基于管网水力模型的独立计量分区优化

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给水排水　Vol 134　No 13　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

Metering Area ,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

Optimization of discrete metering area scheme by pipeline net work model

Xu Qiang 1,2,Chen Qiuwen 1,Liu Ruiping 1,Gu J unnong 3

(1.S t ate Key L aboratory of U rban and Regional Ecolog y ,Research Center f or Eco 2Envi ronment al S ciences ,Chi nese A cadem y of S ciences ,B ei j i n g 100085,Chi na;2.Gra d uate U ni versit y of Chi nese A cadem y of S ciences ,B ei j i ng 100049,Chi na; 3.N o.9W aterw orks ,B ei j i n g W ater S u p pl y

Grou p Co.,L t d.,B ei j i n g 100031,Chi na )

Abstract :The leakage and water quality stability in pipeline are important issues to water supply.It is proved that discrete metering area (DMA )is a practical and effective method to detect leakage.Besides ,DMA is also useful to reduce recontamination of water in pipes.This study investigated the water pressure changes in a pipe network of an area in Beijing.Basing on the analyses of field monitoring data ,a numerical network hydraulics model was developed.The model was then applied to study t he possibilities of different DMA scenario s.According to t he simulation result s ,implementability and cost ,an optimized DMA scheme was finally suggested.

K eyw ords :Water dist ribution system ;DMA planning ;Network model ;Scenario optimization

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(Discrete Metering Area ,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EPAN ET 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

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量的总和。模型的连续性方程:

∑±q

ij

=Q i =0

(1)

式中i ,j ———起、止节点编号;

Q i ———节点i 的流量,m 3

/s ;

q ij ———与节点i 相连接的各管段流量,m 3

/s 。

压降方程:

h ij =H i -H j =S ij q n

ij

(2)

式中h ij ———管段水头损失,m ;

H i ,H j ———管段两端节点i ,j 的水压高程,m ;

S ij ———管段摩阻;q ij ———管段流量,m 3

/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

1

h

ij

-ΔH k =0(3)

式中h ij ———属于基环k 的管段的水头损失,m ;ΔH k ———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/mm 75100150200400600糙率系数

90

95

95

100

105

110

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