侯建楠，李鑫，陶其育

（1.天津津?yàn)I威立雅水業(yè)有限公司，天津 300011；2.天津市自來水集團(tuán)公司第一營銷分公司，天津 300000；3.天津市公用事業(yè)設(shè)計(jì)研究所，天津 300100）

1 研究意義和必要性

城市供水管網(wǎng)漏失問題已經(jīng)在世界范圍內(nèi)引起廣泛重視，許多學(xué)者都在進(jìn)行漏失模擬、檢測、修復(fù)等研究。壓力最優(yōu)控制降漏法的實(shí)質(zhì)是通過科學(xué)地控制減壓閥開啟度以及水泵的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的優(yōu)化分布，進(jìn)而達(dá)到降低漏失的目的。該模型中實(shí)現(xiàn)漏失量與節(jié)點(diǎn)流量的分離，利用其與壓力的關(guān)系將漏失量準(zhǔn)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(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況。進(jìn)行減壓閥、在線監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化定位算法分析，以典型區(qū)域示范為基礎(chǔ)，構(gòu)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(shí)現(xiàn)漏失控制自動(dòng)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(xiàn)有漏失直接探測和修復(fù)以及運(yùn)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(zhì)等。直接探測和修復(fù)現(xiàn)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(chǎn)生的大量漏失，但是不能降低因管道連接處滲漏而產(chǎn)生的背景漏失。目前已經(jīng)建立了許多預(yù)測、定位和量化管網(wǎng)中漏失的算法。壓力管理是降低漏失的最經(jīng)濟(jì)有效的方法之一，并在許多自來水公司中得到應(yīng)用。與此同時(shí)，科學(xué)的壓力管理進(jìn)一步把漏失的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。許多研究者已經(jīng)建立和應(yīng)用了各種最優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行壓力的方法和算法，可以極大地減少漏失。

結(jié)合城市供水管網(wǎng)水力模型與基于壓力的漏失模型，通過對(duì)分區(qū)邊界和內(nèi)部減壓閥進(jìn)行調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)壓力控制管理，進(jìn)而降低管網(wǎng)漏失，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近20 a來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，根據(jù)城市發(fā)展需要改擴(kuò)和新建了許多供水管網(wǎng)，并更換了大量的老化管道。但由于供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)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(chǎn)差和有效的控制漏損等給水管網(wǎng)維護(hù)管理工作已成為我國目前供水行業(yè)研究的重點(diǎn)問題。在水資源匱乏、水源污染嚴(yán)重、建設(shè)資金短缺以及城市供水難以滿足需求的情況下，加強(qiáng)漏損控制對(duì)于有效地利用水資源、減少對(duì)環(huán)境的危害、減少或延緩水系統(tǒng)建設(shè)投資、降低運(yùn)行和管理費(fèi)用、改善服務(wù)供應(yīng)、提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均具有重要意義。管網(wǎng)漏損在供水行業(yè)是一個(gè)普遍現(xiàn)象，漏損控制可以有效地節(jié)約水資源，提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。以華北某市日平均供水量100萬t計(jì)，產(chǎn)銷差約為20%，漏失率約為12%，在此基礎(chǔ)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(jì)，全年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約1 708萬～2 491萬元。項(xiàng)目推廣在全國供水行業(yè)可以產(chǎn)生較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2001年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)根據(jù)實(shí)際供水管網(wǎng)的漏損數(shù)據(jù)，采用時(shí)間序列分析方法建立了給水管網(wǎng)漏失預(yù)測的線性指數(shù)平滑模型和二次曲線平滑模型，通過實(shí)例驗(yàn)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(shù)平滑模型。隨后，天津大學(xué)在對(duì)供水管網(wǎng)漏損數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析的基礎(chǔ)上按照管段實(shí)際發(fā)生漏損次數(shù)的多少，分為2種情況建立了供水管網(wǎng)漏損時(shí)間的預(yù)測模型：對(duì)漏損次數(shù)延4次的管段采用基于SAS系統(tǒng)的多元線性回歸方法，對(duì)漏損次數(shù)大于4次的管段則采用灰色預(yù)測方法。2004年，同濟(jì)大學(xué)以管網(wǎng)歷史漏損統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以漏損控制總費(fèi)用最低為目標(biāo)，采用自回歸滑動(dòng)平均混合過程及疊合模型預(yù)測管網(wǎng)漏量、漏損件數(shù)，并求解管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)漏水量，在此基礎(chǔ)上建立漏損檢測周期的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

國外在這方面的研究發(fā)展較快，除研究了多元線形回歸模型、指數(shù)平滑模型等漏損預(yù)測模型外，還研究了自控閥調(diào)節(jié)下管網(wǎng)漏損模型，在管網(wǎng)中普遍設(shè)置了自控閥，通過優(yōu)化減壓裝置和開啟度來降低管網(wǎng)中的漏失。一般來說，按管網(wǎng)的水力工況把供水管網(wǎng)分成小區(qū)，再基于小區(qū)進(jìn)行漏失控制。目前，國內(nèi)外關(guān)于供水管網(wǎng)漏損控制研究都在向?qū)崟r(shí)在線檢測和人工智能方面發(fā)展。

3 產(chǎn)業(yè)化前景

在水資源嚴(yán)重短缺的形勢下，大、中、小城市的供水生產(chǎn)部門控制供水管網(wǎng)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(yè)降低產(chǎn)銷差率，提高經(jīng)濟(jì)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(wěn)定的服務(wù)；減少背景滲漏及暗漏量；減少設(shè)施維修量；延長資產(chǎn)壽命；壓力控制所需的閥門費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于管網(wǎng)改造費(fèi)用。

建立基于壓力的供水管網(wǎng)漏失模型和供水管網(wǎng)綜合水力模型，可以為實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量管理、確定供水管網(wǎng)減壓閥布置方案提供可行理論基礎(chǔ)。天津市是華北地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)中心，城市區(qū)域供水管網(wǎng)背景漏失控制研究成果的成功應(yīng)用可以起到示范作用，帶動(dòng)華北廣大城市在該技術(shù)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)步和巨大效益。

4 研究內(nèi)容及方法

考慮漏失控制的城市供水管網(wǎng)科學(xué)分區(qū)方法[1]，以某個(gè)城市供水為實(shí)例形成城市供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量管理方案；提供減壓閥最優(yōu)調(diào)度方案[2]，實(shí)現(xiàn)城市供水管網(wǎng)壓力最優(yōu)化控制，降低爆管事故率；降低供水管網(wǎng)背景漏失，實(shí)現(xiàn)示范區(qū)域內(nèi)供水管網(wǎng)漏失率在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上降低10%～15%。

傳統(tǒng)給水管網(wǎng)建模理論將管網(wǎng)漏失流量按一定比例折算到節(jié)點(diǎn)流量中，無法對(duì)管網(wǎng)中漏失進(jìn)行控制與評(píng)價(jià)。城市給水管網(wǎng)壓力與漏失控制研究提出新型給水管網(wǎng)微觀水力模型建模理論，在傳統(tǒng)水力模型中引入漏失與壓力關(guān)系數(shù)據(jù)，并且建立新型給水管網(wǎng)微觀水力模型求解算法。該模型對(duì)于給水管網(wǎng)背景漏失量評(píng)價(jià)與控制具有重要意義。其研究主要內(nèi)容如下。

4.1 城市供水管網(wǎng)分區(qū)方法研究

本研究根據(jù)國際水協(xié)提供的供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量方法，針對(duì)我國供水管網(wǎng)實(shí)際情況建立適應(yīng)國情的供水管網(wǎng)分區(qū)方法，對(duì)分區(qū)內(nèi)漏失進(jìn)行定量分析，指導(dǎo)給水管網(wǎng)漏失探測行為。傳統(tǒng)給水管網(wǎng)減壓閥設(shè)置以工程技術(shù)人員工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而給水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量管理為給水管網(wǎng)減壓閥設(shè)置提供科學(xué)指導(dǎo)。

事實(shí)上，由于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃布局和供水管網(wǎng)壓力優(yōu)化管理的需要，分區(qū)計(jì)量區(qū)域的規(guī)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(qū)域逐級(jí)細(xì)化，實(shí)現(xiàn)考慮漏失控制的城市供水管網(wǎng)科學(xué)分區(qū)。

4.2 城市供水管網(wǎng)綜合水力模型建立

4.2.1 給水管網(wǎng)水力模型分析

傳統(tǒng)供水管網(wǎng)水力模型包含節(jié)點(diǎn)連續(xù)性方程、能量守恒方程和水頭損失方程。管網(wǎng)水力計(jì)算時(shí)按比例分配節(jié)點(diǎn)流量，并未考慮管網(wǎng)漏失量對(duì)節(jié)點(diǎn)流量分配的影響。研究表明，供水管網(wǎng)漏失量與壓力有關(guān)，相關(guān)研究人員建立了基于壓力的漏失量模型。該模型是管網(wǎng)漏失優(yōu)化控制的基礎(chǔ)水力模型，消除了形成傳統(tǒng)水力模型誤差的重要因素，極大提升了傳統(tǒng)水力模型的精度。

本研究對(duì)傳統(tǒng)水力模型進(jìn)行改進(jìn)，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)流量由節(jié)點(diǎn)用水量和漏失量組成，建立包含漏失模型的供水管網(wǎng)綜合水力模型。

4.2.2 給水管網(wǎng)漏失模型分析以及相關(guān)參數(shù)推理

當(dāng)缺乏詳細(xì)漏失信息時(shí)，通過夜間最小流量方法和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來估計(jì)漏失模型參數(shù)。

4.2.3 給水管網(wǎng)綜合水力模型求解算法理論分析

根據(jù)能量平衡和節(jié)點(diǎn)流量平衡原理，利用節(jié)點(diǎn)壓力向量、管段流量向量、節(jié)點(diǎn)用水量向量以及節(jié)點(diǎn)漏失量向量進(jìn)行算法理論分析，來推導(dǎo)出考慮管網(wǎng)漏失的給水管網(wǎng)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(wǎng)壓力管理最優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)建立

以邊界流量的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)以及安全供水為約束條件，建立供水管網(wǎng)壓力[3-5]管理最優(yōu)化控制策略。假設(shè)節(jié)點(diǎn)用水量與壓力無關(guān)，則邊界流量成本最低即為漏失量最低。當(dāng)系統(tǒng)中不含蓄水設(shè)施時(shí)，可以在每個(gè)時(shí)間段單獨(dú)進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算。

供水管網(wǎng)壓力管理最優(yōu)化控制過程中，對(duì)于邊界減壓閥決策變量采用邊界水頭，對(duì)于內(nèi)部減壓閥決策變量采用閥門阻力系數(shù)?？刂七^程中將閥門阻力系數(shù)轉(zhuǎn)化為閥門開啟狀態(tài)。

4.4 壓力最優(yōu)化控制問題求解

減壓閥優(yōu)化調(diào)度模塊通過高級(jí)數(shù)學(xué)建模語言通用代數(shù)建模系統(tǒng)（GAMS或MATLAB）實(shí)現(xiàn)，利用非線性規(guī)劃法進(jìn)行求解。優(yōu)化解以閥門優(yōu)化調(diào)度策略的形式表達(dá)，可以通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的后處理繪制減壓閥壓力與流量關(guān)系曲線。

4.5 關(guān)鍵技術(shù)問題的研究解決

建立的新型供水管網(wǎng)水力模型及漏失模型采用漏失與壓力和流量函數(shù)關(guān)系，區(qū)別于總漏失量在管網(wǎng)中平均分配的傳統(tǒng)水力模型及漏失模型；采用減壓閥實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域供水管網(wǎng)背景漏失的壓力控制，區(qū)別于傳統(tǒng)的對(duì)大流量漏失點(diǎn)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(yīng)用經(jīng)濟(jì)漏失概念，綜合漏失水量費(fèi)用和漏失控制費(fèi)用兩項(xiàng)經(jīng)濟(jì)因素，使優(yōu)化漏失控制更加科學(xué)。關(guān)鍵技術(shù)問題，記述如下。

4.5.1 考慮漏失控制的管網(wǎng)細(xì)化分區(qū)方法

在保證用戶水壓足夠的前提下，分區(qū)后管網(wǎng)應(yīng)均衡水壓，盡可能實(shí)現(xiàn)低壓供水以利于減少漏失量、降低能耗和事故發(fā)生率。為將區(qū)域水壓控制在一定范圍內(nèi)，需考慮以下因素來確定區(qū)域規(guī)模：區(qū)域內(nèi)地形標(biāo)高差、管道水頭損失、區(qū)域形狀、進(jìn)水點(diǎn)位置、人口密度及工業(yè)用水情況等。為減少管網(wǎng)改造費(fèi)用，應(yīng)根據(jù)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有主要管道的管徑確定管段流量，設(shè)計(jì)分區(qū)規(guī)模。另外，分區(qū)之后的區(qū)域規(guī)模應(yīng)便于漏失調(diào)查和區(qū)域計(jì)量。

4.5.2 基于漏失與壓力和流量函數(shù)關(guān)系的供水管網(wǎng)水力模型的建立與求解方法

壓力漏失模型認(rèn)為漏失與壓力是相關(guān)的，漏失點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)的出水量與該點(diǎn)處的管網(wǎng)壓力水頭直接相關(guān)。在城市供水管網(wǎng)模型中，常采用點(diǎn)式漏失模型來描述漏失量與漏點(diǎn)處壓力的關(guān)系，目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Q為流量（m3/s）；β為流量系數(shù)；μ為漏失指數(shù)；P為節(jié)點(diǎn)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(jié)合。首先，進(jìn)行水量衡算，初步估算管網(wǎng)的漏損情況；其次，利用夜間最小流量模型對(duì)管網(wǎng)的夜間最小流量發(fā)生時(shí)刻的漏損率以及日平均漏損率進(jìn)行漏失計(jì)算；再次，結(jié)合水力模型，通過軟件模擬，反復(fù)疊加運(yùn)算，不斷擬合實(shí)際工況，將漏失水量按受壓力的影響分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以確定各條管段的漏損率。

4.5.3 減壓閥優(yōu)化控制模型的快速遺傳求解算法

對(duì)供水管網(wǎng)壓力較高的區(qū)域，在考慮供水安全的條件下采用減壓閥優(yōu)化控制可以降低管網(wǎng)漏失，以控制管網(wǎng)中不利點(diǎn)的壓力為約束條件建立管網(wǎng)壓力模型，在管網(wǎng)中布置足夠多的壓力點(diǎn)進(jìn)行SCADA壓力流量數(shù)據(jù)采集，將這些數(shù)據(jù)代入管網(wǎng)壓力模型中構(gòu)建大型矩陣方程，再利用快速遺傳求解算法計(jì)算。

4.6 研究方法和技術(shù)路線

4.6.1 研究方法

本研究綜合數(shù)值模擬、最優(yōu)化方法、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)測方法對(duì)供水管網(wǎng)壓力與水漏失控制進(jìn)行研究，即將傳統(tǒng)給水管網(wǎng)水力建模理論與基于壓力的漏失模擬理論結(jié)合，建立新型給水管網(wǎng)微觀水力模型，構(gòu)建大型非線性方程組求解。通過實(shí)驗(yàn)研究確定漏失模型指數(shù)，通過夜間最小流量測量與分析確定漏失常數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)方法測定減壓閥流量壓力曲線，采用最優(yōu)化方法對(duì)給水管網(wǎng)壓力與漏失進(jìn)行優(yōu)化控制。

4.6.2 技術(shù)路線

本研究的技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1 城市區(qū)域供水管網(wǎng)背景漏失控制研究的技術(shù)路線

5 結(jié)語

本研究通過對(duì)城市供水管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)量分區(qū)管理，在管網(wǎng)上實(shí)施減壓閥最優(yōu)調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)了城市供水管網(wǎng)壓力最優(yōu)化控制，降低了爆管事故發(fā)生率，降低了供水管網(wǎng)背景漏失，提高了供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。