EPANET 在供水管網漏損檢測中的研究

劉小俊， 李 尋， 張 雪

(1.東華理工大學 水資源與環境工程學院，江西 南昌330013;2.河海大學，江蘇 南京210098;3.蘇州市自來水有限公司，江蘇 蘇州215002)

供水管網的漏損檢測是一項技術復雜的工作，傳統的檢測方法包括音頻查詢法、流量測定法、壓力波振幅目視定位法、漏水量直接測定位置法等［1］。這些測定方法都需要大量技術人員參與到管網的檢測工作中，由于管網的鋪設范圍廣，檢測工作量龐大。近年來，隨著計算機軟件的應用越來越廣泛，運用數值模擬的方法代替部分人為操作復雜且繁瑣的工作成為一種趨勢，例如牛志廣等［2］采用EPANET軟件，根據MLE 模型對城市的供水系統進行風險評估，為其改造升級提供支撐。班福忱等［3］采用WaterGEMS 軟件對管網的節點水齡和余氯濃度進行了研究，并總結出兩者之間的規律。

國內外很多學者應用EPANET 在供水管網建模和應用方面取得了大量的研究成果。例如馬霞等［4］通過EPANET 研究管網的水齡，最后得出了節點水齡和用戶用水量之間的關系;李尋等［5］運用EPANET 模擬管網中的余氯和水齡，并通過實例分析驗證了水齡和余氯濃度呈反比;劉百倉等［6］比較了EPANET 軟件模擬得出的數據和實際監測的數據，結果表明兩者相差不大，均小于3%;朱振明［7］嘗試了EPANET 在列車供水管網的應用，利用軟件模擬、分析列車管網的水力狀況并進行泄漏點的診斷;Monteiro L 等［8］運用EPANET MSX 對供水管網系統中的余氯衰減進行模擬，評價了一階和n 階的衰減動力學的性能;Anca Constantin等［9］采用EPANET程序優化某地區供水網絡的技術參數，并由此確定由于未來日益增長的用水需求調整該管網的可能性大小。EPANET在管網水力、水質方面建模的研究中均有較好的應用，但在管網運行和維護，例如在城市供水管網系統的漏點檢測中，很少應用EPANET 所建立的水力模型。

因此，筆者基于EPANET 軟件嘗試建立某區域的供水管網水力模型，通過軟件的運行和分析，結合實際監測數據，建立漏點檢測的方法，以期為供水管網的漏點檢測提供一種新的思路。

1 EPANET 軟件

EPANET 軟件是一款模擬供水管網的專業計算機軟件，可以實時模擬管網中水質和水力的變化情況，并可模擬管網中的余氯、三鹵甲烷等某些反應物的濃度變化，具有管網平差、模擬運行、水質監測、信息輸出等功能［10］。

2 管網水力計算

2.1 節點流量計算

對于管網中的任意節點j，根據質量守恒原理，可得到節點流量的連續性方程，即流入節點的所有流量之和應等于流出節點的所有流量之和:

式中:qi為管段i 的流量;Qj為節點j 的流量;Sj為與節點j 相關聯的管段的集合;N 為管網模型中的節點總數;∑i∈Sj±為對節點j 關聯集中管段進行有向求和。當管段方向指向該節點時取負值，反之取正值。

2.2 節點壓力計算

管段的水頭損失的公式如下:

式中:Sf為管道摩阻系數;Sm為局部阻力系數;Sg為管道阻力系數。

根據式(2)，將管段流量表達為節點壓力的函數:

式中:j 為節點編號;k 為與節點j 鄰接的節點號;sjk為管段jk 的摩阻系數。

將式(3)帶入式(1)，可以得到各節點的壓力方程［11］:

3 供水管網水力模型的構建

3.1 管網模型基礎資料

對某區域供水管網進行模擬研究。該管網是1個完整的環狀結構，其中水源1 處，供水管道最小管徑為200 mm，最大為1000 mm，共有53 個節點和88條管道。

3.2 設置參數

根據提供的管網數據資料，水源的總水頭為90.035 m。根據經驗，水頭損失公式采用海曾-威廉公式，粗糙系數C 值取100。在軟件中對管道、節點屬性等進行設置。模擬的總時長為72 h，水力時間步長為1 h，水質時間步長為5 min。

3.3 管網模型運行

經過EPANET 軟件的運行和分析，可以將結果通過圖表的方式輸出。選取用戶日用水量最高時段和日用水量最低時段，將該時刻的節點水頭和管段流量單獨列出并分析。從中得到整個管網系統運行的特點和各個管段、節點的相關數據，并通過與實際供水管網中控室的實時監測數據對比分析，判斷某一節點是否存在漏點。

由提供的數據分析可知，該供水管網系統的用戶日用水量最高時段為19:00—20:00，最低時段為1:00—2:00。對于這2 個時段的用水狀況，首先分析并記錄管網中實時監測節點的數據;其次，在EPANET 軟件中建立管網水力模型，并在軟件中運行;最后，對比這2 個時段的運行數據與實時監測數據，分析2 組數據之間的差異性。例如EPANET 模擬管網某一時刻的節點壓力和管段流量，結果見圖1 和圖2。

圖1 管網某時刻節點壓力分布Fig.1 Pressure distribution of the pipeline networkat a certain time

圖2 供水管網某時刻各管段流量分布Fig.2 Flow distribution of each pipe section at a certain time in the water supply network

3.4 結果分析

如圖2 所示，若離水源較遠的控制點節點39 的模擬的節點壓力為56.33 m，而實際節點壓力比模擬節點壓力小。同時若節點39 附近的管道實時監測流量較模擬的管道流量明顯增加，但節點壓力卻較小，有的還可能出現負壓，并且這種現象不可逆。如果用水量最高時段和最低時段監測分析的結果類似，由此可以判斷節點39 或者其周圍附近的某個節點或管段可能出現了泄漏。這就縮小了管網的漏點范圍，有利于下一步結合人工巡檢，采取措施進行查漏和止漏工作。

4 結論

檢測管網是否發生泄漏，一方面能有效避免水資源的浪費，另一方面也是供水企業止損的重要舉措之一。利用EPANET 軟件對供水管網系統進行水力分析和漏點檢測，主要是通過模擬管網中管段的流量和節點的壓力，與管網實時在線監測系統的流量數據和壓力數據進行對比，分析管網的運行狀態并確定管網漏點的范圍。該方法可為管網的日常運行和維護提供幫助，在縮小漏點范圍后，有目的地進行管網檢測并及時止漏，大大提高了工作效率，既減少了水資源浪費又節省了人力。