劉雅亭，黃顯懷，楊偉偉，宋 綱，朱 波

（1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué) 水污染控制與廢水資源化安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；3.合肥市供水集團，安徽 合肥 230011）

給水管網(wǎng)系統(tǒng)建模，是指通過圖形模擬、狀態(tài)模擬、參數(shù)模擬建立管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的過程，如今已成為仿真給水管網(wǎng)系統(tǒng)工況最有效的方法［1］，對城市管網(wǎng)的安全運行、優(yōu)化改造、智能管理等具有重要應(yīng)用意義。節(jié)點流量分配是管網(wǎng)建模工作中的一項關(guān)鍵內(nèi)容，節(jié)點流量和管道摩阻同為模型微觀校核的重要參數(shù)，其分配是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到模型的精度和管網(wǎng)模型應(yīng)用的效果［2］。

隨著管網(wǎng)建模技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者對節(jié)點流量的分配方法進行了優(yōu)化研究。早期以均分比流量法計算沿線流量，繼而確定節(jié)點流量，計算精度差。楊玉奎等［3］針對均分比流量方法的缺陷，引入地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS），提出街區(qū)沿線比流量的概念，以街區(qū)為單位，考慮街區(qū)面積、人口密度、內(nèi)部大用戶用水量因素，計算各個街區(qū)的比流量，要求數(shù)據(jù)量大。王彤等［4］提出了管網(wǎng)營銷數(shù)據(jù)結(jié)合GIS 定位技術(shù)，計算節(jié)點流量的方法，將營業(yè)系統(tǒng)中的戶表上溯至干管節(jié)點，根據(jù)收費數(shù)據(jù)計算節(jié)點流量，過程中需統(tǒng)計核對大量水表資料，工作強度高。

本文結(jié)合分區(qū)計量系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀與水力模型的構(gòu)建要求，對模型節(jié)點流量分配方法進行了創(chuàng)新，利用分區(qū)計量數(shù)據(jù)，對居民戶用水量、其他工商戶用水量以及產(chǎn)銷差水量進行分配。以H 市A 區(qū)供水管網(wǎng)為例，闡述了管網(wǎng)建模過程中基于三級分區(qū)計量體系和GIS 系統(tǒng)進行節(jié)點流量分配的方法，并驗證了最終模型的壓力校核結(jié)果。

1 DMA 分區(qū)計量

供水管網(wǎng)分區(qū)計量，是指通過將整個城鎮(zhèn)管網(wǎng)劃分為若干獨立計量區(qū)域，實現(xiàn)供水量、售水量、漏損水量可分區(qū)量化的管理模式。1980 年，英國水工業(yè)協(xié)會首次提出District Metering Area（DMA）的概念，定義為供配水系統(tǒng)內(nèi)分割的獨立區(qū)域［5］。是供水企業(yè)控制水量漏失的有效方法之一。國內(nèi)外已經(jīng)提出了多種創(chuàng)建DMA 的方法和算法建議，以便控制和管理供水管網(wǎng)中的水損失［6-7］。

構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的三級分區(qū)計量體系，首先基于分區(qū)原則［8］制定分區(qū)方案，合理設(shè)置管網(wǎng)大區(qū)、子片區(qū)及總考核表（小區(qū)、農(nóng)村、支線考核及終端用戶），在滿足供水安全和管理上便利性的同時，兼顧管網(wǎng)本身的拓?fù)涮匦裕m應(yīng)各區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的供水模式［9］。根據(jù)分區(qū)方案，安裝流量計或關(guān)閉分界閥門形成獨立封閉且邊界清晰的管網(wǎng)區(qū)塊，建立以“分公司轄區(qū)—轄區(qū)內(nèi)子片區(qū)—小區(qū)DMA”為結(jié)構(gòu)的三級分區(qū)計量管理體系。利用上述分區(qū)計量體系水量數(shù)據(jù)指導(dǎo)管網(wǎng)模型節(jié)點流量計算，細(xì)化區(qū)域管網(wǎng)水量，使流量分配更精準(zhǔn)。

H 市供水集團建立以水源廠出廠流量計、水廠進出廠流量計、供水分公司轄區(qū)邊界計量、供水分公司子片區(qū)邊界計量、DMA 分區(qū)計量、貿(mào)易終端結(jié)算水表為計量節(jié)點的六級嵌套計量模式，完整構(gòu)建與公司分區(qū)考核管理相結(jié)合的六級計量三級分區(qū)體系，如表1、表2 所示。

表1 六級計量管理體系Tab.1 Six-level measurement management system

表2 分區(qū)計量體系Tab.2 Zoning measurement system

2 節(jié)點流量分配

2.1 常規(guī)節(jié)點流量分配

常規(guī)節(jié)點流量分配是集中流量和沿線流量的分配，集中流量可直接加到所處節(jié)點。居民生活用水、澆路或綠化用水等分散用水組成沿線流量，常規(guī)分配方法如下：

（1）比流量法

該方法按管段配水長度或按配水管段的供水面積分配計算沿線水量［10］。

或

式中：qmi表示各管段沿線流量，L/s；Lmi表示表示管長，m；Ai表示供水面積，m2；ql表示管長比流量，L/（S·m）；qA表示面積比流量，L/（S·m2）；Sj表示節(jié)點j的關(guān)聯(lián)集，即與節(jié)點j 關(guān)聯(lián)的所有管段編號的集合。

該方法根僅考慮管長或供水面積因素，分配的準(zhǔn)確度有待商榷，且參與分配節(jié)點越多，產(chǎn)生的誤差越大。

（2）營銷節(jié)點定位法

該方法基于管網(wǎng)GIS 系統(tǒng)，定位支管用戶水表位置，采用遞歸原理水表上溯至DN300 以上管線節(jié)點［11］，根據(jù)營業(yè)系統(tǒng)計算節(jié)點用水量。

式中：qij表示各戶表流量。

從原理上分析，若不考慮計量設(shè)備誤差，該方法計算節(jié)點流量的準(zhǔn)確度最高，但要收集處理大量計費戶表數(shù)據(jù)，工作強度較大，不適用大規(guī)模管網(wǎng)建模。

2.2 基于分區(qū)計量系統(tǒng)的供水管網(wǎng)模型流量分配

基于分區(qū)計量系統(tǒng)的供水管網(wǎng)模型流量分配方法，該方法在分配居民流量時以三級分區(qū)計量系統(tǒng)中的DMA 為單位，聚合同DMA 的用戶用水量，利用GIS 系統(tǒng)定位五級表（小區(qū)DMA 進水水表），作為用水節(jié)點，結(jié)合水表遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)，分配節(jié)點流量，故稱為DMA 流量分配法。對比營銷節(jié)點定位法以每個用戶為單位，減少了工作量，避免了水表上溯過程中因錯漏導(dǎo)致的誤差；對比傳統(tǒng)的比流量分配法，準(zhǔn)確度更高。具體節(jié)點流量分配方案如下：

（1）總供水計算

模型中，總供水量根據(jù)建模范圍，由相應(yīng)分區(qū)計量數(shù)據(jù)計算所得。例如，當(dāng)建模范圍為某分公司管轄區(qū)域時，利用三級計量表（供水分公司轄區(qū)邊界流量計）數(shù)據(jù)，流入?yún)^(qū)域流量為正、流出為負(fù)，代數(shù)和計算得區(qū)域總用水量。

（2）居民用戶用水量分配

分區(qū)計量系統(tǒng)中，將符合標(biāo)準(zhǔn)的各個居民小區(qū)設(shè)為DMA，進行水量管理及漏損控制。每個DMA設(shè)置3 ～ 5 個邊界五級計量表，即小區(qū)進水管前的小區(qū)表，居民用戶采用DMA 流量分配法。將同屬一個DMA 的居民聚合，五級表（小區(qū)DMA 進水水表）所處節(jié)點即區(qū)域水量分配節(jié)點，根據(jù)GIS 系統(tǒng)定位，遠(yuǎn)傳計量數(shù)據(jù)計算平均時用水量為節(jié)點流量。需要注意區(qū)別DMA 內(nèi)的工商戶水量計量，避免重復(fù)計算分配。

式中：k為誤差系數(shù)，qdi為小區(qū)DMA 邊界計量表。

通過試驗考察個別五級小區(qū)DMA 邊界表與六級計費戶表數(shù)據(jù)的關(guān)系，確定誤差程度［12］。

（3）其他用戶用水量分配

其他用戶包括用水大用戶，如工業(yè)企業(yè)、事業(yè)單位、大型公共建筑等，以及分散的普通工商戶，大用戶和普通工商戶均設(shè)有獨立的六級貿(mào)易結(jié)算表。

大用戶節(jié)點流量分配，根據(jù)GIS 系統(tǒng)定位六級遠(yuǎn)傳水表所處節(jié)點，營收數(shù)據(jù)計算平均時用水量，作為集中流量直接加到所處節(jié)點。

對于分散普通工商戶節(jié)點流量分配基于GIS 系統(tǒng)，將六級工商戶表掛靠到最近管網(wǎng)節(jié)點，根據(jù)營收數(shù)據(jù)統(tǒng)計各用水量類型及其用水量，整合平均時用水量到節(jié)點流量。如圖1，在GIS 系統(tǒng)中使用地理處理功能，以各目標(biāo)節(jié)點為圓心設(shè)置一定直徑的圓形緩沖區(qū)，整理各目標(biāo)節(jié)點緩沖區(qū)內(nèi)工商戶水表數(shù)據(jù)并關(guān)聯(lián)到節(jié)點，完成基于空間位置的水量掛靠。

圖1 GIS 系統(tǒng)工商戶表掛靠節(jié)點Fig.1 Nodes of industrial and commercial household in GIS system

（4）未計量用水量分配

未計量用水量即產(chǎn)銷差水量，是指城市各水廠總供水量和營業(yè)系統(tǒng)計量水量的差值，主要包括管道沖洗水量、維修施工用水量和管網(wǎng)漏滲水量等［13］?；诜謪^(qū)計量系統(tǒng)分配產(chǎn)銷差水量，由四級計量表數(shù)據(jù)可確定二級分區(qū)（供水公司子片區(qū)）供水量，由營收系統(tǒng)的分區(qū)售水量算得各二級分區(qū)區(qū)塊總產(chǎn)銷差水量，在每個區(qū)塊內(nèi)部按照均分比流量的方法沿線分配，再折算到節(jié)點流量。該方法提高了產(chǎn)銷差水量分配準(zhǔn)確性。引入修正系數(shù)Ki，b，將分配的產(chǎn)銷差水量作為節(jié)點的修正水量。

3 實例分析

3.1 H 市管網(wǎng)概況

H 市供水集團公司下轄制水廠10 個，日供水能力251 萬m3。集團公司GIS 系統(tǒng)、營業(yè)系統(tǒng)和SCADA 系統(tǒng)已完整建立，采用分公司管理機制，實現(xiàn)三級分區(qū)，六級計量。此次建模區(qū)域為A區(qū)，由四、五、七水廠聯(lián)合供水。最終建立A 區(qū)管網(wǎng)模型節(jié)點10 568 個；管道10 799 根；管線長度284 778.59 m；模擬當(dāng)日總供水量135 473 m3/d，模擬計算時間步長為1 h。在分區(qū)計量平臺中，A 區(qū)屬一級分區(qū)。總含三級DMA 115 個，部分DMA 如圖2 所示，其中，綠線為供水管道。

圖2 部分三級分區(qū)DMAFig.2 Part of three-level division DMAs

3.2 時變化系數(shù)K 值確定

A 區(qū)域多行政辦公、商務(wù)文化、休閑旅游和綜合居住的地塊，結(jié)合用水性質(zhì)以及水價信息，對用戶進行分類合并［14］，最終將區(qū)域用戶分為居民、公建、辦公及商業(yè)四類用水模式。每類選擇代表用戶3 個，取連續(xù)2 天工作日的遠(yuǎn)傳水表數(shù)據(jù)，計算用水量每小時的時變化乘子，取計算平均值，表征各用水模式一天24 小時每小時用水量與平均時用水量的關(guān)系。再結(jié)合區(qū)域管網(wǎng)總用水量與總供水量，對乘子進行二次校正，使管網(wǎng)水量供需平衡，得各類型用水量時變化曲線如圖3 所示。

圖3 居民用水量時變化曲線Fig.3 Hourly change curve of residential water consumption

3.3 壓力校核結(jié)果

在分析在線設(shè)備位置分布及信息完整度情況后，選出21 個壓力監(jiān)測點作為校核測點。在A 區(qū)管網(wǎng)建模過程中，分別使用了比流量分配法及基于分區(qū)計量系統(tǒng)的DMA 流量分配法。通過EPANET計算兩種流量分配方法對應(yīng)的模型運行結(jié)果，最終結(jié)果見表3，如圖4、圖5 所示。

圖4 傳統(tǒng)比流量法測壓點校核Fig.4 Pressure measuring points verification with traditional specific discharge method

圖5 DMA 流量分配法測壓點校核Fig.5 Pressure measuring point verification of DMA flow distribution method

表3 測壓點壓力模擬誤差結(jié)果Tab.3 Pressure simulation error result

通過以上壓力校驗結(jié)果分析，說明DMA 流量分配法符合趙洪賓教授提出的模型評價標(biāo)準(zhǔn)［1］，較傳統(tǒng)比流量分配法節(jié)點流量計算結(jié)果更準(zhǔn)確，模型精度更高。

3.4 經(jīng)濟效益分析

管網(wǎng)建模是供水領(lǐng)域構(gòu)建智能經(jīng)濟形態(tài)的重要實踐，DMA 流量分配法的經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在其建設(shè)成本和應(yīng)用回報上。對比采用DMA 流量分配法建模與采用其他方法的建設(shè)成本：（1）從實施難度角度考慮，DMA 流量分配法需要處理的數(shù)據(jù)量少，流量分配關(guān)系清晰，易于實施，節(jié)省了技術(shù)人員工作時間；（2）從資源成本角度考慮，DMA 流量分配法與水業(yè)分區(qū)計量平臺結(jié)合，充分利用了智能物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)生的運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，推動數(shù)據(jù)中心資源整合利用；（3）從模型應(yīng)用維護角度考慮，后期模型維護只需要維護人員根據(jù)DMA 流量法節(jié)點流量分配原理，修改各級計量數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過簡單的培訓(xùn)即可掌握。采用DMA 流量分配法完成高精度管網(wǎng)建模，其應(yīng)用回報有：（1）調(diào)度應(yīng)用方面，基礎(chǔ)調(diào)度轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)調(diào)度，應(yīng)急處置轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)警處置，保障供水安全降低運行能耗；（2）漏損控制方面，準(zhǔn)確定位漏損點，降低產(chǎn)銷差水量。對于爆管事故，能夠快速生成關(guān)閥處理方案，提高水業(yè)服務(wù)質(zhì)量。

4 結(jié)論

現(xiàn)今常用的水量分配方法有比流量法、GIS 節(jié)點定位法、營銷節(jié)點法等。建模時需要結(jié)合城市管網(wǎng)實際情況及模型的精度要求，選擇最適配的方法。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，智能終端水表升級，國內(nèi)供水企業(yè)紛紛開展或完善分區(qū)計量工作。新形勢下，提出基于分區(qū)計量系統(tǒng)進行流量分配的方法：DMA 流量分配法，應(yīng)用于H 市A 區(qū)管網(wǎng)建模，模型校核結(jié)果為：測壓點水壓的實測記錄值與計算值 差100% ≤(±4)mH2O；85.83% ≤(±2)mH2O；55.18%≤(±1)mH2O；23.15%≤(±0.5)mH2O。該方法巧妙利用分區(qū)計量數(shù)據(jù)，提高了模型精度的同時，簡化了數(shù)據(jù)收集處理工作，具有一定的經(jīng)濟效益，可為今后分區(qū)計量體系下供水管網(wǎng)水力建模提供參考。