一、引言

隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展,供水系統(tǒng)的設備與技術更新很快。各類測量和監(jiān)測手段也漸趨完善與先進，尤其是計算機及相應技術的迅速發(fā)展與普及，使供水系統(tǒng)的優(yōu)化調度具有了可行性。城市供水管網(wǎng)具有拓撲結構復雜、規(guī)模龐大、用水隨機性強、多目標控制等特點，特別是對地下給水管網(wǎng)，實驗測試的難度很大，所以科學化管理十分困難，但在計算機技術的推動下，管網(wǎng)建模的出現(xiàn)為節(jié)能降漏提供了新的福音，特別是監(jiān)測手段的改革，智能水表的應用，閥門的快速普及，能夠保證數(shù)據(jù)采集的實時性，數(shù)據(jù)共享和數(shù)學分析應用的提高更是進一步促進了節(jié)能降漏的實現(xiàn)。

管網(wǎng)水力模型利用計算機技術對實際的地下管網(wǎng)進行數(shù)字化模擬，同時該模型能進行管網(wǎng)水力學數(shù)據(jù)的相關計算，模型能反映實際管網(wǎng)的水力狀態(tài)，通過建?？梢灾贫ㄒ?guī)劃，調度的設計方案并優(yōu)化，制定水泵、管道的更新改造方案，實施管網(wǎng)系統(tǒng)的科學管理，達到節(jié)能檢降漏的目的。城市供水管網(wǎng)拓撲復雜、漏失點不易探查修復，因此以宏觀水力模型和微觀水力模型為基礎，實現(xiàn)DMA分區(qū)壓力優(yōu)化運行，建立DMA分區(qū)壓力優(yōu)化控制系統(tǒng)是降低當前供水管道條件下漏損量的最佳辦法。

二、宏觀水力模型和微觀水力模型的優(yōu)缺點

當前我國常用的節(jié)能降漏方法包括兩方面，一是從管理方面入手，加強供水管網(wǎng)使用期間的管理與維護，比如完善供水管網(wǎng)建設規(guī)劃，落實管理維護責任，加快供水體制的改革與人才培養(yǎng)，另一方面采用新的節(jié)能降漏技術，比如宏觀水力模型、微觀水力模型、分區(qū)計量、分級計量、人工撿漏等方法。不同的節(jié)能降漏方法各有優(yōu)缺點，應用場合和應用范圍各不相同。

（1）宏觀水力模型，是以水廠的供水壓力和供水流量以及水塔水位與管網(wǎng)監(jiān)測點壓力的大量實測數(shù)據(jù)為基礎，應用統(tǒng)計數(shù)學的方法建立經(jīng)驗數(shù)學表達式，從而提高了計算速度。具有建模速度快、整體把握管網(wǎng)能力強的優(yōu)點，特別適用于指導實時調度，可快速建立管網(wǎng)壓力控制模型，提供控制策略，但是需要足夠多的測量點，并且要求有足夠的實測數(shù)據(jù)和準確度，未建立優(yōu)化子壓力模型，遠端壓力控制精確度不高，節(jié)能效果不能令人滿意。此外，宏觀模型不能求得管段和節(jié)點的工況參數(shù)，多用于給水系統(tǒng)調度建模，不宜用于給水系統(tǒng)新建、改建和擴建建模。

（2）微觀水力模型即按管網(wǎng)實際情況，包括管網(wǎng)所有元素（管段、閥門、水泵等），不做任何簡化所建立的模型，相對于宏觀模型和簡化模型來說，稱為詳細模型。具有詳觀管網(wǎng)各個要素及其水力狀況的優(yōu)勢，直接應用完整詳細的管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫的資料，包括管網(wǎng)的全部信息建模，適于管網(wǎng)現(xiàn)狀分析、規(guī)劃設計與預案制定，但是無法自動實現(xiàn)或者簡化計算目標單一等問題，比如不能夠在節(jié)省管網(wǎng)水力平差計算時間的同時又很好的保存原始管網(wǎng)的拓撲信息，在管網(wǎng)優(yōu)化改造、優(yōu)化調度等優(yōu)化計算方面力有不逮。

（3）分區(qū)計量是一種供水區(qū)域化管理的方法，是對管理區(qū)域內流進的自來水總量和貿易銷售實際的水量實施量值的一種管理方法?？梢粤私夂驼莆崭鲄^(qū)域內需水量、供銷差、漏失量、未收費水量等因素，降低供水企業(yè)供水運營中的經(jīng)營管理風險，缺點是不能有效控制生產(chǎn)銷差率。

（4）分級計量，當前分級計量通常分為兩級，首級為出廠水量計量，計量點一般位于二級泵房后的出水管上；尾級為客戶用水計量，計量點一般位于客戶前的進水管上?？梢杂行Э刂乒┧a(chǎn)銷差率、優(yōu)化供水管理系統(tǒng)。

（5）人工檢漏，通過人工方法，借助查漏工具檢查管道的暗漏情況，主要優(yōu)點是可靠性高，缺點是效率低。

三、宏觀水力模型的建立和優(yōu)化

基于宏觀水力模型可以建立管網(wǎng)壓力控制模型，提供了多水廠優(yōu)化流量方法，但是未建立優(yōu)化子壓力模型，宏觀水力模型和DMA技術結合，不但可以優(yōu)化壓力計算模型，確定各水廠供水范圍，提供管線壓力曲線，而且可以為管網(wǎng)狀態(tài)評估、管網(wǎng)規(guī)劃設計、優(yōu)化運行及制定應急預案等提供科學的依據(jù)，最終達到節(jié)能降漏的作用。宏觀水力模型建立優(yōu)化包括以下步驟：（1）建立宏觀水力模型；（2）基于宏觀水力模型建立壓力曲線；（3）修正宏觀模型調度預案壓力；（4）優(yōu)化水泵實現(xiàn)節(jié)能；（5）與DMA分區(qū)法門聯(lián)合減漏。

宏觀水力模型以水廠的供水壓力和供水流量以及水塔水位與管網(wǎng)監(jiān)測點壓力的大量實測數(shù)據(jù)為基礎，應用統(tǒng)計數(shù)學的方法所建立的經(jīng)驗數(shù)學表達式，如下式：

其中，Q為各水廠流量，hk為各測點壓力，Ci，Ajm，Bjp可以通過月流量計算得出，但是以上模型僅僅提供了供水系統(tǒng)運行現(xiàn)狀的描述，需要對其優(yōu)化，建立管網(wǎng)壓力控制曲線模型，管網(wǎng)壓力控制曲線模型需要滿足管線流量、出廠流量和壓力最優(yōu)關系和遠端測量點壓力精度（通常絕對數(shù)小余等于0.001MPa）。根據(jù)優(yōu)化的宏觀模型調度預案壓力方案設計水廠流量壓力控制系統(tǒng)，優(yōu)化水泵節(jié)能方案，結合DMA分區(qū)閥門進行聯(lián)合減漏，具體流程如下圖：

四、微觀水力模型的建立和優(yōu)化

微觀水力模型以實際完整詳細的管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫為基礎信息建立模型，能夠精確計算出全部關于供水管網(wǎng)的全部信息，可以概括為：（1）微觀水力模型建立；（2）拓撲結構簡化；（3）供水系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)導入和節(jié)點流量分配；（4）管網(wǎng)水力計算與平差；（5）水力模型校核；（6）模型評估、更新和維護。其整體流程圖如下：

微觀模型對系統(tǒng)拓撲的變化和節(jié)點用水量模式的變化具有較強的適應性，可以獲取所有管段、節(jié)點、水源的工況參數(shù)以及各小時的靜態(tài)模擬工況和動態(tài)實時工況，以管網(wǎng)信息為基礎建立微觀模型，導入管段數(shù)據(jù)包括管長、標準管徑、管材類型和粗糙度和供水方式，節(jié)點數(shù)據(jù)包括節(jié)點類型和節(jié)點標高等數(shù)據(jù)。

按照管網(wǎng)服務主功能不變和誤差在允許范圍兩條原則，對管網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構進行簡化，其后導入基礎數(shù)據(jù)、分配節(jié)點流量，節(jié)點流量可分為四類：大用戶用水量、普通用戶、漏失水量、未計量水量，管網(wǎng)水力計算與平差過程通過節(jié)點連續(xù)性方程、管段壓降方程和回路能量方程結合導入的管網(wǎng)信息進行。模型校核是一個不斷完善、反復調整的過程。評價建立的管網(wǎng)水力模型是否滿足建模要求，要考慮監(jiān)測節(jié)點的壓力實際值與模型壓力計算值之差和監(jiān)測管段的流量實際值與模型流量計算值誤差小。

由于給水管網(wǎng)的運行工況不斷變化，要保證建立的模型實時有效，能夠為供水單位提供可靠的技術參考，必須定期對建立的模型更新維護。管網(wǎng)添加新建的管線，刪除廢棄的管線，并導入變化管線的屬性信息。節(jié)點水量重新分配時及時更新大用戶月度用水信息，重新對各節(jié)點水量進行分配，模型校核定期進行。

五、宏觀水力模型和微觀水力模型結合的優(yōu)勢

概括來說，宏觀水力模型以供水廠的供水壓力和供水流量作為輸入量，壓力監(jiān)測點作為輸出量，應用統(tǒng)計數(shù)學方法建立了經(jīng)驗數(shù)學表達式，微觀水力模型直接應用完整詳細的管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫的資料，不進行任何簡化，可求解節(jié)點和管段的全部信息。兩者相互結合，有以下優(yōu)點：（1）可以將尋求“最優(yōu)解”轉化為尋求“滿意解”，把優(yōu)化調度和經(jīng)驗調度相結合，對預測結果進行了實時對比，預測結果可動態(tài)顯示，實時刷新，達到實時監(jiān)控的目的。（2）結合分時電價和實時調度經(jīng)驗，實現(xiàn)基于宏觀模型的變頻調速策略，即使調整管網(wǎng)壓力，對給水管網(wǎng)節(jié)點和管段進行分區(qū)、分類型處理，使模型達到了較高的建模精度，可以滿足工況分析和管網(wǎng)規(guī)劃的要求。

六、總結

宏觀水力模型和微觀水力模型是兩種在節(jié)能降漏領域常用的模型，兩種模型各有優(yōu)缺點，適用不同的范圍領域， 兩者相互結合，可以尋求城市供水調度的“滿意解”，有效控制供水產(chǎn)銷差率、優(yōu)化供水管理系統(tǒng)，最終達到節(jié)能降漏的目的。