北方某市DMA分区建设方法与实施_孙广垠.pdf

2023 年第 1 期 31 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备引言我国城市供水管网漏损一直是困扰水司的问题之一，控制管网漏损既有利于建立节水型城市，又能保护水资源，也为企业带来了一定经济效益。DMA 分区也被国内外大量研究和实际应用证实可有效控制管网漏损。供水管网具有一定的复杂性、多变性，对供水网络分区的关键是准确、深入地了解掌握管网的实际运行状态。管网微观水力模型可以客观评价管网的实际运行状况，也是验证管网分区实施效果的有力工具，是实施分区供水的前提13。对管网模型进行分析以掌握管网压力分布情况，更科学有效的指导 DMA 分区的建立和监测系统的布设，制定基于城市供水管网DMA 分区流量监测点布置方法，有效控制管网漏损。1.中卫市沙坡头区管网 DMA 分区的建设思路建立一个准确的水力模型是 DMA 分区重要的前提，在建模过程中，通过数据收集、模型校核等过程会对管网现状有一个更加精确实际的把握，模型的准确直接影响到 DMA 分区的成效。根据管网拓扑结构和地理特征、供水模式初步划分一级分区，在一级分区的基础上由管线分布情况对管网进行细分，建立DMA 二级分区，最后确定新增流量监测点和压力监测点的位置，完成分区。将具有远传功能的监测点数据实时上传到管网监测平台中，实时监测管网漏损。2.中卫市沙坡头区DMA分区建设实例中卫市沙坡头区供水管网漏损严重，因北方某市 DMA 分区建设方法与实施孙广垠1张伟倩1蒋丽云2徐秋红2（1.河北工程大学能源与环境工程学院，河北邯郸 056000；2.株洲南方阀门股份有限公司，湖南株洲 412007）摘要：为有效控制管网漏损，本文以宁夏中卫市沙坡头供水管网为例，首先介绍了建立稳态水力模型的基本方法；对城市供水管网进行了精细化 DMA 分区管理，依据地理结构和供水格局先对供水管网进行一级分区，然后根据管网实际管线布置和可实施性进一步对管网进行二级分区；根据 DMA 分区结果和实际需求安装新的流量监测点，并建立了沙坡头区供水安全与节水全程监控管理平台，该平台可实时监控各分区水量的变化，统计各个分区的漏损情况，以便及时定位漏损区域，采取措施降低管网漏损，为供水企业带来很大的经济效益和环境效益。关键词：DMA 分区；水力模型；实施应用DOI:10.14143/ki.czgs.2023.01.0072023 年第 1 期 32 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备此对该管网实施 DMA 分区和压力管理。该项目依托于国家重点研发计划“水资源高效开发利用”中的重点专项“西北典型区生活节水与污水再生利用技术研发与示范”，以中卫市节水型社会创新试点为依托，选择沙坡头区开展节水型社会集成创新示范。2.1 管网概况宁夏水投中卫水务有限公司服务区域 45平方公里，服务人口 18 万多人。拥有自来水厂 2 座，总供水能力 8.2 万吨/日，供水管网长度 113.74km；覆盖区域东至柔一路，西至迎水迎闫公路，北至长城路，南至滨河大道。宁夏中卫市沙坡头区市政供水管网由第二水厂供水，平均日供水量 3 万吨。沙坡头区地势西高东低、北高南低，最大地势高差约为 15m，总管段长度约为 88km。沙坡头区供水管网建设年久，趋于老化，部分区域爆管造成管网漏损。2.2 建立管网水力模型收集相关数据。管长管径数据。根据宁夏水投中卫水务有限公司管网更新 CAD 图和部分新建管线的竣工图提取管段长度和管径数据。沙坡头区老城区给水管网密度较高，管径整体偏小，管径主要为 DN 100400。高程数据。由于本项目为无管网中的节点高程，仅有净水厂工艺流程图中的地面标高 1224.7m，以该高程为校准点，校准谷歌地球卫星图中的节点高程作为建模数据。泵站数据。进行 DMA分区方案设计及监测点布设时，模型模拟时间为 2020 年 8 月 4 日号下午 17：10 分，以泵站内流量和压力数据为建模初始依据数据。该时刻泵站内共运行两台水泵，各水泵数据如下：表 18 月 4 日 11：22 分时泵站数据名称2#水泵4#水泵清水池2.7m2.7m水泵出口压力3.89Bar4.01Bar水泵流量966m3/h787m3/h管网压力监测点实际数据。管网模型校核基于运行系统界面 17：10 分中压力数据进行模型校准。表 2运行系统界面中压力监测点数据序号压力监测点实测值（m）宜居家园31.7铁路医院31西园小区29.4东园小区28.9四中29.4应理集团32.1世纪花园33.9御景华城32.7众一山水城29.6广电局22.6市政府26.1宁夏大学26.1建模软件选择 EPANET2.2，导入管网拓扑图并对管网简化、输入泵站边界条件、分配水量后对管网进行校核，校核结果如下：表 3模型模拟各监测点压力和实际测量值的对比序号压力监测点实测值（m）模拟值（m）差值（m）相对误差备注宜居家园31.731.260.441.41%铁路医院3132.481.484.56%西园小区29.430.471.073.51%东园小区28.929.470.571.93%四中29.431.211.815.80%应理集团32.133.671.574.66%世纪花园33.934.000.10.29%御景华城32.734.501.85.22%众一山水城29.631.581.986.27%广电局22.629.576.9723.57%不在主干管市政府26.132.886.7820.62%不在主干管宁夏大学26.132.436.3319.52%不在主干管注：该时刻党校、中国物流、史湖小区、中卫火车站、商都小区、壹方城压力传感器未启用。2023 年第 1 期 33 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备由表 23 中数据对比可知，该时刻点可供校核的点有 12 个，但宁夏大学中卫校区、市政府、广电局 3 个点的测压点位置均不在供水主管上，宁夏大学压力计装在热水泵房进水口前，用水高峰期时压力降低，市政府和广电局 2 处的压力计并未装设在主管上，考虑用电的原因装设在了用水末端，因此压力下降明显，模拟值和实测值差异度较大，超过 20%，但其他 9 个点拟合度较高，差值在 2.0m 内，差异度仅在 10%以内，部分点差异度接近于 0，去除三个差异度高的地点后，模型和实际管网匹配度较高，平均差异度为 3.85%。模型可以反映实际管网中的水力状态为 DMA 分区和监测点的布设提供支撑。建立好的管网拓扑结构如下图所示，包括 188 条管段，136 个节点，1 个水池。2.3 沙坡头区 DMA 分区建设DMA 分区建设的目标在于持续监测管网中的漏损情况，控制漏损的同时对管网进行压力管理，降低管网压力波动，使管网稳定运行。供水管网的地理特征、管网高程差以及管网设施等都会影响 DMA 分区46。大量的研究集中于利用智能优化方法等求解出最优的分区个数和监测点的位置，这种方法虽具有一定的科学性，但实际的求解结果结合实际管网的各种限制，有时难以实施应用，对于沙坡头区管网分区方案制定前期讨论了多种方法，得出以下两种方案：断管方案。利用kmeans-canopy聚类算法，节点压力相似性原理并结合管网地理构造进行分区。方案结果表明需断管 13 条，预估截断管段或关闭管段阀门的管段长度约为 5000米，施工成本高，实地考察后部分管段并不适宜施工。在 EPANET 模拟后结果显示断管后会造成局部压力过低的情况，由于该管网为单水源供水管网且地势西高东低，断管后供水路径变化导致新的输水路径变长，管网改造复杂且成本高，结合该方案所能带来的漏损和能耗收益，该方案回报周期长且风险高。不断管方案。避免了截断管段所需的高昂施工费用和高风险，充分利用现有管网的监测设备，结合模型和实际考察确定了只需新增流量监测设备，根据管网的流量变化、流向等即可相对独立地监测出各分区的实际流量和漏损情况。综上所述最终择优选择不断管的虚拟分图 1沙坡头区管网水力模型2023 年第 1 期 34 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备区方式，这种方式从经济、控漏和风险方面都是最优选择。2.3.1 管网分区原则根据供水企业 DMA 分区实践和分区原则，管网分区应至少达到两级分区，一级分区以城市明显边界，如行政边界、地理边界等为基础，对管网进行一级划分。二级分区是在一级分区的基础上由管网供水情况、管线分布等进一步细分。分区个数可由管网具体规模及分区的大小来共同决定。分区大致原则如下：根据中卫市沙坡头区城市地理地形等天然边界作为管网一级分区的主要边界，尽可能按照管道的原始流向进行设计，减少施工量。遵循由大到小的设计顺序，先区再片，先粗再细，均衡分区供水规模，便于管理。尽量减少阀门、流量计的安装数量，必要时可截断影响分区的部分小管径管段。尽量降低一个区域内的高程变化。尽量避开管线密集复杂的区域，以防止多路进水造成分区混乱7。选择较明显的参照物作为边界，诸如河流、道路、铁路、桥梁等。2.3.2 沙坡头区供水管网一级分区中卫市沙坡头区供水管网目前有新、老城区两个供水范围，两个城区间大致以景观渠和中央西大道为界限，因此选择以景观渠和中央西大道为地形分区边界线，对管网进行DMA 一级分区，而西部中央西大道至旅游小镇管线为支状管线，依据以上地理和管网特点进行一级分区。一级分区示意见图 2.3.1 所示。2.3.3 沙坡头区供水管网二级分区在一级分区方案下，可对供水管网进行细分，二级分区时遵循由大到小的设计顺序，先区再片，先粗再细。尽量减少阀门的使用数量，降低一个区域内的高程变化，均衡分区规模，便于后期的管理和维护。但若使用多个流量计虚拟独立区域，由于该区域流入流出口较多，若流量计计量不准确则产生较大误差，流量计布设过多则不利于管理和数据存储，因此需要合理地布设流量计数量控制实际或虚拟独立区域的流入和流出。根据 2020 年 8 月 5 日的课题交流会，以沙坡头区现有管线的特点和施工的影响程度，讨论决定采用不断管的方式对沙坡头区供水管网进行 DMA 流量分区管理，二级分区仍然使用流量计达到虚拟独立区域的目标。根据一级分区管线分布特点及供水范围，确定在怀远北街西侧设置流量计对一级（三区）进行二级分区，怀远北街西侧仅有横管三条管线，易进行水流的流入流出监测。一级（二区）区域中，图 2沙坡头管网 DMA 一级分区2023 年第 1 期 35 CITY AND TOWN WATER SUPPLY输配水技术与设备鼓楼南街西侧横管较少，分区相对明显，对分区计量的边界确定更明确，在一定程度内对管线的伤害程度降低，而且也方便分区计量的管理。因此以鼓楼南街为分界线进行二级分区。二级分区示意见图 24 所示。该方案下没有设置截断阀，在每个区域设置流量计作为虚拟独立区域，从而对流量数据分析来定量泄漏水平。2.4 基于 DMA 分区的供水管网流量监测点布置2.4.1 新增流量监测点管网的水力信息可以反映管网的实际运行情况，正确实时地监测管网的水力信息是保证管网能够提供充足水量和足够水压的前提。2.3 小节确定了沙坡头区管网 DMA 分区方案，DMA 分区建立之后,需进行水力的数据收集、分析、监控、处理，比较供水量与售水量之间的差距，发现异常、判断原因、及时得出处理措施。新增流量监测点的具体位置参考 DMA 中心节点确定。DMA 中心节点即较分区其余节点承担流量更多、影响度较高的节点8。各分区间会有若干条连接管段，在主要的供水路径中，从供水水源到DMA 中心节点一定会经过一条连接管段，该管段可作为分区进水管段,即流量监测点的安装位置。以实时监测各时段进出各分区管网的流量差。对于部分承担流量较大的管线以及距离较远的管段也应安装流量计。流量的安装位置见下图 4 所示。DMA 对设备要求很严格，流量计等监测设备需要有一定的精度和准确性，有传感器便于数据传输和管理，DN200 及以上的管径应使用电磁流量计，树状管采用单向，环状管采用双向。3.沙坡头区供水管网 DMA 分区实施效果目前该 DMA 分区方案已