智能水表的大面積應(yīng)用，使行業(yè)從傳統(tǒng)水計(jì)量和貿(mào)易結(jié)算業(yè)務(wù)逐步擴(kuò)展到了管網(wǎng)分區(qū)漏損和用水量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，本文探討了供水管網(wǎng)漏損的三種監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用，DMA分區(qū)技術(shù)、最小夜間流量法和供水水力模型等，可以識(shí)別漏損區(qū)域并評(píng)估漏損情況，從而實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)漏損的主動(dòng)控制。
DMA分區(qū)法
DMA分區(qū)又叫獨(dú)立計(jì)量區(qū)域，這種方法是在不改變現(xiàn)有供水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)截?cái)喙┧芏巍㈥P(guān)閉管道閥門(mén)、增加聯(lián)絡(luò)管道等方法，將一個(gè)復(fù)雜的供水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的分區(qū)( 為了保障漏損監(jiān)測(cè)精度，可以對(duì)各個(gè)大分區(qū)再進(jìn)行分級(jí)劃分) ; 同時(shí)可以在每個(gè)分區(qū)的進(jìn)、出水管上部署流量計(jì)，對(duì)各分區(qū)入流量與出流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)計(jì)算和分析每個(gè)分區(qū)進(jìn)入、流出供水量，可以分析出可能存在管網(wǎng)漏損的位置， 進(jìn)而達(dá)到供水管網(wǎng)泄漏現(xiàn)象的主動(dòng)控制。
建立DMA的準(zhǔn)則包括區(qū)域的大小(或連接的數(shù)量)、住宅類(lèi)型、漏損控制目標(biāo)和漏損經(jīng)濟(jì)水平、關(guān)閉閥門(mén)的數(shù)量、流量計(jì)的數(shù)量、DMA 邊界的地面情況和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特性。管理者使用最小夜間流量(MNF) 和合理的夜間流量(LMF) 計(jì)算凈夜間流量 (NNF) ，結(jié)合表觀漏損，來(lái)確定一個(gè)DMA區(qū)域NW，從而建立有助于管理壓力、改善水質(zhì)、促進(jìn)可持續(xù)供水的DMA。
最小夜間流量法
最小夜間流量法是對(duì)某個(gè)獨(dú)立計(jì)量區(qū)域 (DMA) 夜間某個(gè)時(shí)段進(jìn)行最小流量分析，進(jìn)而評(píng)估該區(qū)域的實(shí)際漏損情況。常用的最小夜間流量數(shù)據(jù)處理方法有兩種。①經(jīng)驗(yàn)法: 按照工作經(jīng)驗(yàn)選定參數(shù)(參考以往供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量工作采集的大量數(shù)據(jù)，根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)原則，初步推測(cè)中等規(guī)模(1000 戶(hù)) 普通小區(qū)的最小夜間流量低于 ( 8m³/h) ，并據(jù)此繪制用水標(biāo)準(zhǔn)圖表，將實(shí)際供水量與其比較，即可得到管網(wǎng)是否存在異常; ②比較法: 將夜間測(cè)得的最小供水量與日均供水量比較，如果最小夜間供水量與平均供水量比值超過(guò)某一百分點(diǎn)(取A=區(qū)域內(nèi)最小夜間流量低于 8m³/h 的幾個(gè)小區(qū)的平均最小夜間流量，B=上述小區(qū)平均日均供水量，計(jì)算X=A/B* 100% ，作為比較法的百分點(diǎn)參考值，即認(rèn)為該區(qū)域管網(wǎng)可能出現(xiàn)異常。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了確保分析的準(zhǔn)確性，通常對(duì)比以上兩種方法的分析，若兩者結(jié)論一致，則可初步判定監(jiān)測(cè)區(qū)域是否存在管網(wǎng)漏損的問(wèn)題。
供水水力模型搭建
供水水力模型主要將管網(wǎng)簡(jiǎn)化、抽象為管段和節(jié)點(diǎn)兩種元素，同時(shí)賦予工程屬性，模型可以體現(xiàn)供水管網(wǎng)整體拓?fù)潢P(guān)系、水流方向等信息，以便用水力學(xué)、圖論和數(shù)學(xué)分析理論等進(jìn)行表達(dá)和分析計(jì)算。供水管網(wǎng)水力數(shù)學(xué)模型對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以及相關(guān)的發(fā)生作用的因素有充分地了解掌握，是有效地規(guī)劃和管理供水的首要條件。供水管網(wǎng)水力數(shù)學(xué)模型在供水規(guī)劃，管理和調(diào)度上有著廣泛的應(yīng)用，主 要包括現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)的評(píng)估和診斷，優(yōu)化管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，輔助供水管理調(diào)度等。供水管網(wǎng)水力數(shù)學(xué)模型按照構(gòu)建的深度分為靜態(tài)管網(wǎng)模型和動(dòng)態(tài)管網(wǎng)模型，靜態(tài)模型主要是反映特定狀態(tài)下的供水管網(wǎng)系統(tǒng)的水力特性表現(xiàn)，如高峰供水時(shí)候的水力數(shù)學(xué)模型，是靜態(tài)反映供水最高日最高時(shí)城市管網(wǎng)系統(tǒng)中的狀態(tài)，在靜態(tài)模型基礎(chǔ)上更深一步建立管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)水力數(shù)學(xué)模型能夠反映實(shí)際供水狀態(tài)下供水管網(wǎng)中隨時(shí)間變化的水力狀態(tài)。
以珠三角地區(qū)W縣為例
W縣城區(qū)面積18.5平方公里平方公里，人口10.3萬(wàn)，以居住為主。全區(qū)輸水管線全長(zhǎng)150公里，供水管線全長(zhǎng)374公里，高峰日供水量2.25萬(wàn)噸，在裝水表數(shù)94742只，平均產(chǎn)銷(xiāo)差8%左右，總共部署了壓力計(jì)23個(gè)，流量計(jì)17個(gè)。根據(jù)人口分布疏密情況、用戶(hù)用水量等因素，將全區(qū)劃分為為11個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)用戶(hù)量約1000～3000人。
本文將簡(jiǎn)述研究區(qū)域采用的水利模型 EPANET 模型為例說(shuō)明 GIS 在水力模型中的應(yīng)用，該模 型具有能夠快速的對(duì)管段進(jìn)行水力計(jì)算，隨著 GIS 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，GIS 的參與簡(jiǎn)化了整個(gè)建模過(guò)程，同時(shí)其強(qiáng)大的拓?fù)浞治瞿芰涂臻g數(shù)據(jù)管理能力為管網(wǎng)水力計(jì)算模型建立提供了有效的數(shù)據(jù)管理和組織手段，讓模型計(jì)算結(jié)果更快更準(zhǔn)。水力模型建模過(guò)程包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié): 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、現(xiàn)場(chǎng)勘查與測(cè)量、水力數(shù)字模型搭建、模型校驗(yàn)。
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集
研究區(qū)域水力模型建立依賴(lài)以下幾個(gè)數(shù)據(jù): 地下供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、供水壓力、供水流量、用戶(hù)水表歷史數(shù)據(jù)。其中地下供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)用于模擬地下真實(shí)供水管網(wǎng)情況。EPANET 水力模型是靜態(tài)的模型，當(dāng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，利用 EPANET 單獨(dú)完成模型計(jì)算速度較慢，同時(shí) EPANET 的計(jì)算結(jié)果還有一定的滯后性?，F(xiàn)研究區(qū)域采用 EPANET 水力模型結(jié)合GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的圖形展示和屬性的快速調(diào)取計(jì)算，以便 EPANET 用此生成水力模型。 模型建立過(guò)程中不僅僅需要?dú)v史數(shù)據(jù)作為校驗(yàn)，還需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)補(bǔ)充調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)勘查和測(cè)量包括以下三類(lèi)工作，測(cè)速、測(cè)壓、測(cè)距，具體的現(xiàn)場(chǎng)測(cè) 量和勘查工作主要為管網(wǎng)壓力測(cè)試、流量邊界測(cè)試、用水模式測(cè)試、高程測(cè)量、水泵特性測(cè)試等。 PANET模型的供水管網(wǎng)水力計(jì)算式是基于解節(jié)點(diǎn)方程的計(jì)算方式，該方法進(jìn)階數(shù)較低，計(jì)算收斂性較好，前期準(zhǔn)備工作量少。 利用用戶(hù)水表歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查與測(cè)量獲得的補(bǔ)充數(shù)據(jù)對(duì)水力模型進(jìn)行校驗(yàn)和調(diào)整，使得模型模擬值與實(shí)際值之間偏差穩(wěn)定縮小，最終達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)要求。通過(guò)阻隔管段、控制管道上的閥門(mén)開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行真實(shí)分區(qū)的管理方法。按照既定的分區(qū)規(guī)則，綜合考慮各種因素將開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)的給水管網(wǎng)劃進(jìn)行合理劃分，每個(gè)劃分區(qū)域應(yīng)是相對(duì)獨(dú)立區(qū)域，在各區(qū)的進(jìn)、出主水管上安裝流量計(jì)，用于各分區(qū)的水流量監(jiān)測(cè)。綜合研究區(qū)域現(xiàn)狀，分區(qū)主要考慮以下因素：(2) 住宅類(lèi)型(公寓或獨(dú)戶(hù)家居) ; 結(jié)合研究區(qū)域供水管網(wǎng)布局其DMA分區(qū)原則如下:(1) 遵循管網(wǎng)流向分配，盡量減少管網(wǎng)改造保證選區(qū)供水管網(wǎng)的完整性和自然邊界。(2) 利用供水管網(wǎng)內(nèi)的天然屏障或人為屏障，作為分區(qū)主要邊界，區(qū)域邊界要容易識(shí)別，方便漏損處定位，以減少流量計(jì)安裝數(shù)量便于施工。(3) 為避免造成管理和計(jì)量混亂，管網(wǎng)中存在增壓泵的供水區(qū)域劃分為獨(dú)立計(jì)量區(qū)，并最好是單路進(jìn)水。 (4) 為減少流量計(jì)的安裝，便于檢漏，截?cái)嘤绊懹?jì)量的不必要的小口徑環(huán)狀管網(wǎng)。 (5) 根據(jù)人口密度、分區(qū)面積和用水類(lèi)型，盡量均衡各獨(dú)立計(jì)量區(qū)域的供水規(guī)模，便于各個(gè)分區(qū)供水的管理和服務(wù)。根據(jù)以上分區(qū)規(guī)則研究區(qū)域?qū)⑷h分為11個(gè)分區(qū)，并于各分區(qū)上安裝壓力計(jì)23個(gè)，流量計(jì)17個(gè)。DMA 分區(qū)一旦建立就應(yīng)進(jìn)行零壓力測(cè)試，否則建立的 DMA 分區(qū)就無(wú)的放矢，其可靠性和準(zhǔn)確性無(wú)法確認(rèn)，該測(cè)試的一般流程如下:(2) 明確 DMA 邊界閥門(mén)和進(jìn)水閥門(mén)的位置。(4) 關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)。 (5) 1: 00－5: 00 進(jìn)行壓力測(cè)試，通知特殊用戶(hù)做好應(yīng)對(duì)工作。 (6) 分析反饋的壓力數(shù)據(jù)，若壓力值隨時(shí)間緩慢下降到零，表明邊界閥門(mén)關(guān)閉緊密，若十分鐘后壓力未有降落趨勢(shì)，則需進(jìn)行第二次測(cè)試。(7) 若此次測(cè)試失敗，則需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，直至測(cè)試合格。(8) 測(cè)試成功后，打開(kāi) DMA 小區(qū)進(jìn)水閥門(mén)。 水力數(shù)學(xué)模型在供水規(guī)劃、管理和調(diào)度上有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)供水運(yùn)行監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)合水力模型實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)的泄漏監(jiān)測(cè)和預(yù)警。DMA 管理區(qū)域已被驗(yàn)證封閉好后，利用安裝的監(jiān)測(cè)儀器定期獲取夜間(具體為2: 00－4: 00)的水流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于該時(shí)間段內(nèi)居民活動(dòng)少，用戶(hù)用水量少，故該階段作為漏損量的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較高。問(wèn)題突出便于研究，同時(shí)能避免影響用戶(hù)的正常用水。 現(xiàn)取研究區(qū)域第九分區(qū) 9 月 19 到 25 號(hào)的凌晨全天水流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 圖2 研究區(qū)域第九分區(qū)9月19到25號(hào)凌晨全天水流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 從圖2可知第九分區(qū)每天的用水規(guī)律基本相似，基本保持著白天用水量多，晚上用水量逐漸減 少的趨勢(shì)，凌晨 2: 00 － 4: 00 用水量逐漸減少至最低點(diǎn)。夜間流量采集過(guò)程中，DMA 小區(qū)基本無(wú)用 戶(hù)用水情況發(fā)生屬于小概率事件，同時(shí)消除水表計(jì)量、信號(hào)干擾、數(shù)據(jù)波動(dòng)等的影響，第九分區(qū)每天的水流量變化規(guī)律基本符合居民生活作息，凌晨2∶00－4∶00時(shí)大部分居民已經(jīng)休息，除了部分夜間合理用水外，還有部分漏損。 現(xiàn)就9月19號(hào)凌晨2∶00－4∶00 之間的水流量曲線圖進(jìn)行分析。圖3 9月19號(hào)凌晨2: 00－4: 00用水流量曲線圖從圖3可知第九分區(qū)凌晨 2: 30左右水流量突 增，此種情況不排除居民的合理用水，但2∶40－3∶40之間水流量逐漸降低并于72m³/h －78m³ /h 之間上下浮動(dòng)，說(shuō)明該 DMA 小區(qū)內(nèi)可能存在漏損情況。 結(jié)合9月19－25號(hào)凌晨2∶00－4∶00時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖4 9月19－25號(hào)凌晨2∶00－4∶00 時(shí)間段用水流量匯總從圖4可知連續(xù)7天的數(shù)據(jù)觀察并結(jié)合該 DMA 小區(qū)內(nèi)的用水主體(主要是工廠用水) 可得，第九分區(qū)存在管線漏損情況，研究區(qū)域相關(guān)部門(mén)需及時(shí)進(jìn)行漏損檢測(cè)。本文通過(guò)整合供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)(壓力流量) 、用戶(hù)水表歷史數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)內(nèi)容，搭建供水管網(wǎng)漏損監(jiān)測(cè)模型，通過(guò)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行DMA分區(qū)劃分結(jié)合夜間最小流量計(jì)算，對(duì)每個(gè)分區(qū)漏損情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到供水管網(wǎng)漏損現(xiàn)象 的有效控制，從而降低由于供水漏損造成的水資源浪費(fèi)、管道污染等后果，減輕供水企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，對(duì)社會(huì)發(fā)展和人民生活具有重要的意義。
