基于分区计量系统的供水管网模型流量分配方法研究

刘雅亭，黄显怀，杨伟伟，宋 纲，朱 波

（1.安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学 水污染控制与废水资源化安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601；3.合肥市供水集团，安徽 合肥 230011）

给水管网系统建模，是指通过图形模拟、状态模拟、参数模拟建立管网系统数学模型的过程，如今已成为仿真给水管网系统工况最有效的方法［1］，对城市管网的安全运行、优化改造、智能管理等具有重要应用意义。节点流量分配是管网建模工作中的一项关键内容，节点流量和管道摩阻同为模型微观校核的重要参数，其分配是否准确直接关系到模型的精度和管网模型应用的效果［2］。

随着管网建模技术的发展，许多学者对节点流量的分配方法进行了优化研究。早期以均分比流量法计算沿线流量，继而确定节点流量，计算精度差。杨玉奎等［3］针对均分比流量方法的缺陷，引入地理信息系统技术（GIS），提出街区沿线比流量的概念，以街区为单位，考虑街区面积、人口密度、内部大用户用水量因素，计算各个街区的比流量，要求数据量大。王彤等［4］提出了管网营销数据结合GIS 定位技术，计算节点流量的方法，将营业系统中的户表上溯至干管节点，根据收费数据计算节点流量，过程中需统计核对大量水表资料，工作强度高。

本文结合分区计量系统的开发现状与水力模型的构建要求，对模型节点流量分配方法进行了创新，利用分区计量数据，对居民户用水量、其他工商户用水量以及产销差水量进行分配。以H 市A 区供水管网为例，阐述了管网建模过程中基于三级分区计量体系和GIS 系统进行节点流量分配的方法，并验证了最终模型的压力校核结果。

1 DMA 分区计量

供水管网分区计量，是指通过将整个城镇管网划分为若干独立计量区域，实现供水量、售水量、漏损水量可分区量化的管理模式。1980 年，英国水工业协会首次提出District Metering Area（DMA）的概念，定义为供配水系统内分割的独立区域［5］。是供水企业控制水量漏失的有效方法之一。国内外已经提出了多种创建DMA 的方法和算法建议，以便控制和管理供水管网中的水损失［6-7］。

构建标准的三级分区计量体系，首先基于分区原则［8］制定分区方案，合理设置管网大区、子片区及总考核表（小区、农村、支线考核及终端用户），在满足供水安全和管理上便利性的同时，兼顾管网本身的拓扑特性，适应各区域内相应的供水模式［9］。根据分区方案，安装流量计或关闭分界阀门形成独立封闭且边界清晰的管网区块，建立以“分公司辖区—辖区内子片区—小区DMA”为结构的三级分区计量管理体系。利用上述分区计量体系水量数据指导管网模型节点流量计算，细化区域管网水量，使流量分配更精准。

H 市供水集团建立以水源厂出厂流量计、水厂进出厂流量计、供水分公司辖区边界计量、供水分公司子片区边界计量、DMA 分区计量、贸易终端结算水表为计量节点的六级嵌套计量模式，完整构建与公司分区考核管理相结合的六级计量三级分区体系，如表1、表2 所示。

表1 六级计量管理体系Tab.1 Six-level measurement management system

表2 分区计量体系Tab.2 Zoning measurement system

2 节点流量分配

2.1 常规节点流量分配

常规节点流量分配是集中流量和沿线流量的分配，集中流量可直接加到所处节点。居民生活用水、浇路或绿化用水等分散用水组成沿线流量，常规分配方法如下：

（1）比流量法

该方法按管段配水长度或按配水管段的供水面积分配计算沿线水量［10］。

或

式中：qmi表示各管段沿线流量，L/s；Lmi表示表示管长，m；Ai表示供水面积，m2；ql表示管长比流量，L/（S·m）；qA表示面积比流量，L/（S·m2）；Sj表示节点j的关联集，即与节点j 关联的所有管段编号的集合。

该方法根仅考虑管长或供水面积因素，分配的准确度有待商榷，且参与分配节点越多，产生的误差越大。

（2）营销节点定位法

该方法基于管网GIS 系统，定位支管用户水表位置，采用递归原理水表上溯至DN300 以上管线节点［11］，根据营业系统计算节点用水量。

式中：qij表示各户表流量。

从原理上分析，若不考虑计量设备误差，该方法计算节点流量的准确度最高，但要收集处理大量计费户表数据，工作强度较大，不适用大规模管网建模。

2.2 基于分区计量系统的供水管网模型流量分配

基于分区计量系统的供水管网模型流量分配方法，该方法在分配居民流量时以三级分区计量系统中的DMA 为单位，聚合同DMA 的用户用水量，利用GIS 系统定位五级表（小区DMA 进水水表），作为用水节点，结合水表远传数据，分配节点流量，故称为DMA 流量分配法。对比营销节点定位法以每个用户为单位，减少了工作量，避免了水表上溯过程中因错漏导致的误差；对比传统的比流量分配法，准确度更高。具体节点流量分配方案如下：

（1）总供水计算

模型中，总供水量根据建模范围，由相应分区计量数据计算所得。例如，当建模范围为某分公司管辖区域时，利用三级计量表（供水分公司辖区边界流量计）数据，流入区域流量为正、流出为负，代数和计算得区域总用水量。

（2）居民用户用水量分配

分区计量系统中，将符合标准的各个居民小区设为DMA，进行水量管理及漏损控制。每个DMA设置3 ～ 5 个边界五级计量表，即小区进水管前的小区表，居民用户采用DMA 流量分配法。将同属一个DMA 的居民聚合，五级表（小区DMA 进水水表）所处节点即区域水量分配节点，根据GIS 系统定位，远传计量数据计算平均时用水量为节点流量。需要注意区别DMA 内的工商户水量计量，避免重复计算分配。

式中：k为误差系数，qdi为小区DMA 边界计量表。

通过试验考察个别五级小区DMA 边界表与六级计费户表数据的关系，确定误差程度［12］。

（3）其他用户用水量分配

其他用户包括用水大用户，如工业企业、事业单位、大型公共建筑等，以及分散的普通工商户，大用户和普通工商户均设有独立的六级贸易结算表。

大用户节点流量分配，根据GIS 系统定位六级远传水表所处节点，营收数据计算平均时用水量，作为集中流量直接加到所处节点。

对于分散普通工商户节点流量分配基于GIS 系统，将六级工商户表挂靠到最近管网节点，根据营收数据统计各用水量类型及其用水量，整合平均时用水量到节点流量。如图1，在GIS 系统中使用地理处理功能，以各目标节点为圆心设置一定直径的圆形缓冲区，整理各目标节点缓冲区内工商户水表数据并关联到节点，完成基于空间位置的水量挂靠。

图1 GIS 系统工商户表挂靠节点Fig.1 Nodes of industrial and commercial household in GIS system

（4）未计量用水量分配

未计量用水量即产销差水量，是指城市各水厂总供水量和营业系统计量水量的差值，主要包括管道冲洗水量、维修施工用水量和管网漏渗水量等［13］。基于分区计量系统分配产销差水量，由四级计量表数据可确定二级分区（供水公司子片区）供水量，由营收系统的分区售水量算得各二级分区区块总产销差水量，在每个区块内部按照均分比流量的方法沿线分配，再折算到节点流量。该方法提高了产销差水量分配准确性。引入修正系数Ki，b，将分配的产销差水量作为节点的修正水量。

3 实例分析

3.1 H 市管网概况

H 市供水集团公司下辖制水厂10 个，日供水能力251 万m3。集团公司GIS 系统、营业系统和SCADA 系统已完整建立，采用分公司管理机制，实现三级分区，六级计量。此次建模区域为A区，由四、五、七水厂联合供水。最终建立A 区管网模型节点10 568 个；管道10 799 根；管线长度284 778.59 m；模拟当日总供水量135 473 m3/d，模拟计算时间步长为1 h。在分区计量平台中，A 区属一级分区。总含三级DMA 115 个，部分DMA 如图2 所示，其中，绿线为供水管道。

图2 部分三级分区DMAFig.2 Part of three-level division DMAs

3.2 时变化系数K 值确定

A 区域多行政办公、商务文化、休闲旅游和综合居住的地块，结合用水性质以及水价信息，对用户进行分类合并［14］，最终将区域用户分为居民、公建、办公及商业四类用水模式。每类选择代表用户3 个，取连续2 天工作日的远传水表数据，计算用水量每小时的时变化乘子，取计算平均值，表征各用水模式一天24 小时每小时用水量与平均时用水量的关系。再结合区域管网总用水量与总供水量，对乘子进行二次校正，使管网水量供需平衡，得各类型用水量时变化曲线如图3 所示。

图3 居民用水量时变化曲线Fig.3 Hourly change curve of residential water consumption

3.3 压力校核结果

在分析在线设备位置分布及信息完整度情况后，选出21 个压力监测点作为校核测点。在A 区管网建模过程中，分别使用了比流量分配法及基于分区计量系统的DMA 流量分配法。通过EPANET计算两种流量分配方法对应的模型运行结果，最终结果见表3，如图4、图5 所示。

图4 传统比流量法测压点校核Fig.4 Pressure measuring points verification with traditional specific discharge method

图5 DMA 流量分配法测压点校核Fig.5 Pressure measuring point verification of DMA flow distribution method

表3 测压点压力模拟误差结果Tab.3 Pressure simulation error result

通过以上压力校验结果分析，说明DMA 流量分配法符合赵洪宾教授提出的模型评价标准［1］，较传统比流量分配法节点流量计算结果更准确，模型精度更高。

3.4 经济效益分析

管网建模是供水领域构建智能经济形态的重要实践，DMA 流量分配法的经济效益主要体现在其建设成本和应用回报上。对比采用DMA 流量分配法建模与采用其他方法的建设成本：（1）从实施难度角度考虑，DMA 流量分配法需要处理的数据量少，流量分配关系清晰，易于实施，节省了技术人员工作时间；（2）从资源成本角度考虑，DMA 流量分配法与水业分区计量平台结合，充分利用了智能物联网终端产生的运行监测数据，推动数据中心资源整合利用；（3）从模型应用维护角度考虑，后期模型维护只需要维护人员根据DMA 流量法节点流量分配原理，修改各级计量数据输入，经过简单的培训即可掌握。采用DMA 流量分配法完成高精度管网建模，其应用回报有：（1）调度应用方面，基础调度转变为科学调度，应急处置转变为预警处置，保障供水安全降低运行能耗；（2）漏损控制方面，准确定位漏损点，降低产销差水量。对于爆管事故，能够快速生成关阀处理方案，提高水业服务质量。

4 结论

现今常用的水量分配方法有比流量法、GIS 节点定位法、营销节点法等。建模时需要结合城市管网实际情况及模型的精度要求，选择最适配的方法。随着物联网技术发展，智能终端水表升级，国内供水企业纷纷开展或完善分区计量工作。新形势下，提出基于分区计量系统进行流量分配的方法：DMA 流量分配法，应用于H 市A 区管网建模，模型校核结果为：测压点水压的实测记录值与计算值 差100% ≤(±4)mH2O；85.83% ≤(±2)mH2O；55.18%≤(±1)mH2O；23.15%≤(±0.5)mH2O。该方法巧妙利用分区计量数据，提高了模型精度的同时，简化了数据收集处理工作，具有一定的经济效益，可为今后分区计量体系下供水管网水力建模提供参考。