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摘要：分析了供水系统所面临的问题,提出目前采用的管网微观动态水力模型的优越性和局限性。阐述了给水管网分区的概念,即在管网微观动态模型的基础上进行给水管网分区,然后用模型指导管网的运行，阐述了管网建模和管网分区方法。
关键词：给水管网；管网建模；管网分区
1 现行给水管网系统所面临的问题
1.1 用户对供水安全性的要求提高
给水管网系统是一个庞大复杂的“反应器”,经水厂处理合格的水,在管网中会发生一系列的物理、化学及生物反应而导致水质下降。用户对水量和水质要求的提高也加大了供水系统的运行难度。
1.2 供水效益亟待提高
在满足社会需求和环境保护要求的前提下,必须尽量减少供水成本。电费在自来水成本中所占比例较大(一般为30 %～40 %) ,故降低电耗始终是贯彻节能方针、提高供水企业经济效益的重要环节。
管网漏失在计算供水成本时往往被忽视,实际上它应是影响供水企业经济效益的最重要因素。一般采用供水产销差代替漏失量进行统计分析。供水产销差过大是长期困扰我国供水行业的一个老大难问题。
随着近年来劳动力价格的提高,劳动力成本成为供水成本中一个不可忽视的项目。
1.3 管网优化运行要求管网布局科学
由于我国经济发展迅速、城市化发展快、自来水普及率提高迅速而导致供水系统布局和规划有欠科学,忽略了供水系统是一个多目标问题,致使管线连接复杂、铺设冗余,出现了管理困难、停留时间长、事故影响范围大等问题,故应逐步改善管网布局以实现管网的优化运行。
2 给水管网微观动态建模
随着遥测远传设备价格的下降,SCADA 系统和优化调度系统进入了实用化阶段;计算机技术的发展也使GPS、GIS、MIS 及OA 等系统走向成熟;信息技术,传感器、电动执行机构、控制等技术的进步,促进了大型系统的控制和管理水平提高;优化技术、模拟技术与计算机技术的发展,为模拟大型的动态变化的给水管网系统提供了条件。
建立与实际管网系统特征相符的动态模型是优化管理、优化调度及优化改(扩) 建的基础,是诊断管网异常、提高管理水平的保证。建模技术流程见图1。
图1 管网建模技术流程图
给水管网模型主要应用于信息的查询显示、现状分析(供水路径、水流方向、管道负荷、供水趋势等) 、事故处理分析、实用辅助改(扩) 建以及漏失控制、优化调度、水质监控等。
3 城市给水管网分区
给水管网微观动态建模对解决管网现存问题至关重要,但由于管网布局不尽合理,故系统的微观动态建模对改善管网运行的作用十分有限,为此提出了城市给水管网分区的新理念。
国外城市分区供水起步于20 世纪80 年代,英国伦敦的给水管网被改造为16 个区域,日本东京的管网由50 多个区域组成,大阪的管网有18 个区域。
3.1城市给水管网分区新概念
给水管网分区对提高供水系统管理水平、提高供水效益、优化管网运行以及减小产销差等具有重要意义。这里的“分区”不同于一般概念上的管网并联或串联分区,而是将现有的管网系统改造为若干个区域,实现分区供水,实施区域管理。为保证安全用水,各区域之间用应急管道连通。分区后管网的供水管和配水管功能明确,各区域的进水点数目少(见图2) 。
图2 给水管网分区示意图
3．2 给水管网分区方法
一般应根据管网分区目的来确定分区,其技术流程如图3 所示。
整个分区过程可分为以下几部分:管网微观动态模型建立,选择区域系统阶层数,确定区域规模,划定区域边界,设定进水点及区域的规整等。
（1）选择区域系统阶层数。第一阶层分区系统可实现合理配水,除此以外的其他功能(如流量计量、压力控制、改善低压区、减少漏失量、提高水质等) 应在第二阶层或第三阶层分区系统中实现。一般根据管网规模、可靠性要求及资金状况等确定阶层。给水管网系统分区应至少采用两阶层系统,如资金不足可分步实施。
图3 给水管网分区流程图
（2）划定区域规模。在保证用户水压足够的前提下,分区后管网应均衡水压,尽可能实现低压供水以利于减少漏失量、能耗和事故发生率。为将区域水压控制在一定范围内,需考虑以下因素来确定区域规模:区域内地形标高差、管道的水头损失、区域的形状、进水点的位置、人口密度及工业用水情况等。为减少管网改造费用,也应根据区域内现有主要管道的管径确定管段流量,设计分区规模。另外,分区之后的区域规模应便于漏失调查和区域计量。
（3）确定进水点数目和位置。区域的进水点数目与区域内水压控制、流量测定以及事故发生时的解决措施等有关。在保证供水安全可靠的情况下,进水点数目应尽量少。单点进水时有利于设定进水管的位置和确定水压控制点,而多点进水时则难于确定水压控制点,但当发生事故时多点进水则相对容易保证供水安全可靠。区域规模不大时一般建议采用2个进水点,主要是为了当发生事故或用水量变化较大时易于管理。必须通过反复的水力模拟计算来确定进水点的数目和位置。
（4）划定区域边界。分區边界应考虑的主要因素是:地面标高(分高、低区) ;地形(江河、铁路、主要街道) ;用户用水类型;现有水厂的供水能力(经济合理) ;水压分界线等。
（5）区域的规整。分区确定之后应通过水力模拟计算确定其合理性并进一步完善方案,明确给水管网系统中的主要送水干管,限制干管配水,对部分管道实施闸断、改造或加设供水设施。为减少管网内死水的发生,应使管道末梢部分形成环状或在管道末端部分设置排水设备。
3.3分区的作用
（1）给水管网系统发展规划。可掌握各个区域的水量,易计算分配水量、布置管道、计算管径等;明确各管路的功能及重要性,便于提出旧管道的改建方案。
（2）控制水压。根据安装在区域边界和区域末梢的仪表数据,调整进水管线上的控制阀,可方便准确地控制压力,均衡管网水压,实现管网低压供水,从而减少漏失量并节省能耗。
（3）控制水质。余氯是管网水质的主要控制指标,通过余氯监测仪可了解区域内余氯含量,通过区域内加氯可均衡管网余氯含量;当管道清洗后恢复使用时可能会导致浊度增加,分区可将其控制在某一区域;当管网受“二次污染”时,易于追查水质变化的原因,减小影响范围。
（4）减小供水产销差。区域计量是管网分区的主要目的,可有效减小供水产销差,提高经济效益。
4结语
水资源的日益紧张、用户要求的提高、经济意识的加强以及计算机及相关技术的发展,使得传统的给水管网模式及运行方式难以满足要求,而给水管网微观动态建模可从一定程度上缓解矛盾,但有其局限性。在城市给水管网微观动态建模的基础上进行管网分区,然后用分区后的管网模型指导管网运行,才是较有前途的解决问题的根本途径。
关键词：给水管网；管网建模；管网分区
1 现行给水管网系统所面临的问题
1.1 用户对供水安全性的要求提高
给水管网系统是一个庞大复杂的“反应器”,经水厂处理合格的水,在管网中会发生一系列的物理、化学及生物反应而导致水质下降。用户对水量和水质要求的提高也加大了供水系统的运行难度。
1.2 供水效益亟待提高
在满足社会需求和环境保护要求的前提下,必须尽量减少供水成本。电费在自来水成本中所占比例较大(一般为30 %～40 %) ,故降低电耗始终是贯彻节能方针、提高供水企业经济效益的重要环节。
管网漏失在计算供水成本时往往被忽视,实际上它应是影响供水企业经济效益的最重要因素。一般采用供水产销差代替漏失量进行统计分析。供水产销差过大是长期困扰我国供水行业的一个老大难问题。
随着近年来劳动力价格的提高,劳动力成本成为供水成本中一个不可忽视的项目。
1.3 管网优化运行要求管网布局科学
由于我国经济发展迅速、城市化发展快、自来水普及率提高迅速而导致供水系统布局和规划有欠科学,忽略了供水系统是一个多目标问题,致使管线连接复杂、铺设冗余,出现了管理困难、停留时间长、事故影响范围大等问题,故应逐步改善管网布局以实现管网的优化运行。
2 给水管网微观动态建模
随着遥测远传设备价格的下降,SCADA 系统和优化调度系统进入了实用化阶段;计算机技术的发展也使GPS、GIS、MIS 及OA 等系统走向成熟;信息技术,传感器、电动执行机构、控制等技术的进步,促进了大型系统的控制和管理水平提高;优化技术、模拟技术与计算机技术的发展,为模拟大型的动态变化的给水管网系统提供了条件。
建立与实际管网系统特征相符的动态模型是优化管理、优化调度及优化改(扩) 建的基础,是诊断管网异常、提高管理水平的保证。建模技术流程见图1。
图1 管网建模技术流程图
给水管网模型主要应用于信息的查询显示、现状分析(供水路径、水流方向、管道负荷、供水趋势等) 、事故处理分析、实用辅助改(扩) 建以及漏失控制、优化调度、水质监控等。
3 城市给水管网分区
给水管网微观动态建模对解决管网现存问题至关重要,但由于管网布局不尽合理,故系统的微观动态建模对改善管网运行的作用十分有限,为此提出了城市给水管网分区的新理念。
国外城市分区供水起步于20 世纪80 年代,英国伦敦的给水管网被改造为16 个区域,日本东京的管网由50 多个区域组成,大阪的管网有18 个区域。
3.1城市给水管网分区新概念
给水管网分区对提高供水系统管理水平、提高供水效益、优化管网运行以及减小产销差等具有重要意义。这里的“分区”不同于一般概念上的管网并联或串联分区,而是将现有的管网系统改造为若干个区域,实现分区供水,实施区域管理。为保证安全用水,各区域之间用应急管道连通。分区后管网的供水管和配水管功能明确,各区域的进水点数目少(见图2) 。
图2 给水管网分区示意图
3．2 给水管网分区方法
一般应根据管网分区目的来确定分区,其技术流程如图3 所示。
整个分区过程可分为以下几部分:管网微观动态模型建立,选择区域系统阶层数,确定区域规模,划定区域边界,设定进水点及区域的规整等。
（1）选择区域系统阶层数。第一阶层分区系统可实现合理配水,除此以外的其他功能(如流量计量、压力控制、改善低压区、减少漏失量、提高水质等) 应在第二阶层或第三阶层分区系统中实现。一般根据管网规模、可靠性要求及资金状况等确定阶层。给水管网系统分区应至少采用两阶层系统,如资金不足可分步实施。
图3 给水管网分区流程图
（2）划定区域规模。在保证用户水压足够的前提下,分区后管网应均衡水压,尽可能实现低压供水以利于减少漏失量、能耗和事故发生率。为将区域水压控制在一定范围内,需考虑以下因素来确定区域规模:区域内地形标高差、管道的水头损失、区域的形状、进水点的位置、人口密度及工业用水情况等。为减少管网改造费用,也应根据区域内现有主要管道的管径确定管段流量,设计分区规模。另外,分区之后的区域规模应便于漏失调查和区域计量。
（3）确定进水点数目和位置。区域的进水点数目与区域内水压控制、流量测定以及事故发生时的解决措施等有关。在保证供水安全可靠的情况下,进水点数目应尽量少。单点进水时有利于设定进水管的位置和确定水压控制点,而多点进水时则难于确定水压控制点,但当发生事故时多点进水则相对容易保证供水安全可靠。区域规模不大时一般建议采用2个进水点,主要是为了当发生事故或用水量变化较大时易于管理。必须通过反复的水力模拟计算来确定进水点的数目和位置。
（4）划定区域边界。分區边界应考虑的主要因素是:地面标高(分高、低区) ;地形(江河、铁路、主要街道) ;用户用水类型;现有水厂的供水能力(经济合理) ;水压分界线等。
（5）区域的规整。分区确定之后应通过水力模拟计算确定其合理性并进一步完善方案,明确给水管网系统中的主要送水干管,限制干管配水,对部分管道实施闸断、改造或加设供水设施。为减少管网内死水的发生,应使管道末梢部分形成环状或在管道末端部分设置排水设备。
3.3分区的作用
（1）给水管网系统发展规划。可掌握各个区域的水量,易计算分配水量、布置管道、计算管径等;明确各管路的功能及重要性,便于提出旧管道的改建方案。
（2）控制水压。根据安装在区域边界和区域末梢的仪表数据,调整进水管线上的控制阀,可方便准确地控制压力,均衡管网水压,实现管网低压供水,从而减少漏失量并节省能耗。
（3）控制水质。余氯是管网水质的主要控制指标,通过余氯监测仪可了解区域内余氯含量,通过区域内加氯可均衡管网余氯含量;当管道清洗后恢复使用时可能会导致浊度增加,分区可将其控制在某一区域;当管网受“二次污染”时,易于追查水质变化的原因,减小影响范围。
（4）减小供水产销差。区域计量是管网分区的主要目的,可有效减小供水产销差,提高经济效益。
4结语
水资源的日益紧张、用户要求的提高、经济意识的加强以及计算机及相关技术的发展,使得传统的给水管网模式及运行方式难以满足要求,而给水管网微观动态建模可从一定程度上缓解矛盾,但有其局限性。在城市给水管网微观动态建模的基础上进行管网分区,然后用分区后的管网模型指导管网运行,才是较有前途的解决问题的根本途径。