EPANET 在供水管网漏损检测中的研究

刘小俊， 李 寻， 张 雪

(1.东华理工大学 水资源与环境工程学院，江西 南昌330013;2.河海大学，江苏 南京210098;3.苏州市自来水有限公司，江苏 苏州215002)

供水管网的漏损检测是一项技术复杂的工作，传统的检测方法包括音频查询法、流量测定法、压力波振幅目视定位法、漏水量直接测定位置法等［1］。这些测定方法都需要大量技术人员参与到管网的检测工作中，由于管网的铺设范围广，检测工作量庞大。近年来，随着计算机软件的应用越来越广泛，运用数值模拟的方法代替部分人为操作复杂且繁琐的工作成为一种趋势，例如牛志广等［2］采用EPANET软件，根据MLE 模型对城市的供水系统进行风险评估，为其改造升级提供支撑。班福忱等［3］采用WaterGEMS 软件对管网的节点水龄和余氯浓度进行了研究，并总结出两者之间的规律。

国内外很多学者应用EPANET 在供水管网建模和应用方面取得了大量的研究成果。例如马霞等［4］通过EPANET 研究管网的水龄，最后得出了节点水龄和用户用水量之间的关系;李寻等［5］运用EPANET 模拟管网中的余氯和水龄，并通过实例分析验证了水龄和余氯浓度呈反比;刘百仓等［6］比较了EPANET 软件模拟得出的数据和实际监测的数据，结果表明两者相差不大，均小于3%;朱振明［7］尝试了EPANET 在列车供水管网的应用，利用软件模拟、分析列车管网的水力状况并进行泄漏点的诊断;Monteiro L 等［8］运用EPANET MSX 对供水管网系统中的余氯衰减进行模拟，评价了一阶和n 阶的衰减动力学的性能;Anca Constantin等［9］采用EPANET程序优化某地区供水网络的技术参数，并由此确定由于未来日益增长的用水需求调整该管网的可能性大小。EPANET在管网水力、水质方面建模的研究中均有较好的应用，但在管网运行和维护，例如在城市供水管网系统的漏点检测中，很少应用EPANET 所建立的水力模型。

因此，笔者基于EPANET 软件尝试建立某区域的供水管网水力模型，通过软件的运行和分析，结合实际监测数据，建立漏点检测的方法，以期为供水管网的漏点检测提供一种新的思路。

1 EPANET 软件

EPANET 软件是一款模拟供水管网的专业计算机软件，可以实时模拟管网中水质和水力的变化情况，并可模拟管网中的余氯、三卤甲烷等某些反应物的浓度变化，具有管网平差、模拟运行、水质监测、信息输出等功能［10］。

2 管网水力计算

2.1 节点流量计算

对于管网中的任意节点j，根据质量守恒原理，可得到节点流量的连续性方程，即流入节点的所有流量之和应等于流出节点的所有流量之和:

式中:qi为管段i 的流量;Qj为节点j 的流量;Sj为与节点j 相关联的管段的集合;N 为管网模型中的节点总数;∑i∈Sj±为对节点j 关联集中管段进行有向求和。当管段方向指向该节点时取负值，反之取正值。

2.2 节点压力计算

管段的水头损失的公式如下:

式中:Sf为管道摩阻系数;Sm为局部阻力系数;Sg为管道阻力系数。

根据式(2)，将管段流量表达为节点压力的函数:

式中:j 为节点编号;k 为与节点j 邻接的节点号;sjk为管段jk 的摩阻系数。

将式(3)带入式(1)，可以得到各节点的压力方程［11］:

3 供水管网水力模型的构建

3.1 管网模型基础资料

对某区域供水管网进行模拟研究。该管网是1个完整的环状结构，其中水源1 处，供水管道最小管径为200 mm，最大为1000 mm，共有53 个节点和88条管道。

3.2 设置参数

根据提供的管网数据资料，水源的总水头为90.035 m。根据经验，水头损失公式采用海曾-威廉公式，粗糙系数C 值取100。在软件中对管道、节点属性等进行设置。模拟的总时长为72 h，水力时间步长为1 h，水质时间步长为5 min。

3.3 管网模型运行

经过EPANET 软件的运行和分析，可以将结果通过图表的方式输出。选取用户日用水量最高时段和日用水量最低时段，将该时刻的节点水头和管段流量单独列出并分析。从中得到整个管网系统运行的特点和各个管段、节点的相关数据，并通过与实际供水管网中控室的实时监测数据对比分析，判断某一节点是否存在漏点。

由提供的数据分析可知，该供水管网系统的用户日用水量最高时段为19:00—20:00，最低时段为1:00—2:00。对于这2 个时段的用水状况，首先分析并记录管网中实时监测节点的数据;其次，在EPANET 软件中建立管网水力模型，并在软件中运行;最后，对比这2 个时段的运行数据与实时监测数据，分析2 组数据之间的差异性。例如EPANET 模拟管网某一时刻的节点压力和管段流量，结果见图1 和图2。

图1 管网某时刻节点压力分布Fig.1 Pressure distribution of the pipeline networkat a certain time

图2 供水管网某时刻各管段流量分布Fig.2 Flow distribution of each pipe section at a certain time in the water supply network

3.4 结果分析

如图2 所示，若离水源较远的控制点节点39 的模拟的节点压力为56.33 m，而实际节点压力比模拟节点压力小。同时若节点39 附近的管道实时监测流量较模拟的管道流量明显增加，但节点压力却较小，有的还可能出现负压，并且这种现象不可逆。如果用水量最高时段和最低时段监测分析的结果类似，由此可以判断节点39 或者其周围附近的某个节点或管段可能出现了泄漏。这就缩小了管网的漏点范围，有利于下一步结合人工巡检，采取措施进行查漏和止漏工作。

4 结论

检测管网是否发生泄漏，一方面能有效避免水资源的浪费，另一方面也是供水企业止损的重要举措之一。利用EPANET 软件对供水管网系统进行水力分析和漏点检测，主要是通过模拟管网中管段的流量和节点的压力，与管网实时在线监测系统的流量数据和压力数据进行对比，分析管网的运行状态并确定管网漏点的范围。该方法可为管网的日常运行和维护提供帮助，在缩小漏点范围后，有目的地进行管网检测并及时止漏，大大提高了工作效率，既减少了水资源浪费又节省了人力。