城市供水管網測壓點的優化布置及壓力測量方法探究

孟 瑋

（銀川規劃建筑設計研究院有限公司 寧夏 銀川 750001）

城市供水管網測壓點的優化布置及壓力測量方法探究

孟 瑋

（銀川規劃建筑設計研究院有限公司 寧夏 銀川 750001）

城市供水管網節點水壓不僅能反映管網的運行質量，也是對管網進行壓力模擬的基礎，及時掌握管網的水壓信息能有效地監控管網漏水或爆管事故的發生。從需求角度看，管網中每個節點的水壓都應測量，但由于測壓設備價格昂貴，所以需要根據投資額的大小，選擇一些重要的、具有代表性的節點進行監測，因此需要對測壓點的位置進行合理的布置。而且，水壓監測點在管網中的均勻分布能提高水壓監測的靈敏度。

市政給排水；優化布置；壓力測量；靈敏度分析；經濟有效；水壓力分布

0 引言

供水管網作為城市的重要基礎設施，是社會生產和人民生活的命脈，對于保證城市經濟的穩定發展、人民生活水平的提高以及社會的安定，有著舉足輕重的地位。但由于自然力、城市施工或其它人為因素的作用，供水管網會不可避免的遭到一定程度的破壞，從而造成部分自來水的漏失。城市供水管網運行中出現的漏水現象不僅造成水源浪費，影響供水企業的經濟效益，而且造成降壓供水，影響用戶用水，降低管道安全性，此外，對管道基礎也造成破壞，甚至對其附近的建筑物、構筑物等公用設施帶來潛在威脅。所以，為確保安全經濟，關鍵問題是對管道漏損進行及時控制。

1 優化布置的原則

管網漏損情況下的測壓點優化布置符合測壓點優化布置的一般原則。即：

1.1 管網中的測壓點應分布均勻；

1.2 所選測壓點應具有代表性，能反映整個管網供水壓力的全貌；

1.3 當出現管網壓力分布不合理時，能及時調度各水廠的供水量和揚程，經濟有效地調整供水壓力分布。

2 管網分區

本文所指的管網分區不同于一般概念上的串聯和并聯分區，而是在對管網進行水力平差的基礎上，按照供水管網系統的集結原理將現有的管網系統劃分為若干區域，使系統的每一個節點屬于且僅屬于一個區域，且同區域中各節點的壓力近似相等。如果在系統的各種負荷運行條件下，供水管網系統中每一個集結區域內各節點的壓力值均非常接近，則每一個集結區域就可以只設置一個壓力監測點，該點的壓力側量值就可以粗略地反映該區域的壓力狀況，每個集結區域中所有節點的壓力值越接近，監測點的壓力值就越能反映該區域的水壓力狀況，測量誤差就越小。在對管網進行分區后，并不是區域內任一節點都適合進行壓力監測點的布控，還需要對區域內節點壓力的變化進行靈敏度分析。

3 管網節點壓力變化的靈敏度分析

管網中一個節點的壓力變化時，會不同程度地引起其他節點的壓力變化；而某一個節點的壓力變化則包含著整個管網節點壓力變化的信息。靈敏度方程建立的基礎是管網連續性方程和能量方程，即：

3.1 連續性方程

式中Qi為輸入節點i的流量，m3/s；qi為在節點i輸出的流量，m3/s；qij為節點 i輸往節點 j的流量，m3/s，流入為正，流出為負；m為與節點i相連的節點數。

3.2 能量方程

如果有若干個管段匯集于一個節點，則這些管段相匯端的端點壓力相等，即每個節點只能有一個壓力值。對每一個管段來說，通過管段的流量與管段中的水頭損失應滿足水力學能量方程，即，其中 Hi，Hj分別為管段兩端節點 i，j的水壓高程；hij管段水頭損失 m；sij為管段摩阻；為管段流量，m。

4 測壓點位置的確定

設管網需要布置n個測壓點，按管網分區的方法將整個管網劃分為n個區。因為一個確定的供水管網，在某一工況工作時，節點水壓會受到節點流量的影響，當節點流量發生改變時，各節點水壓值一般也會發生改變，但每個節點的改變程度通常不一樣。一般來講，水壓變化最大的節點靈敏度最大，最能反映管網運行變化情況。所以按照這一思想，在對管網進行分區后，對各區域中節點水壓變化進行靈敏度分析就能夠確定每個區域的代表點，也就是水壓監測點的最佳位置。

布置測壓點的目的是使測壓點的壓力能夠代表所在區域內的所有點的壓力。前已述及每個區域內的代表點的壓力能夠代表該區域的水壓，對整個管網來講，所有代表點（測壓點）的所測壓力就應能夠代表整個管網的壓力。除此之外，測壓點的靈敏性也是進行管網漏損監控的先決條件。

測壓點的計算步驟如下：

（1）輸入管網數據進行管網平差，得出管網初始平衡時的各節點壓力值，按管網分區方法對管網進行分區，使管網分區數等于測壓點的數量。

（2）使管網各節點都增加一個較小流量，再次進行管網平差，并與初始平衡時的各節點壓力值進行比較，得出管網節點壓力變化的靈敏度，并進行排序。

（3）根據各區域內節點壓力變化的靈敏度排序結果，確定最靈敏點為壓力監測點，并結合現場勘查情況確定合理位置。

5 測壓點壓力數據的測量

目前，國內常用的測壓方式可歸納為三種：第一種是將自動水壓記錄儀設在測壓點上，連續記錄該測點的水壓，每天定時調換水壓記錄紙，根據各測壓點的連續水壓記錄，整理統計出全市的水壓分布情況。第二種是將測壓點的水壓用有線或無線的方式及時和連續地傳至調度中心，作為水量調度和機泵開停的主要參考依據。以上兩種測壓方式多用在永久性測點上。第三種是人工量測的方式，工人用壓力表在規定時間內測定指定的消火栓內的瞬時水壓，有時也可測定用戶水龍頭上的水壓作為該點附近的水壓參考資料。

6 測壓點壓力數據的特征

管網壓力是一個空間向量，各個節點的壓力不是相互獨立的，必然受著鄰近節點壓力變化的影響，所以管網壓力無論是在空間還是在時間變化上都是一個連續的變量。但是由測壓系統所測的壓力卻無法將這種連續性表現出來，而只能是一個離散變量的集合，這是因為管網是一個網絡結構，各節點通過不同的管段相互連接而成為樹狀或網狀，進行管網壓力測量時一般是將管網分作若干區域，并在每個區域中選擇一個靈敏性最高的節點進行測壓裝置的安置，以此來代表該區域的整體壓力，這就直接導致了測壓信息在空間上只能為一離散變量的集合。就目前而言，采用SCADA系統進行管網壓力測量時，為了避免系統通訊忙碌造成擁擠，一般是按固定時刻或特定時刻進行測量，所以由SCADA系統所得到的管網壓力在時間上也是一個離散的集合，本科題通過趨勢面來模擬管網壓力實現了管網壓力的連續性變化，克服了傳統的管網調度模型只用有限個測壓點代替整個管網所帶來的弊病。

管網壓力還具有很強的周期性和一定的趨勢性。根據測壓點水頭變化規律，可將測壓點水頭分解成三個子分量：周期性分量、持續性分量及隨機擾動性分量。由于測壓點水頭的變化與城市用水量變化規律密切相關，它們都是受城市工業及人民生活規律的影響，因此它具有以一定時間為周期的變化特點;持續性分量主要指由于天氣及人口增長因素對各配水區域用水量產生持續性影響，導致測壓點水頭產生持續性變化;隨機擾動分量是模型中不可預測的并造成預測誤差的部分。所以對測壓點的數據進行處理能為管網建模和優化調度帶來很多的優勢。

7 結束語

綜上所述，給水管網運行時，管網狀態隨用戶水量變化而隨機變化，很多狀態變量和參數量屬未知。運行著的管網的已知量僅限于少量測流測壓信息。測壓點由于其在管網中分布的位置有一定的代表性，還有上述的本身優勢，加上在正常供水條件下，調度方案在一定時段內是確定的，所以通過測壓點反饋的信息將能很好的代表管網的運行狀態，這點是其它監測方式不可比擬的。

［1］龍芋宏.供水管網的檢漏技術[J].儀器儀表與分析檢測,2001(2):10-13.

［2］關偉平.城市管網漏失分析研究[J].林業科技情報,2000,29(1):69-70.

孟瑋（1976—），女，漢族，遼寧本溪人，1998年畢業于西安理工大學給水排水專業，工程師，現主要從事市政給排水設計方面的工作。

王洪澤］