供水管網一級分區建立后的閉合判斷與計量優化

袁 君，王 瑞，笪躍武

(無錫市水務集團有限公司，江蘇無錫 214031)

分區計量管理是指將整個城鎮公共供水管網劃分成若干個供水區域，進行流量、壓力、水質和漏點監測，實現供水管網漏損分區量化及有效控制的精細化管理模式[1]。國外在分區計量管理方面起步較早，取得了不錯的漏損控制效果；國內在紹興、天津、北京、常州等地也取得了一些成效。作為漏損控制的有效管理手段，分區計量管理正積極地在供水行業內進行推廣。

W市在幾年前開展了分區計量的試點工作，對降低漏損率起到了一定的積極作用，但試點分區覆蓋面不大(總水量占比35%)，大多集中在管網拓撲結構簡單的周邊鄉鎮區域，對指導全市漏損控制及重點檢漏區域的力度不夠。為全面系統地進行分區計量工作，W市對整個供水管網進行了系統的分區計量規劃，結合實際情況采用自上而下與自下而上兩者相結合的路線。

紹興水司在分區計量管理方面有成功的經驗，但紹興的區域面積相對較小且擁有高度完整準確的管線資料[2]，W市受限于供水區域大、地下管網的隱蔽性、復雜性及管理技術水平，一級分區的建立較為曲折。對此，本文結合已有實踐，提出了一級分區在拓撲結構與計量管理兩方面的完善措施，以確保后續考核管理等工作的開展。

1 一級分區建立

1.1 一級分區的規劃

以供水管網地理信息(GIS)系統資料為基礎，根據已有分公司數量及其相應的管轄范圍，利用供水區域內的運河、溪流等天然屏障或鐵路、快速路等重要設施，實現W市供水6個一級分區計量區域的劃分，如圖1所示。一級分區劃分中，為了維持供水系統的靈活調度，盡可能不關閉閥門，以安裝流量儀為主。

圖1 W市一級分區劃分示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the First-Level Zones in W City

1.2 一級分區的建立

對規劃需要加裝流量監測點處，進行現場環境狀況查看，判斷施工安裝的可行性，如管道狀況(直管段、材質、空間大小等)、供電狀況(市電、鋰電池、太陽能等)、施工難度大小等。同時考慮壓力、水質監測等管網其他附屬硬件設施同步安裝的必要性，選定流量儀型號并進行流量儀及相關硬件設施的安裝、調試和驗收等工作。利用分區計量管理軟件進行一級分區算法的編輯，統計時、日、月等的供水水量，通過其同營收相關水量的比對分析，統計分區的漏損水量、產銷差等指標。

2 拓撲結構完善

一級分區的運行數據是定量考核管理等后續工作的基礎，其可信度和可靠性至關重要。在管理中，除結合管網的建設、更新、廢管等日常工作的開展進行一級分區拓撲結構動態維護外，還應對其閉合性進行持續判斷與驗證，確保分區邊界劃分清晰。實踐中，由于一級分區覆蓋區域廣泛，不能輕易停水，即便停水需同時操作的閥門數量也較多，不具備可操作性，所以不能仿照可計量分區(DMA)的零壓測試來檢驗一級分區的閉合性。根據已有實踐，提出以下幾種方案。

2.1 一級分區數據穩定可靠性

一般而言，一級分區的范圍基本上是對應一個分公司管轄區域，如果區域范圍內不發生大的停水等意外事件，其分區的供水量時變化曲線以及日供水量變化趨勢應同總公司一致。一級分區建立初期，可通過分區形態特征、日供水量變化趨勢、日供水量占比等指標來判定分區的可靠性。以W市供水A、B兩個一級分區為例，其日供水量與占比情況如圖2所示。A、B兩個分區日供水量占總日供水量的比例基本恒定，分區運行數據的穩定從側面驗證不閉合可能性較小。

圖2 A、B一級分區日供水量及其占比Fig.2 Daily Water Supply and Corresponding Proportion of A and B Zones

對一級分區供水量大小可靠性的判定，初期可將其同營收水量進行比對，相對直觀。營收水量受抄收周期等因素的影響，波動較大，建議采用營收水量占比這一指標進行比對。為避免各個分公司因抄收周期設置不一致造成的影響，建議選用上一年度分區的營收水量占比進行參考比較。

一級分區供水量由一級分區流量儀經確定的算法實時獲取，日供水量占比、月供水量占比均可求得。圖3是W市供水6個一級分區(以A～F表示)實施初期分區月供水量占比同上一年度營收水量占比之間的比較。

圖3 各分區月供水量占比同上年度營收水量占比的比較Fig.3 Comparison between the Proportion of Monthly Water Supply and the Proportion of Revenue in Previous Year in Each Zone

由圖3可知，分區的月供水量占比同上一年度營收水量占比基本接近，絕對偏差在±5%之內，可以初步判斷，一級分區的閉合性不存在較大偏差，數據較為可信。如果上述兩種占比偏差過大，則需考慮是否存在不閉合區域，需要重新結合GIS以及現場管路進行梳理與排查。

2.2 非正常管網運行工況下的跟蹤分析

管網實際運行中，由于接管、應急、維修等工作的需要，會處于非正常運行工況，部分管段流速發生較大變化，甚至反向。此時，安裝在管網中的流量儀可以實時感知這些變化，部分一級分區流量儀數值的變化也會比較明顯，偏離正常運行區間。上述情況下，盡管供水工況改變，但由于未大面積停水，用水習慣等也未改變，如果一級分區閉合，理論上各個分區的供水量時變化曲線、日供水量等同正常工況應基本一致；反之，則會出現異常現象，需要進一步排查原因。本文選用實際工作中的1個非正常工況管網運行案例來具體闡述。

一級分區D的相鄰分區有3個，一級分區D同其相鄰的一個分區C的分界線上的流量儀分布如圖4所示。閥門F所在管道的口徑為DN1200，是D分區的主要供水通道之一，因管網檢修需要，閥門F需關閉30 h(圖5中第2 d 9∶00～第3 d 15∶00)，關閉期間引起了該片區內絕大部分一級分區流量儀的不同幅度變化。兩分區分界線上8個流量儀(編號24～31)的流量變化情況(流量取絕對值)及其形成的進入D分區水量(即8個流量儀的流入流出疊加)情況如圖5所示。C、D分區時水量形態特征曲線如圖6所示。

圖4 C、D分區的分界線上流量儀示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Flowmeters on the Boundary Line of C and D Zones

圖5 C、D分區的分界流量儀運行數據Fig.5 Operation Data of Flowmeters on the Boundary Line of C and D Zones

圖6 C、D分區供水量時變化曲線Fig.6 Water Supply Morphological Characteristic Curve of C and D Zones

由圖5和圖6可知，D片區主要供水通道之一上閥門F的關閉，導致其與C片區的水量分配發生了較大的改變，其中，由于閥門F關閉，期間部分地區低壓供水，水量略有下降[圖6(a)中第2 d下午與第3 d上午高峰時段水量略有下降]，而C片區無此影響。但兩個分區的供水量時變化曲線同正常日(第1 d)基本一致。一級分區反映的數據同實際情況能夠較好匹配，說明一級分區是閉合可信的，且構成分區的各流量儀之間的誤差傳遞也在可以接受的范圍之內。

2.3 一級分界線局部排查

在實際實施中，如果一級分區數據出現異常，可通過對一級分區分界線逐一局部排查的方法對分區進行完善。具體為：根據管網GIS資料，對可能存在問題的邊界進行小范圍的分區構建(構建的小分區可以是臨時分區，也可以是二級甚至小區級DMA的永久分區)，如圖7所示。如排查無問題，說明此段分界面設置合理；反之，進行實地排查，理清管路關系，完善并提高管網資料及其準確度，重新構建合理的分界。

圖7 包含一級分界線的小范圍分區構建示意圖Fig.7 Schematic Diagram of the Construction of DMA Containing Partial First-Level Divisional Boundary

圖9 流量計運行數據與相對誤差Fig.9 Operation Data and Relative Errors of the Flowmeters

3 計量管理優化

由于W市供水區域較大，一級分區流量儀安裝地點多樣：包括城市道路、人行道、偏遠荒地等，根據不同的現場環境狀況，選用不同品牌的管段式或插入式流量儀。在運行管理期間，軟件系統中數據異常時有發生[3-4]，這給一級分區運行數據的統計工作帶來了不必要的麻煩。為解決這一問題，除有計劃巡檢與適時校驗外，實踐中還從計量管理的角度進行優化完善，適當采用冗余的流量計安裝原則進行規避。

3.1 計量關系構建

隨著不同層級分區計量的實施推進，結合管網拓撲結構，部分流量儀間存在著一定的流量關系。如圖8所示，某一水廠的出廠東線(記為Q)，A-1是一級分區流量儀，在其與出廠流量儀之間有兩處支管，因二級分區需求，安裝流量儀B-1和B-2。根據管網拓撲關系，出廠東線的流量為流量儀A-1、B-1和B-2流量之和。

圖8 流量計位置示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Three Flowmeters’ Location

如圖9所示，上述4處流量的關系可以在運行中相互校驗，正常工況下出廠流量同A-1、B-1、B-2流量之和的相對誤差應在4%之間，如遇流量儀的異常情況，可以根據其他運行完好的流量儀進行合理推測，從而確保各項統計數據準確及時。

3.2 雙表在線比對

圖10為局部管網及附屬設備的簡圖。在一級分區流量計A-2的北端建有增壓站，增壓站進口處有一流量計Z，當閥門F關閉時，流量計A-2與Z就形成了時時在線比對的關系，兩者的水量與相對誤差如圖11所示，在1%之內，能夠互相校驗。

圖10中，閥門F的關閉對供水的影響不大，且只需通過一個閥門F的動作，即可形成雙表的在線比對。但在更多的實際管網中，閥門的動作會對供水造成影響。因此，當流量計的計量數據比較重要且要求不間斷時，可以在同一管道安裝兩處流量計，雙表在線比對，雖產生了一定的硬件冗余，但可保證后續的運營維護穩定，利于分區計量工作的深入推進。

圖10 局部管網及附屬設備示意圖Fig.10 Schematic Diagram of Local Pipe Networks and Accessory Equipments

圖11 采用雙表時的運行數據與相對誤差Fig.11 Operation Data and Relative Errors of Two Flowmeters

4 結語

一般而言，對供水區域面積較大、管線基礎資料相對齊全的供水管網采用自上而下與自下而上兩者相結合的路線進行分區計量的開展與推進是比較科學合理的。為確保一級分區的可靠可信，運行中需關注分區數據的穩定性，跟蹤分析非正常管網運行工況下分區情況，對存疑處構建包含局部一級分界線的小分區進行排查；在計量管理方面，除有計劃巡檢與適時校驗外，結合管網拓撲結構，構建多表計量關系，適當采用冗余的流量計安裝進行雙表實時比對，對異常及缺失數據進行有根據的修復，確保數據的完整準確。