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给水排水 Vol134 No13 2008
基于管网水力模型的独立计量分区优化徐 强1,2 陈求稳1 刘锐平1 顾军农3(1中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085;
2中国科学院研究生院,北京 100049;3北京市自来水集团有限公司第九水厂,北京 100031)
摘要 管网漏失和水质稳定性是影响供水安全的重要问题,科学合理的独立计量分区(Discrete
MeteringArea,DMA)管理,可以辅助漏失点定位,控制二次污染。根据北京市某区实际监测数据,开发了供水管网水力水质模型,并应用建立的模型针对该区分析了不同DMA方案的可行性,确定了优化的DMA模式。关键词 给水管网 DMA管理 管网模型 方案优化
OptimizationofdiscretemeteringareaschemebypipelinenetworkmodelXuQiang1,2,ChenQiuwen1,LiuRuiping1,GuJunnong3(1.StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco2Environmental
Sciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China;2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.No.9Waterworks,BeijingWaterSupplyGroupCo.,Ltd.,Beijing100031,China)
Abstract:Theleakageandwaterqualitystabilityinpipelineareimportantissuestowatersupply.Itisprovedthatdiscretemeteringarea(DMA)isapracticalandeffectivemethodtodetectleakage.Besides,DMAisalsousefultoreducerecontaminationofwaterinpipes.ThisstudyinvestigatedthewaterpressurechangesinapipenetworkofanareainBeijing.Basingontheanalysesoffieldmonitoringdata,anumericalnetworkhydraulicsmodelwasdeveloped.ThemodelwasthenappliedtostudythepossibilitiesofdifferentDMAscenarios.Accordingtothesimulationresults,implementabilityandcost,anoptimizedDMAschemewasfinallysuggested.Keywords:Waterdistributionsystem;DMAplanning;Networkmodel;Scenariooptimization
世界范围内管网平均漏失率约为17%,我国的管网漏失率则高达25%[1]。管网漏失不仅浪费了宝贵的水资源,也带来重大的经济损失[2]。及时发现管网漏失,并采取有效的运行管理措施,能够提高供水可靠性并减少漏失。但是漏失检测和漏点定位一直以来是一项非常困难而繁琐的工作[3,4]。实践证明通过科学合理的独立计量分区(DiscreteMeteringArea,DMA)管理,可以及时发现管网漏失和爆管等问题,辅助漏失点快速定位,还能有效控制二次污染,保障管网输配水水质。欧美国家已针对供水管网漏失控制出版了专业手册,其中就有很大的篇幅涉及分区管理的原理、规划思想及实例[5,6],近年来,国内也有一些研究[7,8]。但是DMA
模式意味着“环状管网—枝状管理”,实施后可能对用水区的供水稳定性和安全带来影响。1 管网水力模型本研究以EPANET模型为参考,开发了基于节点法的管网恒定流模型,其基本方程包括连续性方程和能量方程[9],其中连续性方程是指从任一节
点流出和流入的流量,其代数和等于零;能量方程指在管网的任一闭合环内,各管段的水头损失代数和等于零。此外,进入管网的总流量等于所有节点流给水排水 Vol134 No13 2008
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量的总和。模型的连续性方程:
∑±qij=Q
i=0(1
)
式中i,j———起、止节点编号;
Qi———节点i的流量,m3/s;
qij———与节点i相连接的各管段流量,m3/s。压降方程:
hij=Hi-Hj=Sijqnij(2)
式中hij———管段水头损失,m;
Hi,Hj———管段两端节点i,j的水压高程,m;
Sij
———管段摩阻;
qij
———管段流量,m3/s;
n———取1.852～2,根据所采用的水头公式不同而定。能量方程:
∑L
1hij-ΔHk=0(3
)
式中hij———属于基环k的管段的水头损失,m;
ΔHk———基环k的闭合差或增压或减压装置产
生的水压差,m。2 某区DMA分区可行性分析2.1 研究区概况为了进行漏失高效管理、提高供水水质和优化供水调度方案,拟对北京市某区供水管网实施DMA管理。该区的管网现状如图1所示,设计的DMA管理方案是只留两个阀门(V4和V13),其他阀门关闭,整个区域的供水由原来的十几个水口变为两个水口。采用管网水力模型,针对设计中的DMA方案,预测了关闭阀门后用水区的水压情况,包括评价水压和最小水压的变化,从而分析了方案的可行性。
图1 DMA管理区域
2.2 模型数据该实例中的模型末端边界条件用水量数据从实际统计中获得。由自来水营销公司提供每个区域的月均用水量,由此计算出用户的平均需水量(单位为L/s)。不同类型的用户用水特征一般不同,其用水特征曲线的测量方法是通过间隔2h连续读水表的方法,这是一项非常重要又极其复杂的工作,需要投入大量人力。在模型中,并未现场实测这些数据,而是统一采用了一种用水模式,特征曲线见图2。该实例中的前端边界条件水压数据为采用智能水压计实际监测获得的时间序列(见图3)。
管网基础数据来源于管网GIS数据库,其中管材皆为铸铁管,管龄大多在10～30a,部分超过30a。管径及其对应的糙率系数如表1所示。计算的时间跨度为1d,时间步长为15min。表1 不同管径糙率系数管径/mm75100150200400600
糙率系数909595100105110
2.3 模拟结果阀门关闭前后用水点平均水压变化如图4所示(原方案)。由图4可以看出,所有用水节点的平均水
压和最小水压均有不同程度的减小,尤其是在用水高120
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峰时,局部地区会出现严重失压现象,使得居民的用水得不到保障。因此,有必要采用建立的模型对该DMA方案进行调整和优化,也即调整阀门关闭的数目和位置,甚至更换局部管道。图4 阀门关闭前后水压变化3 DMA分区优化初步选择了3种调整方案(见表2)。运用已建立的管网模型对每种方案进行了模拟。根据模拟结果(见图4)可以看出调整后的3种方案均优于原定方案,且方案2为最优方案。在方案2下,平均水压约为30m,最小水压也能保持在25m左右,而北京市要求节点最小供水水压为18m。至于方案1和3,从供水能力上比较,方案1略优于方案3,且方案3需要进行施工改造,因此方案3很不可取。由此建议采用方案2对该区实施DMA管理。表2 不同的DMA方案方案说明 原方案 只开启V4和V13 调整方案1 只开启V4和V6 调整方案2 只开启V4,V5和V6 调整方案3 将管段P1直径从75mm更换为200mm4 结论本研究参考EPANET模型的算法,开发了管网水力水质模型,并应用于北京某区DMA可行性分析和方案模拟优化。模拟结果表明设计中的DMA原方案在用水高峰可能造成局部水压偏低,居民用水得不到保障。根据研究区的管网现状,
提出了3种调整方案。通过对三种方案的模拟和对比,选择了一种操作简便、供水稳定的优化方案。本研究受到数据的限制,模型中一些参数来自经验值,模拟结果不一定与实际完全吻合。在下一步研究中,将更多地收集真实的用水量数据,分析建立北京市用水特征曲线;通过比较模型的模拟结果与实际监测值,进一步率定模型中管段的糙率系数,
提高水力学模型的模拟精度,为更大范围实施DMA管理提供具体可行的支持。感谢科技部支撑项目(NO.O7C1212203)和北京市自来水集团有限公司对本研究的大力支持。
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8 赵洪宾,何文杰,韩宏大,等.我国供水管网实现区域管理的思路.中国给水排水,2001,17(9):59～61
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