供水管网DMA分区在实际案例中的研究

廖光伟， 张春萍， 武治国， 许荔娜， 杨大明， 孙美琴

(1.武汉智博创享科技股份有限公司，湖北 武汉 430000;2.武汉新烽光电股份有限公司，湖北武汉 430200;3.武汉工程大学，湖北 武汉 430200)

《城市供水管网漏损控制及评定标准》［1］将城镇供水管网基本漏损率分为两级:一级为10%，二级为12%。《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)［2］也针对供水管网漏损控制提出要求:在2017年，全国公共供水管网基本漏损率达到二级标准，到2020年达到一级标准。然而，我国大部分城镇的漏损率仍然较高，有的城市甚至高达40%左右。

通过划分独立计量区域(district metering area，DMA)，分析、计算单个DMA的夜间最小流量(minimum night flow，MNF)、水力模型等，是研究供水管网漏损最常用的分析方法之一，广泛应用于供水管网漏损评估、产销差计算、新增爆管预警、区域压力管控、管网改造和供水系统信息化建设等方面，对促进供水管网的智慧化建设具有十分重要的意义。虽然目前关于DMA分区的定义、设计准则、建立过程、新增漏损预测和控制等理论研究均已十分成熟［3-7］，MNF也成为评估DMA区域实际漏损情况的重要指标。但是在实际应用中，部分企业仍然停留在DMA初级阶段［8］，即前期建设DMA分区计量系统阶段。在建设完成后，DMA分区没有发挥其应有的作用，且并未将DMA分区计量系统与智慧供水信息化系统其他子系统相结合。基于此，笔者以实际供水区域为研究对象，从供水管网DMA分区计量系统的角度出发，通过实地勘察测量、安装传感器，以DMA独立计量区域为最小单元，结合供水管网GIS、SCADA系统、水力模型等，研究DMA分区在实际案例中的应用，以期促进智慧供水信息化系统的建设。

1 DMA区域简介

选取浙江省永康市舟山镇的3个村(舟一村、舟二村、舟三村)作为研究对象，其人口分别为1 373，1 134和733人，户数分别为536，453和300户。实地勘察发现，3个村均为封闭独立的供水区域，通过探查地下管线，搭建了供水管网的GIS，并在每个DMA供水区域的边界和关键节点位置安装时差超声波流量计和压力传感器，利用SCADA系统实时监测供水区域流量和压力的变化。监测数据的采集频率为5 min/次，每天采集288个数据，选取连续1个月的监测数据进行供水管网的漏损分析。

研究发现，这3个村的供水方式均采用提压泵站与重力相结合的方式，重力加压大约为0.18 MPa，用户的供水压力基本维持在0.35 MPa左右;用水户数均在600户以下，属于小型的DMA区域。3个DMA区域每天的流量变化均符合生活规律，早中晚高峰期用水量较大、压力较小，而在凌晨0:00—5:00为用水低峰。选取任意一天分析DMA区域24 h的总流量与压力变化趋势，如图1所示。

图1 DMA区域流量与压力的变化Fig.1 Change of flow and pressure in DMA

2 案例分析

2.1 夜间流量的确定

2.1.1 夜间最小流量

夜间最小流量由用户最小夜间合法用水量、破管漏失水量和背景漏失水量等组成，从图1可以看出，0:00—5:00这一时间段内的流量最小，且波动幅度相近，因此采用该时间段的流量数据来确定DMA区域的夜间最小流量。共采集60个数据，在排出异常波动等干扰后，取时段内的最小流量为MNF。

2.1.2 夜间合法用水量

所选DMA区域内的用户未安装远传智能水表，且机械抄表统计较为困难，用水户的夜间合法用水量只能采用估算的方法。通过较长时间的监测和分析发现，这3个村的合法夜间流量经验值采用每户4.0 L/h的用水量作为夜间最小流量的上限值。根据各村的用水户数，计算出各DMA区域的最大夜间合法流量上限，结果如表1所示。若流量传感器测得的夜间最小流量高于流量上限，则说明该区域存在漏损或用水阀门未关闭等异常情况。

2.2 漏损评估方法

郝志萍［9］、范学研［10］等采用了统计学的方法评估DMA区域的真实漏损，即通过流量的平均值减去其N倍标准差的方法来求解最小夜间流量。结果表明采用95.5%置信度，即置信区间为(μ-2δ，μ+2δ)时，近似得出DMA区域的夜间真实漏损水量。该方法的使用前提是夜间流量数据服从正态分布，但是研究分析中发现所选3个DMA区域的夜间流量并非呈正态分布，其中舟三村的流量分布如图2所示。这可能是因为研究中，数据的采集频率低于郝志萍等人的数据采集频率。实际应用中，因采集频率较高，对设备的功耗要求较高，较难实现，不易在实际应用中推广。因此，采用常用的经验法、比值法等分析DMA区域的漏损情况，并实现爆管等异常情况的预警。

2.2.1 经验法在分析漏损中的应用

图2 正态性检验Fig.2 Normality test

经验法是目前最为常用的漏损分析方法之一，通过经验数据计算DMA区域的夜间合法用户水量，然后将其与实测夜间最小流量进行比较。当两者相差较大时，判定为存在漏水点。该方法不需要计算精确的数值，是一种较为简单的漏损分析方法。根据长期的监测，设定夜间最小流量时段内的最大流量，超过该值则认为出现了新增爆管或其他异常，及时预警。

试验所选的DMA区域内，居民的生活习惯相似，彼此之间虽然存在差异，但这种差异也具有相似性。通过统计学的方法确定正常夜间最小流量的变化范围，超出该合理区间则表明该区域的用水存在异常。长时间的测量发现，排除扰动等干扰数据准确性因素后，各DMA区域的夜间最小流量如表1所示，夜间流量时间序列(0:00—05:00)数据如图3所示。

表1 DMA区域流量统计Tab.1 Statistics of DMA flow m3·h-1

图3 独立DMA分区夜间流量曲线Fig.3 Night flow curve of independent DMA

对比发现，各DMA区域的夜间最小流量均远大于对应区域的合法夜间流量，初步判断所选的DMA区域存在较多的漏水点，且漏水量较大。通过对3个DMA区域干管进行漏损检查(沿线明漏排查、夜间听漏等)发现，主干管、阀门、公共洗手间等处均存在水量较大的漏水点。

此外，较长时间的监测数据表明，在未修复已有漏损点的情况下，每天的夜间最小流量基本维持稳定。因此，可将天数作为横坐标记录每天的夜间最小流量，用于新增漏损预警。

2.2.2 比值法在分析漏损中的应用

对于实测的夜间最小流量与日均小时流量，如果两者的比值Xi超过某一百分点，认为该DMA区域管网可能存在异常［11］。

不同国家和地区对Xi的取值不同，目前英国的取值为40%，美国为50%［12］。在实际应用中，可以通过较长时间的统计分析得到比值法中的合理临界值X0，即统计大量的Xi值，若有50%的比值X均小于X0，则可以将X0视为比值法的合理临界值［11］。

根据表1中的数据，计算得到舟一村、舟二村、舟三村的比值 X1、X2和 X3分别为 65.75%、76.56%和72.02%。若将这些比值作为各DMA区域的临界值，在后续的比值分析过程中，当大于相应区域的临界值时，则判断该区域出现了新增异常。

2.3 水力模型在DMA分区中的应用

在建立水力模型前，先将压力与流量监测点进行分级。

一级计量:监测自来水厂或DMA区域供水干管流量，以及上游水泵或减压阀后节点压力，实时掌握自来水厂或DMA区域的总供水量和监测区域的进水口压力。

二级计量:衔接一、三级计量，对供水管网的管段流量、节点压力进行全面监测，为供水管网管理提供实时数据，是预测爆管、及时解决突发事件的重要参数，发生漏损时的定位精度与流量传感器布置的数量和位置有关。

三级计量:实时监测DMA区域内的下游大用水户用水量、重要支管用水量和最不利点、低压区压力，实时掌握供水管网总用水量的变化趋势以及监测压力是否满足需求，为收取水费、计算产销差、优化调度等提供依据。

建立仿真模型时，从GIS系统接入舟三村的管网拓扑结构与属性等数据，如图4所示。

图4 舟三村供水水力模型Fig.4 Hydraulic model of water supply of Zhousan Village

同时，从SCADA系统实时导入三级流量参数与一级压力参数，并根据二级计量参数对水力模型进行校核，使水力模型的模拟值与实时监测值相比具有较高的准确度［13］，模拟结果如图5所示。

建立DMA区域水力模型，并校核和比较二级计量参数的模拟值和实测值，发现两者具有较高的拟合度。通过较长时间的校核、优化，可以使用水力模型模拟DMA区域供水管网的运行，当实测值与模拟值的相对误差较大时，判断供水管网存在异常。通过详细分析供水管网各监测点的压力、流量数据，逐步缩小异常点范围，直至找到漏损点。

在建立水力模型的基础上，能在满足最不利点压力需求的同时，对管网进行调度优化，从而降低管网漏损。一般供水管网的用户需水量、管网压力、管网漏损量之间的关系如图6所示［14］，如需调节一级计量压力，在夜间需水量小时，适当调低压力;在日间需水量大时，则适当调高压力;或在夜间利用蓄水池蓄水，日间利用蓄水池放水等。通过对管网压力进行优化，有效降低DMA区域内管网的漏损。

图5 模拟值与实测值对比Fig.5 Comparison of simulated and measured values

此外，还可以将水力模型应用于新、旧管网改造。以2020年初新型冠状病毒肺炎疫情防控中，新建的雷神山、火神山两座医院为例。在医院的建设过程中，武汉水务集团基于供水管网的GIS、SCADA系统，将管网的属性、需水量、供水压力等参数导入水力模型中，通过模拟管网的运行状态来开展供水系统的方案设计，再通过现场查勘进一步优化、确定方案，最终交付、落实施工，从而在较短时间内完成了供水管网改造，保证了医院投入使用后对水源供应的需求。因此，研究和开发智慧水务系统，不但能促进供水管网的信息化建设，还可为新旧管网的建设和改造、管网漏损、爆管等异常事件的处理，以及供水的优化调度等水务管理提供全面、安全、科学、经济的解决方案。

图6 压力、流量和漏水量的变化曲线Fig.6 Curve of pressure，flow rate and water leakage

3 结论

① 研究DMA分区在实际案例中的应用，有效结合了地下管线探查搭建的供水管网GIS、安装传感器构建的SCADA系统和模拟仿真供水管网运行的水力模型，有助于促进智慧供水的建设。

② 受数据采集频率等因素的影响，采用统计学的方法评估DMA区域的真实漏损并不一定适用于所有的供水独立计量区域，尚不适合大面积推广使用。

③ 采用比值法可以实现对DMA区域新增爆管等异常漏损事件的预警。采用经验法不仅能实现对新增漏损等的预警，还能对区域的漏损程度进行评估。

④ 以DMA区域为单位搭建供水管网水力模型，模拟供水管网运行结果表明:实际管网与水力模型中相同监测点的流量变化具有较高的拟合度，可通过比较同一二级流量监测点的实测流量与模拟流量的变化趋势，判断管网运行是否存在异常，同时对异常的范围进行快速预警和定位。

⑤ 通过应用水力模型模拟供水管网运行，可为供水管网调度优化、改造等提供依据，促进水务工作安全、科学进行。