分區(qū)計量體系下的供水管網(wǎng)建模節(jié)點用水量分配

陳欣然，黃 強，陳志輝，安淑萍，信昆侖,姚 靈

(1. 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092； 2. 上海市自來水奉賢有限公司，上海 201499；3.寧波水表〈集團〉股份有限公司，浙江寧波 315000)

管網(wǎng)模型是對城市真實管網(wǎng)的模擬，用于城市供水管網(wǎng)的設(shè)計、分析、運行和維護(hù)。一個準(zhǔn)確的管網(wǎng)模型有助于決策者科學(xué)有效地管理城市供水系統(tǒng)。供水管網(wǎng)建模過程中的水量分配是指將水源總供水按照一定分配原則分配至管網(wǎng)各節(jié)點，包含兩個方面的意義[1]：(1)空間方面，即各用戶點的水量按照對應(yīng)關(guān)系關(guān)聯(lián)至管網(wǎng)模型節(jié)點；(2)時間方面，需要給節(jié)點用水定義相應(yīng)變化曲線，模擬用戶用水變化規(guī)律。水量分配的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到管網(wǎng)模型的精度，是后續(xù)管網(wǎng)模型進(jìn)一步校核的前提和基礎(chǔ)。

1 水量分配的基本方法及適用條件

常見的節(jié)點流量分配方法有比流量分配、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)環(huán)境下的用水節(jié)點分配和按區(qū)塊分配[2-3]。每種方式有其各自的適用條件和優(yōu)缺點，這是合理制定節(jié)點流量分配方案的基礎(chǔ)。

1.1 按比流量分配

該方法假定管網(wǎng)水量均勻地分布在全部管線上，由此計算出管網(wǎng)單位配水長度的流量，稱為比流量。比流量又可分為按管段配水長度分配的沿線流量比流量和按供水面積分配的沿線流量比流量[4]。

1.1.1 按管段長度分配計算

按照管段配水長度分配的沿線流量如式(1)。

(1)

其中：qmi——各管段的沿線流量，L/s;

lmi——各管段的沿線配水長度，m;

ql——按管段配水長度分配的沿線流量的比流量，L/(s·m);

Qh——總用水量，L/s；

∑qni——集中用戶用水總量，L/s。

為提高計算精度和合理性，在按管段配水長度分配沿線流量時，應(yīng)盡量準(zhǔn)確地確定各管段配水長度。配水長度與實際管長不相等時，輸水管配水長度為0，單側(cè)用水管配水長度取其實際長度的50%；只有部分管長配水的管段按實際比例確定配水長度，當(dāng)管段兩側(cè)全部配水時，管段的配水長度等于其實際長度。

1.1.2 按管段供水面積分配計算

按照管段供水面積分配的沿線流量如式(2)。

(2)

其中：Ami——各管段供水面積，m2;

qA——按管段供水面積分配沿線流量的比流量，L/(s·m2)。

使用該方法需要注意管段供水面積確定的合理性，當(dāng)管段供水區(qū)域內(nèi)用水密度較大時，供水面積值可以適當(dāng)調(diào)大。

按比流量分配的方法適用于管網(wǎng)密集、用戶分布較為均勻的地區(qū)，該方法對于管道實際配水長度或服務(wù)面積較難精確測算，因此，比流量分配方法在規(guī)模較大的城市和地區(qū)的管網(wǎng)建模過程中精確度較低。

1.2 GIS環(huán)境下的用水節(jié)點流量分配

隨著國內(nèi)各城市管網(wǎng)GIS的發(fā)展，水廠到用戶的相關(guān)資料實現(xiàn)了統(tǒng)一化信息管理，通過GIS與營業(yè)系統(tǒng)的接口，可建立水表與營業(yè)系統(tǒng)中營業(yè)用戶的對應(yīng)關(guān)系，利用營業(yè)系統(tǒng)中的編號，定位水表在管網(wǎng)中的具體位置及其相應(yīng)水量。這些水表數(shù)據(jù)反映了節(jié)點真實的用水量，可以在管網(wǎng)中定位并直接分配至管網(wǎng)對應(yīng)節(jié)點，剩余一部分無收益水量按照比流量法分配至管網(wǎng)節(jié)點。該方法對于管網(wǎng)GIS和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求較高，適用于管網(wǎng)中用戶流量監(jiān)測系統(tǒng)較為完備的地區(qū)。

1.3 按區(qū)塊分配

將管網(wǎng)按照一定原則劃分為若干供水區(qū)塊，根據(jù)每個區(qū)塊用水量占管網(wǎng)總用水量的比例設(shè)置區(qū)塊內(nèi)各節(jié)點的用水權(quán)重，當(dāng)分配管網(wǎng)總水量時，各節(jié)點按所在區(qū)塊的權(quán)重來分配水量，或在每個區(qū)塊內(nèi)選取一個代表點，將該區(qū)塊內(nèi)的總水量加在該點上。該方法的關(guān)鍵是正確劃分區(qū)塊，將用水量及用水規(guī)律相近的節(jié)點劃分至一個區(qū)塊，對管網(wǎng)進(jìn)行較為合理的分區(qū)，因此，適用于用水差別明顯、無法準(zhǔn)確定位用水節(jié)點、但區(qū)域水量已知的地區(qū)。

以上3種是節(jié)點流量分配的基本方法，每個方法都有相應(yīng)的適用范圍，也有一定局限性。隨著國內(nèi)管網(wǎng)GIS、管網(wǎng)監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)的普及和完善，管網(wǎng)建模條件日漸成熟，管網(wǎng)用水量計量不斷細(xì)化，越來越多的大用戶配有遠(yuǎn)傳水表，可以及時獲取大用戶用水量。此外，分區(qū)計量管理技術(shù)(district metering area, DMA)在國內(nèi)廣泛的應(yīng)用和實踐使用戶在建模時可以從局部控制管網(wǎng)水量，從而使水量分配更加準(zhǔn)確。因此，在管網(wǎng)建模時充分利用自來水公司數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，引入大用戶需水量信息，并按照計量分區(qū)分配水量，有利于提高模型節(jié)點需水量計算精度。

2 分區(qū)計量體系下的節(jié)點流量分配方法

節(jié)點流量由集中流量和沿線流量兩部分組成。集中流量是指從管網(wǎng)中一個點取得用水，且用水流量較大的用戶用水量，包括工業(yè)企業(yè)、公共建筑等；分散用戶是指從管段沿線取得用水，且流量較小的用戶，其用水流量稱為沿線流量，如居民生活用水、綠化用水等。

在分區(qū)計量體系下建立供水管網(wǎng)模型時，首先根據(jù)各分區(qū)邊界流量計獲取每個計量分區(qū)的總水量，然后在每個分區(qū)內(nèi)單獨分配水量。

2.1 節(jié)點集中流量分配

節(jié)點集中流量根據(jù)水表測量數(shù)據(jù)獲得，根據(jù)集中流量處安裝的水表類型可分為3類。

2.1.1 有遠(yuǎn)傳表的集中流量

對于安裝了遠(yuǎn)傳表的集中流量，可根據(jù)SCADA水表遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)獲得每個集中流量的實時數(shù)據(jù)，再根據(jù)GIS中的定位信息直接關(guān)聯(lián)到模型中的對應(yīng)節(jié)點。

2.1.2 低傳送頻率水表

該類用戶雖然具有遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)傳送頻率較低，遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)僅能顯示月度水量，對于用水模式制定并無參考價值。因此，需要按照安裝機械表處的用戶處理，根據(jù)營收賬戶獲得用水總量，然后根據(jù)用水類型或其所在區(qū)塊內(nèi)的同類型用戶的用水情況分配用水曲線，具體步驟參照有機械表的集中流量水量曲線計算方法。

2.1.3 有機械表的集中流量

這類用戶通過定期抄水表獲得一段時間內(nèi)的總用水量，計入營收賬戶。因此，可以根據(jù)營收賬戶獲得用水總量，經(jīng)處理后作為集中流量進(jìn)行分類，如可分為居民生活用水、工業(yè)用水等，根據(jù)用水類型分配相應(yīng)的用水曲線。每類用戶的用水曲線可按照以下方式計算。

(1)收集該片區(qū)內(nèi)每類用水戶中有實時遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)用戶的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(2)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，插補、估算缺失數(shù)據(jù)。

(3)計算每個時刻水量監(jiān)測數(shù)據(jù)均值，得到每個時刻平均用水量，進(jìn)而得到該類用戶平均用水曲線。

(4)對平均用水曲線做歸一化處理，每時刻需水量系數(shù)如式(3)。

(3)

其中：xi——用水曲線i時刻數(shù)值；

Qi——i時刻平均用水量，m3/h；

Qavg——各時刻平均水量的平均值，m3/h。

按照上述步驟計算出各類用戶平均用水曲線作為機械表用戶的用水曲線。

2.2 沿線流量分配

沿線流量的待分配水量為水廠出水總量中除去集中流量后的剩余部分，需要注意的是，當(dāng)模型中增壓泵站進(jìn)出水節(jié)點均為定流節(jié)點時，需要額外計算該增壓泵站在延時模擬時段各時刻的儲水量，待分配水量也需除去這一部分。分配方法可按前文所述的按照管道配水長度分配方法或按管道供水面積分配的方法。

計算好集中流量和沿線流量后，集中流量直接關(guān)聯(lián)到所在節(jié)點，沿線流量按照水力等效原則轉(zhuǎn)移到管段兩端的節(jié)點，即近似一分為二，平均分配至兩個端點。管網(wǎng)中節(jié)點設(shè)計流量是集中流量與沿線流量之和，分配后的水量應(yīng)滿足水量平衡，如式(4)。

Q總=∑Qc+∑Qd+∑Qt

(4)

其中：Q總——水廠供水總量，m3/h；

∑Qc——集中流量總量，m3/h；

∑Qd——分散流量總量，m3/h；

∑Qt——中途增壓泵站儲水量，m3/h。

因此，分區(qū)計量管理模式下的供水管網(wǎng)建模節(jié)點水量分配流程如圖1所示。

3 上海市奉賢區(qū)供水管網(wǎng)建模節(jié)點流量分配實例分析

上海市自來水奉賢有限公司服務(wù)人口約106萬人，DN75及以上口徑管網(wǎng)長度約2 000 km，共有3個水廠，供水規(guī)模約30萬m3/d。供水管網(wǎng)內(nèi)目前在用增壓泵站10個，供水區(qū)域劃分為9個計量分區(qū)(圖2)，DMA小區(qū)及行政村659個，大用戶540戶。營業(yè)系統(tǒng)中，集中用戶水表共分為3類：大用戶、DMA平衡表和行政村。通過當(dāng)?shù)貭I收系統(tǒng)和GIS接口，所有用戶表可根據(jù)其監(jiān)測量編號和用戶編號關(guān)聯(lián)，進(jìn)而定位至模型節(jié)點。分散用戶及未計量水量按照沿線流量分配原則分配至管網(wǎng)模型中的其他節(jié)點，管網(wǎng)模型如圖3所示。

圖2 上海市奉賢區(qū)管網(wǎng)分區(qū)計量示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Water Supply Pipelines Network DMA in Fengxian District, Shanghai City

圖3 上海市奉賢區(qū)供水管網(wǎng)模型Fig.3 Water Supply Pipelines Network Model of Fengxian District, Shanghai City

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先，根據(jù)管網(wǎng)內(nèi)可以獲得流量數(shù)據(jù)的用戶按照水表類型分配，對于安裝機械表和機械表+遠(yuǎn)傳裝置的用戶從營收賬戶中獲取總水量，然后人為設(shè)置用水曲線，剩余有遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的用戶采用實時在線流量數(shù)據(jù)。

由于各表采集數(shù)據(jù)的頻率不同，從SCADA采集的數(shù)據(jù)時間步長可能不一致，此外，水表數(shù)據(jù)還可能存在缺失等問題。因此，在正式建模之前，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補，并統(tǒng)一各監(jiān)測點處數(shù)據(jù)時間步長，便于后續(xù)獲取未計量水量的實時數(shù)據(jù)，并調(diào)整監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間步長與管網(wǎng)延時模擬的計算步長一致。

本案例中，延時模擬計算時間步長為15 min，計算時長為3 d，數(shù)據(jù)預(yù)處理過程如下。

3.1.1 數(shù)據(jù)缺失處理

對于某一小段時間數(shù)據(jù)缺失的情況，可采用前一周或后一周同時段的數(shù)據(jù)作為替代，若水表數(shù)據(jù)大部分缺失，則合理估計總用水量后按照非在線計量的用水戶處理。

3.1.2 數(shù)據(jù)時刻規(guī)范化處理

遠(yuǎn)傳水表采集數(shù)據(jù)時刻不規(guī)范，采用線性插值估計每1 h中0、15、30、45 min的瞬時流量數(shù)據(jù)；對于只有累計流量數(shù)據(jù)的水表，采用線性插值獲取每1 h中0、15、30、45 min數(shù)據(jù)后，將下一時刻累計流量與本時刻累計流量差值作為該時刻的瞬時流量數(shù)據(jù)。

處理好流量數(shù)據(jù)后按照用戶類型分類，計算每時刻的每類用戶用水量平均值，作為該分區(qū)內(nèi)沒有加裝遠(yuǎn)傳裝置的用戶的用水曲線。

3.2 節(jié)點流量分配

3.2.1 節(jié)點集中流量分配

數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到所有用戶進(jìn)出水的規(guī)范化實時流量數(shù)據(jù)。根據(jù)各用戶水表的坐標(biāo)在管網(wǎng)模型中定位，對于大用戶而言，可直接將用水量關(guān)聯(lián)至最近節(jié)點;對于小區(qū)DMA平衡表，將小區(qū)進(jìn)出口流量關(guān)聯(lián)到對應(yīng)節(jié)點后應(yīng)將小區(qū)內(nèi)的管段和節(jié)點刪除，防止后續(xù)分配沿線流量時重復(fù)分配小區(qū)內(nèi)水量。行政村用水量的分配與之類似。

3.2.2 水廠和增壓泵站

為同時保證水廠出水壓力和流量都有較高的校核精度，將部分水廠出水管設(shè)置為定流節(jié)點，定流節(jié)點水量為水廠出水在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，但是由于其向管網(wǎng)供水，因此，應(yīng)設(shè)為負(fù)流量。各水廠出水節(jié)點定壓定流情況如表1所示。

表1 水廠出水節(jié)點設(shè)置Tab.1 Finished Water Node Settings of WTP

由于增壓泵站內(nèi)水泵信息未知，因此，直接采用增壓泵站進(jìn)出水壓力和流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，以進(jìn)水節(jié)點和出水節(jié)點模擬增壓泵站。進(jìn)水節(jié)點流量為增壓泵站進(jìn)水實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，出水節(jié)點為定壓節(jié)點，為增壓泵站出廠壓力實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2.3 沿線流量分配

根據(jù)各分區(qū)邊界流量計實時監(jiān)測數(shù)據(jù)得到各計量分區(qū)逐時刻總用水量，各時刻用水總量與該分區(qū)內(nèi)集中用戶流量逐時刻作差得到該分區(qū)各時刻沿線流量分配總水量。采用按照管道配水長度分配的方式分配沿線流量，根據(jù)式(5)計算各管段沿線流量。

(5)

其中：qik——k時刻管段i的沿線流量，L/s;

li——管段i的沿線配水長度，m，按照兩側(cè)全部配水，配水長度等于管道實際長度；

qlk——k時刻按管段配水長度分配的沿線流量的比流量，L/(s·m);

Qhk——k時刻片區(qū)總用水量，m3/h;

∑qnik——k時刻片區(qū)內(nèi)集中用戶用水總量，m3/h。

計算出的各管段沿線流量按照水力等效原則平均分配至兩個端點，節(jié)點j的沿線流量分配如式(6)。

Qj_ak=0.5∑qik

(6)

其中：Qj_ak——k時刻節(jié)點j的沿線流量分配，L/s;

∑qik——k時刻與節(jié)點j相連的管段沿線流量之和，L/s。

節(jié)點流量為集中用戶流量與沿線流量分配結(jié)果之和，如式(7)。

Qjk=Qj_ak+Qj_ck

(7)

其中：Qjk——k時刻節(jié)點j流量，L/s;

Qj_ak——k時刻節(jié)點j的沿線流量分配，L/s;

Qj_ck——k時刻節(jié)點j的集中流量，L/s。

3.3 管網(wǎng)模型模擬結(jié)果

3.3.1 水廠出水模擬結(jié)果

水量分配完成后進(jìn)行管網(wǎng)模型延時模擬，水廠部分出水模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 水廠部分出水監(jiān)測量模擬結(jié)果 (a)一水廠2#出水壓力；(b)二水廠1#出水壓力；(c)三水廠3#出水流量Fig.4 Part of Simulation Results of Outflow Measurements of WTP (a) 2# Outlet Pressure of WTP 1; (b) 1# Outlet Pressure of WTP 2; (c) 3# Outlet Flow of WTP 3

由圖4可知，水廠出水模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，水廠出水各監(jiān)測量誤差如表2所示。經(jīng)計算流量和壓力模擬結(jié)果均滿足誤差要求。

表2 水廠出水監(jiān)測量誤差Tab.2 Error Statistics of Outflow Measurements of WTP

3.3.2 測壓點模擬結(jié)果

管網(wǎng)模型中有65個可用測壓點，12個可用測流點，測壓點和測流點模擬絕對誤差統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。部分測壓點模擬結(jié)果如圖6所示，部分測流點模擬結(jié)果如圖7所示。

圖5 監(jiān)測點誤差統(tǒng)計 (a)測壓點；(b)測流點Fig.5 Error Statistics of Pressure and Flow Monitors (a) Pressure Monitors; (b) Flow Monitors

圖6 部分測壓點模擬結(jié)果 (a)平金；(b)平沿；(c)肖翁Fig.6 Simulation Results of Representative Pressure Monitors (a) Pingjin; (b) Pingyan; (c) Xiaoweng

圖7 部分測流點模擬結(jié)果 (a)平福；(b)金閘；(c)大葉公路Fig.7 Simulation Results of Representative Flow Monitors (a) Pingfu; (b) Jinzha; (c) Dayegonglu

所選代表性測壓點、測流點誤差統(tǒng)計如表3、表4所示。

表3 部分測壓點誤差Tab.3 Error Statistics of Representative Pressure Monitors

表4 部分測流點誤差Tab.4 Error Statistics of Representative Flow Monitors

在分區(qū)分配水量的情況下，經(jīng)過簡單校核，已有近90%的測壓點平均模擬誤差小于±1.0 m，58%的測流點相對誤差小于10%，剩余部分監(jiān)測點由于管道摩阻系數(shù)、管網(wǎng)拓?fù)涞纫蛩貢簳r未能達(dá)到精度要求，需要進(jìn)一步調(diào)整。總體而言，采用分區(qū)計量水量分配方案可以初步得到一個精度較高的模型，減少了后續(xù)參數(shù)校核的工作量，大大提高了模型準(zhǔn)確度。

4 結(jié)語

節(jié)點流量分配對于管網(wǎng)模型精度有較大影響，最理想的情況是掌握供水區(qū)域內(nèi)所有用水點的實時流量數(shù)據(jù)，但是這在實際情況中較難實現(xiàn)，因此，需要結(jié)合多種節(jié)點流量分配方法分配管網(wǎng)模型的節(jié)點流量。隨著分區(qū)計量技術(shù)的發(fā)展，在建模時按區(qū)塊分配水量可以從局部控制每個分區(qū)內(nèi)的總水量，提高水量分配的準(zhǔn)確性。本文從數(shù)據(jù)預(yù)處理到模型節(jié)點流量分配，包括水廠、增壓泵站等特殊節(jié)點流量計算方法做了詳細(xì)的歸納和整理，可為分區(qū)計量管理體系下的供水管網(wǎng)水力建模提供參考。