管網分區在城市供水管網漏失控制中的應用

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)

管網分區在城市供水管網漏失控制中的應用

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)

根據國內外供水管網分區管理領域研究現狀，結合示范城市CP市管網特點，提出三級分區理論，總結出指導管網分區的三級分區原則。在城市供水管網建模基礎上，根據三級分區原則對CP地區供水管網進行了分區，通過管網分區計量與壓力控制，實現了降低漏失、節約水資源、優化管理的綜合目的。以01分區為例介紹了DMA漏失控制過程及方法，通過區域裝表計量發現了漏失區域，對該區實施壓力控制后漏失率至少可降低4%～5%。通過各分區漏失控制工作的開展，CP市管網整體產銷差10個月下降了6.24%，8個分區每年可節水473.28×104m3。此外，進行管網壓力控制后，各DMA分區平均爆管次數明顯減少且更趨于穩定，水司管理服務水平得到提高。

管網分區； 分區原則； 壓力控制； 管網漏失控制

供水管網漏失在各個城市都普遍存在，不僅成為供水企業的經濟問題，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，管網漏失更是一項涉及環境可持續發展、飲用水安全和影響居民健康的潛在問題[1-3]。管網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驗表明，實行管網分區管理與壓力控制是很好的選擇[4]。

1 分區原則

根據國內外供水管網分區原則及分區案例，結合本項目示范城市CP市供水特點，將管網進行三級分區，如圖1所示。

圖1 管網分區示意Fig.1 Schematic diagram of network partition

管網一級分區應用于多水源管網情況，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。管網二級分區是在一級分區基礎上，為均衡輸配水管網壓力而進行的管網分區，可在壓力偏高的二級分區入口處安裝減壓裝置，調節區域內壓力，達到降低區域漏失的目的。三級分區是在二級分區基礎上劃分出更小的區域，以進一步查明各供水區域產銷差的差異性，是管網分區管理的精細化體現。

由于不同層級管網分區的管網組成和分區因素不一致，通過分析國內外分區管理案例并結合本項目分區經驗，總結出指導管網三級分區的分區原則和分區因素。

1.1 一級分區原則

(1)管網組成：主要為DN800及以上輸水管和部分配水管[5]。

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

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

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

1.2 二級分區原則

(1)管網組成：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域，還應考慮分區入口位置，有利于安裝減壓設備，供電有保障、交通便利。

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

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

1.3 三級分區原則

(1)以用戶數或管線長度為依據確定適宜的DMA(District Metering Area，即分區計量區域)大小，盡量不對現有管網進行大規模改造。

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

(3)盡量確保分區只有唯一的入水口。

(4)選擇水力條件最好的管線作為分區的入水口, 保證從該管線進水到達分區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的管網末端, 以減小水流停滯現象出現。

管網分區應有完整的拓撲結構及水量、水壓等相關數據，最好可結合管網建模來進行管網分區。管網建模不僅可以梳理管網拓撲結構，還可以準確地模擬供水管網的實際運行狀態，了解管網的壓力分布情況和分析管網中壓力過高區域，從而有利于合理進行管網二級和三級分區。

2 CP供水區域實例分析

2.1 地區基本情況

項目示范城市為CP地區，該地區的地勢在整體上趨于平緩，局部地區地勢較高，整個供水區域最大高差在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，抄表到戶水表數約14 000個。該供水系統配有SCADA系統及GIS系統。根據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，個別地區保證達到15 m，即滿足供水管網壓力需求。

2.2 供水區域總體分區

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

如圖2所示，主要供水區域共分為8個二級分區，分區改造后分區入口大多只有1個，分區最小戶數512戶，最大戶數6068戶，分區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，為達到節能目的，便于進行兩座水廠間的泵組優化調度，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 供水區域分區Fig.2 Partition of water supply area

表1 主要供水區域分區信息

2.3 DMA分區及漏失控制

管網進行一二級分區后，則可開展DMA分區漏失檢測與控制工作。首先根據GIS系統管網圖完成CP市供水管網DMA規劃圖紙，然后開展現場踏勘與實驗進行核實，主要包括：用戶規模及位置、管網管徑、管道拓撲連接、閥門位置及開度、管網壓力、進出口數目等。由于很多分區有多個入口，因此需應用管網模型對每個可能的分區方案進行最高日最高時運行工況模擬，若分區中需要管網改造或關閥，則考察分區后與分區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分區方案，以便下一步開展分區計量與漏失控制工作。開展的工作包括DMA管網改造施工、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區為例對管網DMA分區和壓力管理工作進行介紹，該分區管網區域、分區入口、分區最不利點詳見圖3，分區情況見表2。

圖3 01區管網分區Fig.3 Networks partition of District 01

項目描述DN50以上管段數/條609安裝遠傳水表數/塊12分區壓力監測Logger數/個3管長/km16．5入水口數量、口徑1個，DN300入戶連接數/戶2932主要管道材質鍍鋅管/UPVC安裝考核水表數/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

經現場核實，該分區管網結構較為獨立，無需進行管網改造或關閥，模型模擬結果顯示，區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記錄一個測試數據并上傳。同時進行每個獨立管理子區域的考核水表及閥門安裝工作，以便有針對地進行后續的小區域漏損檢測工作。隨后開展DMA最小夜間流量分析，統計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

確定該分區管網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區壓力流量監測數據，制定出壓力控制策略，分析制控前后的該區域壓力變化如圖6所示。

由圖5、圖6可知，控制分區入口壓力，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，按該區可接受最低自由水頭進行計算，01區漏失率可在現有基礎上至少降低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，將各分區化繁為簡、分大為小，逐個開展每個小區域中管網漏損檢測工作。通過分區計量管理與壓力控制，CP管網漏損在兩年內從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化，整體供水能耗下降，同時改善了公司水表計量、管網壓力流量在線監測等，形成了較為科學合理的分區管理制度。

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

3 結論

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

實際意義。通過管網分區工作的開展，減少了管網漏失，節約了水資源，提高了管理服務水平。三級分區理論的應用，為城市管網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漏失模擬研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學,2011.

[5] 劉俊，孫佳，俞國平.分區供水技術在漏損控制中的研究現狀與進展[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能降漏。E?mail：clarewjh@163．com

2016-08-31