管網(wǎng)分區(qū)在城市供水管網(wǎng)漏失控制中的應用

王晶惠， 張昭君， 阮 婷， 孫國勝

(廣東粵港供水有限公司，廣東深圳518021)

管網(wǎng)分區(qū)在城市供水管網(wǎng)漏失控制中的應用

王晶惠， 張昭君， 阮 婷， 孫國勝

(廣東粵港供水有限公司，廣東深圳518021)

根據(jù)國內外供水管網(wǎng)分區(qū)管理領域研究現(xiàn)狀，結合示范城市CP市管網(wǎng)特點，提出三級分區(qū)理論，總結出指導管網(wǎng)分區(qū)的三級分區(qū)原則。在城市供水管網(wǎng)建模基礎上，根據(jù)三級分區(qū)原則對CP地區(qū)供水管網(wǎng)進行了分區(qū)，通過管網(wǎng)分區(qū)計量與壓力控制，實現(xiàn)了降低漏失、節(jié)約水資源、優(yōu)化管理的綜合目的。以01分區(qū)為例介紹了DMA漏失控制過程及方法，通過區(qū)域裝表計量發(fā)現(xiàn)了漏失區(qū)域，對該區(qū)實施壓力控制后漏失率至少可降低4%～5%。通過各分區(qū)漏失控制工作的開展，CP市管網(wǎng)整體產銷差10個月下降了6.24%，8個分區(qū)每年可節(jié)水473.28×104m3。此外，進行管網(wǎng)壓力控制后，各DMA分區(qū)平均爆管次數(shù)明顯減少且更趨于穩(wěn)定，水司管理服務水平得到提高。

管網(wǎng)分區(qū)； 分區(qū)原則； 壓力控制； 管網(wǎng)漏失控制

供水管網(wǎng)漏失在各個城市都普遍存在，不僅成為供水企業(yè)的經(jīng)濟問題，還會因管道泄漏或爆管導致居民用水不便，甚至影響城市的正常運作。因此，管網(wǎng)漏失更是一項涉及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、飲用水安全和影響居民健康的潛在問題[1-3]。管網(wǎng)漏失在造成水資源流失并耗費大量能源的同時，也給水質安全帶來威脅。但是，在目前以經(jīng)驗管理模式為主的情況下，該問題很難得到有效解決。對此，國內外一些城市的自來水公司開始尋求新型的管理模式，眾多研究資料及運營經(jīng)驗表明，實行管網(wǎng)分區(qū)管理與壓力控制是很好的選擇[4]。

1 分區(qū)原則

根據(jù)國內外供水管網(wǎng)分區(qū)原則及分區(qū)案例，結合本項目示范城市CP市供水特點，將管網(wǎng)進行三級分區(qū)，如圖1所示。

圖1 管網(wǎng)分區(qū)示意Fig.1 Schematic diagram of network partition

管網(wǎng)一級分區(qū)應用于多水源管網(wǎng)情況，主要以原有的城市供水自然分界線為基礎，各水源形成獨立的供水范圍。管網(wǎng)二級分區(qū)是在一級分區(qū)基礎上，為均衡輸配水管網(wǎng)壓力而進行的管網(wǎng)分區(qū)，可在壓力偏高的二級分區(qū)入口處安裝減壓裝置，調節(jié)區(qū)域內壓力，達到降低區(qū)域漏失的目的。三級分區(qū)是在二級分區(qū)基礎上劃分出更小的區(qū)域，以進一步查明各供水區(qū)域產銷差的差異性，是管網(wǎng)分區(qū)管理的精細化體現(xiàn)。

由于不同層級管網(wǎng)分區(qū)的管網(wǎng)組成和分區(qū)因素不一致，通過分析國內外分區(qū)管理案例并結合本項目分區(qū)經(jīng)驗，總結出指導管網(wǎng)三級分區(qū)的分區(qū)原則和分區(qū)因素。

1.1 一級分區(qū)原則

(1)管網(wǎng)組成：主要為DN800及以上輸水管和部分配水管[5]。

(2)適應現(xiàn)狀供水(量)格局原則：一級分區(qū)時，應考慮到現(xiàn)有水廠、加壓站的供水加壓能力、管道現(xiàn)狀、區(qū)域內用水類型等。

(3)考慮遠期供水(量)發(fā)展原則：在現(xiàn)狀分區(qū)基礎上，應考慮未來管網(wǎng)需水量發(fā)展趨勢，做好水廠調度預留。

(4)與現(xiàn)狀管網(wǎng)相適應的原則：結合現(xiàn)狀供水行政區(qū)域，分析相鄰區(qū)域管網(wǎng)的連通性，盡可能少地改變現(xiàn)狀管網(wǎng)，減少管網(wǎng)改造費用。

1.2 二級分區(qū)原則

(1)管網(wǎng)組成：主要為DN400～DN800輸配水管。

(2)地理條件便利原則：考慮利用供水管網(wǎng)范圍內的天然屏障或城市建設中形成的人為障礙，如河流、山脈、鐵路、主要道路作為分界線。

(3)測流、減壓設備便于安裝且安裝最少的原則：進行二級分區(qū)時，盡可能地保證一個入水口，減少流量計的安裝；在壓力偏高的二級區(qū)域，還應考慮分區(qū)入口位置，有利于安裝減壓設備，供電有保障、交通便利。

(4)供水規(guī)模均衡的原則：盡可能均衡各二級區(qū)域的供水規(guī)模，便于供水服務管理。

(5)有效關閉閥門原則：在不影響相鄰區(qū)域供水的前提下，適當關閉二級分區(qū)的邊界閥門，保證各二級供水區(qū)域的獨立性。

1.3 三級分區(qū)原則

(1)以用戶數(shù)或管線長度為依據(jù)確定適宜的DMA(District Metering Area，即分區(qū)計量區(qū)域)大小，盡量不對現(xiàn)有管網(wǎng)進行大規(guī)模改造。

(2)結合管理現(xiàn)狀并保持管網(wǎng)的完整性，考慮相鄰DMA區(qū)域的連通性及營業(yè)抄表范圍，盡可能不改變現(xiàn)有營業(yè)抄表范圍，并減少不同DMA區(qū)域間閥門的關閉及安裝，以降低安裝費用和壓力損失。

(3)盡量確保分區(qū)只有唯一的入水口。

(4)選擇水力條件最好的管線作為分區(qū)的入水口, 保證從該管線進水到達分區(qū)末端用戶的整體水頭損失最小。在選擇入水口時還需盡量使大用戶位于該分區(qū)的管網(wǎng)末端, 以減小水流停滯現(xiàn)象出現(xiàn)。

管網(wǎng)分區(qū)應有完整的拓撲結構及水量、水壓等相關數(shù)據(jù)，最好可結合管網(wǎng)建模來進行管網(wǎng)分區(qū)。管網(wǎng)建模不僅可以梳理管網(wǎng)拓撲結構，還可以準確地模擬供水管網(wǎng)的實際運行狀態(tài)，了解管網(wǎng)的壓力分布情況和分析管網(wǎng)中壓力過高區(qū)域，從而有利于合理進行管網(wǎng)二級和三級分區(qū)。

2 CP供水區(qū)域實例分析

2.1 地區(qū)基本情況

項目示范城市為CP地區(qū)，該地區(qū)的地勢在整體上趨于平緩，局部地區(qū)地勢較高，整個供水區(qū)域最大高差在21 m左右，常住人口31.4萬，由兩座水廠供水，供水管道總長度約為300 km，平均日供水量21.07×104m3，最大日供水量24.89×104m3，躉售用水大用戶28個，抄表到戶水表數(shù)約14 000個。該供水系統(tǒng)配有SCADA系統(tǒng)及GIS系統(tǒng)。根據(jù)該水司供水日常調度情況，一般保證自由水頭壓力達到20 m，個別地區(qū)保證達到15 m，即滿足供水管網(wǎng)壓力需求。

2.2 供水區(qū)域總體分區(qū)

結合上述分區(qū)原則，提出供水管網(wǎng)多種分區(qū)比選方案，首先根據(jù)供水地區(qū)管網(wǎng)布置及用戶分布特點進行流量計量管理分區(qū)，并根據(jù)不同方案下的管網(wǎng)模型計算結果，選擇最優(yōu)的壓力管理分區(qū)方案，即得到具有降低物理漏失潛力的二級分區(qū)方案。然后結合每個分區(qū)實際特點，采用窮舉法搜索出兩座水廠分別供應不同二級分區(qū)方案，并從節(jié)約能耗與投資成本方面綜合比較。最后結合CP城市遠期供水的發(fā)展，選擇出經(jīng)濟合理的一級分區(qū)方案。

如圖2所示，主要供水區(qū)域共分為8個二級分區(qū)，分區(qū)改造后分區(qū)入口大多只有1個，分區(qū)最小戶數(shù)512戶，最大戶數(shù)6068戶，分區(qū)中最不利點自由水頭最小值為24 m，都具有一定的降壓潛力，具體情況見表1。同時，為達到節(jié)能目的，便于進行兩座水廠間的泵組優(yōu)化調度，圖2中標出的為近期第一水廠的供水范圍，其余由第二水廠供水。

圖2 供水區(qū)域分區(qū)Fig.2 Partition of water supply area

表1 主要供水區(qū)域分區(qū)信息

2.3 DMA分區(qū)及漏失控制

管網(wǎng)進行一二級分區(qū)后，則可開展DMA分區(qū)漏失檢測與控制工作。首先根據(jù)GIS系統(tǒng)管網(wǎng)圖完成CP市供水管網(wǎng)DMA規(guī)劃圖紙，然后開展現(xiàn)場踏勘與實驗進行核實，主要包括：用戶規(guī)模及位置、管網(wǎng)管徑、管道拓撲連接、閥門位置及開度、管網(wǎng)壓力、進出口數(shù)目等。由于很多分區(qū)有多個入口，因此需應用管網(wǎng)模型對每個可能的分區(qū)方案進行最高日最高時運行工況模擬，若分區(qū)中需要管網(wǎng)改造或關閥，則考察分區(qū)后與分區(qū)前最不利點自由水頭的變化情況，本項目要求降低幅度不超過5 m。

通過比較模擬方案，可得到切實可行的DMA分區(qū)方案，以便下一步開展分區(qū)計量與漏失控制工作。開展的工作包括DMA管網(wǎng)改造施工、閥門安裝、考核水表安裝、流量計量設備、壓力控制設備及遠傳設備的選型、采購及安裝調試。

筆者以01區(qū)為例對管網(wǎng)DMA分區(qū)和壓力管理工作進行介紹，該分區(qū)管網(wǎng)區(qū)域、分區(qū)入口、分區(qū)最不利點詳見圖3，分區(qū)情況見表2。

圖3 01區(qū)管網(wǎng)分區(qū)Fig.3 Networks partition of District 01

項目描述DN50以上管段數(shù)/條609安裝遠傳水表數(shù)/塊12分區(qū)壓力監(jiān)測Logger數(shù)/個3管長/km16．5入水口數(shù)量、口徑1個，DN300入戶連接數(shù)/戶2932主要管道材質鍍鋅管/UPVC安裝考核水表數(shù)/塊12最高日最大時供水量/(m3·h-1)148最高日供水量/(m3·d-1)2732最高時最不利點自由水頭/m26最高時入口自由水頭/m40

經(jīng)現(xiàn)場核實，該分區(qū)管網(wǎng)結構較為獨立，無需進行管網(wǎng)改造或關閥，模型模擬結果顯示，區(qū)域內自由水壓基本在35 m以上，最不利點為25 m，存在壓力富余，詳見圖4。

結合模型模擬結果，在分區(qū)入口安裝流量和壓力測試設備，在不利點安裝壓力測試設備，進行實時測量，每15 min記錄一個測試數(shù)據(jù)并上傳。同時進行每個獨立管理子區(qū)域的考核水表及閥門安裝工作，以便有針對地進行后續(xù)的小區(qū)域漏損檢測工作。隨后開展DMA最小夜間流量分析，統(tǒng)計DMA的產銷差水量，分析DMA漏失控制的工作重點。通過實測與分析，01區(qū)夜間入口流量Q與最不利點壓力P3之間的關系，如圖5所示。

圖4 01分區(qū)前后自由水壓分布情況Fig.4 Distributions of free water pressure before and after partition of District 01

圖5 閥夜間入口流量與最不利點壓力關系Fig.5 Relationships between pressures of the worst adverse point and in-flux of valve at night

確定該分區(qū)管網(wǎng)漏損量與壓力調整的關系后，開展DMA的壓力控制工作，通過安裝減壓閥、控制器等設備，實施DMA的壓力控制工作。通過分析01區(qū)壓力流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定出壓力控制策略，分析制控前后的該區(qū)域壓力變化如圖6所示。

由圖5、圖6可知，控制分區(qū)入口壓力，凌晨(1:00—6:00)流量降低了7.2 m3/h，富余壓力降低了0.10 MPa，按該區(qū)可接受最低自由水頭進行計算，01區(qū)漏失率可在現(xiàn)有基礎上至少降低4%～5%。

圖6 實施壓力控制策略前后對比 Fig.6 Comparison before and after pressure control

2.4 總體效果

項目實施以來，將各分區(qū)化繁為簡、分大為小，逐個開展每個小區(qū)域中管網(wǎng)漏損檢測工作。通過分區(qū)計量管理與壓力控制，CP管網(wǎng)漏損在兩年內從20.77%下降到12%以下，按此平均效果計算，年節(jié)約水量473.28×104m3。在開展漏失控制的過程中，兩個水廠的送水泵房出廠壓力還得到了優(yōu)化，整體供水能耗下降，同時改善了公司水表計量、管網(wǎng)壓力流量在線監(jiān)測等，形成了較為科學合理的分區(qū)管理制度。

此外，由于CP城市部分管網(wǎng)區(qū)域富余壓力較高，每月爆管次數(shù)及用戶投訴較多。通過分析自來水公司爆管歷史記錄，總結管網(wǎng)壓力與爆管頻率關系，分區(qū)壓力控制后平均爆管次數(shù)減少50%。

3 結論

CP城市管網(wǎng)漏失控制研究及應用實例表明，三級管網(wǎng)分區(qū)對降低管網(wǎng)產銷差率、DMA漏失區(qū)域評估、主動檢漏與查漏、合理調配管網(wǎng)壓力具有重要的

實際意義。通過管網(wǎng)分區(qū)工作的開展，減少了管網(wǎng)漏失，節(jié)約了水資源，提高了管理服務水平。三級分區(qū)理論的應用，為城市管網(wǎng)的漏失問題提供了一個行之有效的解決方案。

[1] Puust R, Kapelan Z, Savic D A,etal. A review of methods for leakage management in pipe networks[J]. Urban Water Journal，2010,7(S1):25-45.

[2] Hiroki S, Tanzawa S, Arai T,etal. Development of water leak detection method in fusion reactors using water-soluble gas [J]. Fusion Engineering and Design,2008,83(1):72-78.

[3] 楊宗森. 基于慢變流理論的給水管網(wǎng)漏失模擬研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2011.

[5] 劉俊，孫佳，俞國平.分區(qū)供水技術在漏損控制中的研究現(xiàn)狀與進展[J].中國給水排水，2010, 26(16):7-10.

Application of partition on leakage control in urban water supply network

Wang Jinghui, Zhang Zhaojun, Ruan Ting, Sun Guosheng

(GuangdongYuegangWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenzhen518021,China)

According to the current situation of domestic and foreign water distribution network management, combined with the characteristics of the model city CP, the three-level partition theory was put forward, and the principle of the three-level partition was summarized. Based on micro-hydraulic model of urban water supply network, with the principle of the three-level partition, the water supply network in CP area was partitioned. Through the network partition measurement and pressure control, thereby the comprehensive objective of leakage reduction, water resources conservation and optimization management could be realized. The leakage area was discovered through the measurement of district fixing water meters, and the leakage loss rate could be reduced by 4% to 5% at least, after pressure control was implemented in the area. Through carrying out of the leakage control work in the partitions, difference ratio dropped 6.24% in ten months. Eight partitions could save 4.7328 million tons of water per year. In addition, the average pipe burst could be significantly reduced and could be more stable through the network pressure control. The level of service and management could be improved.

network partition; partition principle; pressure control; leakage control

TU991.33

B

1673-9353(2016)06-0029-05

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.06.008

王晶惠(1984- )， 女， 工程師， 主要研究方向為城市供水節(jié)能降漏。E?mail：clarewjh@163．com

2016-08-31