不同計(jì)算場(chǎng)景的取值不同；本系統(tǒng)通過(guò)實(shí)際測(cè)量值來(lái)確定相同管材、不同管徑、不同連接方式、不同安裝位置的管道粗糙系數(shù)n的取值。

1.1 壓降方程粗糙系數(shù)n值的確定

車(chē)輛段和停車(chē)場(chǎng)生活生產(chǎn)給水管網(wǎng)施工圖設(shè)計(jì)階段，在生活生產(chǎn)引入總管起端設(shè)置遠(yuǎn)傳水表（Q0）和遠(yuǎn)傳壓力表（P0），在管網(wǎng)末端設(shè)置遠(yuǎn)傳壓力表（Pn），各單體入戶管位置設(shè)置遠(yuǎn)傳水表（Q1、Q2、 、Qn）。

圖1 車(chē)輛段（停車(chē)場(chǎng)）枝狀管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

管道竣工后投入使用前，生活生產(chǎn)給水管網(wǎng)系統(tǒng)完好，確保系統(tǒng)不存在泄漏，通過(guò)放水試驗(yàn)，來(lái)記錄不同單體在不同流量下起端、末端的壓力值；單體1放水試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，如表1。

表1 不同流量下的各節(jié)點(diǎn)壓力值

根據(jù)多組數(shù)據(jù)比較，計(jì)算得出不同工況下的粗糙系數(shù)n值，加權(quán)平均，得出生活生產(chǎn)給水管管段壓降方程中粗糙系數(shù)n的最終取值。

1.2 不同管段比阻的測(cè)定

1.2.1 管段0～1比阻測(cè)定

單體1放水，單體遠(yuǎn)傳水表和干管遠(yuǎn)傳水表記錄流量值相等，記為q1，節(jié)點(diǎn)0處遠(yuǎn)傳壓力表讀數(shù)為P0，末端遠(yuǎn)傳壓力表讀數(shù)為Pn，由公式(1）轉(zhuǎn)化：，計(jì)算得出第一個(gè)值。

1.2.2 管段1～2比阻測(cè)定

單體2放水，單體遠(yuǎn)傳水表和干管遠(yuǎn)傳水表記錄流量值相等，記為q2，節(jié)點(diǎn)0處遠(yuǎn)傳壓力表讀數(shù)為P0，末端遠(yuǎn)傳壓力表讀數(shù)為Pn；流量q2流經(jīng)管段0～1壓降為：

根據(jù)上述方法推出：根據(jù)公式（2）可以計(jì)算出每段管段的比阻值。

1.3 枝狀管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型建立

1.3.1 管網(wǎng)泄漏或者爆管報(bào)警

系統(tǒng)時(shí)刻在記錄著各單體的用水量和總水表的流量值，單體1、2、的流量記錄值分別為Q1、Q2、Q3、…Qn，總水表的流量值為Q0。

考慮管網(wǎng)存在滲漏，當(dāng)⊿Q=Q0-(Q1+ Q2+ Q3+…+ Qn)＞（Q1+ Q2+ Q3+…+ Qn)×0.05時(shí)，表明生活生產(chǎn)給水管網(wǎng)存在較大泄漏或者爆管，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。

1.3.2 管網(wǎng)泄漏點(diǎn)的判定

因?yàn)楣芫W(wǎng)存在不確定位置的泄漏，導(dǎo)致管網(wǎng)存在的壓降為⊿H’。假設(shè)⊿Q發(fā)生在0～1管段中間某位置，若將⊿Q疊加在1節(jié)點(diǎn)，則必然存在

因?yàn)楣艿佬孤┰酵?，?dǎo)致的壓降損失越大。若上式存在大于的關(guān)系，則⊿Q必然發(fā)生在節(jié)點(diǎn)1后面的管段。依次類推，將⊿Q疊加在之后的節(jié)點(diǎn)2、，直到上面的關(guān)系式存在小于的關(guān)系。

⊿Q發(fā)生在0～1管段時(shí)，

計(jì)算出l0x即找出泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，為距節(jié)點(diǎn)0的距離為l0x的位置。

2 結(jié)語(yǔ)

管網(wǎng)壓力和流量監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)管網(wǎng)計(jì)量和漏損的監(jiān)控系統(tǒng)，即把車(chē)輛段室外供水管網(wǎng)劃分為多個(gè)監(jiān)控分區(qū)，對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行流量和壓力監(jiān)測(cè)，對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的市政給水總量和各單體的用水量進(jìn)行監(jiān)控；同時(shí)，根據(jù)壓力及流量的變化對(duì)管網(wǎng)漏損進(jìn)行分析判定。建立完善的壓力及流量監(jiān)控系統(tǒng)后，可以在系統(tǒng)端了解和掌握實(shí)際供水量、實(shí)際需水量、系統(tǒng)漏水量等數(shù)據(jù)，從而提高運(yùn)營(yíng)管理水平和效率；時(shí)刻監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)管道的流量、壓力數(shù)據(jù)，為爆管泄漏的預(yù)警追蹤，水力模型的建立提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐；通過(guò)分區(qū)計(jì)量還可研究壓力控制在漏損控制方面的作用和意義，并對(duì)高壓區(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲毫φ{(diào)控，優(yōu)化管網(wǎng)壓力分配，分時(shí)段合理調(diào)節(jié)管網(wǎng)運(yùn)行壓力，減少管網(wǎng)系統(tǒng)爆管及大泄漏風(fēng)險(xiǎn)，從而整體提高地鐵智能化管理水平。