城市供水管網(wǎng)漏損控制研究

班 超

（石嘴山市潤(rùn)澤供排水有限公司，寧夏 石嘴山）

引言

供水管網(wǎng)是一個(gè)龐大、相互交織且具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的空間與非空間特性網(wǎng)絡(luò)。給水網(wǎng)絡(luò)是城市運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)，它對(duì)城市的發(fā)展有一定的限制作用[1]。隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，供水網(wǎng)絡(luò)也在不斷地?cái)U(kuò)大，到現(xiàn)在為止，已經(jīng)形成了一個(gè)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拓?fù)涠鄻拥木W(wǎng)絡(luò)體系，要想對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的控制，就必須與網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合，對(duì)其進(jìn)行水力科學(xué)計(jì)算，以此掌握其運(yùn)行狀態(tài)，從而采取有效的措施進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)整[2]。在深入此方面內(nèi)容的研究中發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建管網(wǎng)水力模型，是實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著城市的快速發(fā)展，供水管網(wǎng)在持續(xù)地?cái)U(kuò)大，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、用水量、節(jié)點(diǎn)流量也在發(fā)生改變，因此，目前所構(gòu)建的給水網(wǎng)絡(luò)模型不能很好地適應(yīng)目前城市給水網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期升級(jí)與維修的需求。

當(dāng)前，我國(guó)水資源嚴(yán)重短缺，給水管網(wǎng)漏損發(fā)生率不斷增加。我國(guó)自來(lái)水公司在提高用水效率、控制漏損量等方面工作中面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在供水系統(tǒng)中，漏損是影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的重要因素，因此，如何減少管網(wǎng)漏損，就成了城市供水服務(wù)系統(tǒng)中的一個(gè)重要研究問(wèn)題。為落實(shí)此方面的工作，本文將對(duì)此展開(kāi)研究。

1 城市供水管網(wǎng)水力模型

對(duì)目前城市供水管網(wǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大部分地區(qū)管網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中，缺乏一套科學(xué)的指導(dǎo)理論與控制方案，而傳統(tǒng)采用建模的方式進(jìn)行供水管網(wǎng)劃分與控制，在現(xiàn)代化供水管網(wǎng)的運(yùn)行中并未得到較好的應(yīng)用[3]。因此，有必要根據(jù)相關(guān)工作的具體需求與實(shí)際情況，采用建立管網(wǎng)水力學(xué)模型的方式，進(jìn)行供水管網(wǎng)運(yùn)行工況的感知，以此種方式，分析管網(wǎng)的運(yùn)行條件，從而為給水管網(wǎng)的劃分提供參考。

1.1 城市供水管網(wǎng)水力模型參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模型前，應(yīng)先明確模型中管道、節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)關(guān)系，以此為依據(jù)，建立供水管網(wǎng)水力模型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，模型拓?fù)潢P(guān)系的描述和表達(dá)可以通過(guò)設(shè)計(jì)圖示來(lái)實(shí)現(xiàn)，使某一特性種類(lèi)的物象及其相互關(guān)系以一種更加直觀的方式表達(dá)。

在明確供水管網(wǎng)水力模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型中水力特性與參數(shù)的設(shè)計(jì)。在此過(guò)程中，應(yīng)先建立水力節(jié)點(diǎn)流量方程，方程表達(dá)式如下：

式中，i 代表供水管網(wǎng)中的第i 個(gè)管段；j 代表供水管網(wǎng)中的第j 個(gè)節(jié)點(diǎn)；S 代表節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)集合；qi代表第i 個(gè)管段上的供水流量；Qj代表第j 個(gè)節(jié)點(diǎn)的供水流量。上述公式中，j 的取值為1、2、3、……、N，其中N 代表供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，建立城市供水管網(wǎng)中，不同管段的供水能量方程，方程表達(dá)式如下。

通過(guò)對(duì)以上內(nèi)容的綜合分析，可以得出結(jié)論：城市給水系統(tǒng)的水力學(xué)模型是由這兩個(gè)參數(shù)組合而成的，因此，可以將式（1）與式（2）聯(lián)合后的方程作為城市供水管網(wǎng)水力模型中的恒定流方程組。方程組表達(dá)方式為：

1.2 城市供水管網(wǎng)水力模型構(gòu)建

城市供水管網(wǎng)是一種由地下管道構(gòu)成的復(fù)雜大型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在給水工業(yè)的信息化過(guò)程中，如何建立一個(gè)精確的供水管網(wǎng)水力模型是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在供水管網(wǎng)系統(tǒng)中，通常需要建立一個(gè)能夠反應(yīng)供水真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)的水力學(xué)模型[4]。因此，建模中，首先要明確構(gòu)建模型的應(yīng)用與集成對(duì)象，同時(shí)，在計(jì)算機(jī)上安裝水力管網(wǎng)軟件，在軟件平臺(tái)上選擇基礎(chǔ)模型，將各項(xiàng)參數(shù)與收集的水力數(shù)據(jù)錄入平臺(tái)后，利用數(shù)字化手段，進(jìn)行供水管網(wǎng)水力模型的修正，以此種方式，達(dá)到建模工程項(xiàng)目所需的精度，最后將修正后的模型投入到實(shí)際操作中，進(jìn)行供水管網(wǎng)水力過(guò)程的模擬。為確保模型的正常工作，需要培養(yǎng)專(zhuān)門(mén)的技術(shù)人員，對(duì)模型進(jìn)行持續(xù)的維修和更新。其中供水管網(wǎng)水力模型的構(gòu)建流程如圖1 所示。

圖1 供水管網(wǎng)水力模型的構(gòu)建流程

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為確保構(gòu)建的模型與城市供水管網(wǎng)實(shí)際情況達(dá)到最優(yōu)匹配效果，應(yīng)按照下述圖2 所示的步驟，進(jìn)行模型的校驗(yàn)。

圖2 城市供水管網(wǎng)水力模型的校驗(yàn)

完成城市供水管網(wǎng)水力模型校驗(yàn)后，將其投入使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利模型的構(gòu)建。

2 城市供水管網(wǎng)漏損閥門(mén)優(yōu)化

結(jié)合上述構(gòu)建的模型，為實(shí)現(xiàn)對(duì)城市供水管網(wǎng)漏損的有效控制，首先針對(duì)漏損閥門(mén)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要針對(duì)閥門(mén)的開(kāi)啟度進(jìn)行優(yōu)化。從幾何角度分析，閥門(mén)的開(kāi)啟度可以直接測(cè)量得到，開(kāi)啟區(qū)域通常包括超調(diào)區(qū)、有效區(qū)和無(wú)效區(qū)。在超調(diào)區(qū)，由于過(guò)門(mén)的流量波動(dòng)較大，并且具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，因此，過(guò)門(mén)的流速與開(kāi)口之比很大，很容易發(fā)生過(guò)門(mén)現(xiàn)象[5]。相對(duì)于超調(diào)而言，“無(wú)效調(diào)節(jié)”是指在改變閥門(mén)開(kāi)度時(shí)，其流量的改變幅度很小，從而不能實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的有效調(diào)控。在有效區(qū)域內(nèi)，對(duì)供水管網(wǎng)中水的流量控制效果更理想[6]。在開(kāi)度率小于0.5 的情況下，則閥門(mén)的控制效果不佳；在開(kāi)度大于0.8 的情況下，這時(shí)閥門(mén)就會(huì)產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象；當(dāng)開(kāi)度控制在0.5～0.8 范圍區(qū)間內(nèi)，可控效果最好，因此可將這一區(qū)間作為閥門(mén)的最佳調(diào)節(jié)區(qū)間。閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度與阻力系數(shù)之間存在下述關(guān)系：

式中，ξ代表閥門(mén)的阻力系數(shù)；ΔPm代表閥門(mén)兩個(gè)端點(diǎn)上的壓降；g 代表引力常數(shù)；v 表示水流流速。根據(jù)上述公式，將每一個(gè)開(kāi)啟度條件下通過(guò)閥門(mén)的流速以及壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并通過(guò)狄克松準(zhǔn)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，將篩選后的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，繪制閥門(mén)阻力系數(shù)-相對(duì)開(kāi)度關(guān)系曲線(xiàn)圖，如圖3 所示。

圖3 閥門(mén)阻力系數(shù)- 相對(duì)開(kāi)度關(guān)系曲線(xiàn)

圖3 中所示的四個(gè)規(guī)格為供水管網(wǎng)中管線(xiàn)的常見(jiàn)規(guī)格。針對(duì)圖3 中所示的四條曲線(xiàn)，結(jié)合CXPTW 軟件，對(duì)其進(jìn)行擬合，從而得到閥門(mén)阻力系數(shù)與閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度之間的變化數(shù)學(xué)模型：

式中，a、b、c 均代表待測(cè)定的系數(shù)，其具體取值與城市供水管網(wǎng)中管線(xiàn)的直徑相關(guān)；k 代表閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)啟度。根據(jù)上述關(guān)系，對(duì)管網(wǎng)漏損閥門(mén)進(jìn)行優(yōu)化布置。自動(dòng)控制閥的布置和安裝，應(yīng)同壓力測(cè)量器的布置，都要考慮到它的觀察靈敏度，它在管道系統(tǒng)中的配置位置不同，它的影響也就不一樣，如果配置在不合理的管道區(qū)段，也會(huì)導(dǎo)致費(fèi)用的浪費(fèi)[7]。所以，對(duì)自動(dòng)控制閥門(mén)進(jìn)行合理地配置是十分必要的。下面介紹了自動(dòng)控制閥門(mén)的配置方式，重點(diǎn)分析了自動(dòng)控制閥門(mén)對(duì)網(wǎng)絡(luò)壓力的影響。在具體布置時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循如下原則：一定要找出對(duì)接頭壓力有最大作用的管道，并在管道上裝一個(gè)自控閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)啟度的自動(dòng)控制，根據(jù)管網(wǎng)內(nèi)的壓力變化，及時(shí)調(diào)整開(kāi)啟度。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何選擇自動(dòng)控制閥門(mén)的供水量，通常應(yīng)從工程的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)兩方面進(jìn)行綜合考慮[8]。自動(dòng)控制閥門(mén)的造價(jià)是非常昂貴的，而且在安裝過(guò)程中還會(huì)涉及相應(yīng)的輔助設(shè)備及工程量，因此，設(shè)置自動(dòng)控制閥門(mén)的經(jīng)濟(jì)成本非常高；而當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)數(shù)量太少時(shí)，則很難通過(guò)使用自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化。所以，在選擇自動(dòng)控制閥門(mén)時(shí)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃、投資金額及公司的控制目的來(lái)確定自動(dòng)控制閥門(mén)的數(shù)目。

3 城市供水管網(wǎng)漏損分區(qū)計(jì)量控制

對(duì)城市供水管網(wǎng)的分區(qū)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)調(diào)度的優(yōu)化。在對(duì)給水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分時(shí)，不同于常規(guī)的并、串兩種劃分方式。管網(wǎng)分區(qū)就是在供水邊界、管網(wǎng)結(jié)點(diǎn)壓力和等壓線(xiàn)等基本相同的情況下，結(jié)合城市的地貌和規(guī)劃情況，對(duì)管網(wǎng)結(jié)點(diǎn)壓力的靈敏度進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)給水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了劃分，并在各分區(qū)間的連通管道上設(shè)置了閥門(mén)。給水管網(wǎng)的劃分與傳統(tǒng)的市政區(qū)域劃分不同，這是不合理的。城市給水管網(wǎng)的劃分應(yīng)該以給水管網(wǎng)為基礎(chǔ)。圖4 為供水管網(wǎng)階層分區(qū)示意。

圖4 供水管網(wǎng)階層分區(qū)示意

在按照?qǐng)D4 所示的流程，對(duì)供水管網(wǎng)階層分區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況，合理確定分區(qū)，并對(duì)其進(jìn)行規(guī)整。在完成供水管網(wǎng)的分區(qū)后，對(duì)各個(gè)分區(qū)進(jìn)行計(jì)量。在計(jì)量的過(guò)程中，首先要確定該區(qū)塊與外部世界連接的管道及閥門(mén)，然后將流量計(jì)安裝到管道上。將入水面積中的各區(qū)塊的水量定義為：分區(qū)內(nèi)總水量消耗與分區(qū)內(nèi)物理漏失量的總和。不同經(jīng)濟(jì)層次的漏損比率，決定了各分區(qū)在計(jì)量漏損控制中所要采取的措施。規(guī)定要求，城市供水企業(yè)設(shè)置的管網(wǎng)，其漏損率基本評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為12%，根據(jù)多個(gè)分區(qū)計(jì)量區(qū)域內(nèi)分區(qū)大小，劃分三個(gè)等級(jí)，如表1 所示。

表1 分區(qū)計(jì)量區(qū)域等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

在分區(qū)計(jì)量區(qū)域內(nèi)測(cè)定存在漏損時(shí)，需要將邊界閥門(mén)關(guān)閉一部分，此時(shí)可能會(huì)造成死水產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致水質(zhì)變差。針對(duì)這一問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)漏損有效控制的同時(shí)，保證管網(wǎng)中的水質(zhì)，可對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行定期沖洗，或在邊界位置的兩個(gè)閥門(mén)之間，設(shè)置消防栓，通過(guò)消防栓泄水，達(dá)到保障管網(wǎng)水質(zhì)的作用。

結(jié)束語(yǔ)

城市供水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中存在著大量的漏損，這對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有很大的影響。在供水管道上安裝閥門(mén)，能大幅度地減少管道的泄漏量，對(duì)改善城市給水管網(wǎng)的運(yùn)行狀況，提高城市供水系統(tǒng)的控制水平，增加城市給水的經(jīng)濟(jì)效益，以及實(shí)現(xiàn)城市給水管網(wǎng)的合理布局，都有著十分重要的意義。為實(shí)現(xiàn)對(duì)城市供水管網(wǎng)運(yùn)行的規(guī)范化控制，上文從管網(wǎng)漏損層面入手，開(kāi)展了此次研究。

將本次研究的成果應(yīng)用到城市管網(wǎng)漏損控制工程項(xiàng)目中，根據(jù)運(yùn)營(yíng)單位與控制方的反饋與階段性工作實(shí)踐可知，設(shè)計(jì)的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市管網(wǎng)的漏損控制，以此種方式，提高供水企業(yè)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益，為行業(yè)發(fā)展創(chuàng)造更高的價(jià)值與更直觀的技術(shù)指導(dǎo)。