供水管網(wǎng)DMA分區(qū)在實(shí)際案例中的研究

廖光偉， 張春萍， 武治國， 許荔娜， 楊大明， 孫美琴

(1.武漢智博創(chuàng)享科技股份有限公司，湖北 武漢 430000;2.武漢新烽光電股份有限公司，湖北武漢 430200;3.武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430200)

《城市供水管網(wǎng)漏損控制及評定標(biāo)準(zhǔn)》［1］將城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)基本漏損率分為兩級:一級為10%，二級為12%。《水污染防治行動計(jì)劃》(簡稱“水十條”)［2］也針對供水管網(wǎng)漏損控制提出要求:在2017年，全國公共供水管網(wǎng)基本漏損率達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)，到2020年達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)。然而，我國大部分城鎮(zhèn)的漏損率仍然較高，有的城市甚至高達(dá)40%左右。

通過劃分獨(dú)立計(jì)量區(qū)域(district metering area，DMA)，分析、計(jì)算單個(gè)DMA的夜間最小流量(minimum night flow，MNF)、水力模型等，是研究供水管網(wǎng)漏損最常用的分析方法之一，廣泛應(yīng)用于供水管網(wǎng)漏損評估、產(chǎn)銷差計(jì)算、新增爆管預(yù)警、區(qū)域壓力管控、管網(wǎng)改造和供水系統(tǒng)信息化建設(shè)等方面，對促進(jìn)供水管網(wǎng)的智慧化建設(shè)具有十分重要的意義。雖然目前關(guān)于DMA分區(qū)的定義、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、建立過程、新增漏損預(yù)測和控制等理論研究均已十分成熟［3-7］，MNF也成為評估DMA區(qū)域?qū)嶋H漏損情況的重要指標(biāo)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，部分企業(yè)仍然停留在DMA初級階段［8］，即前期建設(shè)DMA分區(qū)計(jì)量系統(tǒng)階段。在建設(shè)完成后，DMA分區(qū)沒有發(fā)揮其應(yīng)有的作用，且并未將DMA分區(qū)計(jì)量系統(tǒng)與智慧供水信息化系統(tǒng)其他子系統(tǒng)相結(jié)合。基于此，筆者以實(shí)際供水區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅瑥墓┧芫W(wǎng)DMA分區(qū)計(jì)量系統(tǒng)的角度出發(fā)，通過實(shí)地勘察測量、安裝傳感器，以DMA獨(dú)立計(jì)量區(qū)域?yàn)樽钚卧Y(jié)合供水管網(wǎng)GIS、SCADA系統(tǒng)、水力模型等，研究DMA分區(qū)在實(shí)際案例中的應(yīng)用，以期促進(jìn)智慧供水信息化系統(tǒng)的建設(shè)。

1 DMA區(qū)域簡介

選取浙江省永康市舟山鎮(zhèn)的3個(gè)村(舟一村、舟二村、舟三村)作為研究對象，其人口分別為1 373，1 134和733人，戶數(shù)分別為536，453和300戶。實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，3個(gè)村均為封閉獨(dú)立的供水區(qū)域，通過探查地下管線，搭建了供水管網(wǎng)的GIS，并在每個(gè)DMA供水區(qū)域的邊界和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置安裝時(shí)差超聲波流量計(jì)和壓力傳感器，利用SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測供水區(qū)域流量和壓力的變化。監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集頻率為5 min/次，每天采集288個(gè)數(shù)據(jù)，選取連續(xù)1個(gè)月的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行供水管網(wǎng)的漏損分析。

研究發(fā)現(xiàn)，這3個(gè)村的供水方式均采用提壓泵站與重力相結(jié)合的方式，重力加壓大約為0.18 MPa，用戶的供水壓力基本維持在0.35 MPa左右;用水戶數(shù)均在600戶以下，屬于小型的DMA區(qū)域。3個(gè)DMA區(qū)域每天的流量變化均符合生活規(guī)律，早中晚高峰期用水量較大、壓力較小，而在凌晨0:00—5:00為用水低峰。選取任意一天分析DMA區(qū)域24 h的總流量與壓力變化趨勢，如圖1所示。

圖1 DMA區(qū)域流量與壓力的變化Fig.1 Change of flow and pressure in DMA

2 案例分析

2.1 夜間流量的確定

2.1.1 夜間最小流量

夜間最小流量由用戶最小夜間合法用水量、破管漏失水量和背景漏失水量等組成，從圖1可以看出，0:00—5:00這一時(shí)間段內(nèi)的流量最小，且波動幅度相近，因此采用該時(shí)間段的流量數(shù)據(jù)來確定DMA區(qū)域的夜間最小流量。共采集60個(gè)數(shù)據(jù)，在排出異常波動等干擾后，取時(shí)段內(nèi)的最小流量為MNF。

2.1.2 夜間合法用水量

所選DMA區(qū)域內(nèi)的用戶未安裝遠(yuǎn)傳智能水表，且機(jī)械抄表統(tǒng)計(jì)較為困難，用水戶的夜間合法用水量只能采用估算的方法。通過較長時(shí)間的監(jiān)測和分析發(fā)現(xiàn)，這3個(gè)村的合法夜間流量經(jīng)驗(yàn)值采用每戶4.0 L/h的用水量作為夜間最小流量的上限值。根據(jù)各村的用水戶數(shù)，計(jì)算出各DMA區(qū)域的最大夜間合法流量上限，結(jié)果如表1所示。若流量傳感器測得的夜間最小流量高于流量上限，則說明該區(qū)域存在漏損或用水閥門未關(guān)閉等異常情況。

2.2 漏損評估方法

郝志萍［9］、范學(xué)研［10］等采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法評估DMA區(qū)域的真實(shí)漏損，即通過流量的平均值減去其N倍標(biāo)準(zhǔn)差的方法來求解最小夜間流量。結(jié)果表明采用95.5%置信度，即置信區(qū)間為(μ-2δ，μ+2δ)時(shí)，近似得出DMA區(qū)域的夜間真實(shí)漏損水量。該方法的使用前提是夜間流量數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，但是研究分析中發(fā)現(xiàn)所選3個(gè)DMA區(qū)域的夜間流量并非呈正態(tài)分布，其中舟三村的流量分布如圖2所示。這可能是因?yàn)檠芯恐校瑪?shù)據(jù)的采集頻率低于郝志萍等人的數(shù)據(jù)采集頻率。實(shí)際應(yīng)用中，因采集頻率較高，對設(shè)備的功耗要求較高，較難實(shí)現(xiàn)，不易在實(shí)際應(yīng)用中推廣。因此，采用常用的經(jīng)驗(yàn)法、比值法等分析DMA區(qū)域的漏損情況，并實(shí)現(xiàn)爆管等異常情況的預(yù)警。

2.2.1 經(jīng)驗(yàn)法在分析漏損中的應(yīng)用

圖2 正態(tài)性檢驗(yàn)Fig.2 Normality test

經(jīng)驗(yàn)法是目前最為常用的漏損分析方法之一，通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算DMA區(qū)域的夜間合法用戶水量，然后將其與實(shí)測夜間最小流量進(jìn)行比較。當(dāng)兩者相差較大時(shí)，判定為存在漏水點(diǎn)。該方法不需要計(jì)算精確的數(shù)值，是一種較為簡單的漏損分析方法。根據(jù)長期的監(jiān)測，設(shè)定夜間最小流量時(shí)段內(nèi)的最大流量，超過該值則認(rèn)為出現(xiàn)了新增爆管或其他異常，及時(shí)預(yù)警。

試驗(yàn)所選的DMA區(qū)域內(nèi)，居民的生活習(xí)慣相似，彼此之間雖然存在差異，但這種差異也具有相似性。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法確定正常夜間最小流量的變化范圍，超出該合理區(qū)間則表明該區(qū)域的用水存在異常。長時(shí)間的測量發(fā)現(xiàn)，排除擾動等干擾數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性因素后，各DMA區(qū)域的夜間最小流量如表1所示，夜間流量時(shí)間序列(0:00—05:00)數(shù)據(jù)如圖3所示。

表1 DMA區(qū)域流量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of DMA flow m3·h-1

圖3 獨(dú)立DMA分區(qū)夜間流量曲線Fig.3 Night flow curve of independent DMA

對比發(fā)現(xiàn)，各DMA區(qū)域的夜間最小流量均遠(yuǎn)大于對應(yīng)區(qū)域的合法夜間流量，初步判斷所選的DMA區(qū)域存在較多的漏水點(diǎn)，且漏水量較大。通過對3個(gè)DMA區(qū)域干管進(jìn)行漏損檢查(沿線明漏排查、夜間聽漏等)發(fā)現(xiàn)，主干管、閥門、公共洗手間等處均存在水量較大的漏水點(diǎn)。

此外，較長時(shí)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在未修復(fù)已有漏損點(diǎn)的情況下，每天的夜間最小流量基本維持穩(wěn)定。因此，可將天數(shù)作為橫坐標(biāo)記錄每天的夜間最小流量，用于新增漏損預(yù)警。

2.2.2 比值法在分析漏損中的應(yīng)用

對于實(shí)測的夜間最小流量與日均小時(shí)流量，如果兩者的比值Xi超過某一百分點(diǎn)，認(rèn)為該DMA區(qū)域管網(wǎng)可能存在異常［11］。

不同國家和地區(qū)對Xi的取值不同，目前英國的取值為40%，美國為50%［12］。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過較長時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析得到比值法中的合理臨界值X0，即統(tǒng)計(jì)大量的Xi值，若有50%的比值X均小于X0，則可以將X0視為比值法的合理臨界值［11］。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到舟一村、舟二村、舟三村的比值 X1、X2和 X3分別為 65.75%、76.56%和72.02%。若將這些比值作為各DMA區(qū)域的臨界值，在后續(xù)的比值分析過程中，當(dāng)大于相應(yīng)區(qū)域的臨界值時(shí)，則判斷該區(qū)域出現(xiàn)了新增異常。

2.3 水力模型在DMA分區(qū)中的應(yīng)用

在建立水力模型前，先將壓力與流量監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分級。

一級計(jì)量:監(jiān)測自來水廠或DMA區(qū)域供水干管流量，以及上游水泵或減壓閥后節(jié)點(diǎn)壓力，實(shí)時(shí)掌握自來水廠或DMA區(qū)域的總供水量和監(jiān)測區(qū)域的進(jìn)水口壓力。

二級計(jì)量:銜接一、三級計(jì)量，對供水管網(wǎng)的管段流量、節(jié)點(diǎn)壓力進(jìn)行全面監(jiān)測，為供水管網(wǎng)管理提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是預(yù)測爆管、及時(shí)解決突發(fā)事件的重要參數(shù)，發(fā)生漏損時(shí)的定位精度與流量傳感器布置的數(shù)量和位置有關(guān)。

三級計(jì)量:實(shí)時(shí)監(jiān)測DMA區(qū)域內(nèi)的下游大用水戶用水量、重要支管用水量和最不利點(diǎn)、低壓區(qū)壓力，實(shí)時(shí)掌握供水管網(wǎng)總用水量的變化趨勢以及監(jiān)測壓力是否滿足需求，為收取水費(fèi)、計(jì)算產(chǎn)銷差、優(yōu)化調(diào)度等提供依據(jù)。

建立仿真模型時(shí)，從GIS系統(tǒng)接入舟三村的管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與屬性等數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 舟三村供水水力模型Fig.4 Hydraulic model of water supply of Zhousan Village

同時(shí)，從SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)入三級流量參數(shù)與一級壓力參數(shù)，并根據(jù)二級計(jì)量參數(shù)對水力模型進(jìn)行校核，使水力模型的模擬值與實(shí)時(shí)監(jiān)測值相比具有較高的準(zhǔn)確度［13］，模擬結(jié)果如圖5所示。

建立DMA區(qū)域水力模型，并校核和比較二級計(jì)量參數(shù)的模擬值和實(shí)測值，發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的擬合度。通過較長時(shí)間的校核、優(yōu)化，可以使用水力模型模擬DMA區(qū)域供水管網(wǎng)的運(yùn)行，當(dāng)實(shí)測值與模擬值的相對誤差較大時(shí)，判斷供水管網(wǎng)存在異常。通過詳細(xì)分析供水管網(wǎng)各監(jiān)測點(diǎn)的壓力、流量數(shù)據(jù)，逐步縮小異常點(diǎn)范圍，直至找到漏損點(diǎn)。

在建立水力模型的基礎(chǔ)上，能在滿足最不利點(diǎn)壓力需求的同時(shí)，對管網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，從而降低管網(wǎng)漏損。一般供水管網(wǎng)的用戶需水量、管網(wǎng)壓力、管網(wǎng)漏損量之間的關(guān)系如圖6所示［14］，如需調(diào)節(jié)一級計(jì)量壓力，在夜間需水量小時(shí)，適當(dāng)調(diào)低壓力;在日間需水量大時(shí)，則適當(dāng)調(diào)高壓力;或在夜間利用蓄水池蓄水，日間利用蓄水池放水等。通過對管網(wǎng)壓力進(jìn)行優(yōu)化，有效降低DMA區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)的漏損。

圖5 模擬值與實(shí)測值對比Fig.5 Comparison of simulated and measured values

此外，還可以將水力模型應(yīng)用于新、舊管網(wǎng)改造。以2020年初新型冠狀病毒肺炎疫情防控中，新建的雷神山、火神山兩座醫(yī)院為例。在醫(yī)院的建設(shè)過程中，武漢水務(wù)集團(tuán)基于供水管網(wǎng)的GIS、SCADA系統(tǒng)，將管網(wǎng)的屬性、需水量、供水壓力等參數(shù)導(dǎo)入水力模型中，通過模擬管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)來開展供水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，再通過現(xiàn)場查勘進(jìn)一步優(yōu)化、確定方案，最終交付、落實(shí)施工，從而在較短時(shí)間內(nèi)完成了供水管網(wǎng)改造，保證了醫(yī)院投入使用后對水源供應(yīng)的需求。因此，研究和開發(fā)智慧水務(wù)系統(tǒng)，不但能促進(jìn)供水管網(wǎng)的信息化建設(shè)，還可為新舊管網(wǎng)的建設(shè)和改造、管網(wǎng)漏損、爆管等異常事件的處理，以及供水的優(yōu)化調(diào)度等水務(wù)管理提供全面、安全、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

圖6 壓力、流量和漏水量的變化曲線Fig.6 Curve of pressure，flow rate and water leakage

3 結(jié)論

① 研究DMA分區(qū)在實(shí)際案例中的應(yīng)用，有效結(jié)合了地下管線探查搭建的供水管網(wǎng)GIS、安裝傳感器構(gòu)建的SCADA系統(tǒng)和模擬仿真供水管網(wǎng)運(yùn)行的水力模型，有助于促進(jìn)智慧供水的建設(shè)。

② 受數(shù)據(jù)采集頻率等因素的影響，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法評估DMA區(qū)域的真實(shí)漏損并不一定適用于所有的供水獨(dú)立計(jì)量區(qū)域，尚不適合大面積推廣使用。

③ 采用比值法可以實(shí)現(xiàn)對DMA區(qū)域新增爆管等異常漏損事件的預(yù)警。采用經(jīng)驗(yàn)法不僅能實(shí)現(xiàn)對新增漏損等的預(yù)警，還能對區(qū)域的漏損程度進(jìn)行評估。

④ 以DMA區(qū)域?yàn)閱挝淮罱ü┧芫W(wǎng)水力模型，模擬供水管網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果表明:實(shí)際管網(wǎng)與水力模型中相同監(jiān)測點(diǎn)的流量變化具有較高的擬合度，可通過比較同一二級流量監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測流量與模擬流量的變化趨勢，判斷管網(wǎng)運(yùn)行是否存在異常，同時(shí)對異常的范圍進(jìn)行快速預(yù)警和定位。

⑤ 通過應(yīng)用水力模型模擬供水管網(wǎng)運(yùn)行，可為供水管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化、改造等提供依據(jù)，促進(jìn)水務(wù)工作安全、科學(xué)進(jìn)行。