基于水力模型的供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量方案研究

王韻玨 信昆侖 陶 濤

分區(qū)計(jì)量是在區(qū)域裝表檢漏法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是將區(qū)域裝表法的理念推廣到整個(gè)供水管理中。通過在管網(wǎng)中安裝流量計(jì)量設(shè)備，將管網(wǎng)分成若干個(gè)可獨(dú)立核算的區(qū)域，這樣可以隨時(shí)掌握每個(gè)分區(qū)的用水狀態(tài)和產(chǎn)銷差情況，檢漏工作就能有序開展，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各分區(qū)的產(chǎn)銷差、漏損率等進(jìn)行分析控制和管理[1]。城市供水管網(wǎng)分區(qū)始于20世紀(jì)80年代，如英國(guó)倫敦將給水管網(wǎng)劃分為16個(gè)區(qū)，日本東京劃為 50個(gè)區(qū)，大阪則為 18個(gè)區(qū)[2]。90年代起，國(guó)內(nèi)城市陸續(xù)開展分區(qū)計(jì)量工作:上海在 1999年依據(jù)河流將供水管網(wǎng)劃分為 4個(gè)大區(qū)，隨后，四區(qū)之一的上海市北公司又劃為滬東、滬北、寶山三個(gè)區(qū);沈陽依據(jù)行政區(qū)域劃分為 8個(gè)區(qū);南京依據(jù)市內(nèi)道路河流將城市供水管網(wǎng)劃分為 10個(gè)區(qū)。實(shí)踐證明，通過科學(xué)合理的獨(dú)立計(jì)量分區(qū)管理，可以及時(shí)有效地控制管網(wǎng)漏損，確保供水系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。如何針對(duì)我國(guó)城市供水管網(wǎng)的實(shí)際特點(diǎn)，并結(jié)合管網(wǎng)水力模擬，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行合理的劃分和計(jì)量，是目前我國(guó)城市供水行業(yè)普遍面臨的問題之一。

1 供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量方案制定

鎮(zhèn)江市供水起源于1912年，供水水源位于市區(qū)最西部，由金山、金西水廠形成自西向東的供水格局，日供水能力 40萬 m3，供水區(qū)域約 200 km2。供水管網(wǎng)總長(zhǎng) 1 164 km，管網(wǎng)直徑最大為DN 1 500，主要供水干線分為北、中、南三條。根據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，自2004年起，鎮(zhèn)江市供水管網(wǎng)漏損率逐年降低，呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但仍有一定的下降空間。

1.1 分區(qū)原則

1)結(jié)合鎮(zhèn)江市供水管網(wǎng)布局，遵循管網(wǎng)流向分配。2)盡量利用供水管網(wǎng)內(nèi)的天然屏障或城市建設(shè)中逐漸形成的人為障礙，作為分區(qū)的主要邊界，以減少流量計(jì)安裝數(shù)量，并方便施工。3)將管網(wǎng)中由增壓泵站供水的區(qū)域劃分為獨(dú)立計(jì)量的供水區(qū)域，避免增壓區(qū)域和非增壓區(qū)域的相互交叉，以便于管理和計(jì)量。4)對(duì)于個(gè)別影響分區(qū)計(jì)量的不必要的小口徑環(huán)狀管網(wǎng)進(jìn)行截?cái)啵瑴p少流量?jī)x的安裝數(shù)量，也便于檢漏。5)盡量均衡各獨(dú)立計(jì)量區(qū)域的供水規(guī)模，便于分區(qū)后的供水管理和服務(wù)。

1.2 分區(qū)方案

依據(jù)上述原則，主要以鎮(zhèn)江市的中山路、古運(yùn)河、滬寧鐵路、312國(guó)道等屏障對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)進(jìn)行劃分，并結(jié)合管網(wǎng)中增壓泵站的獨(dú)立分區(qū)，所形成的分區(qū)方案共使用 41臺(tái)流量計(jì)，將鎮(zhèn)江市供水管網(wǎng)劃分為 12個(gè)獨(dú)立計(jì)量片區(qū)。具體分區(qū)圖見圖 1。

2 利用管網(wǎng)水力模型評(píng)價(jià)分區(qū)方案

2.1 鎮(zhèn)江市供水管網(wǎng)水力模型概況

鎮(zhèn)江市供水管網(wǎng) DN 200以上水力模型始建于 2005年，在近幾年管網(wǎng)改擴(kuò)建規(guī)劃設(shè)計(jì)、增壓泵站節(jié)能降耗改造中發(fā)揮了重要作用。為了對(duì)管網(wǎng)分區(qū)方案做出正確的評(píng)估，本研究對(duì)所建立的DN200以上管道為主的管網(wǎng)水力模型進(jìn)行了更新與校驗(yàn)，以保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

2.2 分區(qū)方案評(píng)估

分區(qū)時(shí)需要對(duì)部分小口徑管道實(shí)施關(guān)閥隔斷，明確供水管網(wǎng)系統(tǒng)中主要的送水管網(wǎng)，限制干管配水。此舉可能對(duì)供水管網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，在分區(qū)時(shí)，應(yīng)予以充分的考慮。因此，本方案運(yùn)用供水管網(wǎng)水力模型對(duì)隔斷閥門關(guān)閉時(shí)全市供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，評(píng)估隔斷閥門關(guān)閉對(duì)供水壓力、管網(wǎng)水質(zhì)的影響。

2.3 關(guān)閉隔斷閥門后管網(wǎng)壓力變化

城市供水管網(wǎng)水壓不僅是直接反映城市供水服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)之一，也是全面掌握供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)以及對(duì)整個(gè)供水管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)施正確調(diào)度的重要參數(shù)。合理的分區(qū)方案實(shí)施后，不應(yīng)對(duì)管網(wǎng)供水局部水壓乃至全局壓力產(chǎn)生較大的影響。

本方案中，2個(gè)隔斷閥門位于南徐大道東西走向 DN 200的管道上，見圖 2。現(xiàn)通過模型模擬隔斷閥門關(guān)閉前后測(cè)壓點(diǎn)壓力變化情況，反映關(guān)閉閥門對(duì)于整個(gè)管網(wǎng)的壓力影響。

表1 模擬隔斷閥門關(guān)閉前后測(cè)壓點(diǎn)壓力變化

表1顯示，隔斷閥門關(guān)閉前后模型測(cè)壓點(diǎn)壓力變化很小，這在一定程度上反映了隔斷閥門關(guān)閉后對(duì)管網(wǎng)全局壓力影響極小，幾乎可以忽略。

由于隔斷閥門位于南徐路片區(qū)與南徐新城片區(qū)分界，通過水力模擬進(jìn)一步分析了閥門關(guān)閉前后對(duì)于南徐路片區(qū)與南徐新城片區(qū)壓力影響。結(jié)果表明，關(guān)閉隔斷閥門對(duì)于臨近片區(qū)的管網(wǎng)造成的壓力波動(dòng)較小。

通過以上分析，可以判斷由于管網(wǎng)分區(qū)關(guān)閉隔斷閥門，并未對(duì)該市供水管網(wǎng)水壓產(chǎn)生較大影響，不影響管網(wǎng)全局的正常運(yùn)行。需要指出的是，閥門關(guān)閉仍將對(duì)附近區(qū)域的個(gè)別用戶產(chǎn)生影響，造成一定的壓力波動(dòng)，分區(qū)實(shí)施應(yīng)充分考慮此部分用戶的用水安全性與可靠性。

2.4 關(guān)閉隔斷閥門后局部管段水質(zhì)影響評(píng)估

當(dāng)供水系統(tǒng)中水流方向發(fā)生突變或波動(dòng)時(shí)，會(huì)引發(fā)沖刷管道沉積物，將污染物帶入水中，出現(xiàn)色度、濁度、鐵、錳等多項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)，造成短時(shí)間的水質(zhì)惡化[3]。此外，如管網(wǎng)中水流速度過慢，將會(huì)導(dǎo)致停留時(shí)間增加，在管道中產(chǎn)生銹蝕和生物膜，引起水質(zhì)惡化。

本研究中，通過模擬隔斷閥門關(guān)閉前后鄰近管段流向、流速變化，并以此為依據(jù)評(píng)估分區(qū)對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)影響。模擬結(jié)果顯示，隔斷閥門關(guān)閉后，閥門前后局部管段流向發(fā)生變化，見圖 3，且閥門前后管段末端流速水流速度突降為 0，形成死水端，對(duì)局部管網(wǎng)水質(zhì)構(gòu)成一定的威脅。對(duì)上述管道應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并通過周期性清潔管道，死水端附近消火栓定期防水，防止水質(zhì)惡化。總體上，由于隔斷閥門管徑較小，數(shù)量少，且位置集中，對(duì)鎮(zhèn)江市供水管網(wǎng)整體水質(zhì)影響有限。

3 方案實(shí)施技術(shù)關(guān)鍵與措施

1)詳盡了解城市供水管網(wǎng)情況。本方案確定過程中，主要依據(jù)鎮(zhèn)江市供水管網(wǎng)GIS系統(tǒng)，分析管網(wǎng)的整體布局以及管網(wǎng)內(nèi)現(xiàn)有屏障，但一方面GIS系統(tǒng)與現(xiàn)狀管網(wǎng)更新有所差別，另一方面某些點(diǎn)不具備流量計(jì)安裝條件的可能性，因此需要在初步方案的基礎(chǔ)上，詳盡了解城市供水管網(wǎng)情況，核對(duì)分區(qū)邊界，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，以最終確定流量計(jì)的安裝位置。

2)選擇合適的流量計(jì)。分區(qū)計(jì)量是依賴于流量計(jì)將整個(gè)管網(wǎng)分割成若干個(gè)分區(qū)來實(shí)現(xiàn)的，因而流量?jī)x的選擇就顯得十分重要。經(jīng)過分析，為保證施工的便利性，以及對(duì)管材的普適性，并避免從城市電網(wǎng)取電，參考工程實(shí)例，本方案最終選擇了插入式電池供電電磁流量計(jì)。

3)明晰各獨(dú)立計(jì)量區(qū)域的抄見范圍。由于分區(qū)打破了鎮(zhèn)江自來水公司原有的營(yíng)業(yè)抄收界限，因此應(yīng)根據(jù)各獨(dú)立計(jì)量區(qū)域的服務(wù)范圍，重新劃分抄表界限，收集管網(wǎng)運(yùn)行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行區(qū)域漏損評(píng)價(jià)。同時(shí)亦可以分區(qū)為單位進(jìn)行獨(dú)立考核，提供管理水平和服務(wù)水平。

4)分級(jí)實(shí)施、逐步細(xì)化實(shí)施方案。考慮到管網(wǎng)的復(fù)雜性，分區(qū)應(yīng)采取分級(jí)實(shí)施，逐步細(xì)化的原則。本系統(tǒng)工程可考慮首先對(duì)增壓泵站服務(wù)區(qū)域或城市郊區(qū)進(jìn)行分區(qū);其次對(duì)管網(wǎng)復(fù)雜的中心城區(qū)供水范圍進(jìn)行分區(qū)，這樣先小范圍的試點(diǎn)，取得成功經(jīng)驗(yàn)后再大范圍的推廣，進(jìn)而實(shí)施全市分區(qū)計(jì)量。

4 結(jié)語

利用GIS、水力模型等先進(jìn)技術(shù)手段，確定供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量方案，是實(shí)施區(qū)域化精細(xì)管理，減低管網(wǎng)漏損量，控制產(chǎn)銷差的關(guān)鍵性步驟。但分區(qū)計(jì)量實(shí)施對(duì)產(chǎn)銷差控制效果不可能立竿見影，而是一項(xiàng)長(zhǎng)期逐步深入的工作，前期需要大量的資金投入，后期需要管理工作的跟進(jìn)，需對(duì)各分區(qū)產(chǎn)銷數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，依據(jù)分析結(jié)果及時(shí)采取有效措施，才能起到切實(shí)的效果。

[1] 周建華，趙洪賓.城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)所面臨的問題及對(duì)策[J].中國(guó)給水排水，2008，18(1):30-32.

[2] 舒詩湖，趙洪賓.我國(guó)給水排水系統(tǒng)建模的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].中國(guó)給水排水，2008，24(8):5-7.

[3] 高亞萍.管網(wǎng)水質(zhì)污染的影響因素及防治措施[Z].2006.