城市區域供水管網背景漏失控制研究

侯建楠，李鑫，陶其育

（1.天津津濱威立雅水業有限公司，天津 300011；2.天津市自來水集團公司第一營銷分公司，天津 300000；3.天津市公用事業設計研究所，天津 300100）

1 研究意義和必要性

城市供水管網漏失問題已經在世界范圍內引起廣泛重視，許多學者都在進行漏失模擬、檢測、修復等研究。壓力最優控制降漏法的實質是通過科學地控制減壓閥開啟度以及水泵的調度，實現管網水壓的優化分布，進而達到降低漏失的目的。該模型中實現漏失量與節點流量的分離，利用其與壓力的關系將漏失量準確地量化，糾正以往將漏失均勻分配的弊端，使得模型更接近于管網實際運行情況。進行減壓閥、在線監測點優化定位算法分析，以典型區域示范為基礎，構建城市“SCADA-控制中心-減壓閥-水泵”四位一體壓力漏失控制體系，實現漏失控制自動化、高效化。

各地自來水公司通常采用一種或多種漏失管理策略，如管道改造、現有漏失直接探測和修復以及運行壓力管理。管道改造是成本最高的長期行為，涉及很多因素如漏失和水質等。直接探測和修復現有漏失是一種非常有效的方法，該方法可以阻止因爆管而產生的大量漏失，但是不能降低因管道連接處滲漏而產生的背景漏失。目前已經建立了許多預測、定位和量化管網中漏失的算法。壓力管理是降低漏失的最經濟有效的方法之一，并在許多自來水公司中得到應用。與此同時，科學的壓力管理進一步把漏失的風險降到最低。許多研究者已經建立和應用了各種最優化管網運行壓力的方法和算法，可以極大地減少漏失。

結合城市供水管網水力模型與基于壓力的漏失模型，通過對分區邊界和內部減壓閥進行調度管理，實現供水管網壓力控制管理，進而降低管網漏失，具有重要的現實意義。

近20 a來，隨著經濟的快速發展，城市化加快，城市規模不斷擴大，根據城市發展需要改擴和新建了許多供水管網，并更換了大量的老化管道。但由于供水管網設計不盡合理和供水管理體系尚存在著諸多問題，城市供水降低供銷產差和有效的控制漏損等給水管網維護管理工作已成為我國目前供水行業研究的重點問題。在水資源匱乏、水源污染嚴重、建設資金短缺以及城市供水難以滿足需求的情況下，加強漏損控制對于有效地利用水資源、減少對環境的危害、減少或延緩水系統建設投資、降低運行和管理費用、改善服務供應、提高供水企業的經濟效益和社會效益均具有重要意義。管網漏損在供水行業是一個普遍現象，漏損控制可以有效地節約水資源，提高供水企業的經濟效益。以華北某市日平均供水量100萬t計，產銷差約為20%，漏失率約為12%，在此基礎上如果漏損率降低10%～15%，那么降低漏失量為1.2萬～1.75萬t，按3.9元/t計，全年產生經濟效益約1 708萬～2 491萬元。項目推廣在全國供水行業可以產生較大的社會和經濟效益。

2 國內外技術現狀與發展趨勢

2001年，哈爾濱工業大學根據實際供水管網的漏損數據，采用時間序列分析方法建立了給水管網漏失預測的線性指數平滑模型和二次曲線平滑模型，通過實例驗證了有效性，并指出二次曲線平滑模型的精度要高于線性指數平滑模型。隨后，天津大學在對供水管網漏損數據進行統計和分析的基礎上按照管段實際發生漏損次數的多少，分為2種情況建立了供水管網漏損時間的預測模型：對漏損次數延4次的管段采用基于SAS系統的多元線性回歸方法，對漏損次數大于4次的管段則采用灰色預測方法。2004年，同濟大學以管網歷史漏損統計數據為基礎，以漏損控制總費用最低為目標，采用自回歸滑動平均混合過程及疊合模型預測管網漏量、漏損件數，并求解管網經濟漏水量，在此基礎上建立漏損檢測周期的優化數學模型。

國外在這方面的研究發展較快，除研究了多元線形回歸模型、指數平滑模型等漏損預測模型外，還研究了自控閥調節下管網漏損模型，在管網中普遍設置了自控閥，通過優化減壓裝置和開啟度來降低管網中的漏失。一般來說，按管網的水力工況把供水管網分成小區，再基于小區進行漏失控制。目前，國內外關于供水管網漏損控制研究都在向實時在線檢測和人工智能方面發展。

3 產業化前景

在水資源嚴重短缺的形勢下，大、中、小城市的供水生產部門控制供水管網的漏損都是迫切需要解決的課題。通過研究，可以為供水企業降低產銷差率，提高經濟效益，保障安全供水；有效地控制壓力可以減少爆管事故，提供更穩定的服務；減少背景滲漏及暗漏量；減少設施維修量；延長資產壽命；壓力控制所需的閥門費用遠遠低于管網改造費用。

建立基于壓力的供水管網漏失模型和供水管網綜合水力模型，可以為實現供水管網分區計量管理、確定供水管網減壓閥布置方案提供可行理論基礎。天津市是華北地區重要的經濟中心，城市區域供水管網背景漏失控制研究成果的成功應用可以起到示范作用，帶動華北廣大城市在該技術領域取得顯著進步和巨大效益。

4 研究內容及方法

考慮漏失控制的城市供水管網科學分區方法[1]，以某個城市供水為實例形成城市供水管網分區計量管理方案；提供減壓閥最優調度方案[2]，實現城市供水管網壓力最優化控制，降低爆管事故率；降低供水管網背景漏失，實現示范區域內供水管網漏失率在現有的基礎上降低10%～15%。

傳統給水管網建模理論將管網漏失流量按一定比例折算到節點流量中，無法對管網中漏失進行控制與評價。城市給水管網壓力與漏失控制研究提出新型給水管網微觀水力模型建模理論，在傳統水力模型中引入漏失與壓力關系數據，并且建立新型給水管網微觀水力模型求解算法。該模型對于給水管網背景漏失量評價與控制具有重要意義。其研究主要內容如下。

4.1 城市供水管網分區方法研究

本研究根據國際水協提供的供水管網分區計量方法，針對我國供水管網實際情況建立適應國情的供水管網分區方法，對分區內漏失進行定量分析，指導給水管網漏失探測行為。傳統給水管網減壓閥設置以工程技術人員工作經驗為基礎，而給水管網分區計量管理為給水管網減壓閥設置提供科學指導。

事實上，由于現有基礎設施規劃布局和供水管網壓力優化管理的需要，分區計量區域的規模總是變化的。為此，需要在城市供水總體布局的要求下，將大的供水區域逐級細化，實現考慮漏失控制的城市供水管網科學分區。

4.2 城市供水管網綜合水力模型建立

4.2.1 給水管網水力模型分析

傳統供水管網水力模型包含節點連續性方程、能量守恒方程和水頭損失方程。管網水力計算時按比例分配節點流量，并未考慮管網漏失量對節點流量分配的影響。研究表明，供水管網漏失量與壓力有關，相關研究人員建立了基于壓力的漏失量模型。該模型是管網漏失優化控制的基礎水力模型，消除了形成傳統水力模型誤差的重要因素，極大提升了傳統水力模型的精度。

本研究對傳統水力模型進行改進，認為節點流量由節點用水量和漏失量組成，建立包含漏失模型的供水管網綜合水力模型。

4.2.2 給水管網漏失模型分析以及相關參數推理

當缺乏詳細漏失信息時，通過夜間最小流量方法和實驗室試驗來估計漏失模型參數。

4.2.3 給水管網綜合水力模型求解算法理論分析

根據能量平衡和節點流量平衡原理，利用節點壓力向量、管段流量向量、節點用水量向量以及節點漏失量向量進行算法理論分析，來推導出考慮管網漏失的給水管網綜合水力模型的求解初始化過程以及模型求解迭代過程。

4.3 供水管網壓力管理最優化控制目標函數建立

以邊界流量的經濟最優為目標以及安全供水為約束條件，建立供水管網壓力[3-5]管理最優化控制策略。假設節點用水量與壓力無關，則邊界流量成本最低即為漏失量最低。當系統中不含蓄水設施時，可以在每個時間段單獨進行最優化計算。

供水管網壓力管理最優化控制過程中，對于邊界減壓閥決策變量采用邊界水頭，對于內部減壓閥決策變量采用閥門阻力系數。控制過程中將閥門阻力系數轉化為閥門開啟狀態。

4.4 壓力最優化控制問題求解

減壓閥優化調度模塊通過高級數學建模語言通用代數建模系統（GAMS或MATLAB）實現，利用非線性規劃法進行求解。優化解以閥門優化調度策略的形式表達，可以通過對計算結果的后處理繪制減壓閥壓力與流量關系曲線。

4.5 關鍵技術問題的研究解決

建立的新型供水管網水力模型及漏失模型采用漏失與壓力和流量函數關系，區別于總漏失量在管網中平均分配的傳統水力模型及漏失模型；采用減壓閥實現城市區域供水管網背景漏失的壓力控制，區別于傳統的對大流量漏失點的檢測及維修控制方法，其特別適用于一般檢測儀器難于檢測到的微量漏失。此外，研究中擬應用經濟漏失概念，綜合漏失水量費用和漏失控制費用兩項經濟因素，使優化漏失控制更加科學。關鍵技術問題，記述如下。

4.5.1 考慮漏失控制的管網細化分區方法

在保證用戶水壓足夠的前提下，分區后管網應均衡水壓，盡可能實現低壓供水以利于減少漏失量、降低能耗和事故發生率。為將區域水壓控制在一定范圍內，需考慮以下因素來確定區域規模：區域內地形標高差、管道水頭損失、區域形狀、進水點位置、人口密度及工業用水情況等。為減少管網改造費用，應根據區域內現有主要管道的管徑確定管段流量，設計分區規模。另外，分區之后的區域規模應便于漏失調查和區域計量。

4.5.2 基于漏失與壓力和流量函數關系的供水管網水力模型的建立與求解方法

壓力漏失模型認為漏失與壓力是相關的，漏失點單位時間內的出水量與該點處的管網壓力水頭直接相關。在城市供水管網模型中，常采用點式漏失模型來描述漏失量與漏點處壓力的關系，目標函數為：

式中：Q為流量（m3/s）；β為流量系數；μ為漏失指數；P為節點壓力（m）。

漏失模型將年水量平衡法、夜間最小流量法和水力模型相結合。首先，進行水量衡算，初步估算管網的漏損情況；其次，利用夜間最小流量模型對管網的夜間最小流量發生時刻的漏損率以及日平均漏損率進行漏失計算；再次，結合水力模型，通過軟件模擬，反復疊加運算，不斷擬合實際工況，將漏失水量按受壓力的影響分配到各個節點，以確定各條管段的漏損率。

4.5.3 減壓閥優化控制模型的快速遺傳求解算法

對供水管網壓力較高的區域，在考慮供水安全的條件下采用減壓閥優化控制可以降低管網漏失，以控制管網中不利點的壓力為約束條件建立管網壓力模型，在管網中布置足夠多的壓力點進行SCADA壓力流量數據采集，將這些數據代入管網壓力模型中構建大型矩陣方程，再利用快速遺傳求解算法計算。

4.6 研究方法和技術路線

4.6.1 研究方法

本研究綜合數值模擬、最優化方法、實驗室實驗與現場實測方法對供水管網壓力與水漏失控制進行研究，即將傳統給水管網水力建模理論與基于壓力的漏失模擬理論結合，建立新型給水管網微觀水力模型，構建大型非線性方程組求解。通過實驗研究確定漏失模型指數，通過夜間最小流量測量與分析確定漏失常數。通過實驗方法測定減壓閥流量壓力曲線，采用最優化方法對給水管網壓力與漏失進行優化控制。

4.6.2 技術路線

本研究的技術路線，如圖1所示。

圖1 城市區域供水管網背景漏失控制研究的技術路線

5 結語

本研究通過對城市供水管網進行計量分區管理，在管網上實施減壓閥最優調度方案，實現了城市供水管網壓力最優化控制，降低了爆管事故發生率，降低了供水管網背景漏失，提高了供水企業的經濟效益。